Reutilización de aguas residuales urbanas en la industria ...

Reutilización de aguas residuales urbanas en la industria: Proyecto LIFE WIRE

O. Ferrer1, M. Pastur1, C. Echeverría1, M. Aceves2

1 CETaqua, Water Technology Centre, 2 Àrea Metropolitana de Barcelona

Contenido

2

• Introducción

• Objetivos

• Materiales y métodos

• Planta piloto demostrativa

• Plan de monitorización

• Resultados

• Operación del adsorbente

• Operación de la ultrafiltración

• Operación de la osmosis inversa

• Comparación de configuraciones

• Calidad del agua tratada

• Conclusiones (operación)

Introducción

3

• El consumo de agua ha crecido el doble de rápido que la población en el último siglo (FAO,2007). En Europa, se considera que un 1/3 de los países sufren escasez de agua (EC, 2012)

• La reutilización de agua está considerada como una alternativa de bajo impacto ambientaly con un coste potencial menor que otras fuentes de agua alternativas (California EnergyCommission, 2005).

• El uso de agua en industrias representa el 18% del consumo de agua potable en Europa(EEA, 2004). Solamente el 0.7% del total de agua residual tratada se reutilizaó en industrias(Iglesias, 2008).

Las predicciones apuntan a un incremento de la reutilización industrial (respect otros usos):

• Son necesarios proyectos demostrativos que demuestren la vialidad y fiabilidad de estapráctica, para así promover la reutilización de agua en la industria

AGRICULTURA

71%

52%

AMBIENTAL

17%

22%

RECREACIONAL

7%

5%

URBANO

4%

9%

INDUSTRIAL

1%

12%

2006

2021

Insitituto Nacional de Estadística, 2014

Título: Water Cycle Efficiency Improvement by Boosting Industrial Water Reuse

Duración: 01/10/2013 – 30/03/2017

Coordinador:

Partners:

Presupuesto: Total: 1.721.875 €Financiación EC (LIFE+): 862.3 k€

4

Introducción

Objetivos

• Demostrar que las tecnologías de ultrafiltración (UF), adsorción (CNM) y osmosis inversa(RO) son técnicamente viables para reutilizar agua residual urbana en diferentes sectoresindustriales

• Optimizar la operación de la UF, CNM y RO en cada configuración en términos de consumode químicos, consumo eléctrico, rendimiento hídrico y subproductos generados

• Proyectar la implementación de estos esquemas de reutilización en las diferentes industrias,para determinar el CAPEX y OPEX asociado y por lo tanto, su viabilidad económica

5

Caso de estudio

Secundario-terciario

Coagulación/floculación

Decantación lamelar

Filtración

Desinfección (UV + cloración)

UF ROAgua residual Primario

UF CNM RO

ERA El Baix Llobregat (Barcelona, España)

LIFE WIRE

6

(12.600 m3/h) (625 m3/h)

(Química, tratamiento de residuos

líquidos, electro-deposición)

Mediombiental

Industrial

Agricultura

Recargade

aquíferos

Urbano

Tratamientos satélites en las industrias

Materiales y métodos

Efluente del tratamiento terciario

PrefiltraciónMaterial: antracita y silexCapacidad: 4.0 m3/h

Columna de CNMMaterial: Saratech adsorbentCapacidad: 2.2 m3/h

Unidad de RO2 etapas (6 membranas)Capacidad: 2.1 m3/h

UF cerámicaMaterial: Al2O3, TiO2, ZrO2Capacidad: 2.0 m3/h

By-pass

Agua producto

7

Planta piloto demostrativa LIFE WIRE

Agu

a ad

apta

da

a lo

s re

qu

erim

ien

tos

de

la in

du

stri

a

8

Octubre 2015 – Mayo 2016

Junio 2016 – Diciembre 2016

Enero 2017 – Febrero 2017

Cáclulo teórico



Pre-tratamiento UF CNM RO

Tipo Filtro multicapaMembrana cerámica–

Likuid L91

Carbón de alta eficiencia

SARATECH - Blücher

Membranas de 4 pulgadas en

espiral

HYDRANAUTICS: LFC3-LD-4040

Configuración

Grava 40 Kg

Sílex 80 Kg

Antracita75 Kg

1 módulo de 91 membranas:• D canal: 3,5 mm • # canales: 19 • L: 1.178 mm • Tamaño de poro: 100 nm.• Área de membrana: 22,3 m2

1 filtro con116 kg de

adsorbente.

• H: 1250 mm,

• D: 500 mm

6 membranas.

2 etapas: 1ª etapa 2 tubos con

2 membranas, 2ª etapa of 1

tubo con 2 membranas

Caudal nominal 4 m3/h 2 m3/h 2 m3/h 1,5 m3/h

Parámetros

monitorizados

online

-TMP, presiones de salida/entrada,

caudal, tiempo de filtración

Caída de presión, caudal,

presiones de

entrada/salida

Caudales, presiones

Parámetros

químicos

monitorizados

online

Turbidez de entradaTurbidez de entrada/salida,

temperaturaTurbidez de salida

Conductividades de

entrada/Salida, pH, redox,

temperatura

Objetivo del

tratamiento

Eliminación de sólidos

en suspensión

Eliminación de sólidos y

contenido microbiológico

Eliminación del

contenido orgánicoEliminación de sales

9




Plan de monitorización

Alimentación y agua producto de cada unidad

9

• Medida online- pH- Turbidez- Conductividad

• Análisis semanal- Dureza- DQO- TOC- Cloruros- Fosfatos - Nitrógeno amoniacal- Nitrógeno Kjedhal- Sulfatos- Barrido de metales- Aceites y grasas

• Análisis mensual- Hidrocarburos- Microcontaminantes- E. coli- Coliformes totales- Aerobios totales- Legionella spp- Enterococcos- Huevos de helmito- Clostridum perfringens- Bacteriófagos

Autopsia de las membranas (UF, RO)

11

• CNM: Adsorbente en base a carbono de alta eficiencia.

Evaluación de diferentes condiciones con el objetivo de:

– Optimizar la operación hidráulicamente

– Optimizar la eficiencia de eliminación de contaminantes

– Caracterizar el comportamiento tras su regeneración

Resultados técnicos - CNM

02/11/15 – 04/03/16 04/03/16 – 30/08/16 15/11/16 – 30/03/17

Caudal (m3/h) 2,0 – 2,2 1,6 – 1,7 1,0 – 0,8

Velocidad de filtrado(m/h) 10,7 8,5 5,3

Frecuencia BW Cada 3 días Cada 7 días Cada 23 días

Rend. hídrico(%) 99,8 99,9 >99,9

Consumo eléctrico (kW·h/m3 perm.)

0,04 0,04 0,04

Consumo químicos(mL/m3 perm.)

- - -

Operación del adsorbente

12

Resultados técnicos - CNM

Operación del adsorbente

Velocidad de filtración:Antes de regeneración: 10.7 – 8.5 m/hDespués de regeneración: 5.3 m/h

Ab

sorb

anci

a a

25

4 n

m

Parámetro Eficiencia de eliminación (%)

DQO 80 – 20

TOC 85 – 15

Abs 254 nm 90 – 20

Níquel 46 – 7

Hierro 67 – 7

Turbidez 40 - 5

12

Resultados técnicos- UF

Operación de la ultrafiltración

Optimización de las limpiezas hidráulicas

Optimización de la dosis de coagulante

Optimización de las limpiezas

químicas

Pruebas de larga duración

Condiciones óptimas

Resultados técnicos - UF

13

Parámetro Flujo alto Flujo bajo Flujo medio

Alimentación PRE PRE PRE

Temperatura (oC) 20-22 16-18 11-14

Flujo (LMH) 76-72 23-21 34-37

Rendimiento hídrico (%) 92,6 90,1 88,4

TMP (bar) 0,7 - 2,6 0,4 – 2,0 0,6 – 2,5

Consumo energético (kW·h/m3 perm) 0,05 0,08 0,10

Consumo de químicos (mL/m3 perm) 845 221 410

Operación de la ultrafiltración

B6.Assessment of the prototype water quality

15

Resultados técnicos- UF

Autopsia membrana UF

• Micro estructura de la membrana: no dañada

• Clogging: Se puede corregir con limpiezas ácidas• Cloruro férrico• Hidróxido sódico

• Capa activa cubierta por O, Fe, Ca, Mg and C: Precipitación inorgánica: Carbonato de calcio, carbonato de magnesio -> Ajuste de pH y limpieza ácida

Resultados técnicos - RO

15

Alimentación CNM CNM UF CNM + UF

Flujo (LMH)

1ª etapa

2ª etapa

18-19

16-17

16-17

13-14

16-17 16-17

Requerimientos de CIP Cada 12 días

(sin flushing)

Cada 16 días

(1 flushing/d)

Cada 17 días

(sin flushing)

Cada 33 días

(1 flushing/d)

Cada 2 meses

(1 flushing/d)

Cada 3 meses (1

flushing/d)

Consumo de químicos

(mL/m3 perm)

18 / 16 22 / 18 114 89

Operación de la osmosis inversa

CNM permeate

UF permeate

Referencia M1 M2

Modelo (Hydraunautics) LFC3-LV-4040 LFC3-LD-4040

Posición 1 6

Inspección visual: No se observan daños. Bajo ensuciamiento.

Alimentación Permeado

Presencia de hierro en ambas membranas Fe(III):⇨ Debido a la coagulación con FeCl3 aguas arriba

No se observa halogenación de poliamidas (Fujiwara test):⇨ Compuestos oxidantes no han dañado las membranas

No hay precipitación de carbonatos en la membrana

Test de integridad: Paso de tinta negativo

Resultados técnicos - RO

16

Autopsia membranas RO

Resultados técnicos - comparación

17

C I: CNM + RO C II: UF + RO C III: CNM + UF + RO C IV: (CNM+UF) + RO

Parámetros de

diseñoCNM: t contacto: 9 min

Frec. Regener.: 9 meses

RO: 15-20 LMH

UF: 20-25 LMH

RO: 15-20 LMH

CNM: t contacto: 9 min


UF: 30-35 LMH

RO: 15-20 LMH

CNM: t contacto: 9 min


UF: 20-25 LMH

RO: 15-20 LMH

Rendimiento

hídrico(%)99,9 / 75,0 91,0 / 75,0 99,9 / 89,7 / 75,0 99,9 / 91,0 / 75,0

Consumo eléctrico

(kW·h/m3 perm) 1,04 1,10 1,14 1,07

Consumo de

químicos (mL/m3 RO

permeado)

19 423 787 171

Comparación de las configuraciones

Conf I:

• Rendimiento hídrico muy

alto

• Bajo consumo de químicos

• Bajo consumo eléctrico

• Pocas unidades de

tratamiento

• Es necesaria regeneración

Conf II:

• Rendimiento hídrico alto

• Consumo químico muy alto

• Bajo fouling en la membranas de RO

• Pocas unidades

Conf III:


• Alto consumo eléctrico

• Menor fouling en la membranas de RO

• Más unidades

Conf IV:


• Más unidades


19

Resultados técnicos - calidad

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

Co

nce

ntr

atio

n (

mg/

L)

TOC

0

5

10

15

20

25

30

0

100

200

300

400

500

600

15/07/2015 23/10/2015 31/01/2016 10/05/2016 18/08/2016 26/11/2016 06/03/2017 14/06/2017

TOC

(m

g/L)

Har

dn

ess

and

alk

alin

ity

(mg/

L)

INFLUENTEConfiguración I Configuración II Configuración III

Hardness(CaCO3)

Alcalinity(CaCO3)

TOC(secondaryaxis)

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

Co

nce

ntr

atio

n (

mg/

L)

Hardness(CaCO3)

Alcalinity(CaCO3)

Calidad del agua producto


20


0

100

200

300

400

500

600

700

Raw water Pre-Treatment CNM permeate UF permeate CNM+UFpermeate

CNM+ROpermeate

UF+ROpermeate

CNM+UF+ROpermeate

Co

nce

ntr

ació

n(u

g/L)

Metales

Si (SiO2)

Zn

Ni

Mn

Fe

B

Ba

Al

0,0

1,0

2,0

3,0

4,0

5,0

6,0

7,0

8,0

9,0


CNM+ROpermeate

UF+ROpermeate

CNM+UF+ROpermeate

Co

nce

ntr

ació

n (

mg

N/L

)

Nitrógeno total

N-Nitrits

N-Nitrats

NitrògenOrganic

NitrògenAmoniacal


21

0

50

100

150

200


CNM+ROpermeate

UF+ROpermeate

CNM+UF+ROpermeate

Co

ne

tnid

om

icro

bio

lógi

co (

NM

P/1

00

m

L, N

MP

/10

0 M

l, N

MP

/10

0 m

L,

UFC

/mL)

E. Coli

Enterococci

Bacteriophagues

Clostridiumperfringens

0

1000

2000

3000

4000


CNM+ROpermeate

UF+ROpermeate

CNM+UF+ROpermeate

Co

nte

nid

o m

icro

bio

lógi

co (

UFC

/mL,

N

MP

/10

0m

L, N

MP

/10

0m

L)

Total Aerobic

Pseudomonaaeruginosa

Total Coliform



22

• La planta piloto demostrativa ha sido capaz de operar de forma continua y estable, siendoalimentada por agua regenerada.

• La calidad del agua producida es estable tecnologías fiables

• El agua producida por la RO cumple con los requisitos de las tres industrias (tratamiento deresiduos líquidos, química, electro-coating) a pesar de las variaciones en el agua de entrada(operación discontinua).

• El adsorbente (CNM) ha sido capaz de operar de forma continua y estable, comportándosede forma similar antes y después de la regeneración. No precisa de químicos durante suoperación, pero es necesaria su regeneración periódicamente (25,000 lechos). Presenta unalto rendimiento hídrico.

• La UF cerámica ha presentado un consumo químicos alto. La realización de una micro-coagulación previa ha permitido disminuir la velocidad de ensuciamiento. Se han halladoprecipitados de carbonato de calcio y de magnesio durante la autopsia.

• La RO ha trabajado de forma estable y ha presentado una alta calidad de permeado. No sehan observado daños físicos, y el nivel de fouling observado ha sido bajo (sin carbonatos).Presencia de hierro debido a la micro-coagulación previa de la UF.

• La configuración CNM + RO es la que tiene un menor consumo de químicos y menorconsumo eléctrico con un mayor rendimiento hídrico (evaluar económicamente lasregeneraciones)

Conclusiones (operación)

Olga Ferrer ([email protected])Mateo Pastur ([email protected])

Carlos Echevarría ([email protected])

mailto:[email protected]



Reutilización de aguas residuales urbanas en la industria ...

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