Tratamiento de efluentes complejos mediante DAF y filtración tangencial

• 1. Introducción
• 2. DAF y Filtración tangencial
• 3. Comparativo de ambas tecnologías
• 4. Resumen

1. Introducción

Las tecnologías de tratamiento de aguas residuales tienen por objeto la separación de aquellos elementos o compuestos que aportan agentes contaminantes indeseables para el medio ambiente.

Aunque existen múltiples tecnologías para tratar las aguas residuales (tratamientos fisicoquímicos, biológicos. oxidación, filtración, etc.), nos centraremos en las destinadas a recuperar los compuestos más valiosos, o separar los que son problemáticos debido a su toxicidad, baja biodegradabilidad, densidad, viscosidad, temperaturas o pH extremos.

Muchas de las técnicas de depuración de aguas residuales se descartan ante su ineficiencia para tratar determinados contaminantes como los disolventes, aceites y grasas, hidrocarburos, vertidos extremadamente ácidos o alcalinos, efluentes con elevadas o bajas temperaturas, etc.

Por otra parte, existen otros factores como el rendimiento de separación esperado, el consumo energético, la reutilización de agua, o la recuperación de recursos, que determinan si una tecnología es o no adecuada para la solución que se desea implantar.

Hay dos tecnologías que ofrecen un excelente rendimiento para gestionar una gran variedad de contaminantes:

• La flotación por aire disuelto (DAF)
• La separación por filtración tangencial

Se trata de dos tecnologías muy distintas que tienen aplicación para el tratamiento de una amplia variedad de efluentes.

2. DAF y filtración tangencial

Estas tecnologías son compatibles para el tratamiento de algunos efluentes complejos, y su aplicación por separado o combinadas, dependerá del tipo y concentración de los contaminantes a separar y del rendimiento que se desee alcanza con el tratamiento.

La flotación por aire disuelto (DAF) es un proceso fisicoquímico de clarificación de aguas residuales, que ofrece una gran eficacia para tratar vertidos con materias en suspensión en general, y es particularmente eficaz con aquellos compuestos que tengan bajas densidades. Esta tecnología consigue separar las sustancias en suspensión y los coloides contenidos en el efluente, que han sido previamente floculados.

El proceso consiste en la inyección de aire a presión en una parte del agua clarificada, la cual se recircula y presuriza en un depósito. Esta agua se mezcla con el efluente que entra en el flotador, generando un arrastre de los contaminantes que se encuentran en suspensión. Al despresurizarse el aire inyectado, en forma de microburbujas de un tamaño del orden de 50 µm, éstas se adhieren a las partículas floculadas y las hace ascender hacia la superficie, donde se forma un manto sobrenadante que es retirado mediante un barredor o un skimmer.

Esquema flotación DAF de efluentes

Los sistemas DAF son una tecnología habitual en plantas de tratamiento de efluentes industriales y municipales. Se utiliza para eliminar sólidos suspendidos, aceites y grasas, y otros muchos contaminantes presentes en aguas residuales industriales (química, alimentación, petróleo y gas, etc.).

En algunas aplicaciones, la flotación por aire disuelto se puede utilizar para recuperar productos valiosos de algunos efluentes, como aceites o proteínas, dada su escasa afectación química y la elevada concentración de los fangos separados (4 – 6 %).

La filtración tangencial es un proceso físico en el que el fluido de alimentación fluye paralelo a la superficie de una membrana. En este proceso, los sólidos insolubles, coloides, emulsiones, moléculas y iones presentes en el fluido quedan separados del mismo, circulando a elevada velocidad, lo que alivia el ensuciamiento de las membranas. Esta es una evidente ventaja frente al proceso de filtración frontal, que es mucho más sensible al ensuciamiento y a la colmatación

Hay tres tipos de membranas utilizadas en sistemas de filtración tangencial:                 

• Membranas espirales que se disponen enrolladas alrededor de un colector central perforado, formando módulos de filtración en espiral. Se utilizan en la industria láctea, alimentaria y farmacéutica para clarificación, concentración y purificación de ingredientes valiosos.
• Membranas de fibra hueca. Tienen una estructura única que permite un control más fácil del flujo y el rechazo durante la producción y la limpieza. Se utilizan para filtración de ultrafiltración y microfiltración.
• Membranas tubulares. Están constituidas por carcasas cilíndricas que contienen un número variable de fibras huecas. El flujo lateral de permeado se produce a través de las paredes, mientras que el concentrado se recupera en el extremo opuesto a la alimentación.                                                      ,          

Membranas cerámicas

Es una tecnología muy eficiente para la eliminación de aceites, grasas y microcontaminantes en general.

Estas membranas se caracterizan por su elevada hidrofilicidad, atrayendo el agua y rechazando el aceite. Este comportamiento ofrece excelentes resultados en el proceso de filtración, obteniéndose un agua tratada de alta calidad. Es una tecnología robusta y compacta, que produce un agua que puede ser reutilizada directamente, o bien ser tratada de nuevo con ósmosis inversa si se desea eliminar las sales disueltas.

Los flujos de permeado son significativamente mayores que los obtenidos con membranas poliméricas, de naturaleza hidrófoba. También destaca la elevada resistencia mecánica, térmica y química del material cerámico, que permite operar en condiciones extremas de pH y temperatura (por ejemplo, en el tratamiento de baños de desengrase). Estas características también permiten aplicar protocolos de limpieza que obtengan una regeneración más eficiente.

La operatividad se mide por ciclos (régimen discontinuo), dado que las membranas se van ensuciando y, cada tiempo predeterminado, se debe realizar un lavado químico, que suele utilizar reactivos muy agresivos para restaurar las condiciones de operación del sistema. Además, al tratarse de un sistema de filtración tangencial, se debe trabajar a caudales de recirculación muy elevados para que no se produzcan atascos, lo que conlleva instalaciones costosas y de alto consumo energético.

Las membranas cerámicas se fabrican principalmente con alúmina tabular (αAl ₂O₃) y con carburo de silicio (SiC), siempre a elevadas temperaturas de sinterización (1.800-2.000ºC). Aunque también hay modelos de membranas planas para aplicaciones específicas, estas membranas suelen tener forma tubular.

Las membranas cerámicas se pueden suministrar con distintas configuraciones en función del número de canales que las atraviesan. Así, para efluentes cargados o de mayor viscosidad, se suelen utilizar membranas de canales grandes y en menor número, mientras que para efluentes más fluidos y menos cargados se utilizan membranas con más canales y de menor tamaño. Las membranas con más canales tienen mayor superficie equivalente de filtración.

Para garantizar un diseño correcto de la instalación es aconsejable realizar ensayos o pilotajes con el líquido a tratar.

El conjunto de membranas se aloja en el interior de cárteres construidos en acero inoxidable, con juntas de elastómeros adecuados al medio y a las limpiezas (normalmente vitón o PTFE)

Aplicaciones de Membranas Cerámicas:

• Tratamiento de Aguas Residuales Municipales. Las membranas cerámicas se utilizan para la filtración de sólidos suspendidos, bacterias y virus en aguas residuales municipales. También se aplican en la eliminación de nutrientes como el nitrógeno y el fósforo.
• Tratamiento de Aguas Residuales Industriales. Las membranas cerámicas se emplean para tratar efluentes industriales complejos, como los generados por la industria química, farmacéutica y la alimentaria.
• Son útiles para separar contaminantes y recuperar productos valiosos.
• Reutilización de Agua. Las membranas cerámicas permiten la reutilización segura del agua tratada para riego y procesos industriales.

Esquema filtración tangencial de efluentes

3. Comparativo de ambas tecnologías

Considerando que nos encontramos ante un efluente complejo, que ofrece importantes dificultades para ser tratado por los procedimientos fisicoquímicos o biológicos convencionales, procedemos a comparar el rendimiento y viabilidad de los sistemas DAF frente a la filtración cerámica.

Flotación DAF

La flotación por aire disuelto (DAF) ofrece las siguientes ventajas:

• Proceso continuo. La purga y separación de decantados y flotantes se hace de forma simultánea con la operación.
• Elevada separación de aceites y grasas, y de compuestos de baja densidad como disolventes e hidrocarburos.
• Alta concentración de MS en los fangos separados, dado que se separan los flotantes y el arrastre de agua es pequeño. Esta alta concentración facilita la recuperación de productos valiosos. En caso de ser preciso un sistema de evaporación o cristalización posterior, el coste y tamaño de dicha instalación será muy inferior.
• Bajo coste energético. Los únicos consumos significativos son los de la bomba de recirculación y el compresor para presurización del aire, pero el caudal a saturar es reducido (aprox 1/10 del Q aporte).
• Altas cargas de funcionamiento y velocidades ascensionales, lo que permite operar con caudales muy elevados de aguas residuales en poco espacio.
• Costes moderados en la instalación y mantenimiento, especialmente si los comparamos con la tecnología de filtración con membranas cerámicas.

Como inconvenientes, frente al tratamiento con membranas cerámicas, destacan los siguientes:

• Rendimientos de depuración moderados. La flotación por aire disuelto es considerada como un tratamiento primario, mientras que las membranas cerámicas son consideradas como un tratamiento final. El porcentaje de separación de un sistema DAF puede estar sobre un 90%, mientras que las membranas superan con facilidad el 99%.
• Tamaños de los sólidos en suspensión que se escapan. Serán variables y poco controlados en un sistema DAF. No se puede hablar de un tamaño de corte, pues esto solo es atribuible a un proceso físico de filtración a distintos niveles. No obstante, con un correcto sistema previo de coagulación / floculación, se obtendrá una fuga reducida de SS que, dependiendo de las exigencias del cliente, podrá ser suficiente.

Membranas Cerámicas

Las principales ventajas de las membranas cerámicas son las siguientes:

• Estabilidad térmica.  Pueden soportar altas temperaturas.
• Compatibilidad química. Son resistentes a medios agresivos.
• Resistencia mecánica.  Están construidas en materiales cerámicos como el corindón, por lo que tienen una elevada dureza y resistencia mecánica, que garantizan una larga vida útil.
• Altas calidades del agua tratada. Este tipo de membranas permite obtener elevadas calidades del agua tratada, lo que permite, en muchos casos, su reutilización o aprovechamiento.
• Configuración. Las membranas cerámicas pueden tener capas selectivas, intermedias y de soporte, lo que les permite distintos grados de filtración.                                         

Como desventajas, debemos mencionar:

• Fragilidad. Tienen baja resistencia a los choques térmicos y mecánicos.
• Elevado coste de inversión inicial.
• Elevado coste de reposición. Las membranas cerámicas son relativamente caras, aunque tienen una vida útil muy larga, por lo que no es necesario sustituirlas con frecuencia.
• Alto coste energético. Las bombas de recirculación de estas membranas trabajan con caudales muy elevados, lo que conlleva un alto consumo energético.
• Operación discontinua. Las membranas funcionan por ciclos de ensuciamiento y limpieza, lo que exige de depósitos intermedios y un sobredimensionamiento que permita la continuidad, o bien una línea en stand by.

Cuadro comparativo de rendimientos y prestaciones

Proceso	Funcionamiento	Separación SS (%)	Grado separación (µm)	Recuperación Q agua (%)
DAF	Continuo	≥ 90	Aprox. 100	≥99
Filtración tangencial cerámica	Discontinuo	≥ 99	≤0,1	≥90

Cuadro comparativo de costes y consumos

Proceso	Coste instalación	Consumo reactivos	Consumo energía (kW/m3)	Rango caudales (m3/h) (*)
DAF	1	Coagulantes + floculantes	≤ 0,3	1 – 100
Filtración  tangencial cerámica	10	Agentes limpieza	≤ 3	0,1 – 1

4. Resumen

Como base comparativa entre procesos podemos resumir en que, mientras que la filtración tangencial se basa en membranas para separar partículas del fluido, el DAF utiliza microburbujas aire para separar partículas suspendidas en el agua.

Se trata de dos procesos distintos pero que pueden ser aplicados para vertidos complejos, como los aceites, grasas, hidrocarburos, disolventes y vertidos de alta toxicidad, y que también se pueden utilizar para recuperar materiales valiosos en la industria farmacéutica o en la de metales preciosos, entre otras.

Según se puede observar en las informaciones indicadas, ambas soluciones tienen costes tanto de instalación como de explotación muy diferentes, como también lo son los grados de eficacia que son capaces de conseguir.

En determinados casos, cabe la opción de utilizar una etapa primaria de flotación DAF, y seguirla de un sistema de ultrafiltración con membranas tangenciales, a fin de reunir las ventajas de ambas tecnologías.

Bibliografía y consultas

http://www.membranesamta.org/amta_media/pdfs/MFUF.pdf, junio 2006

AMERICAN MEMBRANE TECHNOLOGY ASSOCIATION.

DAF en Tratamiento de Aguas Residuales: Entendiendo su Importancia y Funcionamiento | Instituto del Agua

Sistema DAF para tratamiento de aguas residuales