TESIS TERMINADA ESPAÑA

FACULTAD DE CIENCIAS TTULO DE INGENIERO CIVIL

PROYECTO FIN DE CARRERA

DISEO DE UN BIORREACTOR DE MEMBRANA PARA LA REGENERACIN DE LAS AGUAS RESIDUALES EN UN ESTABLECIMIENTO HOTELERO

AUTOR: D. HOSNI I. CORADO REVOLORIO FEBRERO DE 2010

FACULTAD DE CIENCIAS TTULO DE INGENIERO CIVIL

PROYECTO FIN DE CARRERA

DISEO DE UN BIORREACTOR DE MEMBRANA PARA LA REGENERACIN DE LAS AGUAS RESIDUALES EN UN ESTABLECIMIENTO HOTELERO

AUTOR: D. HOSNI I. CORADO REVOLORIO

TUTOR: D. JUAN ANTONIO LPEZ RAMREZ DEPARTAMENTO DE TECNOLOGAS DEL MEDIO AMBIENTE

FIRMA DEL ALUMNO:

UNIVERSIDAD DE SAN CARLOS DE GUATEMALA

FACULTAD DE INGENIERA DISEO DE UN BIORREACTOR DE MEMBRANA PARA LA REGENERACIN DE LAS AGUAS RESIDUALES EN UN ESTABLECIMIENTO HOTELERO

TRABAJO DE GRADUACIN

PRESENTADO AL TRIBUNAL EXAMINADOR POR HOSNI IRRAIM CORADO REVOLORIO

TUTOR: Dr. JUAN ANTONIO LPEZ RAMREZ

ESPAA, FEBRERO DE 2010

AGRADECIMIENTOS:

A Jehov

Dios Todopoderoso, por haberme dado la vida, la sabidura y el aguante para luchar y conseguir mis metas.

A mis padres

Irrain Corado Ziga y Elda Corina Revolorio de Corado, por su amor eterno que ilumina mi vida y es fuente de motivacin, por su apoyo incondicional durante mi formacin profesional y por haberme dado una herencia que perdurar toda mi vida, la educacin.

A mis hermanos

Por su cario, tolerancia y comprensin, por compartir conmigo mis tristezas y alegras, por ser una razn ms de superacin.

DISEO DE UN MBR PARA LA REGENERACIN DE LAS AGUAS RESIDUALES EN UN ESTABLECIMIENTO HOTELERO

INDICE GENERALINDICE DE ILUSTRACIONES LISTADO DE ABREVIATURAS GLOSARIO RESUMEN OBJETIVOS4 7 8 10 12

INTRODUCCINMARCO TERICO1 LA CONTAMINACIN DEL AGUA 1.1 1.2 Problemtica actual

13

15 18

Requisitos legales en el tratamiento y reutilizacin de aguas residuales. 19 1.2.1 Normativa de vertido 20 23 25

1.2.2 Normativa de reutilizacin. 1.3 Diseo e implementacin de nuevas tecnologas de depuracin

2

GESTIN DEL AGUA EN EL SECTOR HOTELERO 2.1 2.2 2.3 Consumo de agua en el sector hotelero. Caractersticas de las aguas residuales producidas Regeneracin y reutilizacin de las aguas residuales.

28 29 31 34

3

BIORREACTOR DE MEMBRANA Y POSIBLES ALTERNATIVAS 3.1 3.2 Biorreactor de membrana. Tipos de tratamientos alternativos de agua residual. 3.2.1 Alternativas compactas

37 39 41 45

1


4

TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES MEDIANTE UN BIORREACTOR DE MEMBRANA 4.1 4.2 Fundamento de los biorreactores de membrana Tecnologa de membranas 4.2.1 Proceso de separacin de membrana 4.2.2 Tipos de materiales de las membranas 4.2.3 Configuracin de las membranas 4.2.4 Proceso de filtracin 4.2.4.1 Flujo de filtrado. 4.2.4.2 Fuerza de filtrado. 4.2.5 Ensuciamiento en membranas 4.2.5.1 Control del ensuciamiento 4.2.5.2 Factores que afectan el ensuciamiento. 4.3 Consideraciones de diseo en un Biorreactor de membrana 4.3.1 Seleccin del tipo de configuracin 4.3.2 Seleccin del tipo de membrana a utilizar 4.3.3 Variables y Parmetros 4.3.3.1 Variables definidas 4.3.3.2 Parmetros definidos 4.3.4 Parmetros operacionales 4.3.4.1 Lquido de Bombeo 4.3.4.2 Aireacin 4.3.4.3 Mantenimiento de membrana 4.3.5 Otros parmetros de diseo 4.3.5.1 Edad y produccin de fangos 4.3.5.2 Caudal mximo 4.3.5.3 Eliminacin biolgica de nutrientes. 51 51 55 57 59 60 64 66 68 68 71 72 73 73 76 78 78 78 79 79 80 81 83 83 85 85 86 86 90 90 2

5

DISEO DE UN BIORREACTOR DE MEMBRANA PARA UN HOTEL 5.1 5.2 5.3 Descripcin del Proceso Predimensionamiento Resultados


6

REUTILIZACIN DE AGUAS REGENERADAS. 6.1 6.2 6.3 Introduccin Distribucin de caudales segn uso destinado. Sistema de reutilizacin de las aguas regeneradas 6.3.1 Instalacin de Almacenamiento 6.3.2 Instalacin de Distribucin 6.3.2.1 Bombeo de las aguas regeneradas 6.3.2.2 Riego de Jardines 6.3.2.3 Servicio Sanitario

94 94 96 97 98 99 100 101 102 104

CONCLUSIONES

ANEXOS Memoria de clculos de un MBR Diagrama de Flujo Plano BIBLIOGRAFIA

106

168

3


INDICE DE ILUSTRACIONES:TABLAS:1.1 Requisitos de vertidos procedentes de instalaciones de tratamiento de aguas residuales urbanas. 1.2 1.3 1.4 2.1 2.2 2.3 2.4 3.1 Requisitos de vertidos en zonas sensibles. Zonas Sensibles en Andaluca. Calidad del agua para uso residencia. Dotacin de agua potable por cliente para un Hotel segn Categora. Consumo de agua en un Hotel segn tipo de uso. Agua residual que retorna a la Planta de Tratamiento Composicin tpica del agua residual domstica Comparacin de calidad de efluente de un sistema de Lodos activados y un MBR 3.2 3.3 3.4 3.5 4.1 4.2 4.3 Pretratamiento Tipos de tratamiento primario. Tipos de tratamiento secundario. Tipos de tratamientos avanzados. Clasificacin de Membranas Ensuciamiento Inorgnico Caractersticas de los diseos comerciales de reactores MBR con membranas integradas. 5.1 5.2 5.3 6.1 Definicin de los smbolos de la figura 5.1 Dimensiones. Caractersticas del efluente final y eficiencia Distribucin del agua regenerada segn uso destinado. 77 87 91 92 96 40 41 42 43 44 56 70 21 21 22 24 30 30 32 33

Tablas en Anexos

1.1

Datos para clculo caudal de alimentacin

109 4


1.2 1.3 1.4 3.1 3.2 3.3

Caractersticas del agua residual Caractersticas del efluente Dimensiones de modulo de membrana y cassette Valores de Cs en funcin de la Temperatura T Valores del coeficiente KT3 para diferentes sistemas de aireacin Eficacia de transferencia de oxgeno de varios tipos de difusores.

110 110 114 157 159 160

FIGURAS1.1 2.1 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6 4.7 4.8. 4.9 4.10 4.11 4.12 5.1 5.2 6.1 Aplicacin de la Directiva 91/271 en Espaa Recoleccin de aguas grises y negras en un Edificio. Diagrama de Flujo de Efectivo (ingresos menos egresos) Comparacin entre tratamiento mediante lodos activados y un MBR MBR con membrana sumergida Tratamiento de agua residual mediante Biodiscos Aireacin Prolongada con un decantador lamelar Procesos elementales en MBR. Biorreactor con membrana externa. Biorreactor con membrana sumergida. Esquema configuracin de membrana de Placa plana Sistema de membrana en Espiral Esquema de circulacin de flujo de Membrana Tubular Seccin transversal membrana de fibra hueca Filtracin Lineal. Filtracin tangencial. Balance de masa en la membrana. MBR con 1) membrana sumergida, 2) membrana externa Esquema retrolavado en membrana sumergida. Diagrama de flujo de un MBR sumergido Formacin de una membrana en mdulos, cassettes y tren del Tanque de almacenamiento subterrneo. 26 35 38 39 41 46 48 52 54 54 61 62 63 64 65 66 67 74 82 87 88 99

5


6.2

Reutilizacin de agua en inodoros.

103

Figuras en Anexos

1.1 1.2 1.3 2.1

a) modulo; b) cassette. Diagrama simplificado de un RFCTA Balance de masa de los slidos en suspensin en un MBR sumergido Grafica de relacin Vrs., A/M

114 121 127 148

6


LISTADO DE ABREVIATURAS:

A/M. Abreviatura de la relacin alimento/microorganismo. MBR. Abreviatura de Biorreactor de Membrana. DBO. Demanda Bioqumica de Oxgeno. DQO. Demanda Qumica de Oxgeno. MF. Microfiltracin. MLSS. Concentracin de slidos en suspensin presentes en el licor mixto [g/L]. MOC. Material orgnico coloidal. MOB. Material orgnico biodegradable. NTK. Abreviatura de Nitrgeno Total Kjendahl. PTM. Presin Transmembranal. RFCTA. Abreviatura de reactor de flujo continuo en tanque agitado. SST. Slidos en suspensin totales. TRH. Tiempo de Retencin Hidrulica. UF. Ultrafiltracin. TRS. Tiempo de retencin de slidos. Tiempo de retencin de la biomasa en el reactor.

7


GLOSARIO:Aerobio. Proceso de tratamiento biolgico que se da en presencia de oxgeno. Anaerobio. Proceso de tratamiento biolgico que se da en ausencia de oxgeno. Anxico. Proceso facultativo (proceso biolgico que se puede desarrollar en presencia o ausencia de oxgeno. Biomasa. Materia orgnica originada en un proceso biolgico. Desnitrificacin. Proceso biolgico mediante el cual el nitrato se convierte en nitrgeno gas y otros productos gaseosos. DBO. Cantidad de oxgeno que necesitan los microorganismos para oxidar la materia orgnica biodegradable (g O2/m3). DQO. Cantidad de oxgeno necesario para oxidar toda la materia orgnica (biodegradable o no biodegradable) que contiene un agua (g O2/m3). Eliminacin de la DBO carbonosa. Es la conversin biolgica de la materia carbonosa del agua residual en tejido celular y diversos productos gaseosos. Ensuciamiento. Fenmeno que resulta de la acumulacin de partculas y materia disuelta en la superficie de la membrana. Eutrofizacin. Enriquecimiento masivo de nutrientes en un ecosistema. Facultativo. Proceso de tratamiento biolgico en el que los organismos responsables pueden funcionar en presencia o ausencia de oxgeno. Flculo. Partcula formada por un conjunto de slidos muy pequeos disgregados y dispersos en el s de un fluido. Flujo. Caudal por unidad de superficie. Hidrfila. Dcese de la materia que absorbe el agua con gran facilidad.

8


Hidrfoba. Dcese de la materia en la que no existen atracciones ni afinidades respecto al agua. Lquido Mezcla. Contenido del reactor biolgico. Tambin es llamado licor mixto. Materia Refractaria. Material resistente a la accin de los agentes qumicos y fsicos, especialmente a temperaturas elevadas. Nitrificacin. Proceso biolgico mediante el cual el amonaco se transforma, primero en nitrito y posteriormente en nitrato. Porosidad. Relacin entre el volumen de huecos y el volumen total de un elemento poroso. PTM. Presin necesaria para hacer pasar el agua a travs de la membrana. Respiracin Endgena. Consumo que realizan los microorganismos de su propia biomasa, a modo de reserva para poder continuar con sus funciones vitales. Retrolavado. Caudal de agua que se enva de abajo-arriba o de un lado a otro en un medio filtrante para eliminar el material retenido. Substrato. Trmino empleado para representar la materia orgnica o los nutrientes que sufren una conversin o que pueden constituir un factor limitante en el tratamiento biolgico.

TRS. Tiempo de retencin de la biomasa en el reactor.

9


RESUMEN:

La implementacin de la Directiva 91/21 que dicta los requisitos que debern cumplir las aglomeraciones urbanas para el vertido de sus aguas residuales, y el endurecimiento de los reglamentos europeos, ha contribuido al desarrollo y aplicacin de nuevos sistemas de tratamiento capaces de satisfacer estos requisitos. Adicional a ello, la normativa de reutilizacin espaola Real Decreto 1620/2007 establecen la necesidad de optimizar la utilizacin del agua, mediante la aplicacin de sistemas de regeneracin de aguas depuradas que permita reutilizarlas en actividades en donde no sea indispensable el uso de agua potable.

La reutilizacin del agua regenerada convierte a esta como una fuente de agua aprovechable, y contribuye a fomentar y preservar los recursos hdricos.

El sector hotelero es uno de los grandes consumidores de agua potable y por tanto productores de aguas residuales. Con la necesidad de mejorar su imagen mediante el cumplimiento de las normativas vigentes y normas de gestin ambiental, este sector se ha visto en la necesidad de aplicar polticas amigables al ambiente. Entre estas polticas destacan la reduccin del consumo de recursos como el agua, mediante la utilizacin de economizadores de agua y la prctica de la reutilizacin del agua residual regenerada, producida para actividades como recarga de cisternas de inodoros y riego de jardines.

Debido a la relativa escasa rea con la que cuentan este tipo de establecimientos, el coste econmico del terreno y el impacto visual que ocasiona una planta de tratamiento de agua residual de grandes dimensiones, los hoteles y otros sectores se ven en la necesidad de utilizar tecnologas de tratamiento de aguas residuales ms compactos.

La tecnologa de biorreactor de membrana ser el sistema de tratamiento compacto a considerar, el cual es un tratamiento que combina un proceso biolgico convencional con una membrana. El sistema MBR adems de reducir el rea de ocupacin, tiene la capacidad de producir un agua residual regenerada de gran calidad. 10


Entre una de las ventajas que nos proporciona esta tecnologa al contener dentro del sistema la totalidad de biomasa, se encuentra el control perfecto de la edad de fango y la desinfeccin del efluente sin necesidad de requerir de un tipo de tratamiento terciario. Las grandes edades de fango y la baja relacin Alimento microorganismos permite reducir la produccin de lodos y la presencia de microorganismos de crecimiento lento que contribuyen al proceso y desarrollo de organismos nitrificantes.

El MBR presentan dos inconvenientes principales, estos son el ensuciamiento y el coste relacionado con la propia membrana. El ensuciamiento es un problema operacional que consiste en la deposicin de partculas en la superficie de la membrana, en el captulo 4 se analiza este sistema y la manera en que se puede reducir.

11


OBJETIVOSOBJETIVO GENERAL-

Estudiar la viabilidad tcnica para la aplicacin de un Biorreactor de Membrana en el tratamiento de aguas residuales de un complejo hotelero que nos permita obtener un efluente reutilizable.

Para cumplir con el objetivo general es necesario el planteamiento de los siguientes objetivos especficos: -

Realizar una breve descripcin de los hbitos de consumo del agua en el sector hotelero, la produccin y caractersticas de los residuos lquidos.

-

Conocer las variables y parmetros

operacionales necesarios para la

realizacin del diseo de un biorreactor de membrana. Disear una planta de tratamiento de aguas residuales aplicando la tecnologa de biorreactor de membrana. -

Evaluar las caractersticas de las aguas regeneradas para disear un sistema de reutilizacin de las mismas que nos permita aumentar el ciclo de vida del agua en el sector hotelero y de esta manera reducir el consumo de agua potable.

12


INTRODUCCIN:

El agua es un recurso indispensable para la conservacin de todo tipo de vida, recurso que da con da se va agotando por el aumento de la demanda de agua potable para el desarrollo de las actividades humanas y el vertido de las aguas residuales a los distintos cuerpos receptores sin un tipo de tratamiento adecuado, aumentando los niveles de contaminacin de las aguas superficiales.

La problemtica ambiental generada por los vertidos de aguas residuales ha dado lugar a la creacin de nuevos reglamentos que permiten regular la cantidad de contaminantes vertidos, lo cual ha hecho necesario la implementacin de nuevas tecnologas de tratamientos de aguas residuales que permitan aumentar el rendimiento de depuracin y mejorar la calidad del efluente.

El sector hotelero, considerado uno de los sectores con mayor consumo de agua por detrs de la agricultura y la industria; ha mostrado su preocupacin por disminuir el consumo de agua potable mediante la utilizacin de economizadores de agua y tcnicas de reutilizacin de aguas residuales, debido al coste directo real que dicho consumo le ocasiona.

Teniendo en cuenta la creciente preocupacin que a nivel global ha derivado la conservacin del medio ambiente, la industria hotelera en crecimiento constante en muchos pases desarrollados est procurando lograr que sus actividades sean sostenibles, al aumentar el control de la calidad de su efluente de aguas residuales, reducir el consumo de agua potable y la produccin de aguas residuales mediante la regeneracin de las mismas y su reutilizacin en diferentes usos como el riego de jardines y la descarga en los servicios sanitarios.

En pases como Espaa; en donde la prctica de reutilizacin de aguas residuales cobra gran importancia debido a que esto permite el aumento de la disponibilidad del recurso sin seguir explotando las fuentes de agua para su suministro, se han 13


implementado nuevas normativas en donde se presentan las caractersticas de las aguas regeneradas segn el uso al que sern destinadas.

El tratamiento de aguas residuales mediante Biorreactor de Membranas se presenta como una alternativa innovadora a la depuracin y regeneracin del agua ante los tratamientos biolgicos al proporcionarnos un efluente con calidad de tratamiento terciario y una reduccin considerable en la produccin de fangos.

Por tal motivo en el siguiente trabajo se presenta una descripcin de la situacin ambiental en el sector hotelero, as como el diseo de una planta de tratamiento aplicando la tecnologa de Biorreactor de Membranas y evaluando la calidad del agua obtenida para distribuirla a los usos que le sean pertinentes y de esta manera promover un adecuado manejo de las aguas residuales que permitan optimizar el uso de un lquido vital tan vital como lo es el agua.

14


1

LA CONTAMINACIN DEL AGUALa contaminacin del agua superficial y subterrnea est alcanzando niveles sin

precedentes, lo cual ocasiona una disminucin considerable en la disponibilidad de agua sanitariamente segura para el consumo y desarrollo de actividades del ser humano. Este fenmeno puede ser negativo en el aspecto econmico y social para las poblaciones cercanas a las fuentes de agua contaminada.

Se

define contaminacin del agua como la presencia directa o indirecta de

diversas sustancias en los cuerpos de agua que pueden ser consideradas como contaminantes y que ocasionan alteracin fsica, qumica y biolgica de las propiedades naturales del agua.

En las siguientes tablas se presentan las alteraciones fsicas qumicas y biolgicas que sufren las aguas contaminadas, sus caractersticas y el tipo de contaminacin.1

Alteracin fsica:

Alteracin fsica Color

Caractersticas y contaminacin que indica

Las aguas contaminadas pueden tener muy diversos colores pero no existe una relacin clara entre este y el tipo de contaminante. Compuestos qumicos presentes en el agua como los fenoles, hidrocarburos, cloro, materia orgnica en descomposicin, sales y metales pueden darle al agua diferentes olores y sabores. Mayor temperatura disminuye la solubilidad de gases como el oxgeno y aumenta la de las sales. Aumenta la velocidad de las reacciones del metabolismo y la putrefaccin. Partculas como arcillas, limo y otras, aunque no lleguen a estar disueltas, son arrastradas por el agua de dos maneras: en suspensin estable (disoluciones coloidales); o en suspensin que slo dura mientras el movimiento del agua las arrastra.

Olor y sabor

Temperatura

Materiales en Suspensin1

Echarri, L. (2007) Pg. 2 - 5.

15


Radioactividad

Algunas actividades humanas pueden contaminar el agua con istopos radiactivos. El agua naturalmente posee radiactividad por el isotopo K. Producidas por detergentes y aaden fosfato al agua (eutrofizacin). Disminuyen la autodepuracin de los ros al dificultar la actividad bacteriana, interfiere en el proceso de floculacin y sedimentacin en la EDAR.El agua tiene una conductividad elctrica muy baja,

Espumas

Conductividad

Alteracin qumica:

Alteracin qumica PH

Caractersticas y contaminacin que indica El pH tiene una gran influencia en los procesos qumicos que tienen lugar en el agua, actuacin de los floculantes, tratamientos de depuracin, etc. Si el nivel de oxgeno disuelto es bajo indica contaminacin con materia orgnica, mala calidad del agua e incapacidad para mantener determinadas formas de vida. Cantidad de oxgeno disuelto requerido por los microorganismos para la oxidacin aerobia de la materia orgnica biodegradable presente en el agua. Cantidad de oxgeno que se necesita para oxidar los materiales contenidos en el agua con un oxidante qumico (Normalmente bicromato potsico en medio cido). Su presencia en las aguas en exceso es causa de eutrofizacin. Nutriente esencial para la vida. Su exceso en el agua provoca eutrofizacin.

Oxigeno disuelto OD Materia orgnica biodegradable: (DBO5) Materiales oxidables: (DQO) Nitrgeno total

Fsforo total Aniones: cloruros nitratos nitritos fosfatos sulfuros cianuros fluoruros

Indican salinidad Indican contaminacin agrcola Indican actividad bacteriolgica Indican detergentes y fertilizantes Indican accin bacteriolgica anaerobia (aguas negras, etc.) Indican contaminacin de origen industrial En algunos casos se aaden al agua para la prevencin de las caries.

16


Cationes: Sodio Calcio y magnesio Amonio Metales pesados

Indica salinidad Estn relacionados con la dureza del agua Contaminacin con fertilizantes y heces De efectos muy nocivos; se bio-acumulan en la cadena trfica. Los aceites y grasas procedentes de restos de alimentos o de procesos industriales son difciles de metabolizar por las bacterias Los fenoles cuando reaccionan con el cloro que se aade como desinfectante forman clorofenoles dan mal olor al agua.

Compuestos orgnicos

Alteracin biolgica:

Alteracin biolgica Bacterias Coliformes Virus Animales, plantas, microorganismos

Caractersticas y contaminacin que indica Desechos fecales Desechos fecales y restos orgnicos Eutrofizacin

Existen dos formas principales de contaminacin del agua, la primera de ellas tiene que ver con la contaminacin producida naturalmente durante el ciclo del agua, al entrar en contacto con sustancias contaminantes, ya sean minerales o material orgnico provenientes de la atmosfera o la misma corteza terrestre. La segunda forma de contaminacin est ntimamente relacionada con actividades humanas como la agricultura, la industria, el comercio, turismo y las aglomeraciones urbanas. El ciclo del agua tiene la capacidad de regenerarse con ciertos niveles de contaminantes que elimina de manera natural, pero el vertido irresponsable de las aguas residuales con un tipo de tratamiento no adecuado, puede proporcionar niveles de contaminacin que el ambiente mismo no es capaz de eliminar, ocasionando la contaminacin de ros, lagos y mares entre otros. Este problema no afecta nicamente al ser humano, sino a los diferentes tipos de vida que se desarrollan en el agua y alrededores.

17


1.1 Problemtica actualMs de la mitad de los ros y lagos de la pennsula ibrica estn contaminados2. Este constituye un gran problema al considerar el papel decisivo del agua en la actividad econmica de la sociedad. Solamente en Espaa ms de la mitad de los alimentos son producidos en regados, para lo cual se utiliza entre el 80 90 % del agua derivada de ros y acuferos3.

Espaa es el pas de Europa con mayor consumo de agua por habitante y da (265 litros) y donde menos se paga por la misma (0,57 $/m3)4. Un estudio realizado por la organizacin de consumidores (OCU) revela que desde el ao 2005 a la fecha, se ha incrementado el valor del agua potable hasta en un 28%5. Este aumento de precio para industria y poblacin en general, unido al aumento en el precio del agua que ha sufrido el sector turismo, entre ellos los hoteles, ha generado la bsqueda de alternativas para disminuir el consumo de agua en el sector hotelero, entre algunas alternativas que se presentan estn los economizadores y la utilizacin del agua regenerada segn las caractersticas de las mismas.

El crecimiento continuo del turismo en Espaa ha ocasionado que muchas urbanizaciones y hoteles se ubiquen cerca de lugares de atraccin turstica, como lo son las playas. Para el ao 2005 Espaa recibi 53 millones de turistas6, aunque es importante econmicamente, la falta de planificacin por parte del sector turismo ha ocasionado un elevado consumo de agua y la ocupacin de un sistema tan importante como lo es el suelo litoral.

Este crecimiento acarrea consigo dos grandes problemas, por una parte se encuentra el consumo desmedido de un lquido tan importante como el agua y por otro el2 3

VI Congreso Ibrico sobre Gestin y Planificacin del Agua. (2008) Victoria-Gasteiz, lava, Espaa. Llamas, M. (2000) Pg. 1 4 Ibd., (pg. 6) 5 Nota del diario online El Mundo.es (2009, 04 de noviembre) [http://www.elmundo.es /mundo dinero/2009 /11/04/economia/1257351825.html] 6 Informe GREENPEACE. (2006). Pg. 24

18


aumento en la cantidad de agua depurada y vertida a los cuerpos receptores, agua que podra ser aprovechada mediante la reutilizacin en distintos usos.

1.2

Requisitos legales en el tratamiento y reutilizacin de aguas residuales.Desde que el agua se empez a utilizar como medio de transporte de los residuos

industriales y domsticos, los ros han servido como cuerpos receptores en donde se drenan las aguas procedentes de las ciudades y municipios, los cuales a su vez transmiten la contaminacin aguas abajo afectando otras localidades y finalmente descargan en los litorales marinos.

En Espaa, como pas mediterrneo semirido, la atencin a los problemas y conflictos del agua ha sido siempre importante, basta recordar la existencia del Tribunal de Aguas de Valencia con sus casi mil aos7.

Inicialmente los requerimientos para el tratamiento de aguas residuales estaban orientados en la eliminacin de slidos en suspensin y de la materia orgnica biodegradable mediante un tratamiento primario y secundario, los cuales consisten en el asentamiento de slidos y tratamiento biolgico de slidos flotantes y sedimentados respectivamente.

En los pases en vas de desarrollo nicamente es obligatoria la realizacin de un tratamiento primario, situacin que muy pocas veces se cumple. Caso contrario sucede en los pases europeos en donde los requerimientos de vertido para minimizar el impacto en los cuerpos receptores se han ido desarrollando desde los aos 70.

Entre algunas normativas europeas que se fueron desarrollando a travs de los aos segn las necesidades del momento estn:

7

Llamas, M. (2000) Pg. 1.

19


-

Relativo a la calidad requerida de las aguas superficiales destinadas para el consumo humano. (76/160/CEE) (76/160/CEE)

Relativo a la calidad de agua para bao.

Relativa a las aguas aptas para la vida de los peces. (78/659 CEE) Relativa a la calidad de las aguas destinadas para el consumo humano. (80/778/CEE). Relativo a la depuracin que debern someterse las aguas residuales urbanas. (91/271 CEE) Relativa a la proteccin de las aguas contra la contaminacin producida por nitratos. Directiva (91/676/CEE)

1.2.1 Normativa de Vertido

La Directiva 91/271/CEE define los sistemas de recoleccin, tratamiento y vertido de las aguas residuales urbanas. Esta Directiva establece dos obligaciones claras, primero las aglomeraciones urbanas debern disponer de un sistema de colectores para recoger y conducir las aguas residuales a su disposicin final y, en segundo lugar, se deben implementar distintos tipos de tratamientos de depuracin antes de su vertido en las aguas continentales o marinas. Segn el tipo de zona en el que se viertan, ests pueden ser: zonas sensibles, y zonas menos sensibles

Las zonas sensibles son aquellas zonas propensas a la eutrofizacin, por lo que para vertidos en esta zona se deber de contar con sistemas de tratamiento capaces de eliminar (Nitrgeno y fosforo). Tambin se considera zona sensible a las aguas superficiales destinadas a la potabilizacin.

Para efectos de aplicacin de esta normativa, fue transpuesta a la legislacin espaola mediante el Real Decreto 11/1995.

A continuacin se muestran unas tablas de las caractersticas que deben tener las aguas residuales para poder ser drenadas a un cuerpo receptor.

20


TABLA 1.1

Requisitos de vertidos procedentes de instalaciones de Concentracin (1) 25 mg/l O2

tratamiento de aguas residuales urbanas. Parmetros Demanda bioqumica de oxgeno DBO 5 a 20C sin nitrificacin. Demanda qumica de oxgeno (DQO) 35 mg/l O2 (3) para Total de slidos en suspensin ms de 10000 e-h. 60 mg/l O2 de 2000 a 10000 e-h.(1) Reduccin relacionada con la carga del caudal de entrada. (2) Este parmetro puede sustituirse por otro: carbono orgnico total (COT) o demanda total de oxgeno (DTO), si puede establecerse una correlacin entre DBO5 y el parmetro sustitutivo. (3) Este requisito es optativo.Fuente: Cuadro I, Anexo I de Directiva 91/271 CEE

Porcentaje mnimo de reduccin 70 90 40 a ms de 1.500 m sobre nivel del mar.

125 mg/l O2 90(3)

75

para ms de 10000 e-h.

70 de 2000 a 10.000 e-h.

TABLA 1.2 Parmetros

Requisitos de vertidos en zonas sensibles. Concentracin (1) 2 mg/l (de 10000 a Porcentaje mnimo de reduccin

Fsforo total

100000 2-h) 1 mg/l (para ms de 100000 2-h) 15 mg/l de 10000 a

80.

Nitrgeno total (2)

100000 e-h. 10 m/l para ms de 100000 e-h. (3)

70 - 80

(1) Reduccin relacionada con la carga del caudal de entrada. (2) Nitrgeno total equivale a la suma de nitrgeno Kjeldahl total (N orgnico y amoniacal), nitrgeno en forma de nitrato y nitrgeno en forma de nitrito. (3) La media diaria no deber superar los 20 mg/l de nitrgeno total para todas las muestras.Fuente: Cuadro II anexo I de Directiva 91/271 CEE

21


Este cuadro muestra los requisitos para los vertidos procedentes de instalaciones de tratamiento de aguas residuales urbanas realizados en zonas sensibles propensas a eutrofizacin.

En la Comunidad Autnoma de Andaluca se declaran como zonas sensibles las siguientes:

TABLA 1.3

Zonas Sensibles en Andaluca. Zona sensible Lagunas litorales de los ros Aguas y Antas

Cuenca hidrogrfica Costera

Costera Guadalete

Parque natural Marismas de Odiel Embalse de los Hurones, Cdiz

Aunque estas normativas hacen alusin a los requisitos de vertido de las aguas residuales urbanas, es importante hacer mencin que todo establecimiento en donde no exista una red de colectores municipal, y cuente con una autorizacin de vertido, deber satisfacer la calidad del efluente exigido en estas normativas.

Con el fin de optimizar la manera en la que es explotado un recurso tan valioso como el agua, muchos pases e instituciones han optado por mejorar la calidad del tratamiento que las aguas residuales reciben, para obtener un efluente regenerado que pueda ser aprovechado en distintos usos, logrando as una reduccin en el consumo de agua potable y una mejor disposicin final para los residuos lquidos de los diferentes establecimientos. Esta prctica amigable al ambiente le ha permite a algunas entidades reducir la cantidad de agua residual vertida y a su vez convertir el agua residual regenerada en una nueva fuente de agua que se puede aprovechar segn su calidad para usos especficos.

22


1.2.2

Normativa de reutilizacin

En Espaa la reutilizacin de las aguas esta normada por el Real Decreto 1620/2007 el cual busca hacer eficiente el uso de los recursos hdricos, dictando una serie de usos posibles que se le pueden dar al agua regenerada entre los que se mencionan:

1.

Urbanos: Riego de jardines privados, descarga de aparatos

sanitarios, riego de zonas verdes urbanas, baldeo de calles, sistema contra incendios y lavado industrial de vehculos.

2.

Agrcolas: Riego de cultivos que tienen contacto con el agua

regenerada, riego de pastos, acuicultura, riego de cultivo lechoso y cultivos industriales no alimenticios.

3.

Industriales: Aguas de proceso y limpieza excepto industria

alimentaria, torres de refrigeracin.

4.

Recreativos: Riego de campos de golf, Estanques, masas de agua y

caudales circulantes ornamentales en donde est prohibido acceso al pblico.

5.

Ambientales: Riego de bosques o reas verdes sin acceso al

pblico, silvicultura, recarga de acuferos por inyeccin o percolacin.

A continuacin se muestran las caractersticas que deben reunir las aguas regeneradas a utilizar segn el tipo de uso destinado8.

8

En este documento nicamente se consideran los usos urbanos

23


TABLA 1.4 Calidad del agua para uso residencial (2). a) Riego de jardines privados (3) b) Descarga de aparatos sanitarios (3)

Parmetro Nematodos Intestinales 1 Escherichia coli Slidos en suspensin Turbidez Otros criterios

Valor mximo admisible 1 huevo/10L 0 (UFC4/100 mL) 10 mg/L 2 UNT5 Otros contaminantes contenidos en la autorizacin de vertido aguas residuales: Se deber limitar la entrada de estos contaminantes al medio ambiente. En el caso de que se trate de sustancias peligrosas deber asegurarse el respeto de las normas de calidad ambiental. Legionella spp. 100 UFC/L (si existe riesgo de aerosolizacin)

1

Considerar en todos los grupos de calidad al menos los gneros: Ancylostoma, Trichuris y Ascaris. 2 Deben someterse a controles que aseguren el correcto mantenimiento de las instalaciones. 3 Su autorizacin estar condicionada a la obligatoriedad de la presencia doble circuito sealizado en todos sus tramos hasta el punto de uso. 4 Unidades Formadoras de Colonias. 5 Unidades Nefelomtricas de TurbiedadFuente: Real Decreto 1620/2007, Anexo I.A

Otras normas: La norma Sistemas de gestin del medio ambiente ISO 14001.2004, est siendo implementada por algunas empresas hoteleras con el objetivo de mejorar su imagen y obtener una certificacin ambiental. La gestin ambiental hace necesario adoptar soluciones a distintos niveles, entre ellos est que las empresas debern reducir al mximo la contaminacin que provocan, mejorando la calidad ambiental de sus actividades, productos y servicios.99

Granero J., y Ferrando, M. (2005)

24


El punto 4.2 de esta norma hace mencin del compromiso que adquieren los directivos de la entidad para reducir la contaminacin y el impacto que esta ocasiona al medio ambiente. En el punto 4.3.1 se indica que la organizacin deber identificar mediante ciertos procedimientos, los aspectos ambientales de servicios y actividades que puedan tener algn impacto significativo en el medio ambiente. Los aspectos e impactos medioambientales estn relacionados entre otras cuestiones con el uso de agua y vertidos.

Aunque all no se menciona directamente lo que tiene que ver con el tratamiento de aguas residuales, para lograr reducir el impacto de la contaminacin que estas generan es necesaria la depuracin de las mismas, adems; para el control de los vertidos es necesario el estudio de las caractersticas del agua producida en las distintas actividades de una empresa, en nuestro caso de un hotel; para identificar el tipo de tratamiento adecuado a aplicar y producir un efluente de mejor calidad. En el caso de reducir el consumo del agua, algunos hoteles optan por la aplicacin de grifos economizadores y la reutilizacin de las aguas residuales regeneradas.

1.3 Diseo e implementacin de nuevas tecnologas de depuracinLa promulgacin de normativas europeas cada vez ms exigentes ha obligado a los estados miembros a adaptar su legislacin ambiental a estas y a implementar nuevas tecnologas para el tratamiento de las aguas residuales colectadas en distintos ncleos poblacionales de los pases comunitarios.

En Espaa un alto porcentaje de las aguas residuales son tratadas por sistemas de depuracin adecuadas que cumplen con la normativas europeas. nicamente

poblaciones con menos de 2000 habitantes aun no cuentan con un tipo de tecnologa adecuada para la depuracin de sus aguas. Tal es el caso de comunidades autnomas donde la poblacin se encuentra muy dispersa, en Andaluca por ejemplo en ncleos

25


poblacionales pequeos la tecnologa ms utilizada para el ao 2007 lo era un tratamiento primario mediante tanques Imhoff y fosas spticas10.

La siguiente tabla muestra el grado de conformidad alcanzada para el ao 2005 en la aplicacin de la Directiva 91/271 CEE

Figura 1.1 Aplicacin de la Directiva 91/271 en EspaaFuente: Plan Nacional de Calidad de las Aguas: Saneamiento y Depuracin. Ministerio de Medio Ambiente. 2007

La implementacin de nuevas tecnologas en la depuracin de las aguas residuales est relacionada con las condiciones econmicas de las aglomeraciones urbanas. Existe una diferencia significativa entre las tecnologas aplicadas en grandes aglomeraciones y aglomeraciones pequeas11, esto se debe a los altos costos de inversin, operacin y mantenimiento necesarios para la aplicacin de determinadas tecnologas.

10 11

Ortega, E. et al. (2007). Pg. 4, 5. Salas, J. (2004) Tecnologas de Depuracin: Situacin Actual y Perspectivas. IV Congreso Ibrico sobre Gestin y Planificacin del Agua. Fundacin Nueva Cultura del Agua. (pg. 517).

26


Hoy en da, la tecnologa de Lodos Activados en sus distintas modalidades, es la ms aplicada a nivel mundial para el tratamiento de aguas residuales urbanas. En grandes aglomeraciones y en algunas instituciones se estn aplicando tecnologas como los Biorreactores de Membrana, que no es ms que la combinacin de reactores biolgicos y membranas. Esta tecnologa se est trabajando en sustitucin a los Decantadores Secundarios. Para la eliminacin de nutrientes (N y P) se recurre cada vez ms a tratamientos biolgicos, aunque en caso de la eliminacin del fsforo los procesos de precipitacin qumica continan siendo los ms utilizados.12

12

Ibd., (pg. 518)

27


2 GESTIN DEL AGUA EN EL SECTOR HOTELEROA nivel mundial en los ltimos aos se ha manifestado un aumento en la preocupacin por la preservacin del medio ambiente, tanto pases desarrollados como en vas de desarrollo han aumentado sus restricciones al tipo de agua que debe vestirse a los cuerpos receptores (ros, lagos y emisarios marinos), con la promulgacin de leyes que deben cumplirse al corto, mediano y largo plazo (vase seccin 1.2.1). A modo de ejemplo se puede citar el caso de Guatemala en donde para el 2024 ser necesario que toda entidad que descargue sus aguas a lagos deban realizar un tratamiento terciario.13

La realizacin de prcticas que sean amigables al ambiente ha generado un inters por entidades pblicas, privadas y el sector relacionado con el turismo, al considerar que el turismo es un sector que representa el 12 % de la economa del planeta.14

La actividad hotelera genera una serie de repercusiones en el entorno debido al consumo de recursos y la generacin de residuos slidos y lquidos, lo cual hace necesario la adopcin de una serie de medidas que garanticen y contribuya a minimizar y reducir el impacto al ambiente, situacin que contribuye a mejorar la imagen social del establecimiento y reducir costos. Esta prctica se ve motivada por la existencia de un mercado cada vez ms internacional de huspedes sensibilizados con el ambiente y que buscan destinos ambientalmente responsables, lo cual se traduce en beneficios tanta para la empresa como para el ambiente y sociedad en general.

El sector hotelero o turstico presenta una relacin muy estrecha con el ambiente ya que por una parte ocasiona un impacto en el ambiente y por otra se beneficia econmicamente de su entorno.

13

Ministerio de Ambiente y Recursos Naturales. (2006, mayo 05) Reglamento de las Descargas y Reso de Aguas Residuales y de la disposicin de Lodos Guatemala. 14 Petrus, J. Pg. 2.

28


2.1

Consumo de agua en el sector hotelero.Es el cantidad de agua que consume un hotel, ya sea que este proceda de la red

de abastecimiento de agua potable o sea generado por el mismo establecimiento al tener una fuente mediante bombeo de algn pozo o regenerando las aguas residuales. El consumo de agua en el sector hotelero es muy variable y depende de factores como los servicios que presta, la categora del hotel y la sensibilidad de los usuarios. Este consumo se acenta en determinados meses del ao debido al gran aforo de turistas y su carcter estacional. Para poder disear las instalaciones hidrulicas de un hotel, as como su planta de tratamiento de agua residual, es necesario conocer las dotaciones de agua que se utilizan y por tanto la cantidad de agua que retorna a la planta de tratamiento. Debido a su carcter variable, el consumo de agua es difcil de predecir, la Cmara de Comercio de Santiago de Compostela hace mencin que dicho consumo podra situarse en 350 L/cliente da en una pensin y hasta 700 L/cliente da en un hotel de lujo en un rea urbana15. Otros autores ms conservadores sitan el consumo segn el tipo de categora entre 293 y 516 L/ cliente da16. En este trabajo se utilizarn los datos conservadores de consumo, para calcular el agua residual producida por un hotel, considerando que el hotel cuenta con una poltica activa de reduccin de consumo de agua. Posteriormente se realizar el diseo de la planta de tratamiento de agua residual mediante el sistema MBR. A continuacin se presenta la dotacin de agua promedio segn categora:

15 16

Cmara de Comercio de Santiago de Compostela, pg. 10. Moya, L. (2007, pg. 29)

29


TABLA 2.1

Dotacin de agua potable por cliente para un Hotel segn Categora. Categora de Hotel y Tipo de Explotacin Hotel 1 Estrella a Hotel 2 Estrellas a Hotel 3 Estrellas Hotel 4 Estrellas Hoteles Urbanos Hoteles Playeros Hotel 5 Estrellasa. Rico, A. (2007, pg. 17)

Consumo de agua Medio [L/cliente da] 175 287 293 299 310 363 516

Fuente: Moya, L. (2007, pg. 29)

El consumo de agua por empleado tiene una media de 40 L/empleado da.17 Tambin se presenta una tabla en la que se describe el consumo de agua segn tipo de uso en una instalacin turstica, estos datos sirven como referencia para tener una nocin del potencial de reutilizacin que existe en este sector. TABLA 2.2 Consumo de agua en un Hotel segn tipo de uso. Caractersticas del Uso

Agua Potable [L/persona-da] Aseo Personal 125 Descarga de Inodoro 80 Restaurant y Cafetera 155 Lavandera 105 Piscina 48 Limpieza en reas exteriores 24 Riego de Jardines* 113 Total 650 * El consumo de agua depende del rea que ocupa el jardn considerando una dotacin de 2 L/m2 da.Fuente: Chao, C., et al. (1998, pg. 4)

17

Metcalf & Eddy. (1995, pg. 21)

30


Estudiar los hbitos de consumo de agua en este sector es muy importante, la reduccin del consumo de agua puede contribuir a: -

Una reduccin en el vertido de residuos lquidos. Reducir el consumo de energa elctrica (al utilizar economizadores en la ducha) y disminuir el consumo de agua caliente. Reducir costos por concepto de consumo de agua y energa elctrica.

2.2

Caractersticas de las aguas residuales producidasComo se consider en la seccin anterior el sector hotelero demanda grandes

cantidades de agua, lo cual conlleva a la generacin de caudales apreciables de aguas residuales que deben ser descargados al medio. Estas dos caractersticas lo convierten en un potencial modificador de las condiciones ambientales del lugar donde se ubica.

Entre los factores importantes a tomar en cuenta cuando se disea una planta de tratamiento de aguas residuales estn: el caudal producido de agua residual, el cual puede ser variable en determinadas horas del da y pocas del ao; y las caractersticas del agua residuo lquido producido (aguas residuales domsticas).

Para obtener los caudales de aguas residuales es necesario conocer los datos de agua consumida por el establecimiento en estudio. En base a los datos de la Tabla 2.2 se har una aproximacin de la cantidad de agua que se evacua hacia la planta de tratamiento para el clculo del caudal de aguas residuales.

31


TABLA 2.3 Agua residual que retorna a la Planta de Tratamiento

Caractersticas del Uso Aseo Personal Descarga de Inodoro Restaurant y Cafetera Lavandera Caractersticas del Uso Piscina Limpieza en reas exteriores Riego de Jardines*

Agua Potable [L/persona-da] 125 80a 155 105 Agua Potable [L/persona-da] 48 24a 113a

A la planta de tratamiento [L/persona-da] 120 80 110 95 A la planta de tratamiento [L/persona-da] 8

a. En hoteles donde el agua es reutilizada, el consumo de agua para estos usos proviene de la planta de tratamiento de agua residual regenerada.Fuente: Chao, C., et al. (1998, pg. 4)

Segn esta tabla aproximadamente el 85 % del agua consumida en el hotel es producida como agua residual, por lo que el caudal de agua residual a tratar sera el consumo de agua del establecimiento por un factor retorno (Fr) de 0.85.

Las caractersticas de las aguas residuales se refieren a la cantidad de constituyentes fsicos, qumicos y biolgicos presentes en estas. Estos constituyentes y sus concentraciones pueden variar a lo largo de ciertas horas del da y meses del ao.

Las aguas residuales producidas por un hotel son consideradas aguas residuales domsticas por lo que puede presentar la siguiente composicin:

32


TABLA 2.4 Composicin tpica del agua residual domstica Smbolo ST SDT Slidos totales Slidos disueltos totales SS SSNV SSV Slidos disueltos fijos (no voltiles) Slidos disueltos voltiles Contaminante Concentracin Media [mg/L] 720 500 300 200 220 55 165 10 110 - 220b - 400c

Slidos en suspensin Slidos en suspensin fijos Slidos en suspensin voltiles

Slidos sedimentables DBO5 COT DQO Demanda Bioqumica de Oxgeno a 5 das 20 C Carbono orgnico total Demanda Qumica de Oxgeno Nitrgeno total en la forma N Cloruros Sulfato Alcalinidad como (CaCO3) Grasa Coliformes totales Compuestos orgnicos voltiles7 8

160 250 - 500b - 1000c 40 15 25 0 0 8 3 5 50 30 100 100 10 - 10 (No./100mL) 100 400 g/L

Orgnico Amonaco libre Nitritos Nitratos

Fsforo total en la forma P Orgnico Inorgnico

a. valor mnimo, b. valor medio, c. valor mximo. *. Aunque pueden existir variaciones de concentracin en los distintos contaminantes, en esta tabla nicamente se muestra la concentracin media.Fuente: METCALF & EDDY (1995, pg. 125)

33


2.3 Regeneracin y reutilizacin de las aguas residuales.Se entiende por aguas regeneradas a las aguas que despus de haber sido utilizadas y posteriormente tratadas en una planta de tratamiento de aguas residuales presentan caractersticas de alta calidad capaz de satisfacer los reglamentes de vertido y reutilizacin ms estrictos. El uso de tecnologas de depuracin empleada y por emplear en establecimientos hoteleros debe alcanzar la calidad de efluente requerida en funcin de los distintos usos a los cuales se destina el agua regenerada.

En la actualidad algunos hoteles y gremiales hoteleras se han visto en la necesidad de reducir el consumo de recursos hdricos y elctricos con el fin de obtener algn reconocimiento de calidad y reducir costos, lo cual ha incrementado el aumento de la prctica de reutilizacin en este sector, aunado a ello, la existencia de una legislacin ms restrictiva que exige niveles de calidad alta en las aguas residuales tanto a verter como reutilizar. Esto ha llevado al sector aplicar nuevas tecnologas capaces de satisfacer estas necesidades.

La prctica de la reutilizacin le permite a las empresas hoteleras optimizar y gestionar de una manera eficiente los recursos hdricos al sustituir el agua potable por aguas regeneradas en todos aquellos usos en los que no se requiera un estndar de calidad alto.

Algunos hoteles han optado por reutilizar aguas grises una vez estas hayan pasado por un tratamiento previo. Esta prctica requiere de la construccin de un sistema de drenaje interno con tubera bien identificada en el cual se separen las aguas a drenar segn su origen en negras y grises las cuales son procedentes de los inodoros y la ducha, lavamanos, respectivamente. Las aguas negras son dirigidas hacia una planta de tratamiento de aguas para su posterior vertido y las aguas grises a la planta de

tratamiento de aguas grises para su reutilizacin en jardines y cisternas de inodoros, implementando otra tubera para su alimentacin.

34


En la figura 2.1 se muestra lo anteriormente expuesto.

Figura 2.1 Recoleccin de aguas grises y negras en un Edificio.Fuente: http://is-arquitectura.es/2009/03/24/sistema-brac-para-reciclado-de-agua/

Aunque las aguas grises permiten la realizacin de un tratamiento ms sencillo y econmico que el necesario para las aguas residuales, esta alternativa es ms difcil de implementar en edificios ya en funcionamiento, adems la construccin de dos plantas de

35


tratamiento representa un gasto mayor de inversin al ser necesario mas uso de rea, la operacin y mantenimiento de los dos tipos de sistema.

Otros establecimientos drenan sus aguas residuales en un solo sistema de drenaje el cual las dirige a una planta de tratamiento capaz de producir un efluente que satisfaga las caractersticas de vertido y reutilizacin segn el uso que se les dar. Esto permite reducir a) el rea en el cual se implementa la planta de tratamiento, b) la utilizacin de un solo sistema de tubera en las instalaciones internas del establecimiento y c) una reduccin considerable del agua a verter. Las aguas procedentes de la planta de

tratamiento de agua residual pueden ser utilizadas en la recarga de cisterna de inodoros, riego de jardines, fuentes ornamentales y limpieza entre otros usos, siempre identificando con algn letrero o seal la procedencia de las aguas. Estas aguas pueden convertirse en un recurso valorizable al permitir la reduccin del costo de consumo de agua y al incluso venderla para usos en donde no se requiera agua potable, como se expone en el Real Decreto 1620/2007.

La comunidad autnoma de Murcia a travs de la ley 6/2006 busca contribuir al reciclaje de las aguas para reducir su consumo con medidas como la prohibicin de descargar totalmente el agua de las piscinas, ya que se ha comprobado que con un adecuado cuidado y mantenimiento se puede conservar el agua de la piscina durante un ao.18

Lo importante del tipo de prcticas antes mencionadas es que permite el control de la calidad y la cantidad del agua residual que se vierte.

18

Ruiz, L. (2007, pg. 44)

36


3

BIORREACTOR DE MEMBRANAS (MBR) Y POSIBLES ALTERNATIVASLa eleccin de un sistema de tratamiento depende en parte del conocimiento

terico y experiencia prctica de quienes lo desarrollan. Algunos factores a tener en cuenta a la hora de hacer una eleccin son los siguientes:

1) Necesidades del propietario de la instalacin: Estas podran ser razones de coste y facilidad de financiacin del proyecto, explotacin que requiera personal, equipo a utilizar, eficiencia e innovacin y preocupaciones por un posible impacto al ambiente.

2) Experiencias previas: Rendimiento y fiabilidad de las plantas de tratamiento debido a las estrictas normas de vertido de aguas residuales. A partir de plantas ya construidas se puede obtener informacin de su rendimiento, mantenimiento, facilidades o dificultades en el proceso.

3) Requisitos legales de control del efluente: Estos pueden variar segn la ubicacin de la planta y el pas en donde esta sea implementada. En la seccin 1.2 se muestran algunos de los requerimientos de vertido y reutilizacin vigentes en Espaa y Europa.

4) Anlisis y eleccin de los procesos: Entre ellos se encuentra el establecimiento de los criterios de proyecto de los procesos y dimensionamiento de las unidades de tratamiento, preparacin de balance de slidos, evaluacin de las necesidades hidrulicas entre otras.

5) Compatibilidad con las instalaciones existentes: Las unidades a seleccionar deben ser compatibles con las existentes, esto representa nuevas exigencias de explotacin y mayor capacitacin del personal. 37


6) Costes: Es necesario considerar tanto el coste inicial de construccin de la planta como los costes derivados de su explotacin y mantenimiento. A la hora de comparar los costes de las diferentes alternativas esto se pudiera hacer en funcin de los costes actuales, los costes totales anuales o los costes a lo largo de la vida til del proyecto.

Esto se puede representar mediante un diagrama de flujo de efectivo (no se entrar en detalles) considerando la inversin actual, el coste por explotacin y mantenimiento mensual o anual y trasladando los costes futuros a valor presente.

Figura 3.1 Diagrama de Flujo de Efectivo (ingresos menos egresos)

7) Consideraciones medioambientales: El impacto ambiental que puede ocasionar una planta de tratamiento de agua residual es tan importante como los costos econmicos (sino ms), por lo que se debe seleccionar una planta que presente una alta eficiencia en el tratamiento.

8) Otras consideraciones importantes como los equipos, el personal y la energa: a) Disponibilidad de equipos: Es necesario disponer de equipo de repuesto cuando se necesite sustituir una pieza. b) Necesidad de Personal: Hay que considerar la cantidad de personal que se necesitar para la explotacin y el mantenimiento de las instalaciones.

38


c) Necesidad energtica: La explotacin de las instalaciones es responsable de la mayor parte de consumo energtico de las plantas de tratamiento.19

3.1

Biorreactor de membranaEl Biorreactor de Membranas es un sistema de tratamiento muy compacto por su

gran eficiencia de hasta un 95 % y por la poca rea que ocupa, ideal para sectores en donde el terreno tiene un precio considerable o en donde una planta de tratamiento e mayores dimensiones puede desvalorizar la propiedad. Este tratamiento combina un proceso de depuracin biolgica con una filtracin por membrana, la membrana retiene prcticamente la totalidad de los slidos en suspensin y la biomasa, logrando de esta manera un efluente de gran calidad.

Si se compara este sistema con el tratamiento de lodos activados, el ahorro en espacio que proporciona el utilizar un MBR es considerable. En la figura 3.2 se presenta un esquema comparativo entre un tratamiento de lodos activados y un sistema de Biorreactor de Membranas con membrana sumergida.

Figura 3.2 Comparacin entre tratamiento mediante lodos activados y un MBR19

Metcalf & Eddy. (1995, pg. 147-156)

39


Adems de la reduccin considerable del rea de ocupacin de este sistema de tratamiento, su eficiencia en comparacin con las aguas producidas por un sistema convencional de lodos activados es bastante superior. En la siguiente tabla se presenta una comparacin entre un proceso convencional de lodos activados y un Biorreactor de Membrana.

TABLA 3.1 Comparacin de calidad de efluente de un sistema de Lodos activados y un MBR

PARAMETROS

INFLUETEN

SISTEMA CONVENCIONAL EFLUENTE EFICIENCIA %

MBR

EFLUENTE

EFICIENCIA %

DQO (mg/L) SST (mg/L) TURBIDEZ (NTU) NTK (mg(L) Coliformes totales (UFC/100mL)

520 110 38 48,3

75 40 15 30,2 104

85,6 63,6 60,5 37,5

10 0 0 3,4 10 -103 2

98 100 100 93

Fuente. Gonzlez, L. (septiembre 2006, pg. 62)

Como se ve en la Figura 3.3, el sistema MBR puede estar configurado de tal manera que se incorpore la membrana en la parte interna o externa del biorreactor. En el siguiente captulo se profundizar sobre el sistema de tratamiento mediante Biorreactor de Membrana, su principio de funcionamiento y parmetros de diseo, as como ventajas y desventajas en la aplicacin de esta tecnologa.

40


Figura 3.3 MBR con membrana sumergidaFuente. Alcarria, M. (Abril 2005, pg. 50)

3.2

Tipos de tratamientos alternativos de aguas residualesLos diferentes grados de tratamiento de aguas residuales tienen su origen de la

combinacin de operaciones y procesos unitarios (fsico, qumico y biolgico). El grado de tratamiento necesario a implementar puede determinarse comparando las

caractersticas del agua residual cruda con las exigidas para el efluente segn el uso o disposicin final de esta.

A continuacin se presenta una clasificacin convencional de los procesos de tratamiento de aguas residuales:

Pretratamiento: Proceso de eliminacin de los constituyentes de las aguas residuales cuya presencia pueda provocar problemas de mantenimiento y funcionamiento de los diferentes procesos, operaciones y sistemas auxiliares.20

TABLA 3.2

Pretratamiento

Operacin Debaste Dilaceracin

Aplicacin Eliminacin de slidos gruesos y trapos mediante el uso de rejillas. Trituracin de slidos gruesos hasta conseguir un tamao menor

20

Ibd., pg. 145

41


Flotacin.

Separacin de slidos de baja densidad o partculas lquidas de una fase lquida, (eliminacin de grasas y aceites)

Desarenado

Eliminacin de materia en suspensin gruesa que pueda causar obstruccin en los equipos y en desgaste excesivo de los mismos.

Tratamiento primario: En este tratamiento se elimina una fraccin de los slidos en suspensin y de la materia orgnica del agua residual. En un futuro las plantas que solo incluyan un tratamiento primario irn quedando desfasadas debido al aumento en las exigencias de la calidad del efluente tratado.21 TABLA 3.3 Tipos de tratamiento primario.

Operacin Filtracin

Aplicacin Eliminacin de las partculas que no han sedimentado. Eliminacin de las materias en suspensin por sedimentacin debido

Sedimentacin

a la diferencia de peso especfico entre las partculas slidas y el lquido. Adicin de ciertos reactivos qumicos que permiten que las partculas

Floculacin

muy pequeas aumenten de tamao y sedimenten. Los principales floculantes son: Sulfato de aluminio, cloruro frrico y polielectrolitos. Agitacin muy suave que ayuda a que los flculos se unan entre ellos

Coagulacin

hacindose ms grandes. Puede hacerse tambin aadiendo coagulantes (poliamidas, poliacrilamidas)

Tratamiento secundario: Su funcin es la eliminacin de los slidos en suspensin y de los compuestos orgnicos biodegradables. Algunas veces se incluye la desinfeccin como parte del tratamiento secundario. En la siguiente tabla se muestran los principales tipos de tratamiento secundario.22

21 22

Ibd. Ibd.

42


TABLA 3.4 Operacin Lodos Activados Aireacin Prolongada

Tipos de tratamiento secundario. Aplicacin

El agua es sometida a una aireacin durante un periodo de tiempo para reducir su contenido de materia orgnica, formndose un lodo floculento. Es una modificacin del proceso de lodos activos consiguiendo la Oxidacin total y disminuyendo la cantidad de lodo total.

Estabilizacin Es una modificacin de los lodos activados en el que el agua residual se por contacto mezcla con un lodo estabilizado. El tiempo de contacto es mayor pero se mantienen volmenes menores Lagunas aireadas Son balsas profundas de 1-4 m, en las que la oxigenacin del agua residual se realiza mediante aireacin. La diferencia con los lodos activos es que en estos se recicla el lodo y en las lagunas no. Son balsas en las que no se utiliza la aireacin. El oxgeno necesario se obtiene de la superficie natural de aireacin y de las algas que producen Balsas de estabilizacin oxgeno por fotosntesis. El oxgeno liberado por las algas en la fotosntesis se utiliza por las bacterias para la degradacin aerbica de la materia orgnica. Los productos de degradacin son utilizados de nuevo por las algas, establecindose, as, una relacin simbitica. Filtros Percoladores Biodiscos Se utiliza un soporte para el crecimiento biolgico que se mantiene fijo, se denominan reactores de crecimiento biolgico asistido. La biomasa se presenta simultneamente en la forma de crecimiento asistido (filtros percoladores) y crecimiento en suspensin (lodos activos) Tratamiento Anaerobio Se utiliza para las aguas residuales y para la digestin de lodos. Los productos finales de la degradacin anaerobia son gases, metano y dixido de carbono y pequeas cantidades de sulfuro de hidrgeno.

Fuente: Alcarria, M. (2005, Pg. 19)

Tratamiento avanzado: Conocido comnmente como tratamiento terciario, en este tratamiento se busca la eliminacin de constituyentes de las aguas residuales tales como

43


nutrientes, compuestos txicos y exceso de materia orgnica o de slidos en suspensin. En la Tabla 3.5 se muestran y definen los tratamientos terciarios ms utilizados.23 TABLA 3.5 Tipos de tratamientos avanzados.

Operacin

Aplicacin - Adsorcin: acumulacin de soluto (contaminante) en la interface entre

Adsorcin en Carbono activo

dos fases (slida y lquida). - Adsorbato: soluto (contaminante) que se desea eliminar de la fase lquida. - Adsorbente: fase slida (Carbn activo) para eliminar los contaminantes.

Intercambio Inico

Proceso en el que los iones que se mantienen unidos a grupos funcionales, sobre la superficie de un slido, mediante fuerzas electrostticas, se intercambian por iones de una especie diferente de disolucin

Osmosis inversa

Este proceso utiliza una membrana semipermeable para separar los slidos disueltos del agua. Se requiere una presin para forzar el paso del agua pura a travs de la membrana, saliendo las impurezas detrs.

Electrodilisis Proceso electroqumico que permite desalinizar una corriente acuosa mediante el uso de corriente elctrica. Cloracin Ozonizacin Desinfeccin Proceso de desinfeccin del agua residual, mediante el uso de cloro. Proceso de desinfeccin del agua residual mediante ozono. Destruccin selectiva de microorganismos causantes de posibles enfermedades. Precipitacin Qumica Eliminacin de fsforo presente en las aguas residuales hacindolo precipitar en forma de fosfatos.

Fuente: Alcarria, M. (2005, Pg. 20)

23

Ibd., pg. 146

44


3.2.1 Alternativas compactas

Aunque algunos de estos tratamientos se aplican en establecimientos y centros urbanos grandes y pequeos, es necesario contar con una amplia superficie, en sectores donde el espacio es reducido y el coste econmico del terreno es elevado, es preferible la aplicacin de un tipo de tratamiento ms compacto. A continuacin se describe de manera breve algunos tipos de tratamiento compactos que requieren de un rea reducida y pueden producir un efluente de calidad reutilizable. BIODISCO Es un tipo de tratamiento para depurar agua mediante un sistema de pelcula fija. Este tratamiento consiste en una serie de discos circulares de polipropileno, situados sobre un eje a corta distancia entre ellos. Los discos estn parcialmente sumergidos en el agua residual, y giran lentamente. La rotacin hace que la pelcula biolgica formada se ponga en contacto alternativamente con el agua y con el aire. La rotacin induce la transferencia de oxigeno, manteniendo la biomasa en condiciones aerbicas, y tambin es la causa del desprendimiento de los slidos en exceso.24

El movimiento de los discos permite mantener en suspensin los slidos, estos son arrastrados hasta el clarificador el cual puede ser un decantador lamelar en donde se produce la sedimentacin y extraccin de fango. Segn el caudal de aguas residuales a tratar este clarificador puede ir integrado en un nico modulo con los Biodiscos. Los clarificadores con lamelas inclinadas generan flujo que facilita la separacin del agua limpia del fango, en esta la sedimentacin se produce por el efecto de la gravedad debido a la estructura densa de los microorganismos.

Los Biodiscos presentan un alto rendimiento de depuracin en comparacin con otros sistemas, favorecido por la baja relacin de carga orgnica/biomasa, y un mayor

24

Estudio y Plan Territorial de la Vera (Junio 2008, pg. 138)

45


tiempo de retencin de los slidos en la fase biolgica Su eficiencia es superior al 92% en cuanto a eliminacin de DBO y SS. 25

Desventajas. Ventajas -

Difcil evaluacin del oxigeno disuelto, el cual se puede incrementar con la inyeccin de aire en los tanques. No es una tecnologa muy adecuada para eliminar nutrientes y aunque hay diseos que lo permiten. Se requiere decantacin primaria.

Presenta flexibilidad con la variacin de la carga. Mantenimiento muy sencillo y con coste energtico bajo. El personal no ha de ser cualificado Nivel sonoro bajo y ausencia de olores. Buena integracin de la instalacin en el sitio, ocupan poco espacio y quedan muy disimuladas.

Figura 3.4 Tratamiento de agua residual mediante BiodiscosFuente: Estudio y Plan territorial de la Vera (Junio 2008, pg. 139)

25

Aquagest Medio Ambiente. Pg. 10

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AIREACIN PROLONGADA CON DECANTADOR LAMELAR.

Este tipo de tratamiento se puede definir como la combinacin del tratamiento biolgico de aireacin prolongada y un decantador lamelar. Este tratamiento se basa en la tecnologa de lodos activados, en este el agua despus de un pre-tratamiento, sin necesidad de una decantacin primaria entra a un reactor biolgico donde la actividad microbiolgica provoca la eliminacin de la materia orgnica, se puede eliminar nutrientes (nitrgeno y fsforo) los procesos de nitrificacin y denitrificacin se pueden desarrollar en el reactor, posteriormente el licor de mezcla fluye hacia el decantador secundario (en este caso lamelar) para su clarificacin, en donde los fangos sedimentan, el decantador lamelar presenta la ventaja de necesitar poca superficie para su instalacin y que al igual que en el caso de los Biodiscos puede instalarse en un solo modulo junto al reactor biolgico. En este tratamiento es necesaria una recirculacin de fangos secundarios para mantener un ndice de biomasa en el reactor.26

Desventajas Elevado consumo de oxigeno y por tanto, energtico. Necesidad de recirculacin de fangos. El personal ha de ser cualificado para optimizar el proceso. Se han de controlar parmetros como la aireacin, purga y recirculacin de fangos.

Ventajas Alta eficiencia del proceso, alrededor del 90 %. Se pueden eliminar nutrientes. Ocupacin mnima de terreno. No necesita mucha obra civil. Alto control sobre el proceso.

26

Estudio y Plan Territorial de la Vera (Junio 2008, pg. 142-146)

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Figura 3.5 Aireacin Prolongada con un decantador lamelarFuente: http://prueba2.aguapedia.org/master/formacion/edar/temario/tratam2/imagenes/i.jpg

REACTOR BIOLGICO SECUENCIAL

La denominacin SBR corresponde a las siglas inglesas Sequencing Batch Reactor. Este tratamiento procesa las aguas residuales mediante un tratamiento biolgico aerbico-anxico, el cual se basa en la generacin de lodos activados mediante la aireacin y disminucin de nutrientes en etapa anxica. . En los reactores SBR se

consigue la aireacin y la sedimentacin en el mismo tanque. Este sistema permite la obtencin de un elevado rendimiento de tratamiento siempre estable sin importar variaciones sustanciales en la entrada de carga. Segn la calidad del efluente exigido, este tratamiento requiere de cuatro a cinco procesos cclicos los cuales son: llenado, desnitrificacin, aireacin, sedimentacin y vaciado.

Llenado El reactor se llena manteniendo una agitacin suficiente para mantener la biomasa en suspensin, el sistema asegura la mezcla homognea del agua sucia y del fango.

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Desnitrificacin: Esta fase suele programarse una vez transcurrido la mitad aproximadamente del ciclo de aireacin, esta consigue ampliar el periodo de condiciones anxicas durante el cual los nitratos pueden ser reducidos a nitrgeno gas.

Aireacin: La aireacin contina en el reactor hasta que la biodegradacin se haya completado. El licor mezcla se mantiene en suspensin por el sistema de aireacin/agitacin para efectuar una mezcla ideal. Al no existir nueva aportacin de alimento al reactor, los microorganismos se ven obligados a aprovechar de forma ptima la materia orgnica presente. En esta fase se prolonga hasta que toda la materia orgnica biodegradable haya sido consumida y la biomasa entre en condiciones de carga msica mnima.

Sedimentacin: En este proceso los flculos que forman la biomasa pueden sedimentar al no entrar agua al embalse y no existir turbulencia.

Vaciado: El Vaciado del reactor se realiza de forma automtica, por la abertura de una vlvula automtica, una vez completados los ciclos o fases anteriores. La fase de vaciado se prolonga hasta que aproximadamente un tercio de la capacidad total del reactor ha sido atravesada.

Fase de Reposo y Purga de Fangos en Exceso: Durante esta fase se purga de manera programada la biomasa en exceso para mantener constante su concentracin. . El fango en exceso es retirado de la superficie de decantacin.

Desventajas -

Elevado coste de inversin de la planta relacionada con la automatizacin de la planta. 49


-

Coste de explotacin relativamente alto (aunque ms bajo que la aireacin prolongada)

Aspectos Positivos -

Es una solucin compacta. Bajo impacto visual por su pequeo tamao y porque la mayora van enterradas. Reduccin de la obra civil al no ser necesario un clarificador final. No se necesita decantacin primaria. Permite un mayor control sobre los parmetros de operacin. Puede eliminar nitrgeno y fsforo Simplicidad operativa. Sistema altamente automtico.27

27

Estudio y Plan Territorial de la Vera (2008 pg. 147 155)

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4. TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES MEDIANTE UN BIORREACTOR DE MEMBRANAEl tratamiento de aguas residuales especialmente urbanas aplicando la tecnologa de Biorreactor de Membrana, comnmente conocida por sus siglas en ingles como MBR (Membrane Biological Reactor); ha tenido un avance muy importante en Europa durante la ltima dcada principalmente por la necesidad de muchas instituciones de cumplir con las cada vez ms estrictas normas europeas relacionadas con el tratamiento y vertido de aguas residuales. Esto se debe al efluente de mejor calidad que esta tecnologa proporciona en comparacin con tecnologas convencionales como el Sistema de Lodos Activados.

El MBR permite no solo cumplir con las normas de vertido actuales, sino con mayores exigencias posibles para un futuro, adems de producir un efluente que puede ser reutilizado por su calidad en distinto tipos de actividades urbanas e industriales.

La aplicacin de este tipo de tratamiento se ha visto motivada por la poca rea ocupada, la calidad de efluente producido, la baja produccin de lodos, la posibilidad de eliminar el proceso de desinfeccin o tratamiento terciario y la reduccin de los costos de la membrana gracias a la nueva generacin de membranas de ultrafiltracin y micro filtracin ms eficientes. Aunque en la actualidad este tipo de tratamiento es econmicamente costoso debido a los altos costos de inversin, operacin y mantenimiento, las perspectivas a futuro son prometedoras. Es una tecnologa relativamente nueva que debido al gran potencial mostrado est siendo aceptada cada da ms como una alternativa a elegir.

4.1 Fundamento de los biorreactores de membranaLos Biorreactores de Membranas o Reactor Biolgico de Membrana se puede definir como la combinacin de dos procesos elementales que son: por un lado un proceso de degradacin biolgica que puede ser aerobia o anaerobia y un proceso de 51


separacin de slidos y lquidos mediante una unidad de filtracin por membrana en el cual los slidos en suspensin y microorganismos responsables de la biodegradacin son separados del agua tratada.

Entre una de las ventajas que nos proporciona esta tecnologa al contener dentro del sistema la totalidad de biomasa se encuentra el control perfecto de la edad de fango y la desinfeccin del efluente sin necesidad de requerir de un tipo de tratamiento terciario. Antiguamente la tecnologa de membrana tena limitado uso al ser aplicada al tratamiento convencional de Fangos Activados como una etapa ms o tratamiento terciaria despus del decantador secundario, ahora este tipo de tratamiento debe entenderse como un reactor biolgico seguido en el proceso por una membrana la cual puede ser externa o sumergida como se ver ms adelante.

Figura 4.1 Procesos elementales en MBR.

Esta figura muestra en general el proceso realizado por el MBR en el cual el agua residual entra en el biorreactor donde es puesto en contacto con la biomasa y done luego se producen las reacciones biolgicas que permiten la degradacin de la materia orgnica. El licor de mezcla es bombeado del biorreactor y luego, bajo presin, filtrado a travs de la membrana. El efluente es descargado del sistema, mientras que la biomasa

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es devuelta al biorreactor. El exceso de lodo es purgado y se controla su extraccin con el fin de mantener una edad de lodo constante. Entre las principales ventajas comparativas que presenta un Biorreactor de Membrana respecto del proceso convencional de fangos activados podemos mencionar:

Efluente de calidad: Una eficiente retencin de slidos y de compuestos solubles de elevado peso molecular proporciona un efluente potencialmente reutilizable y elimina la aplicacin de un costoso tratamiento terciaria de desinfeccin.

Reduccin de la produccin de lodos: Hasta un 50% y por consiguiente se logra una reduccin de costos de operacin al operar a altas edades de fango. Se favorece el desarrollo de bacterias nitrificantes.

Compactacin: Se puede operar con concentraciones de 15-30 [g SSLM/L]. Trabajando a la mxima concentracin de SSLM la superficie de la planta se puede reducir en un 50% o ms.

Menor rea: Se da la eliminacin del decantador secundaria, reduciendo de este modo el espacio requerido para su instalacin.

Flexibilidad: Presenta la posibilidad de ampliacin de plantas preexistentes sin necesidad de obra civil por su gran estabilidad frente a vertidos de alta carga contaminante.

Las membranas pueden ser incorporadas en el diseo de una planta de tratamiento de aguas residuales mediante Biorreactor de Membrana como una etapa de separacin slido-lquido de dos maneras: Externa y Sumergida.

En la configuracin con membrana externa mostrada en la figura 4.2, el licor de mezcla se hace recircular desde el biorreactor hasta la unidad de membrana que se dispone externamente y la fuerza impulsora que crea el gradiente de presin entre ambos 53


lados de la membrana, esta presin es ocasionada por la alta velocidad del flujo de recirculacin a travs de la superficie de la membrana.Recirculacin de lodos Afluente Membrana UF/MFBiorreacto r

Purga de lodos

Figura 4.2 Biorreactor con membrana externa.

En la figura 4.3 se muestra un biorreactor con membrana inmersa, en esta las fuerzas son alcanzadas presurizando el biorreactor o creando presin negativa en el lado del permeado de la membrana, generando un menor gasto de energa. En este caso generalmente se coloca un difusor de aire justo debajo del mdulo de membranas para suministrar el oxigeno necesario para el proceso biolgico, homogenizando el contenido del tanque y proporcionando una limpieza a la membrana.Agua tratada

Afluente Membrana MF/UF

Biorreactor Aire Purga de lodos

Figura 4.3 Biorreactor con membrana sumergida.

Las membranas deben de limpiarse con periodicidad mediante retrolavado y en ocasiones mediante lavado qumico o ambos.

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4.2 Tecnologa de membranas

Se puede definir membranas como barreras fsicas semipermeables que separan dos fases del flujo de entrada, impidiendo su ntimo contacto y restringiendo el movimiento de las molculas a travs de ella de forma selectiva. Este proceso selectivo permite la separacin de las sustancias contaminantes del agua, generando un efluente lquido depurado.

Este tipo de tecnologa se ha aplicado tanto al tratamiento de agua potable como a la depuracin de aguas residuales. El primer biorreactor de membrana fue desarrollado comercialmente por Dorr-Oliver a finales de 1960 (Bemberis et al., 1971)28. A partir de este momento se origin una rpida expansin de la utilizacin de membranas en procesos de separacin, motivada por la fabricacin de membranas con capacidad para proporcionar elevados flujos de permeado y la fabricacin de dispositivos compactos, baratos y fcilmente intercambiables.

Las membranas se presentan como una solucin a mediano y largo plazo al problema de la escasez del agua, ya que es tal su eficiencia que permite tratar fuentes contaminadas para su potabilizacin, adems de producir un efluente de calidad para su reutilizacin.

En la siguiente tabla se muestra la clasificacin de las membranas segn el tamao del poro, tipo de membranas y materiales, informacin que se ampliar ms adelante.

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Judd, S. (2006) Pg. 11

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TABLA 4.1 Clasificacin de Membranas

smosis Inversa Membranas Grueso Capa superficial Tamao de poro Asimtrica 150 m 1 m 0,002 m HMWC LMWC Cloruro Sodio, Glucosa Aminocidos Protenas

Nanofiltracin

Ultrafiltracin

Rechazos

Asimtrica Asimtrica 150 m 150-250 m 1 m 1 m 0,002 m 0,05-0,2 m HMWC, Mono, di y Macromolculas, oligo-sacridos, Protenas Aniones polisacridos y polivalentes. virus

Microfiltracin Simtrica, Asimtrica 10-150 m 1 m 0,2-5 m

Partculas barro, bacterias

Materiales de membrana

CA capa delgada Tubular, enrollada en espiral y plana 15-150 bars

CA capa delgada Tubular, enrollada en espiral y plana 5-35 bars

Mdulo de membrana Presin

Cermica, PSO, CA, PVDF, capa Cermica, PP, delgada PSO, PVDF Tubular, enrollada en espiral, de fibra Tubular, fibra hueca hueca y plana y plana 1-10 bars 2 bars

Fuente: Poyatos, J. (2007, marzo) Pg., 47

Entre los parmetros importantes que deben ser considerados en el diseo de una membrana se encuentra su configuracin, es decir la geometra de la membrana y la direccin del flujo; su superficie, indicado por el tamao de poro y el tipo de material de la membrana. Los efectos del tamao del poro con el ensuciamiento en la membrana estn fuertemente relacionados con las caractersticas del lquido a tratar, en particular con el tamao y distribucin de las partculas que contiene.29

Los tipos de membrana que se utilizan en los biorreactores de membrana son de Ultrafiltracin y de Microfiltracin los cuales deben cumplir una serie de requisitos como:

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Judd, S. (2006)

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Deben ser inertes y no biodegradables. Deben ser fciles de limpiar y de regenerar. Deben ser resistentes a los agentes qumicos, presiones y temperaturas elevadas. Deben tener una distribucin de los poros uniforme y elevada porosidad Deben ser neutras o presentar carga negativa para evitar la adsorcin de microorganismos. Deben ser duraderas y fciles de sustituir. 30 4.2.1 Proceso de separacin de membrana

Una membrana aplicada al tratamiento de aguas negras es simplemente un material que permite a algunos componentes fsicos y qumicos pasar ms fcilmente por ella que otros. Las membranas son selectivas ya que permiten que unos materiales impregnen a travs de ella y otros los rechaza, estos son los que forman el material retenido. El grado de selectividad depende del tamao de poro de la membrana, la membrana ms selectiva est asociada con el proceso de smosis inversa (RO) debido a que posee el menor tamao de poro.

Existen procesos en las membranas en los cuales la membrana no es necesariamente usada para retener los contaminantes y permitir el paso del agua. Entre estos procesos podemos mencionar:

(a) Extraccin selectiva de ciertos componentes (extractivo) b) Introduccin de un componente en la forma molecular (difusiva).

Los componentes rechazados y retenidos por la membrana tienden a acumularse en la superficie de la membrana, produciendo varios fenmenos que conducen a una reduccin en el flujo del agua que atraviesa la membrana, aumentando la presin

30

Poyatos, J. (2007, marzo) Pg. 47

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transmembranal. Estos problemas estn relacionados con el ensuciamiento de la membrana.

Los cuatro procesos de separacin de membrana en los cuales el agua forma el producto final son: Microfiltracin (MF), Ultrafiltracin (UF), Nanofiltracin (NF) y smosis Inversa (RO)

En estas dos tecnologas las membranas actan como tamices moleculares. La relacin tamao de sustancias contaminantes/distribucin de tamao de poros permite la exclusin de contaminantes en el permeado. As, las sustancias mayores que el mayor tamao de los poros sern totalmente rechazadas por la membrana, y las sustancias cuyo tamao est comprendido entre el mayor y menor tamao de poros sern parcialmente rechazadas.31

Microfiltracin (MF) Tienen tamaos de poro de 0,1 m o mayores, pudiendo separar tamaos de partculas dentro del rango 0,1-10 m. Proporciona una elevada eliminacin de slidos suspendidos, partculas finas, bacterias, virus, macromolculas y algunas coloidales. Su presin de funcionamiento es similar a la de UF. Se utilizan membranas microporosas del tipo filtro profundo dispuestas en cartuchos, que se instalan en lnea y del tipo tamiz, que se disponen en diferentes configuraciones y que operan en la forma filtracin tangencial.

Ultrafiltracin (UF) Tienen tamaos de poro que van desde 0,1 m hasta menos de 5 nm (0,05 m). Este tipo de membranas suelen permitir el rechazo de macromolculas, todo tipo de microorganismos como virus y bacterias, coloidales y otro tipo de partculas. La presin de trabajo se mantiene baja (50 a 500 KPa). Las membranas ms utilizadas son las anistropas donde una delgada capa de poros de pequeo dimetro se encuentra unida, sin discontinuidad, a otra capa ms gruesa y microporosa.31

Informe de Vigilancia Tecnolgica: Tratamientos Avanzados de Aguas Residuales Industriales. Pg. 74

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Nanofiltracin (NF) Tienen poros de un tamao inferior a 0,01 m, lo que permite la eliminacin de la mayora de las especies como iones polivalentes (calcio y magnesio), elimina contaminantes de hasta 0,001 m de tamao como quistes, bacterias, virus, materia orgnica, sales, patgenos, pesticidas, turbidez entre otros, excepto iones monovalentes y molculas de bajo peso molecular.

smosis Inversa Consiste en generar, mediante una membrana permeable al agua, una solucin acuosa con bajo contenido en sal a partir de otra con alto contenido en sal. En la RO el proceso de separacin se debe a las diferentes solubilidad y difusividad en la membrana de los componentes de la solucin acuosa. 4.2.2 Tipos de materiales de las membranas

Principalmente existen dos tipos de materiales que se suelen utilizar, estos son los polimricos y cermicos. Aunque tambin existen membranas de filtros metlicos estos no tienen ninguna relacin con el sistema MBR. El material de la membrana debe ser formado (o configurado) de tal modo para permitir al agua pasar por ella.

Las membranas generalmente son formadas por un nmero diferente de material polimrico y cermico, pero casi siempre comprenden una capa delgada superficial que proporciona la permeabilidad requerida sobre un apoyo ms grueso y poroso que proporciona estabilidad mecnica. Las membranas cermicas suelen tener mayor estabilidad qumica, mecnica y trmica que las membranas polimricas, pero presentan la desventaja de ser muy frgiles por lo que la ms comercializada es la membrana polimrica32.

32

Judd, S. (2006). Pg. 24

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Las membranas polimricas por lo general son fabricadas para tener una alta porosidad superficial y la distribucin de tamao de poro estrecha para proporcionar un alto rendimiento y grado selectivo de rechazamiento. El material normalmente posee una resistencia al ataque qumico, altas temperaturas y concentraciones de oxidacin que surgen cuando la membrana es limpiada qumicamente. Hay una extensa cantidad de materiales que se pueden utilizar para la fabricacin de membranas, pero las ms comnmente utilizadas en biorreactores son las siguientes33:

Polifluoruro de Vinilideno (PVDF) Polietilsulfonas (PES) Polietileno (PE) Polipropileno (PP)

4.2.3 Configuracin de las membranas

La configuracin de la membrana se refiere a su geometra y la manera en que esta es orientada en relacin con el flujo de agua. El modulo de membranas define como se agrupan las membranas y permite conocer el comportamiento del fluido sobre la superficie de esta.

La membrana deber ser configurada para tener:

a) Un rea grande de membrana. b) Un alto grado de turbulencia para la promocin de transferencia de masas sobre el lado del afluente. c) Un gasto de energa bajo por volumen de agua producido. d) Un precio bajo por membrana en relacin al rea. e) Un diseo que facilita la limpieza, f) Un diseo que permite la modulacin.34

33 34

Poyatos, J. (2007, marzo) Pg., 47 Judd, S. (2006) Pg. 26

TESIS TERMINADA ESPAÑA

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