El tratamiento del agua es el proceso de remover (o reducir) los

Transcripción

1 NIVEL II Tratamiento y Reuso del Agua en Aplicaciones Comerciales / Industriales Por Peter S. Cartwright, P.E. El tratamiento del agua es el proceso de remover (o reducir) los contaminantes del agua. La intención que se tiene para el uso del agua de producto determina el tipo de tecnología de tratamiento al igual que la calidad resultante. Es inmaterial considerar si el requisito consiste en tratar un suministro de agua de pozo municipal o individual que ingresa a una planta, o aguas residuales que salen de la planta; la meta consiste en remover algo (o una buena parte) de ciertos (o todos) los contaminantes en esa corriente particular de agua. Es posible agrupar los contaminantes en cinco clases específicas, como se indica en la Tabla 1. A través de los años, se han desarrollado una gran cantidad de tecnologías de tratamiento para la reducción de contaminantes y la Tabla 2 identifica aquéllas que son apropiadas para cada tipo de contaminantes. Debido a que la remoción de contaminantes gaseosos no es uno de los requisitos principales en la mayoría de las actividades de tratamiento de agua, ésta no se incluye en la Tabla 2. Tabla 1. Contaminantes del Agua Clase Ejemplos Sólidos suspendidos Suciedad, arcilla, materiales coloidales, cieno, polvo, óxidos de metales insolubles, e hidróxidos Orgánicos disueltos Trihalometanos, químicos orgánicos sintéticos, ácidos húmicos, ácidos fúlvicos Iónicos disueltos Metales pesados, sílice, arsénico, nitrato, (sales) cloruros, carbonatos Microorganismos Bacterias, virus, quistes protozoarios, hongos, algas, moho, células de levadura Gases Sulfuro de hidrógeno, metano, radón, bióxido de carbono Suministro y demanda de agua Según la Organización Mundial de la Salud (OMS), alrededor del mundo, 1,100 millones de personas no tienen acceso a agua potable segura para beber y 2,600 millones no cuentan con instalaciones de saneamiento adecuadas. Cada día, casi 6,000 personas que comparten nuestro planeta mueren a causa de enfermedades relacionadas con el agua, la mayor parte de ellos niños. De manera interesante, el volumen total de agua en nuestro planeta se ha mantenido básicamente constante durante millones de años desde que se formó este compuesto. Ciertas reacciones químicas generan agua, tales como aquéllas que ocurren en motores de combustión interna; sin embargo, el agua también es consumida en otras reacciones químicas y pequeñas cantidades de vapor de agua se fugan hacia la atmósfera superior y se pierden en el espacio sideral. En la Tierra, 97 por ciento del agua es agua de mar y del tres por ciento restante dos terceras partes se encuentran actualmente congeladas en capas de hielo, glaciares y nieve permanente. El resto se encuentra en una gran variedad de localidades: más del 98 por ciento de esta agua dulce es agua subterránea; 1.5 por ciento es agua lacustre; menos del 0.02 por ciento es agua de río y mucho menos de eso es agua atmosférica. Otro factor que hay que tomar en cuenta es que la población mundial en 1900 era de apenas 1,600 millones de habitantes y en 1950 era de 2,500 millones. En 2002, la población mundial estimada era de 6,200 millones con una tasa anual de crecimiento de 1.2 por ciento (o 77 millones de personas) por año. Se proyecta que la población mundial en el año 2,050 será entre 7,900 y 10,300 millones de habitantes (Naciones Unidas, 2003). Como resultado de esto, como las provisiones de agua no han cambiado, hay una escasez cada vez mayor de agua de buena calidad disponible para el consumo humano, al igual que para actividades comerciales, industriales, y agrícolas. Debido a que solamente una pequeña fracción del agua global se encuentra disponible para consumo humano, el reuso de aguas residuales está haciéndose cada vez más significativo. Además de la explosión demográfica, otros factores que han contribuido a esta escasez incluyen: también aumenta el uso de agua per cápita). microorganismos. purificar adecuadamente el agua a una mayor escala. Figura 1. Filtro de lecho Figura 2. Filtro de cartucho

2 Reuso de Aguas Residuales Las provisiones de agua cruda por lo general tienen concentraciones de contaminantes bastante menores que la mayoría de las aguas residuales; sin embargo, las mismas tecnologías que son utilizadas para purificar las provisiones de agua cruda (purificación del agua) pueden ser utilizadas para tratar las aguas residuales para su reuso. Una de las principales diferencias es que en la purificación del agua hay por lo general muy poco énfasis en intentar de tratar cada gota de agua, mientras que en el tratamiento de aguas residuales, el generador de estas corrientes de agua se inclina por concentrar los componentes residuales en un volumen tan pequeño como sea posible (para simplificar la descarga o el tratamiento), de tal manera que se recupera un alto porcentaje del agua tratada, la cual puede ser nuevamente utilizada. Los factores motivadores que impulsan las decisiones de tratamiento de aguas residuales son los siguientes: estrictos. de materias residuales en Obras de Tratamiento de Propiedad Pública (POTW). agua cruda. responsabilidad ecológica. material residual concentrado. La clave para el reuso del agua es tener un arsenal de tecnologías disponibles para remover de manera eficiente los contaminantes peligrosos o no deseados del suministro de aguas residuales. No existe ninguna tecnología en particular que pueda eliminar eficientemente todos los tipos de contaminantes; sin embargo, existen tecnologías de tratamiento que pueden, de manera colectiva, reducir eficazmente la concentración de virtualmente cualquier contaminante a niveles aceptables para cualquier uso del agua. El requisito para los diseñadores de sistemas es tener la suficiente experiencia y conocimiento sobre las distintas opciones para poder tomar decisiones inteligentes acerca de cuál es la mejor, y llevar a cabo investigaciones adicionales y posiblemente más pruebas para una corriente de aguas residuales en particular. Tecnologías de tratamiento Afortunadamente, la mayoría de las Tabla 2. Remoción Remoción de Tecnologías de tratamiento de sólidos orgánicos Remoción Remoción de suspendidos disueltos de sales microorganismos PROCESOS BIOLÓGICOS Bioreactor de membrana (MBR) X X Lodo activado X X X Digestión anaeróbica X X Bio-filtros X AIREACIÓN EXTENDIDA Bio-desnitrificación L Bio-nitrificación X X Zanja de Oxidación tipo Pasveer X X X PROCESOS QUÍMICOS OXIDACIÓN QUÍMICA Oxidación catalítica X X Cloración X X Ozonización L Oxidación con aire húmedo X X Precipitación química X X Reducción química X X COAGULACIÓN Químicos inorgánicos X X X Polielectrolitos X X X Desinfección X PROCESOS ELECTROLÍTICOS Electrodiálisis X Electrólisis X EXTRACCIONES Intercambio iónico X Líquido-líquido (solvente) X INCINERACIÓN Lecho fluidizado X X X PROCESOS FÍSICOS ADSORPCIÓN DE CARBÓN Carbón activado granular X X Carbón en polvo X X X Resinas especiales L L Destilación X X X X FILTRACIÓN Filtración de tierra diatomácea X X Filtración de elementos múltiples X X Micro-rastreo X X Filtración de arena X X Floculación-sedimentación X X Flotación por aire disuelto (DAF) X X Separación por espuma X X Congelamiento X X PROCESOS DE MEMBRANA Microfiltración X X Ultrafiltración X X X Nanofiltración X X L X Ósmosis inversa X X X X Arranque (aire o vapor) X X L = bajo ciertas condiciones habrá una efectividad limitada

3 Figura 3. Filtración convencional versus filtración de flujo transversal forzando a una porción de esta corriente a pasar a través de la membrana para lograr la separación de los contaminantes, produciendo una corriente purificada (permeado) y dejando al contaminante concentrado restante en la otra corriente (concentrado), el cual sale del elemento de membrana de manera continua. La figura 3 ilustra la filtración convencional y de flujo transversal. Microfiltración (MF). Se utiliza para remover materiales tecnologías que son utilizadas hoy en día para el tratamiento del agua cruda, son también excelentes candidatos para aplicaciones de reuso de aguas residuales. A continuación proveemos una descripción general de estas tecnologías: Figura 4. Microfiltración Figura 5. Ultrafiltración Filtración Esta tecnología se utiliza principalmente para remover sólidos suspendidos de los suministros de agua. Estos sólidos pueden consistir de suciedad, cieno u otras partículas que puedan interferir con Figura 6. Nanofiltración el uso intencionado del agua o una tecnología de tratamiento corriente abajo. Las tecnologías de filtración incluyen: Filtros de lecho. Consisten de un tanque que contiene elementos granulares tales como arena, antracita, granate, etc. que captura los sólidos suspendidos y los retiene hasta que son eliminados y retrolavados. Los filtros de lecho son típicamente capaces de remover sólidos suspendidos de hasta 10 a 20 micras de tamaño. Filtros de cartucho. Funcionando de igual forma que los filtros de lecho, los filtros de cartucho son inserciones reemplazables (por lo general de forma cilíndrica) que se insertan en portafiltros y se reemplazan una vez han capturado tanto sólidos suspendidos que la disminución de presión a través del portafiltros llega a ser inaceptable (usualmente por encima de 10 psig). Ofrecidos en varios diseños y tasas de remoción (hasta llegar al rango de las submicras), proveen una excelente gama de opciones para los ingenieros de diseño con experiencia. Filtros de bolsa. Estos son similares a los filtros de cartucho, excepto que el elemento es fabricado en una bolsa a través de la cual fluye el agua. Aunque no se encuentran disponibles en tamaños de micras tan pequeños como los de los filtros de cartucho, los filtros de bolsa son por lo general mejor ajustados que los filtros de lecho. Tecnologías de membrana Debido a su versatilidad y a su amplia variedad de aplicaciones, las tecnologías de membrana son procesos claves en las aplicaciones de reuso de aguas residuales. Los cuatro tecnologías principales de flujo transversal impulsadas por presión utilizadas en la actualidad son: microfiltración, ultrafiltración, nanofiltración y ósmosis inversa, las cuales utilizan la presión como fuerza motriz. Estas tecnologías se comportan de manera diferente que los filtros (con algunas excepciones), ya que la corriente de alimento se bombea a una alta tasa de flujo a través de la superficie del elemento de filtro (membrana), Tabla 3. Grado de concentración de los contaminantes C F C C XC F 1 recuperación X factor de concentración Por ciento de recuperación X Figura 7. Ósmosis Inversa suspendidos en el rango de las submicras, de manera continua. El rango de tamaño es de aproximadamente 0.01 micras a una micra (es decir, de 100 a 10,000 ángstroms). Por definición, la microfiltración no remueve los materiales disueltos. La microfiltración se ilustra en la Figura 4. Ultrafiltración (UF). Es el proceso de membrana que remueve el soluto disuelto no iónico, típicamente materiales orgánicos (macromoléculas). Las membranas de ultrafiltración se califican por lo general por su corte de peso molecular (MWCO), que es el peso molecular máximo del compuesto que pasa a través de los poros de la membrana hacia la corriente de permeado. Los tamaños de poro para la ultrafiltración son por lo general de un tamaño menor de 0.01 micras (100 ángstroms). La ultrafiltración se ilustra en la Figura 5. Nanofiltración (NF). Puede considerarse como una ósmosis inversa suelta. Rechaza los contaminantes iónicos disueltos, pero a un menor grado que la ósmosis inversa. Las membranas de NF rechazan un mayor porcentaje de sales multivalentes que sales monovalentes (es decir, 99 por ciento versus 20 por ciento). Estas membranas tienen cortes de peso molecular para sólidos no iónicos que caen por debajo de los 1,000 Daltons. La nanofiltración se ilustra en la Figura 6. Ósmosis Inversa (OI). Produce la más alta calidad de permeado de todas las tecnologías de membrana impulsadas por presión. Ciertos polímeros rechazan más del 99 por ciento de todos los sólidos iónicos y tienen cortes de peso molecular en el rango de 50 a 100 Daltons. La Figure 7 ilustra la ósmosis inversa. Probablemente el asunto técnicamente más desafiante en lo que se refiere al tratamiento de

4 aguas residuales para reuso es el efecto de las altas concentraciones de contaminantes en el diseño del sistema de membranas. Los sólidos suspendidos altamente concentrados aumentarán la propensión de ensuciamiento la ruina de todas las operaciones de sistemas de membrana. Ciertas sales levemente solubles, como las sales de carbonato, sulfato y fosfato de calcio, pueden sobrepasar sus límites de solubilidad y precipitarse. Como se mencionó anteriormente, la variedad de posibles contaminantes que pueden encontrarse en la corriente de aguas residuales es virtualmente interminable, desde contaminantes orgánicos (incluyendo aceites, grasas, y otros compuestos inmezclables) hasta metales pesados y materiales suspendidos como el vidrio, plástico y metal contaminantes en las aguas residuales de procesos de depuración u operaciones de manufactura y agricultura. El grado al que se concentran los contaminantes en el proceso de membrana puede ser definido por la fórmula que aparece en la Tabla 3 y se ilustra en la Figura 8. Tecnología de Bioreactor de Membrana (MBR) La más reciente tecnología de membrana y la más apropiada para las corrientes de aguas residuales que contienen una alta carga de sustancias orgánicas es la tecnología de bioreactor de membrana (MBR). La utilización de bacterias para degradar los contaminantes biológicos en el agua es quizás la tecnología de tratamiento de aguas residuales más antigua y más ampliamente utilizada. Por ejemplo, virtualmente todas las plantas de tratamiento de aguas residuales municipales aprovechan la presencia de bacterias que ocurren de forma natural y desglosan las impurezas como parte de su actividad metabólica normal. En realidad, en la actualidad se utilizan dos procesos distintos de biodegradación: El proceso aeróbico utiliza aire para estimular la actividad de las bacterias aeróbicas, mientras que el proceso anaeróbico utiliza otros tipos de bacterias que prosperan sin la presencia de aire. La medida más común de acción biológica es la demanda bioquímica de oxígeno (DBO), los compuestos orgánicos que son oxidados por la actividad metabólica de las bacterias. La clave para la efectividad de los procesos de biodegradación es la creación y el mantenimiento de una población próspera de bacterias, conocida como biomasa. Típicamente, la biomasa queda suspendida en las aguas residuales en lo que se conoce como un sistema de crecimiento suspendido, o es ligada a la superficie en lo que se conoce como sistema de película fija. Dentro de la categoría de crecimiento suspendido existen varias opciones de diseño que incluyen: Dentro de la categoría de película fija, las opciones de diseño incluyen: Percent recovery Figura 8. Efecto de la recuperación en el factor de concentración Feed Air Proceso MBR MBR es una derivación del concepto de crecimiento suspendido e involucra el uso de una membrana de microfiltración o ultrafiltración para filtrar el agua tratada y remover las partículas, demanda bioquímica de oxígeno (DBO) y microorganismos. El permeado (efluente tratado) es recuperado y, de ser necesario, se purifica aún más utilizando ósmosis inversa o algún otro proceso de pulido. La corriente de agua concentrada (no tratada) es regresada al tanque de biorremediación. En comparación con otros procesos biológicos, MBR ofrece las siguientes ventajas: productos químicos. hidráulica (TRH) y del tiempo de retención de lodo (TRL). biomasa con sólidos suspendidos del licor mezclado (MLSS, en inglés) por encima de 15,000 mg/l. estabilidad de algunos procesos como la nitrificación. Las configuraciones de dispositivo de membrana más comúnmente utilizadas hoy en día son de fibra vacía (capilar) y placa y marco, aunque los dispositivos tubulares y espirales están siendo cada vez más utilizados Concentration factor El tratamiento biológico más común es el aeróbico y, típicamente, se forman burbujas de aire en el tanque de tratamiento. Un método muy popular consiste en sumergir el elemento de membrana en el tanque de tratamiento y, ya sea permitir que la cabeza hidrostática de la solución provea la fuerza impulsora, o utilizar una bomba para halar el permeado a través de la membrana (o ambos). Las burbujas de aire son también dirigidas hacia la parte superior de la superficie de la membrana (arrastre de aire) en un esfuerzo por reducir el ensuciamiento. Otro diseño consiste en colocar el sistema externo de membrana en el tanque de tratamiento y otro diseño más utiliza un tanque separado para Figura 9. Diseño de Reactor Biológico de Membrana (MBR) Sumergido (izquierda) y Externo (derecha) Concentrate Permeate Membrane Diffuser Immersed Feed Air Diffuser External Membrane Permeate

5 el proceso de membrana corriente debajo del tanque de tratamiento biológico. Es casi seguro que surgirán nuevos diseños y configuraciones al empezar a utilizarse más ampliamente la tecnología MBR. La Figura 9 ilustra las aplicaciones aeróbicas MBR tanto para diseños sumergidos como para diseños externos. Conclusión El reuso del agua está convirtiéndose rápidamente en una realidad por todas las razones mencionadas anteriormente; sin embargo, diseñar el sistema más efectivo y económico requiere exámenes minuciosos y completos de las corrientes de aguas residuales de cada planta por parte de un ingeniero competente, con experiencia. Acerca del autor Peter S. Cartwright, Presidente de Cartwright Consulting Company, de Minneapolis, Minnesota es un Ingeniero Profesional registrado con el Estado de Minnesota. El Ing. Cartwright ha estado involucrado en la industria de tratamiento de agua desde 1974, ha sido autor de más de 125 artículos, ha dado más de 125 ponencias en conferencias alrededor del mundo y ha recibido tres patentes. El Ing. Cartwright ha presidido varios comités y equipos de trabajo de la Asociación de Calidad del Agua (WQA, en inglés) y ha recibido el Premio al Mérito de dicha organización. Como miembro del Comité de Revisión Técnica de la Revista WC&P desde 1996, sus conocimientos tecnológicos incluyen procesos de separación tales como ósmosis inversa, ultrafiltración, microfiltración, electrodiálisis, desionización, adsorpción de carbón, ozonización, y destilación. El Ing. Cartwright es también Consultor Técnico de la Asociación Canadiense de Calidad del Agua. Contacto: teléfono (952) ; fax (952) ; correo electrónico: pscartwright@msn.com; o sitio de Internet: www. cartwright-consulting.com. Llamado para Nominaciones: Premios de Liderazgo de WQA La Water Quality Association (WQA Asociación de Calidad del Agua) reconoce anualmente a aquellos individuos en la industria de mejora de la calidad del agua con ocho distintas categorías de premios. Los ganadores son seleccionados a través de nominaciones que son presentadas por miembros como USTED. Por favor tome un momento para visitar el sitio web de la organización hoy mismo y hacer sus nominaciones. Los ganadores serán reconocidos durante el evento Aquatech USA 2010 de la WQA.