USO DE MEMBRANAS PARA EL TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES

USE OF MEMBRANES FOR THE WASTEWATER TREATMENT

Gloria Lucia Camargo Millán.

Escuela de Ingeniería Metalúrgica. Facultad de Ingeniería.

Universidad Pedagógica y Tecnológica de Colombia. U.P.T.C.

Tunja, Boyacá.

Docente ocasional tiempo completo

e-mail:glorilu@hispavista.com

RESUMEN

Es interesante considerar además de las tecnologías

tradicionales para el tratamiento de aguas residuales el uso

de membranas, debido a que estas ofrecen diversas ventajas

tales como: La variedad tanto de los tipos de membranas

comerciales como de los procesos de tratamiento, los cuales

pueden solucionar problemas específicos de contaminación

además brindan la posibilidad de obtener un tratamiento muy

completo del efluente incluyendo control microbiológico con

un mínimo equipo, lo que permite cumplir con la normatividad

ambiental vigente.

ABSTRACT

It is interesting to consider besides the traditional

technologies for the treatment of residual effluents the use

of membranes, because these they offer diverse such

advantages as: The so much variety of the types of commercial

membranes as of the processes of treatment, which can solve

specific problems of contamination also offer the possibility

to be obtained a very complete treatment of the residual

effluent including microbiological control with a minimum

team, what allows to fulfill the effective environmental

standards.

PALABRAS CLAVES

Membranas, Tratamiento, Aguas residuales.

KEYWORDS

Membranes, Treatment., Wastewater

REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS

1. AWWA, et al, 1998, ¨Tratamiento del agua por procesos de

membrana: principios, procesos y aplicaciones¨, McGraw-Hill,

Madrid.

2. CAMARGO MILLÁN, Gloria, 2001, ¨Acople de una unidad de

electrodiálisis a un bioreactor anaerobio de micromembrana¨.

Universidad de los Andes. Facultad de Ingeniería. Bogotá

D.C.

3. FUNDACION MAPFRE, 1994, ¨Manual de Contaminación Ambiental¨,

Editorial MAPFRE S.A., Madrid.

4. METCALF Y EDDY, 1991, ¨Wastewater Engineering: Treatment,

Disposal and Reuse¨, McGraw-Hill International edition,

Singapore.

5. RITTMANN, B Y MCCARTY, P, 2001, ¨Biotecnología del medio

ambiente: Principios y aplicaciones¨, McGraw-Hill, Madrid.

6. VISVANATHAN, C, 2000, ¨Membrane separation bioreactors for

wastewater treatment¨, Critical Reviews an environmental science and

technology, 30(1): 1-48.

Fig. 2.1 CONFIGURACION DE MARCO Y PLATO

ALIMENTO CONCENTRADO

PERMEADO

MEMBRANA

PLACA

PERMEADO

Fig. 2.1 PLATE AND FRAME MODULE

ALIM ENTOCONCENTRADO

PERM EADO

COLECTOR DE PERM EADO

M EM BRANA

ESPACIADOR

ALIM ENTOCONCENTRADO

PERM EADO

COLECTOR DE PERM EADO

M EM BRANA

ESPACIADOR

Fig. 2.2 CONFIGURACION DE MEMBRANA EN ESPIRAL

Fig. 2.2 SPIRAL MODULE

CONCENTRADO

PERM EADO

ALIM ENTO

CONCENTRADO

PERM EADO

ALIM ENTO

Fig. 2.3 CONFIGURACION DE MEMBRANA TUBULAR

Fig. 2.3 TUBULAR MODULE

Fig. 2.4 CONFIGURACIÓN DE MEMBRANA DE FIBRA HUECA

Fig. 2.4 HOLLOW FIBER MODULE

PERM EADO

CONCENTRADO

ALIM ENTO

FIBRA HUECA

PERM EADO

CONCENTRADO

ALIM ENTO

FIBRA HUECA

1. INTRODUCCION

El uso de membranas para el tratamiento de efluentes

residuales se ha incrementado en los últimos años, debido a

los siguientes factores: Su uso permite mejorar notablemente

la calidad ambiental de los efluentes residuales y el segundo

factor es la gran innovación de productos por parte de los

fabricantes. Entre las configuraciones de módulos de

membranas ofrecidas por los productores se encuentran: la de

marco y plato, la espiral, la tubular y la de fibra hueca.

Los procesos de aplicación de membranas se enuncian a

continuación: Diálisis, Electrodiálisis, Pervaporación,

Nanofiltración, Ultrafiltración, Microfiltración y Osmosis

Inversa. En el presente escrito se describen las

configuraciones de membrana y los procesos de aplicación de

las mismas, terminando con una breve descripción de un caso

práctico para el tratamiento de aguas residuales industriales

a nivel piloto utilizando procesos de membrana realizado en

Colombia.

2. CONFIGURACIONES DE MODULOS DE MEMBRANAS

2.1. MARCO Y PLATO

En la Fig. 2.1 se observa una configuración típica de

membranas de marco y plato la cual se caracteriza por que el

flujo del agua residual o alimento a tratar se divide en dos

corrientes: El concentrado o retenido y el permeado. El

concentrado esta constituido por aquellas sustancias que son

retenidas o no pasan a través de la membrana y el permeado

esta formado por las sustancias que atraviesan la membrana.

2.2. ESPIRAL

En la Fig. 2.2 se puede observar la configuración de

membrana de modulo en espiral, la cual permite que el agua

residual a filtrar o alimento recorra toda la membrana, el

permeado es recogido en un canal central y la corriente de

concentrado sale por la espiral de la configuración.

2.3. TUBULAR

La Fig. 2.3 muestra una configuración de membrana del tipo

tubular, se fabrican de diámetros entre ½ pulgada a 1

pulgada. Son básicamente hojas enrolladas sobre sí. Tienen la

ventaja de soportar bien temperaturas altas y amplios rangos

de pH. Su operación es sencilla, la corriente de agua a

tratar entra por un extremo, por un canal inferior se recoge

el permeado y por una serie de tubos internos de la membrana

se obtiene el concentrado.

2.4. FIBRA HUECA

En la Fig. 2.4 se observa un modulo de membrana del tipo

fibra hueca, esta configuración se caracteriza por tener una

gran área de filtración si se compara con el mínimo espacio

que ocupa, se puede considerar como un tubo lleno de

microfibras huecas. El principio de operación es el

siguiente: el alimento entra por un extremo el permeado sale

tangencialmente de la membrana y el concentrado queda

retenido dentro de la membrana (AWWA, et al, 1998).

3. PROCESOS DE APLICACIÓN DE MEMBRANAS

3.1. DIALISIS

El soluto pasa a través de una membrana debido a una

diferencia de concentración de las soluciones, en este

proceso se retienen macromoléculas. La principal aplicación

de este proceso de membrana es la hemodiálisis.

3.2. ELECTRODIALISIS

La Electrodiálisis utiliza una diferencia de potencial

eléctrico para permitir el paso de iones a través de una

membrana cargada selectivamente (permite el paso de unos

iones y de otros no) a partir de una solución rica en los

iones de interés a una solución en principio diluida. Las

principales aplicaciones de este proceso son la desalinación

de agua de mar de gran aplicación en el Japón, la remoción de

iones metálicos, ácidos y bases de aguas residuales y

desmineralización del agua.

Un inconveniente encontrado en el proceso de electrodiálisis

es el ensuciamiento de las membranas, debido a la

precipitación química de algunas sales de baja solubilidad

las cuales se depositan sobre las mismas, así como también la

presencia de materiales coloidales. El uso de un

pretratamiento con carbón activado seguido de precipitación

química y filtración reduce el ensuciamiento.

3.3. PERVAPORACION

Este proceso permite la remoción de sustancias orgánicas

volátiles a partir de un cambio de fase de líquido a vapor.

La membrana es hidrofóbica es decir no permite el paso del

agua pero si de los compuestos volátiles presentes en esta.

La aplicación es la remoción de compuestos orgánicos

volátiles de efluentes residuales.

Los procesos de membrana que se describen a continuación

requieren la aplicación de una diferencia o gradiente de

presión.

3.4. MICROFILTRACION

Mediante la Microfiltración es posible remover partículas en

el intervalo de 0.1 a 1 micrón. En general, son rechazadas

las partículas en suspensión y los coloides grandes, mientras

que las macromoléculas y los sólidos disueltos pasan a

través de la membrana. La Microfiltración se aplica en la

remoción de bacterias, material floculado y sólidos totales

disueltos en aguas de enfriamiento. Las presiones de trabajo

típicas están entre 50 – 500 Kpa.

3.5. ULTRAFILTRACIÓN

La Ultrafiltración permite la separación macromolecular de

partículas en el intervalo de 20 a 100 A. De nuevo, todas las

sales disueltas y las moléculas más pequeñas pasan a través

de la membrana. Mediante ultrafiltración es posible separar

coloides, proteínas, contaminantes microbiológicos y

moléculas orgánicas grandes (peso moléculas entre 1000 y

100.000). La presión a través de la membrana es del orden de

50 a 500 KPa. Entre las aplicaciones a nivel industrial se

encuentran el tratamiento de aguas de lavado de cabinas de

pintura por electrofóresis (recirculación de pigmentos y

resinas de pinturas) y tratamiento de aceites solubles

usados. La ultrafiltración también puede ser utilizada en la

remoción de nutrientes causantes de la Eutroficación de

cuerpos de agua, específicamente el fósforo.

3.6. NANOFILTRACIÓN

Se refiere a procesos de membranas especiales que separan

partícula en el intervalo de 1 nm, de ahí el nombre de

Nanofiltración. La Nanofiltración opera en el intervalo entre

Ultrafiltración y ósmosis reversa. Las moléculas orgánicas

con pesos moleculares mayores a 200 g/mol son separadas, así

como las sales disueltas en el intervalo de 10-98%. Las sales

con aniones monovalentes (NaCl, CaCl2 ) son rechazadas en un

20-80%,mientras que las sales que tengan aniones divalentes

(MgSO4 ) logran separaciones mayores del 90-98%. Las

aplicaciones típicas son: en remoción de color y compuestos

orgánicos en aguas superficiales, remoción de dureza de aguas

de pozo, reducción de sólidos disueltos totales y en

aplicaciones de alimentos. La presión típica a través de la

membrana se encuentra entre 0.5 y 15 Mpa.

3.7. OSMOSIS INVERSA

Con el proceso de osmosis inversa (OI) se obtiene el nivel

más fino de filtración posible. Las membranas de OI actúan

como barreras a todas las sales disueltas y moléculas

inorgánicas con un peso molécular mayor de 100 g/mol. Las

moléculas de agua pasan libremente a través de la corriente

generando una corriente purificada. El rechazo de sales

disueltas de una membrana de OI es típicamente del orden de

95-99% Las aplicaciones son numerosas y variadas, siendo las

más comunes: desalinización del agua de mar y agua salada

para consumo humano, recuperación de aguas de desecho,

procesamiento de bebidas y alimentos, tratamiento de agua

residual de procesos industriales, separaciones biomédicas,

tratamiento de agua para la industria electrónica y para la

producción de energía. También es muy común el uso de OI

antes de un sistema de intercambio iónico, con el fin de

lograr una reducción importante en los costos de regeneración

de resinas. La presión a través de una membrana de OI para

desalinización de agua de mar esta entre 5 y 8 MPa. Otro

factor importante a controlar en el proceso OI es el pH del

agua de alimentación al proceso el cual debe estar entre 4.0

y 7.5.

4. TRATAMIENTO CON MEMBRANAS A NIVEL BIOLOGICO

Los tres tipos de aplicaciones para membranas en tratamiento

biológico son: Separación de Biosólidos, Aireación de la

biomasa y Extracción selectiva de contaminantes. Estas tres

aplicaciones no solo se utilizan de manera aislada, también

pueden usarse combinadas sumándose las ventajas de estos

procesos. El reactor biológico de membrana (MBR) ofrece

ventajas adicionales sobre los procesos de tratamiento

anaerobios convencionales, entre estas se encuentran:

Excelente calidad de agua tratada, disminución del volumen de

los equipos necesarios, disminución de la cantidad de lodos

producidos, altos tiempos de retención celular y de

retención hidráulico y la posibilidad de aplicar altas cargas

orgánicas (VISVANATHAN, C, 2000).

El principal inconveniente del bioreactor de membrana es el

costo adicional debido a los costos de instalación de la

membrana, a los costos energéticos para el bombeo del agua

residual hacia y a través de la membrana y a los costos de

mantenimiento y sustitución de la membrana.

5. CASO PRÁCTICO DE APLICACIÓN DE LOS PROCESOS DE MEMBRANA A

NIVEL PILOTO EN COLOMBIA

En Colombia se han realizado algunos trabajos para la

evaluación del comportamiento de las membranas en el

tratamiento de aguas residuales verificándose las ventajas de

las mismas. Uno de estos trabajos utilizo la electrodiálisis

acoplada a un reactor biológico de membrana para tratar un

efluente de una industria de gaseosas a nivel piloto como una

alternativa respecto a la adición de químicos para arrancar

un reactor anaerobio encontrándose que la electrodiálisis

permite controlar el pH del reactor en valores cercanos a

neutro (pH=7) al remover los Ácidos grasos volátiles (AGV´s)

generados en el proceso de tratamiento del agua residual

(CAMARGO, 2001)

CONCLUSIONES

El uso de membranas es una aplicación muy versátil para el

tratamiento de efluentes residuales si se consideran los

diferentes tipos de módulos de configuraciones de membranas y

los diferentes procesos, lográndose abarcar un rango muy

amplio de contaminantes.

En Colombia en el campo de las membranas y su aplicación en

la recuperación del medio ambiente esta prácticamente todo

por hacerse, las pocas experiencias con procesos de membrana

han sido solamente a nivel piloto. Invito a los lectores

interesados en el área ambiental a considerar esta

interesante alternativa.

Tunja, 16 de diciembre de 2004.

SeñoresCENTRO DE INVESTIGACIONES Y EXTENSIÓN DE LA FACULTAD DECIENCIAS C.I.E.C.U.P.T.C.

Respetados señores:

Por medio de la presente entrego el artículo informativo

corregido de la convocatoria para la presentación de escritos

Revista “CIENCIA EN DESARROLLO” 2004, puedo ser contactada en

la Escuela de Ingeniería Metalúrgica o en la dirección

electrónica glorilu@hispavista.com.

Agradezco de antemano la atención prestada.

Cordialmente,

Gloria Lucia Camargo MillánIng. Química. Magíster en Ing. Civil. Área de ambiental.