Investigación y Desarrollo de Membranas de Ósmosis Inversa con Elevado Rechazo del Ion Nitrato

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1 Investigación y Desarrollo de Membranas de Ósmosis Inversa con Elevado Rechazo del Ion Nitrato RESUMEN García-Castillo, Javier*; FACSA Ebrí, Miguel; FACSA García-Molina, Verónica*; DOW Water & Process Solutions Villa, Javier; DOW Water & Process Solutions Uno de los principales problemas de las aguas subterráneas es la contaminación por nitratos debida principalmente a los abonos nitrogenados procedentes de la agricultura. El tratamiento de potabilización por ósmosis inversa es una de las mejores tecnologías disponibles hoy en día para la eliminación de nitratos, ya que además reduce considerablemente la salinidad del agua inicial y elimina parcial o totalmente otros contaminantes. Sin embargo, algunas membranas de ósmosis inversa presentan el inconveniente de su bajo rechazo del ión nitrato (NO 3 ) cuando éste está presente a altas concentraciones, como puede suceder en zonas de la Comunidad Valenciana. Adicionalmente, dicho porcentaje de rechazo del ión no suele concordar con todas las bases de datos que se manejan y los resultados obtenidos en campo se alejan de las predicciones que muestran los programas de simulación de membranas. Actualmente, debido a los avances tecnológicos y a la innovación, se están fabricando y comercializado membranas de alto rechazo de nitratos para bajas presiones de trabajo. Se estudia además la idea de trabajar con sistemas híbridos, que combinan diferentes tipos de membranas de distintas características dentro de un mismo tubo de presión, o en las distintas etapas de un bastidor. Mediante esta combinación de membranas, se obtienen óptimas condiciones hidráulicas a lo largo del proceso junto con el máximo rechazo de nitratos y/o otros compuestos. El presente trabajo muestra los resultados de un estudio llevado a cabo en una instalación real y con membranas FilmTec (DOW). Se incluyen por una parte los resultados experimentales y por otra, una comparativa entre el funcionamiento real y las simulaciones teóricas. Se concluye de este trabajo que los resultados en cuanto a rechazo del ión nitrato son mejores que lo esperado y se confirman las elevadas tasas de rechazo de este ión en aguas con elevadas concentraciones mediante este nuevo tipo de membranas. PALABRAS CLAVE Desalación, ósmosis inversa, nitratos INTRODUCCIÓN Situación Actual de la Contaminación por Nitratos La legislación española en el RD140/2003 por el que se establecen los criterios sanitarios de la calidad del agua de consumo humano fija un valor límite de 50 mg/l de nitratos, debiéndose cumplir además que [nitratos]/50 + [nitritos]/3 < 1, donde los corchetes significan concentración en mg/l del ión correspondiente. A pesar de estos valores límite legislados, a la hora de realizar el diseño de una instalación de tratamiento de aguas, se recomiendan los valores, denominados guía, que corresponden al 50% del valor límite. En el caso del ión nitrato dicho valor será de 25 mg/l. 1

2 La concentración de nitratos en las aguas superficiales es generalmente baja, entre 0 y 18 mg/l, pero puede alcanzar niveles más altos como resultado de las actividades agrícolas o de la contaminación por residuos humanos y animales. La concentración usual de nitratos en las aguas subterráneas bajo condiciones aerobias es de unos pocos miligramos por litro. Esta concentración depende fuertemente del tipo de terreno y de la situación geológica. Sin embargo, en los últimos años, el incremento del uso de fertilizantes artificiales y los cambios en el uso de las tierras y las actividades derivadas de la ganadería han provocado el progresivo aumento de los niveles de los nitratos en las aguas subterráneas. En relación con la calidad de las aguas subterráneas (Libro Blanco del Agua en España, 2000) los principales problemas detectados son la salinización, entendiéndose como el incremento en contenido de sulfatos o de cloruros, y la contaminación debida a nitratos, metales pesados y compuestos orgánicos. En la actualidad, se puede estimar que alrededor del 88% de municipios y del 55% de la población valenciana satisface sus necesidades de agua potable a partir de la explotación de acuíferos, al igual que ocurre con más del 55% de la superficie regada. La generalizaron de los bombeos excesivos ha abocado a un régimen de sobreexplotación de muchos acuíferos, con descensos acusados de los niveles piezométricos y salinización de los recursos almacenados. De hecho, la intrusión marina y el exceso de nitratos en acuíferos costeros se hallan muy extendidos en un gran número de sistemas. Una de las fuentes difusas que contribuyen a la contaminación de las aguas es la aplicación inadecuada de los fertilizantes nitrogenados en agricultura. Tecnologías de Tratamiento De los procesos de tratamientos de aguas que permiten reducir el contenido de nitratos se va a incluir una breve descripción del proceso centrada en la eliminación de nitratos, las características de las aguas que permiten su aplicación, y las ventajas y los inconvenientes de su aplicación. Procesos biológicos de desnitrificación. Este proceso consiste en la reducción de los nitratos a nitrógeno mediante bacterias en un bioreactor anóxico. En principio, podría aplicarse siempre independientemente del contenido de ión nitrato en el agua. Sin embargo, el contenido de sólidos totales disueltos (STD) no varía de forma significativa con este tratamiento, lo que puede constituir una limitación para su aplicación en fuentes de abastecimiento de alta salinidad o dureza del agua. La principal ventaja de este proceso es la eliminación efectiva de los nitratos, sin formar efluentes líquidos concentrados de difícil gestión. Intercambio iónico. Este proceso presenta un funcionamiento cíclico. El ciclo de tratamiento consiste en el paso del agua a tratar a través de un lecho de resina intercambiadora de naturaleza aniónica fuerte, en la cual los iones nitrato son intercambiados por los iones cloruro o bicarbonato de la resina hasta que se agota la capacidad de intercambio de la misma. En el ciclo de regeneración, la resina agotada se tiene que regenerar mediante una disolución concentrada de cloruro sódico o bicarbonato sódico. Finalmente, se requiere realizar un enjuague a contracorriente de la misma. Puede ser una alternativa atractiva, especialmente en instalaciones de pequeño y mediano tamaño para tratar aguas con bajo contenido en STD (500 mg/l). Esta limitación está impuesta por la capacidad de intercambio de la resina. Para la eliminación de nitratos en aguas con más de mg/l de STD las tecnologías de membranas, electrodiálisis reversible (EDR) y ósmosis inversa (OI), serían más efectivas. El mayor problema de esta tecnología es la gestión de la salmuera de regeneración. Desnitrificación catalítica. En la desnitrificación catalítica se eliminan los nitratos mediante un proceso químico de reducción. En medio básico, el ión nitrato se puede reducir a amoníaco gaseoso 2

3 mediante hierro y en presencia de cobre como catalizador. Otra posibilidad es la reducción mediante aluminio en polvo. Más recientemente se ha desarrollado otro proceso catalítico en el que tiene lugar la reducción de los nitratos a nitrógeno gaseoso mediante un catalizador de paladio-cobre o paladio-estaño en presencia de hidrógeno, a través de una serie de pasos en los que se forman nitritos y óxidos de nitrógeno como productos intermedios. Estas tecnologías no se aplican a escala industrial, están todavía en vías de desarrollo. La ventaja de esta técnica es que los nitratos son eliminados y no desplazados a otra disolución. Sin embargo, mediante los procesos que utilizan hierro o aluminio se generan subproductos nocivos para la salud humana. Electrodiálisis reversible (EDR). Es una técnica de separación en la que las sales disueltas son transportadas a través de membranas iónicas por la acción de un campo eléctrico. Los cationes migran hacia el cátodo atravesando las membranas catiónicas y los aniones hacia el ánodo atravesando las membranas aniónicas. Debido a una distribución alterna de las membranas, los iones capaces de atravesar las membranas catiónicas son detenidos por la aniónicas y viceversa. Como consecuencia de este flujo de iones, los cationes y los aniones se acumulan en los compartimentos de concentrado que originan la corriente de rechazo del proceso, y un agua con bajo contenido iónico se produce en los compartimentos de dilución dando lugar al agua producto. La polaridad de los electrodos se invierte regularmente para prevenir la colmatación de las membranas. El nivel de reducción del contenido de nitratos y de sales en general depende del número de etapas instaladas. En general, una planta con dos etapas elimina el 50% de los iones presentes y nitratos, con una planta de tres etapas se elimina sobre el 75%, una con cuatro etapas elimina sobre el 83%, y así sucesivamente. La limitación en la aplicación de esta tecnología la impone el nivel de STD en el agua a tratar. Esta tecnología se aplica sólo a aguas salobres con un contenido inferior a mg/l de STD. Para contenidos superiores el sistema no resulta económicamente competitivo frente a la OI. Ósmosis inversa (OI). Esta tecnología utiliza membranas semipermeables para la separación de iones y moléculas orgánicas de bajo peso molecular disueltas en el agua alimento. El mecanismo de separación depende de la interacción entre la membrana y los solutos presentes en el agua. Básicamente, un gradiente de presión crea la fuerza impulsora necesaria para el transporte de aquellas sustancias que como el agua presentan afinidad por el material de la membrana y son capaces de disolverse en su estructura y difundirse a través de ésta constituyendo la corriente conocida como permeado. Las sustancias que se disuelven y difunden en menor grado en la membrana son separadas con mayor eficiencia. Esta tecnología se puede aplicar a todo tipo de aguas independientemente de la concentración de ión nitrato en las mismas y de su contenido en STD. La eliminación de ión nitrato depende de la membrana seleccionada, pero en general, todas las membranas existentes en el mercado alcanzan índices de rechazo a este ión superiores al 90%. La ósmosis inversa tiene capacidad de tratar todo tipo de aguas, tanto salobres como agua de mar y es especialmente interesante cuando la reducción del contenido de STD, de ión sulfato, de ión cloruro o la dureza del agua es también un objetivo del tratamiento. Nanofiltración (NF). La nanofiltración, al igual que la OI, es una tecnología de membranas que utiliza la presión como fuerza impulsora del proceso de separación. Sin embargo, las membranas de NF 3

4 presentan una estructura más abierta que las de OI, por lo que la separación es inferior, pero los flujos de agua son mayores. La NF no presenta un alto rechazo frente al ión nitrato si éste se compara con el que presenta frente a iones divalentes. Sin embargo, el rechazo de ión nitrato que pueden ofrecer las membranas de nanofiltración más cerradas podría en algunos casos ser suficiente como para obtener un agua dentro de especificaciones (<50 mg/l). Aunque se trata de un proceso que ya ha demostrado su eficacia en el tratamiento de aguas, y hay instalaciones en las que se aplica esta tecnología con fines de ablandamiento de las mismas, no existen en la actualidad instalaciones en las que se aplique esta tecnología con el objetivo de reducir el contenido de nitratos. Recientes estudios realizados en la Universidad Politécnica de Valencia (Santafé, A. 2005) mostraron mediante la aplicación de una simulación experimental, que el tratamiento de un agua de baja salinidad y con exceso moderado de nitratos (68,3 mg/l), para un sistema con una conversión del 80% que emplease la membrana NF90 (Dow-Filmtec), proporcionaba un rechazo de ión nitrato comprendido entre el 89 y el 94% a lo largo del proceso. El valor de concentración en el permeado total resultó ser de 11,4 mg/l, cumpliendo las especificaciones legales con un amplio margen. Esto demuestra la viabilidad de esta membrana para el tratamiento de aguas con exceso moderado de nitratos, incluso si presentan un contenido ligeramente superior de STD al del agua estudiada. Comparación de los procesos de tratamiento. Todos los tratamientos comentados permiten obtener agua tratada con una concentración de nitratos por debajo de los 50 mg/l que exige la legislación. No obstante, cada proceso lleva asociadas una serie de ventajas, inconvenientes y limitaciones, por lo que hay que evaluar para cada aplicación concreta la alternativa más apropiada. Con el fin de obtener una visión global, en la siguiente tabla se recogen las características de los procesos más utilizados. No se han incluido los procesos de desnitrificación catalítica pues como ya se ha comentado no se aplican a escala industrial. Por el contrario, sí que se ha incluido la NF pues es una tecnología que sí que está desarrollada en la actualidad y se aplica a escala industrial aunque con otros fines. Tras analizar todas las alternativas que existen en la actualidad para el tratamiento de aguas con el objetivo de reducir el contenido de nitratos en las mismas por valores inferiores al máximo legislado, se han seleccionado las tecnologías de membranas, EDR, OI y NF, como las más adecuadas para este fin. La aplicación de una u otra va a depender del volumen a tratar y de las características físicoquímicas del agua concreta. Frente a los otros procesos, las tecnologías de membranas presentan las siguientes ventajas: - Son sistemas fáciles de operar y de controlar. - Son sistemas altamente compactos, con elevadas relaciones espacio/capacidad de producción. - Son sistemas modulares fácilmente adaptables en función de la necesidad de producción de agua tratada. - Requieren poco mantenimiento. Tabla 1 Criterios de selección de los procesos de eliminación de nitratos. Proceso Biológico Intercambio Iónico EDR OI NF Eliminación de MO 1 SI NO NO SI SI Rango de STD (mg/l) Cualquiera <500 <2.000 >1.000 >500 Sensibilidad Oxígeno Sulfatos, cloruros y MO y MO y MO STD STD Facilidad de control NO SI SI SI SI Funcionamiento continuo SI NO SI SI SI Seguridad bacteriológica NO NO NO SI SI Postratamiento SI SI NO SI NO 4

5 Gestión de residuos MO y bacterias SI lodos Agua corrosiva, mezcla con agua bruta SI eluyente de regeneración SI concentrado Mezcla con agua bruta SI concentrado SI concentrado Eliminación de nitratos Alta Muy alta Muy alta Muy alta Alta Modularidad Baja Media Media Alta Alta 1 materia orgánica Modificación de las Técnicas de Membrana para Mejorar la Eliminación del Ion Nitrato Configuraciones de las membranas en los tubos de presión. El trabajo de Gorenflo (Gorenflo et al., 2006) muestra los resultados de un estudio sobre la utilización de una configuración nueva denominada "diseño con etapas internas". En esta comunicación exponen que el aumento de la presión osmótica de la alimentación conduce a una distribución desigual del flujo de permeado a lo largo de los tubos de presión e indican que los efectos negativos de esta distribución desigual del flujo son el aumento de la polarización por concentración y el ensuciamiento de la membrana. Estos hechos conllevan al deterioro prematuro de las membranas con el consecuente incremento de costes, así como a una menor calidad del agua obtenida. Para hacer frente a esta limitación plantean como alternativa colocar membranas con relativa baja permeabilidad en las primeras posiciones y membranas con elevada producción en la parte posterior del tubo de presión. Afirman que esta alternativa proporciona además las siguientes ventajas: - reducción del ensuciamiento de las membranas, - reducción de los costes de infraestructura dado el mayor flujo de permeado por elemento y por tubo de presión, - mayor producción a menores requerimientos energéticos, - mayor recuperación de permeado, lo que mejora la viabilidad económica de la planta. Los resultados mostrados en el citado trabajo respaldan la propuesta de estudio planteada en el presente proyecto, pero planteando como objetivo principal la calidad del agua tratada. Optimización de la configuración del sistema de membrana. Mucho más común que la combinación de elementos dentro de un tubo es la combinación de etapas con diferentes tipos de membrana. Existen varios estudios sobre la optimización de sistemas de membrana, entre los que destaca el trabajo de Lu (Lu et al., 2007). Éstos aplican diferentes técnicas de optimización sobre modelos del comportamiento de los módulos de membrana obtenidos a partir de modelos físicos o modelos obtenidos a partir de resultados empíricos. La optimización más deseable es de tipo multiobjetivo, en la que se llega a un compromiso entre obtener un mínimo coste de inversión y operativo del sistema y maximizar alguna característica deseable de éste, como podría ser en nuestro caso obtener la menor concentración de nitrato posible en el permeado. Tras lo expuesto se concluye que una adecuada configuración del sistema y de la disposición de membranas en el tubo de presión puede llevar a mejorar el rechazo de nitratos de éste, aumentando la durabilidad del sistema y con un coste razonable. OBJETIVOS El Objetivo de este trabajo de investigación se basa en evaluar el funcionamiento de membranas de ósmosis inversa de nueva generación para el tratamiento de aguas con elevado contenido en nitratos. Se pretende además comprobar la fiabilidad de los programas de simulación, en este caso ROSA (Dow Water and Process Solutions, 2010a) a la hora de predecir no únicamente caudales y presiones, sino también concentración y/o rechazo de nitratos. Con el objetivo de dar la máxima veracidad a los 5

6 resultados obtenidos, toda la experimentación se ha llevado a cabo en una instalación real, adaptada para el pilotaje con aguas reales. MATERIALES Y MÉTODOS Definición de la Metodología de Trabajo Durante esta fase se definieron las condiciones de muestreo y análisis comparativo, entre los diferentes híbridos de membranas que se han empleado. Se analizaron todas las necesidades surgidas tomando como base la información del apartado anterior. Se preparó la adquisición de todos los componentes de la instalación piloto, así como de las diferentes membranas a ensayar. Finalmente el estudio se centró en el empleo de la técnica por ósmosis inversa, debido a la salinidad del agua a emplear. Se efectuó sobre una instalación real, una planta desaladora de agua salobre, con alto contenido en nitratos en el agua de aporte, y conversión global del 75%, funcionando en continuo. El agua de alimentación empleada fue el rechazo de la primera etapa de la instalación. El motivo del estudio sobre una planta real fue para evitar las variaciones en las presiones de trabajo o el tipo de agua tratada en cada ensayo (imposibilidad de pilotar simultáneamente varias combinaciones), y evitar así la imposibilidad de representar las condiciones hidráulicas reales a una escala piloto. Para llevar a cabo el estudio se procedió a adaptar bastidores de la planta de potabilización de forma que permitieran la correcta toma de datos. A continuación se muestra en la Figura 1 el esquema de conexiones empleado en la planta real para acoplar la instalación de pilotaje, así como la propia instalación de control del pilotaje en la Figura 2. Figura 1 Esquema conexionado instalación pilotaje con planta real. 6

7 Figura 2 Instalación de control del pilotaje. En cuanto a la metodología de ensayos se definió la siguiente: La toma de datos que se realizó fue de dos de los tres caudales (alimentación, rechazo y permeado), junto con temperatura y presiones (alimentación, rechazo y permeado) y conductividades y contenido en nitratos (alimentación y permeado), todo ello con la siguiente frecuencia: cada cuatro horas al inicio y durante 2 días, después 1 vez al día durante 15 días y, finalmente, cada 7 días durante 2 meses más, para finalizar con 1 vez al mes hasta la actualidad. Además había que planear el muestreo para poder analizar la evolución de los nitratos. Dependiendo de si se realizaban los análisis en la planta o en un laboratorio externo se definió una frecuencia de muestreo más o menos extensa. Los análisis en planta, había que realizarlos con una frecuencia diaria, anotando las condiciones de operación del momento exacto en el que se tomaba la muestra. Para el control de los caudales se emplearon rotámetros para el ajuste rápido y contadores de agua de chorro múltiple con transmisión magnética y clase metrológica B para el ajuste fino y control. Los manómetros son de glicerina de 60 mm de diámetro y de 0-10 bar. Para la medida de parámetros físico químicos, se empleó un conductivímetro portátil marca WTW LF320/Set y un espectrofotómetro de sobremesa de la marca HACH para las medidas in situ. Las muestras enviadas a un laboratorio externo, se enviaron a Iproma, S.L., que posee acreditación ENAC. Descripción de las Membranas Utilizadas Las membranas utilizadas en la realización de este estudio han sido la FILMTEC BW30XFR- 400/34i y FILMTEC BW30HR-440i (Dow Water and Process Solutions, 2010b). 7

8 FILMTEC BW30HR-440i es una membrana que combina una alta producción de permeado debido a su área de 440 pies cuadrados junto con un elevado rechazo de sales obtenido con una nueva y exclusiva tecnología de membrana BW30HR desarrollada por Dow. Para una misma presión de operación, FILMTEC BW30HR-440i produce un 20% más de agua que la membrana FILMTEC BW (ampliamente utilizada en los últimos años) y un 10% más que FILMTEC BW30-440i incluso con un mayor rechazo de sales. Además, incluye la tecnología de interconexión ilec que reduce el riesgo de fugas respecto a los interconectares habituales (Dow Water and Process Solutions, 2010c). Las especificaciones de este producto se resumen en la siguiente tabla: Producto Part number Area activa ft 2 (m 2 ) Grosor espaciador aporte (mil) Caudal permeado gpd (m 3 /d) Rechazo sales estabilizado (%) Mínimo rechazo sales (%) BW30HR-440i 440 (41) (48) 99,70 99,40 Soluto NH 4 + Rechazo estabilizado (%) 99,0 98,5 99,9 83,0 NO 3 - SiO 2 Boron 1. El flujo de permeado y el rechazo de sales se basan en las siguientes condiciones estándar: ppm NaCl, 225 psi (15,5 bar), 77 F (25 C), ph 8 y 15% conversión. 2. Los flujos pueden variar de forma individual para cada membrana pero nunca serán un 15% inferiores al valor mostrado en la tabla. 3. Las especificaciones de venta pueden variar a medida que se realicen revisiones en el diseño del producto. 4. Se garantiza un área activa de +/-3%. Para membranas FilmTec el área activa no es comparable con el área nominal tal y como algunos fabricantes afirman. El método de medición está descrito en el Form No Los rechazos estabilizados específicos para los solutos considerados se han realizado en las siguientes condiciones estándar: ppm NaCl, 225 psi (15,5 bar), 77 F (25 C), ph 8 y 15% conversión. FILMTEC BW30XFR-400/34i dispone de un diseño y materiales de construcción optimizados que permiten conseguir una alta producción y rechazo de sales en aguas proclives al crecimiento microbiológico y al ensuciamiento orgánico. Esta membrana dispone de un espaciador de alimentación con un grosor de 34 milésimas de pulgada, que dificulta la acumulación de materia sobre la membrana (ensuciamiento) y además permite aumentar la eficiencia de las limpiezas. Las especificaciones de este producto se resumen en la siguiente tabla: Producto Area activa ft 2 (m 2 ) Grosor espaciador aporte (mil) Caudal permeado gpd (m 3 /d) Rechazo sales estabilizado (%) Mínimo rechazo sales (%) BW30XFR-400/34i 400 (37) (43) 99,65 99,40 Soluto NH 4 + Rechazo estabilizado (%) 98,8 98,2 99,8 80,0 NO 3 - SiO 2 Boron 1. El flujo de permeado y el rechazo de sales se basan en las siguientes condiciones estándar: ppm NaCl, 225 psi (15,5 bar), 77 F (25 C), ph 8 y 15% conversión. 2. Los flujos pueden variar de forma individual para cada membrana pero nunca serán un 15% inferiores al valor mostrado en la tabla. 3. Las especificaciones de venta pueden variar a medida que se realicen revisiones en el diseño del producto. 4. Se garantiza un área activa de +/-3%. Para membranas FilmTec el área activa no es comparable con el área nominal tal y como algunos fabricantes afirman. El método de medición está descrito en el Form No Los rechazos estabilizados específicos para los solutos considerados se han realizado en las siguientes condiciones estándar: ppm NaCl, 225 psi (15,5 bar), 77 F (25 C), ph 8 y 15% conversión. 8

9 Las dimensiones de ambas membranas se recogen a continuación: Dimensiones pulgadas (mm) Producto A B C D BW30XFR-400/34i 40,0 (1.016) 40,5 (1.029) 7,9 (201) 1,125 ID (29) BW30HR-440i 40,0 (1.016) 40,5 (1.029) 7,9 (201) 1,125 ID (29) * Trademark of The Dow Chemical Company ("Dow") or an affiliated company of Dow RESULTADOS EXPERIMENTALES En este apartado se incluyen por una parte los resultados experimentales obtenidos durante el pilotaje llevado entre 2009 y 2010 y por la otra parte la discusión de los mismos. Los datos de operación obtenidos del pilotaje pueden clasificarse en dos grupos dependiendo de si se puede establecer una comparación directa con el programa de simulación, en este caso ROSA de Dow Water and Process Solutions, o si por el contrario, se necesita un paso intermedio entre toma de muestra y resultado, es decir, es necesario la intervención de algún laboratorio externo para la determinación de una medición en concreto. Dentro del primer grupo se encontrarían todos los valores de operación medidos in-situ, tales como caudales, presiones, temperatura, ph e incluso conductividad. Por otra parte, dentro del segundo grupo podemos encontrar los nitratos, cuyo seguimiento se realizó mediante dos métodos alternativos, como se ha comentado en el apartado de materiales y métodos. Discusión de Resultados Utilizando ROSA Con el objetivo de poder establecer una conclusión sobre cómo de cercano se encuentra el funcionamiento de una instalación de ósmosis inversa con membranas FilmTec a las proyecciones, se utiliza habitualmente el programa de simulación ROSA El procedimiento a seguir se describe a continuación: - Introducir la analítica de alimentación - Definir el sistema adecuadamente: número de cajas de presión, etapas, tipo de membrana, etc. - Introducir parámetros de operación: temperatura, caudal alimentación, presión de alimentación y permeado. - Asumir un Fouling Factor (FF) inicial. Con todos los parámetros anteriores el programa llevará a cabo una simulación en la que se calculará el caudal de permeado así como la conversión (entre otros datos). Debe entonces compararse el caudal de permeado real con el calculado. Si el caudal de permeado real es inferior al calculado, querrá decir que en realidad las membranas están más sucias de lo previsto, y por tanto se ha de rehacer la simulación con un Fouling Factor inferior. Este proceso iterativo basado en introducir diferentes valores de Fouling Factor debe llevarse a cabo hasta que el caudal de permeado calculado coincide con el medido en la instalación. 9

10 Mediante esta iteración, se puede determinar entonces cómo está funcionando la instalación desde el punto de vista de caudales y presiones (que reflejaría el nivel de ensuciamiento) así como a nivel de calidad de agua. Esto es posible ya que cada vez que se realiza la simulación, el programa predice además la calidad del agua permeada así como la del rechazo. En la Figura 3 y Figura 4 se muestra la evolución de la concentración de nitratos en el permeado de la caja de presión que contiene membranas BW30XFR-400i y membranas BW30HR-440i respectivamente. Cabe destacar que en cada uno de los gráficos se incluyen no únicamente los valores simulados con el programa ROSA sino también los valores de nitratos medidos mediante dos laboratorios diferentes. En estas figuras se observa como la predicción de ROSA se encuentra alrededor de los 35 mg/l de nitratos a lo largo de pilotaje y para ambas membranas. También se observa como los resultados de la medición I se encuentra alrededor de 10 mg/l y la medición II alrededor de 15 mg/l. Estos datos conducen por tanto a dos conclusiones: La primera es que ambas membranas parecen tener un rechazo de nitratos similar, lo cual era esperable ya que en cuanto a rechazo de sales ambas membranas son similares y únicamente se diferencian en la habilidad extra para resistir el bio-ensuciamiento que presenta la membrana XFR. En segundo lugar, se ha demostrado que para ambas membranas, el paso de nitratos a través de la membrana es muy inferior al proyectado con ROSA Figura 3 Evolución concentración de nitrato en el permeado. Membrana BW30XFR-400/34i. Figura 4 Evolución concentración de nitrato en el permeado. Membrana BW30HR-440i. 10

11 Se ha mencionado anteriormente que las simulaciones con ROSA permiten por una parte evaluar la calidad del agua obtenida y por otra parte determinar el nivel de ensuciamiento de las membranas mediante el Fouling Factor. Para ambas cajas de presión de llegó a la conclusión que el Fouling Factor se mantuvo alrededor de 0,95 durante todo el pilotaje. A modo indicativo, un Fouling Factor de 1 quiere decir que las membranas se comportan según la especificación y un Fouling Factor de 0,5 indica que las membranas producen un 50% del agua permeada que deberían estar produciendo. El hecho de que ambas cajas se hallan mantenido en un FF de 0,95 implica que las membranas no han experimentado ninguna pérdida de caudal debida a ensuciamiento biológico, coloidal, precipitación de sales, etc. Discusión de Resultados Utilizando FT-NORM FT-NORM (Dow Water and Process Solutions, 2010d) es un programa de simulación que permite evaluar el funcionamiento de una instalación de ósmosis inversa independientemente de las variaciones que puedan llevarse a cabo en los parámetros de operación o en el agua de alimentación. Según esto, una vez introducidos los parámetros de operación en el programa, éste calcula el caudal de permeado normalizado y el paso de sales normalizado. Dado que estos dos valores están normalizados, cualquier variación tanto en el caudal como en el paso de sales, será debido únicamente a cambios que haya experimentado la membrana. A modo de ejemplo, un aumento en el caudal normalizado podría ser el resultado de por ejemplo la oxidación de la membrana y una disminución del mismo podría deberse a la precipitación de sales en la superficie de la membrana. La utilización de este programa de normalización presenta ventajas y desventajas respecto a la utilización de ROSA para la evaluación del funcionamiento de una instalación. La principal ventaja es que en FT-NORM no hace falta llevar a cabo ninguna iteración, es decir, con introducir los datos de operación en el programa es suficiente para calcular los parámetros normalizados. Por otra parte, la principal desventaja es que FT-NORM únicamente predice caudal y paso de sales normalizado y por tanto no es muy útil a la hora de evaluar el rechazo de otras especies tales como los nitratos. En la Figura 5 y Figura 6 se muestra el caudal y el paso de sales normalizados para cada una de las cajas de presión. En estos gráficos se representa además los valores normalizados de caudal de permeado y de paso de sales correspondientes a la proyección realizada con ROSA con un Fouling Factor de 1. El primer hecho a destacar es que la caja de presión que contiene las membranas BW30HR-440i presenta un caudal de permeado y un rechazo de sales ligeramente superior al que presenta la membrana BW30XFR-400i. El mayor caudal de permeado normalizado se debe principalmente a la mayor área activa que dispone la membrana BW30HR-440i (440 pies cuadrados frente a 400). Tal y como se ha descrito anteriormente, en los gráficos también se representan los valores correspondientes a la proyección de ROSA. Por una parte, el paso de sales de ambas membranas es muy inferior al valor proyectado por ROSA. Este hecho estaría de acuerdo con los datos mostrados anteriormente respecto a la concentración de nitratos en el permeado. En cuanto al caudal de permeado normalizado, se observa que en ambas cajas de presión el caudal de permeado normalizado se asemeja al caudal de permeado normalizado correspondiente a la proyección de ROSA con un Fouling Factor de 1. Estos resultados estarían de acuerdo con lo comentado en el capítulo anterior, en el que se concluía que ambas cajas de presión habrían estado funcionando a un Fouling Factor de 0,95 durante todo el pilotaje. 11

12 Figura 5 Evolución caudal de permeado y paso de sales normalizado. Membrana BW30XFR-400/34i. Figura 6 Evolución caudal de permeado y paso de sales normalizado. Membrana BW30HR-440i. CONCLUSIONES En este trabajo experimental se han probado dos tipos de membranas de la casa FimTec Dow Water and Process Solutions para la eliminación de nitratos de un agua de pozo contaminada con residuos procedentes de la agricultura. Los dos tipos de membranas utilizadas han sido la BW30HR-440i y la BW30XFR-400i. Ambas membranas son de alto rechazo en sales y la principal diferencia entre ellas es que la membrana BW30XFR ofrece mayor resistencia al ensuciamiento y dispone de un espaciador de alimentación mayor (esto implica menor área activa). Cada tipo de membrana ha sido operado en una caja de presión de una segunda etapa de una instalación de mediana capacidad. De los resultados obtenidos se concluye que: - Tanto el rechazo de sales en general (así como el rechazo de nitratos en particular) ha sido mejor que los valores proyectados. El paso de sales ha sido de aproximadamente un 15% 12

13 inferior a lo esperado y el paso de nitratos un 40% por debajo de lo esperado. En este aspecto también cabe destacar que aunque la calidad de permeado ha sido similar para ambas membranas, el rechazo de sales y de nitrato de la membrana BW30HR-440i ha sido ligeramente superior. Esto estaría de acuerdo con el mayor rechazo de esta membrana según las especificaciones. - En cuanto al caudal de permeado, cabe destacar que ambas membranas han trabajado a un caudal de permeado normalizado constante, lo cual indica que no ha habido episodios de ensuciamiento, precipitaciones, etc. Según la comparativa con ROSA 7.0.1, ambos tubos de presión han estado trabajando a un Fouling Factor cercano a 0,95. - De acuerdo con los resultados obtenidos, ambas cajas de presión han producido agua de excelente calidad y no se han observado problemas relacionados con ensuciamiento biológico. Según esto, y dado que la membrana BW30HR-440i produce más agua dado que tiene un 10% más de superficie filtrante que la BW30XFR-400i, parece ser que la membrana BW30HR- 440i es más adecuada para la eliminación de nitratos de agua de pozo. AGRADECIMIENTOS/RECONOCIMIENTOS FACSA quiere expresar su agradecimiento al Instituto de la Mediana y Pequeña Industria Valenciana (IMPIVA) por la concesión de ayudas a la investigación a través del programa de Investigación y Desarrollo Tecnológico para Grandes Empresas. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS Ministerio de Medio Ambiente (2000). Libro Blanco del Agua en España, ISBN Santafé, A. (2005). Estudio de la influencia del contenido iónico y el ph sobre el comportamiento de la nanofiltración en la potabilización de aguas con exceso de nitratos. Tesis Doctoral. Universidad Politécnica de Valencia, Gorenflo A, Casañas A, García-Molina V. (2006). Diseño con etapas internas para plantas desaladoras. VI Congreso Nacional AEDyR. Palma de Mallorca, Yan-Yue L, Yang-Dong H, Xiu-Ling Z, Lian-Ying W, Qing-Zhi L. (2007). Optimum design of reverse osmosis system under different feed concentration and product specification. Journal of Membrane Science; 2007; 287: Dow Water and Process Solutions (2010a). Reverse Osmosis System Analysis Software. Descargable desde Dow Water and Process Solutions (2010b). Membranas Filmtec. Productos. Descargables desde Dow Water and Process Solutions (2010c). Tecnología ilec (Interlocking Endcaps. Descargable desde Dow Water and Process Solutions (2010d). Software para normalización de datos operación de sistemas de membranas de ósmosis inversa. Descargable desde 13

14 CONTACTO Persona de contacto: F. Javier García Castillo. Organización: FACSA. Dirección: Mayor, 82-84; Castellón de la Plana. Teléfono: Fax: