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“AÑO DEL BUEN SERVICIO AL CIUDADANO” UNIVERSIDAD NACIONAL JOSÉ FAUSTINO SÁNCHEZ CARRIÓN

FACULTAD DE INGENIERÍA AGRARIA, INDUSTRIAS ALIMENTARIAS Y AMBIENTAL E.A.P. INGENIERÍA AMBIENTAL “APLICACION DE TECNOLOGIAS DE MEMBRANAS PARA AGUA DE CONSUMO HUMANO” CICLO:

VII

DOCENTE: ING. NUNJA GARCÍA, JOSÉ VICENTE ASIGNATURA: TRATAMIENTO DE AGUAS INDUSTRIALES PRESENTADO POR:



LUGO CURI, JENNYFER DANIELA



MORALES GARCÍA, ÁNGEL JHONATAN



TRUJILLO REYNOSO, CÉSAR LEONÍDES

HUACHO-PERÚ 2017

“ APLICACION DE TECNOLOGIAS DE MEMBRANAS PARA AGUA DE CONSUMO HUMANO” Página |2

CONTENIDO 1.

Introducción………………………………………………………………..3

2.

Problema General…………………………………………………………..5 2.1

3.

4.

Problemas Específicos………………………………………………...5

Objetivos…………………………………………………………………...5 3.1

Objetivo General………………………………………………………5

3.2

Objetivos Específicos…………………………………………………5

Marco Teorico……………………………………………………………...6

4.1 La Tecnología De Membranas Se Aplica A Numerosos Campos………….7 4.2 Aplicacion De Tecnologias De Membranas Para Agua De Consumo Humano………………………………………………………...……….….9 4.2.1 Tecnologia De Membranas Aplicada A La Potabilización………11 4.2

Clasificación De Membranas………………………………………...13

4.3

Diferencia De Los Filtros…………………………………….……...19

4.4

Tipos De Membranas De Fibra Hueca Operadas A Presión………...20

4.5

Aplicaciones Al Tratamiento De Agua Para Consumo Humano……24

5.

CONCLUSIONES………………………………………………………..28

6.

RECOMENDACIONES………………………………………………….29

7.

REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS……………………………………30

8.

ANEXOS………………………………………………………………….31

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“ APLICACION DE TECNOLOGIAS DE MEMBRANAS PARA AGUA DE CONSUMO HUMANO” Página |3

1 INTRODUCCIÓN En la Visión Mundial del Agua para 2025 que fue dada a conocer en el Segundo Foro Mundial del Agua de La Haya, Holanda se establece «Todo ser humano debe tener acceso seguro al agua para satisfacer sus necesidades de consumo, saneamiento, producción de alimentos y de energía, a un costo razonable. El abastecimiento del agua para la satisfacción de estas necesidades básicas debe realizarse en armonía con la naturaleza». El agua es indispensable para la vida y es necesario poner a disposición de los consumidores un abastecimiento satisfactorio, haciendo todo lo posible para obtener la mejor calidad que la tecnología permita. El primer objetivo es proteger al agua de la contaminación, lo que se obtiene mediante la protección de la fuente de abastecimiento, antes que la remoción de contaminantes del agua para hacerla apta para consumo. En el ámbito doméstico, el agua que se usa es potable, esto es, apta para consumo humano. Sin embargo, el agua es utilizada en otras actividades como el lavado de ropa, de aceras y autos, aseo personal y de hogares, así como cocinar. Finalmente, para beber se destinan sólo 800 litros por persona al año, mientras que el consumo para todo uso per cápita anual puede ascender a entre diez y mil veces más. Para ser apta para consumo humano el agua requiere de una serie de tratamientos que se establecen acordes a su calidad inicial. La fuente de abastecimiento y las circunstancias en el sitio en particular son lo que definirán la calidad del agua de dicha fuente, las dificultades que tendrán que enfrentarse para hacerla potable y las complejidades de los tratamientos que se deberán aplicar para convertirla en inocua (una de las características principales que debe cumplir el agua para ser considerada apta para consumo humano). Puede decirse que, en general, el agua subterránea es de mejor calidad y requiere menos tratamiento INGENIERIA AMBIENTAL

“ APLICACION DE TECNOLOGIAS DE MEMBRANAS PARA AGUA DE CONSUMO HUMANO” Página |4 para su uso puesto que no acarrea sedimentos suspendidos, mientras que el agua superficial, por esa razón, requiere de 64 tratamientos diferentes y más complejos para la remoción de esos sólidos suspendidos y sustancias asociadas. El primer paso para potabilizar agua es determinar la calidad inicial del agua en la fuente de abastecimiento, lo que permitirá diseñar el tratamiento necesario. Es posible que el agua contenga metales, materia orgánica disuelta o particulada, color, sabor y olor desagradables, bacterias, virus, parásitos y otros microorganismos, grandes cantidades de calcio y magnesio, hierro y manganeso, carbonatos, bicarbonatos, cloruros o sulfatos en exceso, sustancias orgánicas de toxicidad elevada, etc. La lista puede ser muy larga y sin embargo, son pocas las sustancias cuya presencia se verifica en el agua para consumo. Existen tratamientos físicos, químicos, biológicos y combinaciones de ellos para la potabilización. Todos los tratamientos tienen limitaciones y tanto sus ventajas como sus limitaciones son los que definen sus campos de aplicación. En este capítulo se presentan aquellos tratamientos que pueden competir con un proceso de fotocatálisis para el tratamiento de agua para consumo humano. A través del análisis de sus ventajas y limitaciones se definirán los casos en los

que

la

fotocatálisis

puede

resultar

una

alternativa

más

exitosa.

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“ APLICACION DE TECNOLOGIAS DE MEMBRANAS PARA AGUA DE CONSUMO HUMANO” Página |5

2 PROBLEMA GENERAL 

Desechos líquidos peligrosos, tecnología de membranas, ósmosis inversa, metales pesados, tratamiento convencional.

2.1 PROBLEMAS ESPECÍFICOS  

Contaminacion y calidad del agua Prescencia de incustraciones y sedimentos

3 OBJETIVOS 3.1 OBJETIVO GENERAL 

Describir las distintas aplicaciones de la tecnología de membrana para agua de consumo humano.

3.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS 

Brindar información a la población estudiantil de la aplicación de los distintos tipos de tecnologías de membranas para agua de consumo humano, a través de charlas educativas y una maqueta en la cual se plasme los métodos.



Minimizar los impactos ambientales negativos generados por el manejo inadecuado del tratamiento de agua para consumo humano.



Proporcionar los conceptos básicos sobre tecnologías de membranas.



Utilizar

este

tipo

de

métodos

para

el

tratamiento

de

aguas.

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“ APLICACION DE TECNOLOGIAS DE MEMBRANAS PARA AGUA DE CONSUMO HUMANO” Página |6

4

MARCO TEORICO

4.1 APLICACION DE TECNOLOGIAS DE MEMBRANAS PARA AGUA DE CONSUMO HUMANO DESCRIPCIÓN La tecnología de membranas es un término genérico usado para los procesos de separación donde se emplean membranas. Una membrana se define como una barrera que separa dos fases y que permite el transporte selectivo de componentes de una fase a la otra. La fracción que atraviesa la membrana se llama permeado y la fracción que se retiene es el rechazo

(Figura1).

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“ APLICACION DE TECNOLOGIAS DE MEMBRANAS PARA AGUA DE CONSUMO HUMANO” Página |7 LA TECNOLOGÍA DE MEMBRANAS SE APLICA A NUMEROSOS CAMPOS: Purificación de aguas: Las impurezas no deseadas se eliminan de la disolución, como en la producción de aguas blandas por eliminación de cationes de calcio y magnesio. Concentración: Los componentes deseados están presentes a bajas concentraciones y se elimina disolvente, como en la concentración de zumos por eliminación del agua. Fraccionamiento: Una mezcla se separa en dos o más componentes deseados, como en la separación de proteínas del suero de la leche para la producción de derivados lácteos. Existen diferentes tipos de membranas en función de los componentes de la alimentación que son capaces de separar

(Figura2).

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“ APLICACION DE TECNOLOGIAS DE MEMBRANAS PARA AGUA DE CONSUMO HUMANO” Página |8 SECTOR DE APLICACIÓN DE LA TECNOLOGÍA 

Industria

química

(sustancias

químicas

puras,

industria

agroquímica,

industria de pinturas, etc.) 

Industria de la pasta y del papel (producción de agua de proceso y tratamiento de aguas residuales)



Industria agrícola (industria de producción de almidón, desalinización para aguas de riego)



Industria agroalimentaria (producción de zumos, vino, productos lácteos)



Producción de agua potable (desalinización de agua de mar y de agua salobre)



Plantas de tratamiento de aguas residuales (recuperación de agua para otras reutilizaciones)



Fabricantes

de

membranas

(mejora

en

el

comportamiento

y

rendimiento de membranas) 

Empresas (autopsias

de

monitorización de

de

membranas

ensuciamiento y

procesos

de de

membranas limpieza)

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“ APLICACION DE TECNOLOGIAS DE MEMBRANAS PARA AGUA DE CONSUMO HUMANO” Página |9 APLICACIONES INDUSTRIALES La filtración por membrana puede ser aplicada en infinidad de industrias en las que intervienen procesos químicos. La industria de la alimentación, con especificaciones importantes en los sectores lácteo y del azúcar, la farmacéutica, la biotecnológica y la química, propiamente dicha, son ámbitos en los que la filtración por membranas puede ser de gran utilidad. La aplicación de las diversas técnicas de filtración por membranas en la industria alimentaria abarca infinidad de campos. Entre los más comunes se pueden citar la concentración de clara de huevo, la Clarificación y preconcentración de jugos de frutas, la concentración y extracción de cenizas de gelatina porcina, vacuna o de hueso, la clarificación de la salmuera de carne para la remoción de bacterias y re-uso de la salmuera, la Concentración de proteínas de vegetales y plantas tales como soja, canola y avena y la desalcoholización de vino y cerveza. Industria Láctea: La filtración por membrana es una parte valiosa del proceso de producción, especialmente en la manufactura de ingredientes lácteos. Sus aplicaciones pueden dividirse en tres categorías: aplicaciones a leche, aplicaciones a suero y otras aplicaciones como el clarificado de salmuera de queso. Industria De Almidones Y Edulcorantes: El beneficio principal es el incremento en el rendimiento de los productos, entre los que se incluyen la clarificación de jarabes de maíz como dextrosa y fructosa, la concentración de agua de lavado del almidón, el enriquecimiento de dextrosa, la de-

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“ APLICACION DE TECNOLOGIAS DE MEMBRANAS PARA AGUA DE CONSUMO HUMANO” P á g i n a | 10 pirogenación del jarabe de dextrosa y el fraccionamiento/concentración de agua de maceración. Industria Del Azúcar: La filtración por membranas se puede utilizar para clarificar el jugo no procesado sin utilizar clarificadores primarios, eliminando así muchos problemas ambientales y mejorando la calidad y el rendimiento de otros métodos tradicionales. Las membranas también pueden clarificar, fraccionar y concentrar varias soluciones de azúcar en el proceso de producción. Industria Química: Muchos procesos químicos utilizan la filtración por membranas para desalar, diafiltrar y purificar tintes, pigmentos y abrillantadores ópticos, limpiar las corrientes de aguas residuales y de lavado, la concentración y deshidratación de minerales como arcilla caolínica, dióxido de titanio y carbonato de calcio, la clarificación de cáusticos, la producción de polímeros o la recuperación de metales. Industria Farmacéutica: La cosecha de células o recuperación de biomasa es un paso importante en un proceso de fermentación, especialmente al manufacturar productos como los antibióticos. La filtración mejora la producción y reduce la tarea del operario y el costo de mantenimiento. Las membranas son también una parte estándar de las líneas de producción industrial de enzimas al concentrar enzimas previamente a otros procesos.

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“ APLICACION DE TECNOLOGIAS DE MEMBRANAS PARA AGUA DE CONSUMO HUMANO” P á g i n a | 11 4.1.1 TECNOLOGIA

DE

MEMBRANAS

APLICADA

A

LA

POTABILIZACIÓN Desde el siglo XVIII los procesos de filtración han ido evolucionando a medida que la necesidad de mejorar la calidad del recurso aumentaba. El separar partículas y microorganismos no deseados del agua es el objetivo básico de los procesos y operaciones de filtración recientemente la eliminación de los materiales precursores de los subproductos de la desinfección, es el punto de mayor interés para los estudios encaminados a mejorar las condiciones y la operación de tratamiento de aguas para el consumo humano. En los últimos 15 años se ha experimentado un creciente interés en cuanto el uso a tratamiento de aguas de la tecnología de membranas a la que se puede catalogar como una técnica avanzada de filtración por mallas. Una membrana es una película delgada de origen orgánico o inorgánico que causa una separación selectiva entre un fluido y sus componentes. La acción de separación como se aprecia en la figura 1 tiene lugar como consecuencia de aplicar una fuerza exterior (presión) que provoca el medio (membrana) sea atravesado por diversas especies químicas permeado.

FIGURA 1. Principio de una operación de membrana.

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“ APLICACION DE TECNOLOGIAS DE MEMBRANAS PARA AGUA DE CONSUMO HUMANO” P á g i n a | 12

La filtración con membranas es una técnica empleada para separar partículas de un líquido para purificarlo. Las membranas están hechas de materiales como cerámica, polímeros y metales sintetizados. Mientras que las cerámicas y los metales se usan generalmente en aplicaciones industriales, las membranas poliméricas se están convirtiendo en una herramienta común para el tratamiento de agua potable y aplicaciones municipales. En la filtración con membranas, un disolvente atraviesa una membrana semipermeable. La permeabilidad de la membrana está determinada por el tamaño de los poros de la membrana y actúa como barrera para las partículas que son más grandes que los poros, mientras que el resto del disolvente puede pasar libremente através de la membrana. El resultado es un fluido limpio y filtrado a un lado de la membrana, con la solución eliminada al otro. Las membranas requieren presión transmembránica para conducir el agua limpia a través de la membrana, dejando detrás el concentrado que contienen las partículas y los solidos separados.

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“ APLICACION DE TECNOLOGIAS DE MEMBRANAS PARA AGUA DE CONSUMO HUMANO” P á g i n a | 13 La presión transmembránica requerida para operar las plantas con tecnología de membrana puede ser inducida por presión o vacío. De igual manera, existen diversas vías de filtración que comúnmente se encuentran en las membranas: la filtración de extremo cerrado, donde el filtrado forma una torta a medida que el filtro se obstruye; la filtración de flujo cruzado, donde el filtrado es removido de la membrana, lo que evita la obstrucción rápida del filtro; y la ósmosis, donde se filtra el agua a través de una membrana 4 semipermeable.

4.2 CLASIFICACIÓN DE MEMBRANAS SEGÚN EL TAMAÑO DE LOS POROS DE LA MEMBRANA FILTRANTE MINIFRILTRACIÓN La filtración convencional (lenta y rápida) usa material particulado, mientras que la minifiltración emplea membranas especiales. A diferencia de los métodos que utilizan cloro, dióxido de cloro u ozono, que operan con el principio de la oxidación química, la minifiltración es un método de desinfección que opera bajo el principio físico de la filtración. A pesar de su eficacia para remover microorganismos patógenos, estos métodos se han empleado poco en ciudades de los países en vías de desarrollo debido a sus altos costos de inversión y de operación y mantenimiento. En las pocas plantas de este tipo existentes en América Latina se ha constatado que su producción es excelente y que pueden funcionar con operadores capacitados o no, ya que los procesos pueden estar automatizados casi por completo. Estas plantas operan como eficientes robots que toman agua sucia y producen un efluente de excelente calidad. PROPIEDADES DE LA MINIFILTRACIÓN COMO DESINFECTANTE Y DESCRIPCIÓN DEL MÉTODO Una alternativa a la filtración convencional la ofrecen los filtros de membrana que consisten en materiales finos capaces de separar sustancias cuando una presión es aplicada a través de ellos. La filtración por cartuchos es un proceso físico en el cual el agua se hace pasar a través de una membrana con poros de tamaño variable, que puede estar entre 0,2 y 1,0 micrómetros. La exigencia mundial de disponer de agua de mayor calidad ha favorecido INGENIERIA AMBIENTAL

“ APLICACION DE TECNOLOGIAS DE MEMBRANAS PARA AGUA DE CONSUMO HUMANO” P á g i n a | 14 el desarrollo de la tecnología de membranas, dado que estos procesos tienen una capacidad excelente de separación de sustancias disueltas La minifiltración incluye a la microfiltración, la ultrafiltración, la nanofiltración y la ósmosis inversa. A. MICRO FILTRACIÓN La separación por membrana micrométrica contiene poros de aproximadamente 0,03 a 10 µm (micrones), retiene pesos moleculares mayores a 100.000 daltons y usa presiones de influente relativamente bajas, como 100 a 400 kPa. Generalmente es capaz de remover material particulado como arena, arcilla, Giardia, Cryptosporidium, algas y algunas especies bacterianas. No retiene virus pero tiene cierta capacidad de remoción de compuestos orgánicos lo que reduce el potencial de descomposición de la membrana, problema común con esta tecnología. Los filtros son pequeños, pueden ser operados en forma automática y son efectivos para remoción de material particulado, bacterias y materia orgánica natural, que llegan a impartir color, sabor y olor desagradable al agua. Existen varios tipos de membrana como la espiral, tubular y de fibra capilar hueca, siendo más usadas las dos últimas porque permiten un lavado automático de la membrana. Para aumentar la vida media de las membranas se pueden incluir pre-filtros o usar carbón activado o coagulantes como pretratamientos. Estos filtros son fáciles de operar y mantener cuando se tienen índices bajos de turbiedad. En caso de que la turbiedad sea elevada, los filtros se descomponen rápidamente y será necesario el reemplazo en el corto plazo, por lo que con frecuencia se hace uso de desinfectantes químicos para prevenir la descomposición y el lavado periódico de la membrana. El lavado de la membrana se realiza a contra flujo haciendo pasar agua o aire a presión a través de la membrana para remover los sólidos acumulados en la superficie de la membrana misma. El uso de desinfectantes químicos después de la filtración implica que se podrán generar subproductos de la cloración. La micro filtración se usa también como pretratamiento en la potabilización por ósmosis inversa o por nano filtración.

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“ APLICACION DE TECNOLOGIAS DE MEMBRANAS PARA AGUA DE CONSUMO HUMANO” P á g i n a | 15

B. ULTRA FILTRACIÓN La ultra filtración se realiza por medio de membrana de tamaño de poro aproximado entre 0,002 y 0,1 µm y ejercicio de presión para que el agua atraviese la membrana. Con este tamaño de poro pueden retenerse moléculas con alto peso molecular tales como ácidos húmicos y ciertas sales. Se opera a presiones que oscilan entre 200 y 700 kPa. La ultra filtración impide el paso de bacterias y la mayoría de los virus, pero es permeable a algunos tipos de virus y de materia disuelta, como sustancias húmicas. Se recomienda la desinfección con cloro después de la ultra filtración. Este tipo de procesos puede ser completamente automatizado, no requiere el uso de compuestos químicos, produce un agua de calidad buena y constante y es de manejo sencillo. El costo de inversión y operación no es bajo pues se renueva continuamente la membrana. La mayor parte del material coloidal, especies de alto peso molecular, material particulado, especies orgánicas e inorgánicas son retenidos en estas membranas. De las especies biológicas se retienen protozoarios, bacterias y la mayoría de los virus conocidos. En cuanto a especies metálicas como quelatos de hierro y manganeso requieren un proceso previo de separación para evitar la descomposición de la membrana. Las membranas para ultrafiltración se fabrican en forma tubular o de hojas planas con las que se elaboran los filtros. La ultrafiltración está limitada por el proceso

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“ APLICACION DE TECNOLOGIAS DE MEMBRANAS PARA AGUA DE CONSUMO HUMANO” P á g i n a | 16 de descomposición de la membrana, ya mencionado en relación a la micro filtración, y por el costo relativamente elevado.

C. NANOFILTRACIÓN Las membranas de nanofiltración poseen un tamaño de poro aún menor a las anteriores, de 0,001 µm. En ellas se retienen moléculas de peso molecular mayor a 1.000 daltons. Las presiones a las que deben trabajar estas membranas son sensiblemente mayores que las anteriores y usualmente pueden estar entre 600 kPa y 1.000 kPa. Pueden remover virtualmente todo tipo de bacterias, virus, quistes y material disuelto húmico. Dado el bajo contenido de materia orgánica presente después de la nanofiltración, no se generan subproductos de la cloración, si se añade esta sustancia para impartirle un efecto desinfectante residual al agua. Dado que se remueve una gran cantidad de sustancias disueltas en el agua, incluso alcalinidad (carbonatos y bicarbonatos), el agua adquiere características corrosivas una vez tratada por este proceso por lo que generalmente se requiere la adición de algún álcali para reducir este problema. La presión elevada a la que se maneja el agua genera altos costos de energía y esto ha provocado un uso muy limitado de esta tecnología.

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“ APLICACION DE TECNOLOGIAS DE MEMBRANAS PARA AGUA DE CONSUMO HUMANO” P á g i n a | 17

D. ÓSMOSIS INVERSA Este proceso, también conocido como hiperfiltración, se basa en el uso de una membrana semipermeable que permite el paso de agua, mas no de iones disueltos. La membrana tiene poros menores a 10 Å (1 nm). El agua es sujeta a una alta presión que la obliga a pasar a través de la membrana; todas las sales disueltas permanecen en una solución que se concentra de sales, motivo por el cual se le conoce como salmuera o agua de rechazo o retrolavado. La proporción de volumen entre el agua de rechazo y el agua producida da una idea de la eficiencia del sistema. Si bien la ósmosis inversa puede remover prácticamente cualquier contaminante orgánico o inorgánico del agua, tiene como desventaja los altos costos de capital y de operación necesarios, el manejo del agua de rechazo puede convertirse en un problema pues los contaminantes se concentran en ésta, los pretratamientos son indispensables, las membranas tienen la tendencia a descomponerse y el agua de rechazo puede llegar a ser 25 a 50% del caudal de alimentación, lo que significa un gran desperdicio de agua. Todas estas tecnologías compiten de cierta manera con la fotocatálisis, cuya efectividad se centra en dos áreas principales: la desinfección y la remoción de compuestos orgánicos. En la tabla siguiente se presenta una descripción de las

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“ APLICACION DE TECNOLOGIAS DE MEMBRANAS PARA AGUA DE CONSUMO HUMANO” P á g i n a | 18 capacidades y limitaciones de las tecnologías mencionadas. Como se observa, los métodos convencionales de filtración son de manejo sencillo, costos moderados y eficiencias medias. Por otro lado, los métodos de filtración por membranas son de manejo más complicado, con costos elevados y eficiencias altas. Las limitaciones se indican en cada rubro pero en general puede decirse que se agrupan en la generación de residuos que pueden llegar a considerarse residuos peligrosos, descomposición de las membranas por presencia de bacterias, desperdicio de agua por la generación de salmuera o agua de rechazo y recrecimiento de bacterias. La diferencia entre estas categorías reside en el tamaño de los poros de la membrana filtrante. En tal sentido, la propiedad desinfectante de estas membranas depende de la capacidad que tengan para “retener” los microorganismos patógenos debido a que las dimensiones de estos son superiores al tamaño de los poros. Desde el punto de vista de la retención con capacidad de desinfección, el cuadro siguiente presenta los métodos y los diámetros del poro que retienen especies o microorganismos. Los rangos presentados no son exactos, pero permiten dan una idea del rango relativo de cada uno de ellos.

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“ APLICACION DE TECNOLOGIAS DE MEMBRANAS PARA AGUA DE CONSUMO HUMANO” P á g i n a | 19

4.3 DIFERENCIA DE LOS FILTROS

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“ APLICACION DE TECNOLOGIAS DE MEMBRANAS PARA AGUA DE CONSUMO HUMANO” P á g i n a | 20

4.4 TIPOS DE MEMBRANAS DE FIBRA HUECA OPERADAS A PRESIÓN Las primeras membranas comercialmente disponibles estaban diseñadas como láminas planas enrolladas para formar membranas en espiral. Estas membranas no podían tolerar sólidos y requerían altas presiones para operar. El elevado costo operativo de estas membranas dio lugar a que fueran poco usadas para la microfiltración en aplicaciones municipales. Las membranas enrolladas en espiral generalmente se usan en la nanofiltración y ósmosis inversa, y por lo general se usan en la desalinización de agua salobre y agua de mar para la producción de agua potable. Las membranas de fibra hueca se desarrollaron en la última década como un medio para abordar las necesidades de la microfiltración con bajos costos de consumo energético. Ellas rápidamente se convirtieron en el estándar de la industria y varias empresas empezaron a elaborar estas membranas de gran superficie para aplicarlas al área de agua potable. Existen dos tipos de membranas de fibra hueca operadas a presión: A. MEMBRANAS DE ADENTRO HACIA AFUERA En las que el afluente ingresa al interior del lumen de la membrana y el agua limpia se obtiene al pasar del interior de la membrana al exterior. B. MEMBRANAS DE AFUERA HACIA ADENTRO En las que el afluente viene por fuera de la membrana y el agua limpia se obtiene al pasar del exterior de la membrana al interior (lumen). Todas las membranas de fibra hueca a presión están instaladas dentro de recipientes presurizados que sirven para aplicar la presión necesaria para la

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“ APLICACION DE TECNOLOGIAS DE MEMBRANAS PARA AGUA DE CONSUMO HUMANO” P á g i n a | 21 transferencia adecuada del fluido. La presión de operación típica de estas membranas es de 15 a 30 psi.

MEMBRANA DE FIBRA HUECA OPERADA AL VACÍO – MEMBRANA ZEEWEEDÄ El proceso de tratamiento de agua potable basado en la membrana ZeeWeedä es un proceso revolucionario que usa poca energía y consta de módulos de microfiltración con membranas de fibra hueca de afuera hacia adentro que se sumergen en el agua de alimentación. Este microfiltro tiene un tamaño de poro nominal de 0,085 micrones y un tamaño de poro absoluto de 0,2 micrones, lo cual asegura que no pasará al agua tratada ninguna partícula mayor a 0,2 micrones. Las membranas operan bajo una succión pequeña creada dentro de las fibras huecas por una bomba de filtración. El agua tratada pasa a través de la membrana, entra a las fibras huecas y es bombeada para su distribución. Se introduce un flujo de aire en el fondo del módulo de la membrana para crear una turbulencia que frota y limpia el exterior de las fibras de la membrana y les permite funcionar a una tasa de flujo alta.

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“ APLICACION DE TECNOLOGIAS DE MEMBRANAS PARA AGUA DE CONSUMO HUMANO” P á g i n a | 22

Este aire también oxida el hierro y otros Sólidos y líquidos bajo presión Agua Filtrada 25 a 250 psi 6 compuestos orgánicos, con lo que se obtiene agua de mejor calidad que la suministrada por sólo micro filtración. En la medida que se usa una membrana de fibra hueca de afuera hacia adentro, la planta no necesita pretratamiento, aunque el agua de alimentación contenga arcillas y partículas finas. Por ello reemplaza, en un solo paso, la coagulación, floculación, clarificación y filtración de arena de las plantas convencionales y además elimina el pretratamiento requerido por las membranas espirales y las membranas de adentro hacia afuera. Una planta de este tipo, consta de membranas sumergidas dentro del denominado tanque de proceso, desde donde fluye el agua hacia el interior de la membrana. El agua filtrada, ya limpia, es extraída por medio de una bomba. Un ventilador genera el aire requerido para mantener la membrana limpia. La planta no sólo es fácil de operar sino también fácil de ensamblar en pequeñas plantas que pueden instalarse en comunidades grandes o pequeñas.

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“ APLICACION DE TECNOLOGIAS DE MEMBRANAS PARA AGUA DE CONSUMO HUMANO” P á g i n a | 23 VENTAJAS DE LA MEMBRANA SUMERGIDA DE AFUERA HACIA ADENTRO ZEEWEED El flujo del agua en las membranas de afuera hacia adentro va desde fuera de la membrana hacia dentro de la fibra hueca, lo que significa que el interior sólo recibe agua limpia y microfiltrada. Por ello los sólidos, algas, arcillas y quistes removidos permanecen fuera de la membrana y nunca entran a ella, lo cual evita que la membrana se contamine y se obstruya. Esta característica evita el uso de la ALTO recirculación interna del filtrado para limpiar las membranas. Además, CONTENIDO DE las membranas sumergidas no están instaladas dentro de los recipientes SÓLIDOS presurizados, sino que están sumergidas dentro de los tanques del proceso. Por ello, son inmunes a la presencia de altos contenidos de sólidos en el tanque. Esto significa que, en las plantas de tratamiento de agua superficial, el rendimiento de la membrana es independiente de la turbiedad estacional del agua de alimentación y de niveles muy altos en el contenido de sólidos. Debido a que el aire para limpiar la membrana se inyecta en el agua de OXIDACIÓN Y VOLATILIZACIÓN alimentación, es posible reducir las sustancias orgánicas fácilmente oxidables y provocar la microprecipitación de ciertos metales como el DE LOS hierro, además de remover las sustancias orgánicas volátiles y el H2S. CONTAMINANTES De esta manera se produce agua de mejor calidad que la obtenida solo con la microfiltración.

EFICIENCIA EN EL USO DE ENERGÍA

RESISTENCIA AL CLORO

El tratamiento con membranas sumergidas de afuera hacia adentro hace un uso eficiente de la energía, ya que la membrana opera bajo una succión pequeña (-2 a -5 psi) y con una presión del ventilador bastante baja (5,2 psi). Además, en las plantas construidas al nivel del agua, las membranas pueden sumergirse directamente en el pozo del agua de alimentación, 8 y así se evitan costos de bombeo. Finalmente, no hay necesidad de consumir energía en bombeo para la recirculación interna, ya que no existen partículas atrapadas dentro del cuerpo de la membrana. La membrana ZeeWeed® es resistente al cloro y cualquier otro oxidante en concentraciones tan altas como 200 mg/L. Esto significa que una planta puede preclorar su agua para el control de la Dreissena polymorpha, sin tener que añadir una etapa de decloración. La resistencia a los oxidantes permite la adición de etapas de pretatamiento por oxidación, así como una fácil desinfección de las membranas y de la planta

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“ APLICACION DE TECNOLOGIAS DE MEMBRANAS PARA AGUA DE CONSUMO HUMANO” P á g i n a | 24 En ningún momento las membranas ZeeWeed son sometidas a BAJO RECUENTO esfuerzo ni retrolavadas bajo presión. El resultado es que las plantas de membrana sumergida tienen los recuentos más bajos de partículas en DE PARTÍCULAS el campo de la microfiltración, generalmente con menos de 3 recuentos/ml. Esto permite un monitoreo en línea de la integridad de la membrana durante las 24 horas.

4.5 APLICACIONES AL TRATAMIENTO DE AGUA PARA CONSUMO HUMANO: A. TRATAMIENTO DE AGUAS SUPERFICIALES - DESINFECCIÓN POR MICROFILTRACIÓN DIRECTA El uso de una membrana de microfiltración de 0,2 micrones en una planta de filtración de agua potable permite abordar en un solo paso algunos de los problemas más discutidos con respecto a las tecnologías actuales: 1)

Remoción de quistes de Giardia, oocistos de Cryptosporidium, coliformes y otros parásitos, así como sólidos suspendidos

2) Reducción de virus 3) Reducción del uso de desinfectantes químicos 4) Reducción de productos químicos de sedimentación 5) Reducción de lodos que necesitan disposición. Este tipo de tratamiento se logra con cualquiera de las membranas de microfiltración descritas anteriormente.

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“ APLICACION DE TECNOLOGIAS DE MEMBRANAS PARA AGUA DE CONSUMO HUMANO” P á g i n a | 25 B. TRATAMIENTO DE AGUAS SUPERFICIALES - COAGULACIÓN MEJORADA CON MICROFILTRACIÓN Muchas fuentes de agua potable superficial tienen un alto contenido de color. La mayoría de las sustancias orgánicas solubles presentes en las aguas naturales son materiales húmicos. Estos son compuestos orgánicos polares de peso molecular relativamente alto, que otorgan el color amarillo parduzco visible en algunas fuentes superficiales. Si bien estas sustancias no causan, por sí solas, problemas de salud, la cloración del agua puede dar lugar a la formación de trihalometanos (THM) que se cree son peligrosos para la salud, y que se encuentran bajo lineamientos gubernamentales cada vez más estrictos. Cuando se combina con la coagulación, la microfiltración tiene la capacidad de remover el color y el carbono orgánico de las fuentes de agua. Esto se realiza mediante la precipitación de las sustancias orgánicas disueltas en microflóculos que luego la membrana puede separar. El color y el carbono orgánico total (COT) son altos en ciertos lagos y ríos, las fuentes de agua potable más comunes en América del Norte. El reglamento de la EPA de los Estados Unidos para la remoción de COT varía con la alcalinidad del agua. El cuadro 3 presenta estos requerimientos.

C. APLICACIÓN DE MEMBRANAS DE NANOFILTRACIÓN PARA EL TRATAMIENTO DE AGUA POTABLE La separación por nanofiltración usa una membrana con tamaños de poro y presiones operativas cuyos valores se ubican entre los de las membranas de ultrafiltración y los de las membranas de ósmosis inversa. Las presiones de operación típicas varían entre 70 y 200 psi. Las membranas de nanofiltración previenen el paso de sólo una porción del total de sólidos disueltos (TSD) (principalmente iones divalentes) y remueven la mayor parte de

la

materia

orgánica

disuelta

presente

en

las

aguas

naturales.

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“ APLICACION DE TECNOLOGIAS DE MEMBRANAS PARA AGUA DE CONSUMO HUMANO” P á g i n a | 26 Las membranas de nanofiltración comúnmente se usan en aplicaciones municipales para: 1) Desalinización de aguas salobres 2)

Remoción de sustancias orgánicas y precursores de THM de las aguas superficiales

Las membranas de nanofiltración, al tener poros de menor diámetro, pueden retener sustancias orgánicas, así como moléculas medianas y grandes presentes en el agua, sin necesidad de añadir productos químicos. El costo de contar con poros más pequeños es la necesidad de una mayor presión para hacer pasar el agua limpia a través de la membrana, lo que se traduce en mayores requerimientos de energía. El menor diámetro de los poros de las membranas de nanofiltración también hace posible remover un porcentaje pequeño de sales del agua y, por lo tanto, estas membranas se usan para la desalinización de aguas salobres. Esto es muy común en Florida, EUA, donde el total de sólidos disueltos en el agua es demasiado alto para el consumo humano, pero lo bastante bajo para no generar altas presiones osmóticas que requieran tratamiento por ósmosis inversa. La desalinización por nanofiltración no es muy necesaria en América del Sur, por lo que su discusión no se profundizará en este documento.

D. TRATAMIENTO DE AGUAS SUBTERRÁNEAS MEDIANTE LA MICROFILTRACIÓN El agua de pozo a menudo contiene hierro y manganeso, los que se deben remover para

el

consumo

humano.

Muchas

comunidades

pequeñas

dependen

de

abastecimientos comunales de agua subterránea y requieren sistemas que aseguren la remoción de metales, turbiedad, sulfuro de hidrógeno y microorganismos, al mismo tiempo que minimicen el uso de productos químicos y la generación de lodo. Los pozos con alto niveles de hierro y manganeso son comunes en ciertas partes del mundo, según la formación geológica. Las tecnologías convencionales, tales como la arena verde y la oxidación/sedimentación, son efectivas en concentraciones bajas a

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“ APLICACION DE TECNOLOGIAS DE MEMBRANAS PARA AGUA DE CONSUMO HUMANO” P á g i n a | 27 medianas. Cuando las aguas de pozo contienen más de 5mg/l de hierro y más de 1 mg/l de manganeso, las tecnologías convencionales ya no son tan efectivas debido al atascamiento del filtro causado por el hierro precipitado y por las películas de bacterias del hierro. Además, muchos pozos bajo la influencia de aguas superficiales también contienen microorganismos, quistes y oocitos que se deben remover de manera efectiva para el consumo seguro del agua potable. A menudo, los pozos profundos contienen H2S y sustancias 13 orgánicas que también se deben remover, lo cual muchas veces da lugar a una planta de tratamiento más compleja que la requerida por estas aguas limpias. Debido a sus características de diseño, la membrana ZeeWeed resuelve muchos

de

estos

problemas

sin

la

adición

de

etapas

innecesarias.

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“ APLICACION DE TECNOLOGIAS DE MEMBRANAS PARA AGUA DE CONSUMO HUMANO” P á g i n a | 28

5 CONCLUSIONES Las membranas están entrando rápidamente al mercado de agua potable como

una

opción

coagulación/filtración

para

que

aborden

los

las

plantas nuevos

convencionales

problemas

de

de

salud

relacionados con el agua potable. Las membranas sumergidas de afuera hacia adentro están compitiendo contra los microfiltros de extremo cerrado de afuera hacia adentro y las membranas de flujo cruzado de adentro hacia afuera. Tanto la microfiltración mejorada con coagulación como la nanofiltration se están comercializando para el tratamiento de aguas superficiales con color y sustancias orgánicas. Por otro lado, la nanofiltración en espiral no requiere productos químicos para flocular las sustancias orgánicas, pero requiere un pretratamiento mediante filtración en arena para prevenir la obstrucción y contaminación de la membrana en espiral. La nanofiltración de fibra hueca está disponible para prevenir estos problemas de pretratamiento pero no se usa comúnmente. La decisión final sobre el método que se debe usar para el tratamiento de agua con contenido orgánico se basará en el costo de productos químicos frente a los costos de energía y frente a la disponibilidad de recursos humanos capacitados. Los resultados diferirán de una región a otra. La nanofiltración se está usando efectivamente para la desalinización de aguas salobres en todo el mundo, especialmente en las áreas costeras del sureste de los Estados Unidos, tales como Florida. Los sistemas con membrana son compactos, fáciles de operar, y están convirtiéndose en la tecnología preferida para pequeñas comunidades y ubicaciones remotas.

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6 RECOMENDACIONES

Es conveniente caracterizar el efluente a tratar para determinar de forma exacta qué tipo (o modelo) de membrana es la necesaria para el proceso. Antes del módulo de nanofiltración es importante determinar el “pre tratamiento” más adecuado en función de las características del agua a tratar, con el fin de garantizar

la

máxima

continuidad

del

funcionamiento

de

la

Planta.

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7 REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS 

http://www.psa.es/es/projects/solarsafewater/documents/libro/04_Capitulo_ 04.p df



http://www.bvsde.paho.org/bvsacg/fulltext/desinfeccion/capitulo8.pdf



http://sgpwe.izt.uam.mx/files/users/uami/mlci/filtracion_por_membrana.pdf https://www.researchgate.net/profile/Arcadio_Sotto/publication/48989441



8 ANEXOS Equipos Biológicos Compactos Con Membrana De Ultrafiltración

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Plantas de Membrana, Microfiltración, Ultrafiltración, Nanofiltración Y Ósmosis Inversa

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La Ósmosis Inversa Es Típicamente Utilizada Para La Desalinización De Agua De Mar

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La Membrana De Osmosis Inversa

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