UNIVERSIDAD POLITCNICA DE MADRID
ESCUELA TCNICA SUPERIOR DE INGENIEROS DE CAMINOS, CANALES Y PUERTOS
IINNVVEESSTTIIGGAACCIINN SSOOBBRREE EELLIIMMIINNAACCIINN DDEE SSAALLEESS MMEETTLLIICCAASS PPOORR PPRROOCCEEDDIIMMIIEENNTTOOSS
AAVVAANNZZAADDOOSS
TESIS DOCTORAL
Radams Trejo Valencia Ingeniero Ambiental (ITM MEX)
Madrid, 2008
DEPARTAMENTO DE ORDENACIN DEL TERRITORIO, URBANISMO Y MEDIO
AMBIENTE
ESCUELA TCNICA SUPERIOR DE INGENIEROS DE CAMINOS, CANALES Y PUERTOS
TESIS DOCTORAL
IINNVVEESSTTIIGGAACCIINN SSOOBBRREE EELLIIMMIINNAACCIINN DDEE SSAALLEESS MMEETTLLIICCAASS PPOORR PPRROOCCEEDDIIMMIIEENNTTOOSS
AAVVAANNZZAADDOOSS
AUTOR
Radams Trejo Valencia Ingeniero Ambiental (ITM MEX)
DIRECTOR:
Aurelio Hernndez Muoz Dr. Ingeniero de Caminos, Canales y Puertos
Madrid, 2008
D.12
UNIVERSIDAD POLITCNICA DE MADRID
Tribunal nombrado por el Mgfco. Y Excmo. Sr. Rector de la Universidad
Politcnica de Madrid, el da . De. De 200
Presidente D. ____________________________________________________
Vocal D.____________________________________________________
Vocal D.____________________________________________________
Vocal D.____________________________________________________
Secretario D.____________________________________________________
Realizado el acto de defensa y lectura de la Tesis el da ___de___________de
200__ en la E.T.S. de Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos de la U.P.M.
Calificacin:________________________
EL PRESIDENTE: LOS VOCALES: EL SECRETARIO:
NO QUIERO CONVENCER A NADIE, DE NADA
No quiero convencer a nadie de nada. Tratar de convencer a otra
persona es indecoroso, es atentar contra su libertad de pensar o creer o
de hacer lo que le d la gana. Yo quiero slo ensear, dar a conocer,
mostrar, no demostrar. Que cada uno llegue a la verdad por sus propios
pasos, y que nadie le llame equivocado o limitado. (Quin es quin para
decir "esto es as", si la historia de la humanidad no es ms que una
historia de contradicciones y de tanteos y de bsquedas!).
Si a alguien he de convencer algn da, ese alguien he de ser yo mismo.
Convencerme de que no vale la pena llorar, ni afligirse, ni pensar en la
muerte. "La vejez, la enfermedad y la muerte", de Buda, no son ms que
la muerte, y la muerte es inevitable. Tan inevitable como el nacimiento.
Lo bueno es vivir del mejor modo posible. Peleando, lastimando,
acariciando, soando. (Pero siempre se vive del mejor modo posible!)
Mientras yo no pueda respirar bajo el agua, o volar (pero de verdad
volar, yo solo, con mis brazos), tendr que gustarme caminar sobre la
tierra, y ser hombre, no pez ni ave. No tengo ningn deseo que me digan
que la luna es diferente a mis sueos.
Jaime Sabines
A la memoria de D. Alfonso Trejo.
El carnaval del mundo engaa tanto,
que las vidas son breves mascaradas;
Aqu aprendemos a rer con llanto
y tambin a llorar con carcajadas!
DEDICATORIA
A mis padres, D. Radams Trejo Gonzlez y Da. Raquel Valencia
Aguirre, por su enorme amor, incomparable apoyo, e inigualable
conviccin al trabajo. Gracias Pap (Jefe), por tu ejemplo de trabajo
incansable y de amor al servicio; Pero ante todo, gracias por haberme
dado la anestesia precisa para lograr este sueo. Gracias Mam, por
ensearme el valor de la responsabilidad, pero sobre todo, por ser mi
bastin cuando pensaba que la distancia me consuma. Por lo anterior,
y por muchas cosas ms, resultara imposible intentar comprender la
elaboracin de esta investigacin sin ustedes, mis padres.
A mi hermana Aixa, por mostrarme su respaldo, cario y seguridad a
lo largo de esta aventura Gracias por todo Nena!
A mis abuelos, porque a travs de su ejemplo he comprendido que el
trabajo diario rinde frutos. Mi respeto y mi amor siempre para con
ustedes.
A Dreysi (Mi chapis), por apoyarme estoicamente en la realizacin de
este sueo, pero sobre todo, por tu amor inquebrantable a pesar de la
distancia y el tiempo.
A todos y cada uno de los que forman parte de mi hermosa familia.
A D. Aurelio Hernndez Muoz, por su atinada tutora y direccin en
esta etapa de mi vida, quien con base en trabajo ha contribuido a mi
formacin ms all del doctorado, constituyndose en una importante
referencia personal y profesional.
A D. Aurelio Hernndez Lehmann, quien siempre me mostr su apoyo.
A los profesores, D. Jos Rubi, D. Juan Antonio Cortacns, Da. Isabel
del Castillo y D. Manuel Gil, que me brindaron su trato amable,
respetuoso y en muchos casos, su valiosa experiencia.
A Julia, por su paciencia, comprensin y cario para quienes nos
desplazamos de pases tan distantes; Gracias por Todo.
A Jos Alberto (Mi compadre), Luz, Andrea y Emilio, por brindarme su
cario y hacerme sentir en familia. Gracias por todo amigos!
A Iaki y Abilia, de quienes recib su ayuda siempre en la mejor de las
formas.
Al Canal de Isabel II, especialmente a D. Juan y a D. Emilio por la
colaboracin prestada.
Mucho agradecer su amistad, y siempre he de recordarles con cario
en esta etapa de mi vida: Alberto (Siempre dispuesto a colaborar),
David Juregui (Gracias por tus consejos), scar (Che de alegres
conversaciones), Antonio (Amigo de aventuras y desventuras), Ximena,
Cynthia, Hilda, Fabiola, Martha, Gaby, Sofa, Gustavo, Ernesto, Mara
Elena, Lidia, Cenith, y Dora.
Al Instituto Tecnolgico de Minatitln, a la Direccin General de
Educacin Superior Tecnolgica, gracias por su confianza y apoyo.
A D. Arnoldo Pin Ordaz, por la valiosa amistad que a lo largo de los
aos me ha obsequiado. Nunca olvidar su inquebrantable apoyo y
mucho menos sus consejos. Maestro, mi eterno agradecimiento!
A D. Alejandro Barradas Rebolledo, por invitarme a formar parte de
este Doctorado, y por las valiosas horas dedicadas en la bsqueda de
recursos para llevar a cabo lo que bien denomina su sueo.
A D. Ral Chiu Nazaral, por su disposicin para respaldar la
investigacin en el Instituto Tecnolgico de Minatitln.
A D. Manuel Gracida Aguirre, por confiar en la culminacin de este
proyecto.
A D. Alberto Gordillo Martnez, por su amistad, consejos y valioso
apoyo a lo largo de esta etapa.
A D. Porfirio Mandujano Snchez, por ensearme el valor de la
disciplina.
A mis hermanos de formacin en el ITM: Xchitl, Edith, Ricardo,
Gerardo y Miguel, por impulsarme en esta aventura y hacerme sentir
su cario a lo largo del tiempo.
A mis amigos de Mxico que, gracias a la vida, son muchos, y por no
querer omitir alguno, cuando lean estas lneas sabrn que son ellos a
quienes me refiero. Gracias por su amistad.
MUCHAS GRACIAS!
ndice _____________________________________________________________________
NDICE GENERAL
RESUMEN
XXI
ABSTRACT
XXIII
1 ANTECEDENTES
1.1 Antecedentes personales 1.2 Formacin para el doctorado 1.3 Ttulo propuesto para la tesis doctoral 1.4 Inters por el tema 1.5 Lneas de investigacin en desarrollo por parte de la Ctedra de
Ingeniera Sanitaria y Ambiental
2 GENERALIDADES
2.1 Reutilizacin de aguas residuales 2.1.1 Reutilizacin planificada de aguas residuales 2.1.2 Fiabilidad del proceso de regeneracin
2.1.3 Tipos de reutilizacin 2.2 Avances tecnolgicos 2.3 Marco normativo
2.3.1 Calidad del agua 2.3.2 Control de vertidos
2.4 Problemtica 2.5 Teora general de la filtracin
2.5.1 Introduccin 2.5.2 Objetivos de la filtracin 2.5.3 Mecanismos de remocin en la filtracin 2.5.4 Principales variables que intervienen en el diseo de
filtros de medio granular 2.5.5 Descripcin de la operacin de filtracin 2.6 Filtracin por membranas 2.6.1 Introduccin 2.6.2 Operacin de membranas 2.6.3 Clasificacin de las membranas 2.6.4 Configuracin del mdulo de membrana 2.6.5 Aspectos de diseo 2.7 Las membranas en la desinfeccin de las aguas
2.7.1 Microfiltracin (MF) 2.7.2 Ultrafiltracin (UF) 2.7.3 Nanofiltracin (NF) 2.7.4 smosis inversa (OI) 2.7.5 Comparacin tcnico econmica de las membranas 3. OBJETIVOS PREVIOS DE LA INVESTIGACIN 4. INVESTIGACIN BIBLIOGRFICA 4.1 Antecedentes 4.2 Bsqueda bibliogrfica 4.3 Resultados de la investigacin bibliogrfica 4.3.1 Modificacin del pH, conductividad y turbidez
1
1122
2
5
5589
101718202324242626
2828343435384245515265798897
101
103
103104106106
______________________________________________________________________ i
ndice _____________________________________________________________________
4.3.2 Modificacin de la dureza y la alcalinidad 4.3.3 Nitrgeno total, fsforo total, DQO y sulfatos 4.3.4 Verificar el grado de eliminacin de metales y sales metlicas (cloruro frrico) empleando membranas de ultrafiltracin y de smosis inversa
4.3.5 Seleccionar el tipo de membrana que retenga los elementos analizados, as como su resistencia al ensuciamiento
4.3.6 Analizar la factibilidad de la reutilizacin del agua obtenida desde el punto de viste tcnico
4.3.7 Analizar la factibilidad de la reutilizacin del agua obtenida desde el punto de vista econmico
4.3.8 Normativa internacional sobre reutilizacin de aguas residuales depuradas
4.3.9 Normas del tipo Californiano 4.3.10 Normas tipo OMS 4.3.11 Normativa espaola por la que se establece el rgimen jurdico de la reutilizacin de las aguas residuales
4.4 Frontera del conocimiento 4.4.1 Anlisis de la bibliografa en relacin al primer objetivo 4.4.2 Anlisis de la bibliografa en relacin al segundo objetivo 4.4.3 Anlisis de la bibliografa en relacin al tercer objetivo 4.4.4 Anlisis de la bibliografa en relacin al cuarto objetivo 4.4.5 Anlisis de la bibliografa en relacin al quinto objetivo 4.4.6 Anlisis de la bibliografa en relacin al sexto objetivo 4.4.7 Anlisis de la bibliografa en relacin al sptimo objetivo 5. OBJETIVOS DEFINITIVOS 6. METODOLOGA DE LA INVESTIGACIN 6.1 Parmetros a analizar 6.2 Programa de muestreo 6.2.1 Puntos de muestreo 6.2.2 Frecuencia de muestreo 6.2.3 Tcnicas de muestreo 6.3 Tcnicas analticas 6.3.1 Demanda Qumica de Oxgeno (DQO). Test en cubetas 6.3.2 Fsforo total. Test en cubetas 6.3.3 Nitrgeno total. Test en cubetas 6.3.4 Turbidez: UNE-EN 27027: 1995 (ISO 7027:1990) 6.3.5 Conductividad: UNE-EN 27888:1995 (ISO 7828:1985) 6.3.6 pH 6.3.7 Alcalinidad total: NORMA UNE-EN ISO 9963-1 Y 2: 1996 6.3.8 Cloruros: 4500-Cl- B MTODO ESTNDAR 6.3.9 Dureza: Total, clcica y magnsica. UNE 77040:1983 6.3.10 Sodio (Na). Test en cubetas 6.3.11 Sulfatos (SO42-). Test en cubetas 6.3.12 Hierro (Fe). Test en cubetas 6.3.13 Metales totales. UNE 77056:1983 6.4 Equipos de laboratorio 6.5 Instalaciones y planta de ensayo 6.5.1 Depuradora El Endrinal (Collado Villalba) 6.5.2 Plantas pilotos utilizadas para la investigacin de ultrafiltracin y smosis inversa
113117
130
139
143
145
149149157
168172175176177181183184186
189
191
191191191192192192192192195196197197198198199200200201202203207207
209
______________________________________________________________________ ii
ndice _____________________________________________________________________
6.5.3 Descripcin de las plantas piloto 6.5.4 Planta con mdulo de placas y membranas de ultrafiltracin
6.5.5 Planta con mdulo de placas y membranas de smosis inversa
6.6 Descripcin de los ensayos 6.6.1 Descripcin de los ensayos en las plantas piloto de ultrafiltracin y de smosis inversa (operacin simultnea) 6.7 Programacin en el tiempo 7. ENSAYOS DE CHOQUE 7.1 Seleccin de las tcnicas analticas 7.2 Contraste de la instalacin 8. DESCRIPCIN DE LA FASE DE ENSAYOS 8.1 Funcionamiento de la planta de smosis inversa (OI) 8.1.1 Operacin de filtrado 8.1.2 Limpieza qumica 8.1.3 Mantenimiento de la planta 8.2 Funcionamiento de la planta de ultrafiltracin (UF) 8.2.1 Primer flushing o enjuague 8.2.2 Operacin de filtrado 8.2.3 Segundo flushing o enjuague 8.2.4 Limpieza qumica 8.2.5 Tercer flushing o enjuague 8.3 Descripcin de los ensayos definitivos 9. PRESENTACIN DE RESULTADOS 9.1 Resumen de los resultados 9.2 Rendimientos 10. ANLISIS DE RESULTADOS 10.1 Fsico-qumicos 10.2 Metales pesados 10.3 Control del bioensuciamiento 10.4 Comparacin entre la calidad del agua para los diferentes usos y la calidad del agua obtenida 10.4.1 Con respecto a la calidad de las aguas superficiales destinadas a la produccin de agua potable.
10.4.2 Con respecto a la calidad de las aguas para la vida de los peces
10.4.3 Con respecto a la calidad de las aguas para la cra de moluscos
10.5 Comparacin entre la calidad de las aguas depuradas para su reutilizacin y la calidad del agua obtenida 10.5.1 Calidad indicada por la USEPA para ser reutilizada en
diferentes usos 10.5.2 Calidad indicada por el Real Decreto (1620/2007), por el que se establece el rgimen jurdico de la reutilizacin de las aguas depuradas en Espaa.
209
209
213218
218221
227
227232
233
233234235235236237237239239240241
297
297368
389
389430459
465
465
467
468
469
469
470
______________________________________________________________________ iii
ndice _____________________________________________________________________
11. CONCLUSIONES
11.1 Conclusiones en relacin con las tcnicas de filtracin avanzadas
11.2 Comparacin respecto de la normativa sobre calidad del agua para su reutilizacin y la calidad del agua obtenida
11.2.1 Anlisis por parmetros 11.2.2 Usos de acuerdo a la calidad obtenida 12. FUTURAS LNEAS DE INVESTIGACIN 13. BIBLIOGRAFA 14. ANEJOS
475
475
492492505
509
511
521
______________________________________________________________________ iv
ndice _____________________________________________________________________
NDICE DE TABLAS
Tabla 1.1.- Curso 2005 2006: Periodo de docencia 1
Tabla 1.2.- Curso 2006 2007: Periodo de investigacin 1
Tabla 1.3.- Proyectos de la Ctedra Ingeniera Sanitaria (UPM) 3 Tabla 2.1.- Mecanismos de remocin en la filtracin 26
Tabla 2.2.- Variables que intervienen en el diseo de filtros de medio granular 28Tabla 2.3.- Resultados del ensayo de bolas de barro 31Tabla 2.4.- Operaciones de membranas tcnicamente relevantes en el
tratamiento de agua 37
Tabla 2.5.- Mercado americano de membranas y mdulos de membrana en
millones de dlares, ao 2001 98
Tabla 2.6.- Estado de la tcnica por membranas, ao 2001 98
Tabla 4.1.- Palabras clave utilizadas en la investigacin bibliogrfica 105Tabla 4.2.- Caractersticas de la coagulacin-MBR simultnea, tratamiento
primario de efluentesa 108
Tabla 4.3.- Caractersticas de la coagulacin despus de los efluentes
secundarios seguida de microfiltracina 108
Tabla 4.4.- Caractersticas promedio del efluente secundario de la planta de
regeneracin de aguas residuales de Santa Cruz, Tenerife 109
Tabla 4.5.- Eficiencias en la reduccin de la turbidez del efluente secundario en
las plantas de tratamiento de aguas residuales de Santa Cruz, para
los diferentes pretratamientos con coagulacin-floculacin de PAI, y
de filtracin 109
Tabla 4.6.- Calidad del agua de alimentacin despus del tratamiento previo
(antes OI) 110
Tabla 4.7.- Calidad del agua efluente 111
Tabla 4.8.- Caractersticas del influente y efluente 112Tabla 4.9.- Caractersticas del agua residual urbana 112
Tabla 4.10.- Comparacin entre calidad del efluente y los estndares de calidad
del agua 113
Tabla 4.11.- Rendimiento de las plantas piloto de MBR/OI y MF/OI 115
Tabla 4.12.- Rendimiento de las membranas de NF para el tratamiento de
aguas residuales 116
Tabla 4.13.- Niveles de dureza del permeado 116
Tabla 4.14.- Composicin del agua de alimentacin y del permeado 117
______________________________________________________________________ v
ndice _____________________________________________________________________
Tabla 4.15.- Composicin del agua mezclada 117Tabla 4.16.- Parmetros del agua bruta 120Tabla 4.17.- Condiciones de operacin 121
Tabla 4.18.- Reduccin de nutrientes 122
Tabla 4.19.- Concentracin media de parmetros 123
Tabla 4.20.- Caractersticas del agua bruta y los efluentes 124
Tabla 4.21.- Comparacin de los resultados de los dos mtodos de tratamiento 124Tabla 4.22.- Calidad del agua 126
Tabla 4.23.- Comparacin de los resultados despus de la coagulacin 127
Tabla 4.24.- Promedio y eliminacin de materia orgnica 127Tabla 4.25.- Caractersticas de las aguas residuales de curtido 128Tabla 4.26.-Variacin de la alimentacin y sus porcentajes de rechazo 135
Tabla 4.27.- Uso de energa para diversas fuentes de abastecimiento de agua y
aguas residuales 147
Tabla 4.28.- DBO5 y SST en el agua de alimentacin 149Tabla 4.29.- DBO5 de la ultrafiltracin de los tres influentes 149Tabla 4.30.- Normativa de reutilizacin de la EPA 150
Tabla 4.31.- Normativa de reutilizacin del Estado de California 152Tabla 4.32.- Normativa de reutilizacin en el Estado de Florida 153Tabla 4.33.- Normativa de reutilizacin de Israel 154Tabla 4.34.- Normativa de reutilizacin de Sudfrica 156
Tabla 4.35.- Criterios de calidad de agua segn la OMS con base en grupos
expuestos 158
Tabla 4.36.- Criterios de calidad de agua segn la OMS con base en tipos de
cultivos 159
Tabla 4.37.- Normativa de reutilizacin en Tnez 162
Tabla 4.38.- Normativa de reutilizacin en Francia 164
Tabla 4.39.- Normativa de reutilizacin en Nueva Gales del Sur 166
Tabla 4.40.- Normativa de reutilizacin en Chipre 167
Tabla 4.41.- Normativa espaola para la reutilizacin de aguas depuradas 168
Tabla 4.42.- Diferentes procesos de membranas 174Tabla 4.43.- Resumen del primer objetivo 175Tabla 4.44.- Resumen del segundo objetivo 176Tabla 4.45.- Resumen del tercer objetivo 178Tabla 4.46.- Resumen del cuarto objetivo 181
Tabla 4.47.- Resumen del quinto objetivo 183
______________________________________________________________________ vi
ndice _____________________________________________________________________
Tabla 4.48.- Resumen del sexto objetivo 185Tabla 4.49.- Resumen del sptimo objetivo 186Tabla 6.1.- Tcnica (cdigo de test 1.14560) 193
Tabla 6.2.- Tcnica (cdigo de test 1.14543.0001) 194Tabla 6.3.- Tcnica (cdigo de test 1.00613.0001) 195Tabla 6.4.- Tcnica (cdigo de test 1.00885.0001) 200Tabla 6.5.- Tcnica (cdigo de test 1.14548.0001) 201Tabla 6.6.- Tcnica (cdigo de test 1.14896.0001) 202
Tabla 6.7.- Tiempo por unidad de muestreo 222
Tabla 6.8.- Cronograma de la investigacin 225Tabla 7.1.- Tiempo por unidad de muestreo 228
Tabla 7.2.- Ensayos choque realizados: 5 02 2007 229
Tabla 7.3.- Ensayos choque realizados: 6 02 07 230Tabla 7.4.- Ensayos choque realizados: 13 02 07 230Tabla 7.5.- Ensayos choque realizados: 14 02 07 231Tabla 7.6.- Ensayos choque realizados: 19 02 07 231Tabla 7.7.- Ensayos choque realizados: 20 02 07 232
Tabla 9.1.- pH 298Tabla 9.2.- Conductividad 299Tabla 9.3.- Turbidez 299Tabla 9.4.- pH 300
Tabla 9.5.- Conductividad 301Tabla 9.6.- Turbidez 302Tabla 9.7.- pH 303Tabla 9.8.- Conductividad 304Tabla 9.9.- Turbidez 305
Tabla 9.10.- pH 306Tabla 9.11.- Conductividad 307Tabla 9.12.- Turbidez 308Tabla 9.13.- Dureza total 309
Tabla 9.14.- Concentracin de la dureza clcica 310Tabla 9.15.- Concentracin de la dureza de magnesio 311Tabla 9.16.- Alcalinidad total 312Tabla 9.17.- Dureza total 313Tabla 9.18.- Concentracin de la dureza Clcica 314
Tabla 9.19.- Concentracin de la dureza de Magnesio 315
______________________________________________________________________ vii
ndice _____________________________________________________________________
Tabla 9.20.- Alcalinidad total 316Tabla 9.21.- Dureza total 317Tabla 9.22.- Concentracin de la dureza clcica 318
Tabla 9.23.- Concentracin de la dureza de magnesio 319Tabla 9.24.- Alcalinidad total 320Tabla 9.25.- Dureza total 321Tabla 9.26.- Concentracin de la dureza clcica 322Tabla 9.27.- Concentracin de la dureza de magnesio 323
Tabla 9.28.- Alcalinidad total 324Tabla 9.29.- Concentracin del nitrgeno total 325Tabla 9.30.- Concentracin del fsforo total 326Tabla 9.31.- Concentracin de la Demanda Qumica de Oxgeno (DQO) 327
Tabla 9.32.- Concentracin de cloruros 328Tabla 9.33.- Concentracin de sulfatos 329Tabla 9.34.- Concentracin del nitrgeno total 330Tabla 9.35.- Concentracin del fsforo total 331Tabla 9.36.- Concentracin de la Demanda Qumica de Oxgeno (DQO) 332
Tabla 9.37.- Concentracin de cloruros 333Tabla 9.38.- Concentracin de sulfatos 334Tabla 9.39.- Concentracin de cloruros 335Tabla 9.40.- Concentracin de sulfatos 336
Tabla 9.41.- Concentracin de cloruros 337Tabla 9.42.- Concentracin de sulfatos 338Tabla 9.43.- Concentracin de sodio 339
Tabla 9.44.- Concentracin de plomo 340
Tabla 9.45.- Concentracin de nquel 341
Tabla 9.46.- Concentracin de cadmio 342Tabla 9.47.- Concentracin de zinc 343Tabla 9.48.- Concentracin de cromo 344Tabla 9.49.- Concentracin de hierro 345
Tabla 9.50.- Concentracin de manganeso 346Tabla 9.51.- Concentracin de sodio 347Tabla 9.52.- Concentracin de plomo 348Tabla 9.53.- Concentracin de nquel 349Tabla 9.54.- Concentracin de cadmio 350
Tabla 9.55.- Concentracin de zinc 351
______________________________________________________________________ viii
ndice _____________________________________________________________________
Tabla 9.56.- Concentracin de cromo 352Tabla 9.57.- Concentracin de hierro 353Tabla 9.58.- Concentracin de manganeso 354
Tabla 9.59.- Concentracin de plomo 355Tabla 9.60.- Concentracin de nquel 356Tabla 9.61.- Concentracin de cadmio 357Tabla 9.62.- Concentracin de zinc 358Tabla 9.63.- Concentracin de cromo 359
Tabla 9.64.- Concentracin de manganeso 360Tabla 9.65.- Concentracin de plomo 361Tabla 9.66.- Concentracin de nquel 362Tabla 9.67.- Concentracin de cadmio 363
Tabla 9.68.- Concentracin de zinc 364
Tabla 9.69.- Concentracin de cromo 365
Tabla 9.70.- Concentracin de manganeso 366
Tabla 9.71.- Modificacin de pH 368Tabla 9.72.- Modificacin de la conductividad 369
Tabla 9.73.- Rendimientos de turbidez 369Tabla 9.74.- Rendimientos de dureza total 370Tabla 9.75.- Rendimientos de dureza clcica 371Tabla 9.76.- Rendimientos de dureza magnesio 372
Tabla 9.77.- Modificacin de la alcalinidad total 373Tabla 9.78.- Rendimientos de nitrgeno total 374Tabla 9.79.- Rendimientos de fsforo total 375Tabla 9.80.- Rendimientos de la Demanda Qumica de Oxgeno (DQO) 376Tabla 9.81.- Rendimientos de cloruros 377
Tabla 9.82.- Rendimientos de sulfatos 378
Tabla 9.83.- Rendimientos de sodio 379Tabla 9.84.- Rendimientos de plomo 380
Tabla 9.85.- Rendimientos de nquel 381
Tabla 9.86.- Rendimientos de cadmio 382Tabla 9.87.- Rendimientos de zinc 383
Tabla 9.88.- Rendimientos de cromo 384
Tabla 9.89.- Rendimientos de hierro 385Tabla 9.90.- Rendimientos de manganeso 386
______________________________________________________________________ ix
ndice _____________________________________________________________________
Tabla 10.1.- Puntos potenciales de intervencin en el proceso de
bioensuciamiento de membrana 459
Tabla 10.2.- Agentes desinfectantes comnmente usados para controlar el
bioensuciamiento en los sistemas de membrana 463
Tabla 10.3- Comparacin entre la calidad exigida para la produccin de agua
potable con la calidad del agua filtrada 465
Tabla 10.4- Calidad de las aguas requeridas para la vida de los peces y calidad
del agua obtenida en la investigacin 467
Tabla 10.5- Calidad requerida en las aguas para la cra de moluscos y el agua
filtrada 468
Tabla 10.6- Criterios de reutilizacin de la USEPA en usos urbanos 469
Tabla 10.7- Calidad del agua requerida para diversos usos en Espaa y la
calidad del agua obtenida en la investigacin 470
Tabla 11.1.- pH 476
Tabla 11.2.- Conductividad (20C S/cm) 476
Tabla 11.3.- Turbidez (NTU) 477Tabla 11.4.- Dureza total (mg/l CaCO3) 478
Tabla 11.5.- Concentraciones de dureza clcica (mg/l Ca) 479Tabla 11.6.- Concentraciones de dureza de magnesio (mg/l Mg) 480Tabla 11.7.- Alcalinidad total (mg/l CaCO3) 481Tabla 11.8.- Concentraciones de nitrgeno total (mg/l) 482
Tabla 11.9.- Concentraciones de fsforo total (mg/l) 482Tabla 11.10.- Concentraciones de la Demanda Qumica de Oxgeno (mg/l) 483Tabla 11.11.- Concentraciones de cloruros (mg/l) 484Tabla 11.12.- Concentraciones de sulfatos (mg/l) 485Tabla 11.13.- Concentraciones de sodio (mg/l) 485
Tabla 11.14.- Concentraciones de plomo (g/l) 486Tabla 11.15.- Concentraciones de nquel (g/l) 487Tabla 11.16.- Concentraciones de cadmio (g/l) 488Tabla 11.17.- Concentraciones de zinc (g/l) 489
Tabla 11.18.- Concentraciones de cromo (g/l) 490Tabla 11.19.- Concentraciones de hierro (mg/l) 490Tabla 11.20.- Concentraciones de manganeso (g/l) 491Tabla 11.21.- Comparacin de parmetros por norma y el agua obtenida en el
efluente del filtro de arena (canal) 506
______________________________________________________________________ x
ndice _____________________________________________________________________
Tabla 11.22.- Comparacin de parmetros por norma y el agua obtenida en el
efluente de la planta piloto de ultrafiltracin (UF) 506
Tabla 11.23.- Comparacin de parmetros por norma y el agua obtenida en el
efluente de la planta piloto de smosis inversa (OI) 507
Tabla 11.24.- Comparacin de parmetros por norma y el agua obtenida en el
efluente de la planta piloto de smosis inversa (OI) a partir del
efluente de la planta piloto de ultrafiltracin (en lnea) 507Tabla 11.25.- Comparacin de los sistemas de filtracin estudiados respecto de
las normativas 508
Tabla 14.1.- Concentracin de los parmetros fsico-qumicos en el influente
del filtro de arena (canal) 523
Tabla 14.2.- Concentracin de los parmetros fsico-qumicos en el efluente del
filtro de arena (canal) 524
Tabla 14.3.- Concentracin de los parmetros fsico-qumicos en el efluente de
la planta piloto de ultrafiltracin (UF) 525
Tabla 14.4.- Concentracin de los parmetros fsico-qumicos en el efluente de
la planta piloto de smosis inversa (OI) 526
Tabla 14.5.- Concentracin de los parmetros fsico-qumicos en el efluente de
la planta piloto de smosis inversa (OI), a partir del efluente de la
planta piloto de ultrafiltracin 527
Tabla 14.6.- Concentracin de metales en el influente del filtro de arena (canal) 528
Tabla 14.7.- Concentracin de metales en el efluente del filtro de arena (canal) 529
Tabla 14.8.- Concentracin de metales en el efluente de la planta piloto de
ultrafiltracin (UF) 530
Tabla 14.9.- Concentracin de metales en el efluente de la planta piloto de
smosis inversa (OI) 531
Tabla 14.10.- Concentracin de metales en el efluente de la planta piloto de
smosis inversa (OI), a partir del efluente de la planta piloto de
ultrafiltracin 532
______________________________________________________________________ xi
ndice _____________________________________________________________________
NDICE DE GRFICOS
Grfico 9.1.- pH 298
Grfico 9.2.- Conductividad 299
Grfico 9.3.- Turbidez 300
Grfico 9.4.- pH 301
Grfico 9.5.- Conductividad 302
Grfico 9.6.- Turbidez 303
Grfico 9.7.- pH 304
Grfico 9.8.- Conductividad 305
Grfico 9.9.- Turbidez 306
Grfico 9.10.- Concentracin de pH 307
Grfico 9.11.- Conductividad 308
Grfico 9.12.- Turbidez 309
Grfico 9.13. - Dureza total 310
Grfico 9.14. - Concentracin de la dureza clcica 311
Grfico 9.15. - Concentracin de la dureza de magnesio 312
Grfico 9.16. - Alcalinidad total 313
Grfico 9.17. - Dureza total 314
Grfico 9.18. - Concentracin de la dureza clcica 315
Grfico 9.19. - Concentracin de la dureza de magnesio 316
Grfico 9.20. - Alcalinidad total 317
Grfico 9.21. - Dureza total 318
Grfico 9.22. - Concentracin de la dureza clcica 319
Grfico 9.23. - Concentracin de la dureza de magnesio 320
Grfico 9.24. - Alcalinidad total 321
Grfico 9.25. - Dureza total 322
Grfico 9.26. - Concentracin de la dureza clcica 323
Grfico 9.27. - Concentracin de la dureza de magnesio 324
Grfico 9.28. - Alcalinidad total 325
Grfico 9.29. - Concentracin del nitrgeno total 326
Grfico 9.30. - Concentracin del fsforo total 327
Grfico 9.31. - Concentracin de la Demanda Qumica de Oxgeno (DQO) 328
Grfico 9.32. - Concentracin de cloruros 329
Grfico 9.33. - Concentracin de sulfatos 330
Grfico 9.34. - Concentracin del nitrgeno total 331
______________________________________________________________________ xiii
ndice _____________________________________________________________________
Grfico 9.35. - Concentracin del fsforo total 332
Grfico 9.36. - Concentracin de la Demanda Qumica de Oxgeno (DQO) 333
Grfico 9.37. - Concentracin de cloruros 334
Grfico 9.38. - Concentracin de sulfatos 335
Grfico 9.39. - Concentracin de cloruros 336
Grfico 9.40. - Concentracin de sulfatos 337
Grfico 9.41. - Concentracin de cloruros 338
Grfico 9.42. - Concentracin de sulfatos 339
Grfico 9.43. - Concentracin de sodio 340
Grfico 9.44. - Concentracin de plomo 341
Grfico 9.45. - Concentracin de nquel 342
Grfico 9.46. - Concentracin de cadmio 343
Grfico 9.47. - Concentracin de zinc 344
Grfico 9.48. - Concentracin de cromo 345
Grfico 9.49. - Concentracin de hierro 346
Grfico 9.50. - Concentracin de manganeso 347
Grfico 9.51. - Concentracin de sodio 348
Grfico 9.52. - Concentracin de plomo 349
Grfico 9.53. - Concentracin de nquel 350
Grfico 9.54. - Concentracin de cadmio 351
Grfico 9.55. - Concentracin de zinc 352
Grfico 9.56. - Concentracin de cromo 353
Grfico 9.57. - Concentracin de hierro 354
Grfico 9.58. - Concentracin de manganeso 355
Grfico 9.59. - Concentracin de plomo 356
Grfico 9.60. - Concentracin de nquel 357
Grfico 9.61. - Concentracin de cadmio 358
Grfico 9.62. - Concentracin de zinc 359
Grfico 9.63. - Concentracin de cromo 360
Grfico 9.64. - Concentracin de manganeso 361
Grfico 9.65. - Concentracin de plomo 362
Grfico 9.66. - Concentracin de nquel 363
Grfico 9.67. - Concentracin de cadmio 364
Grfico 9.68. - Concentracin de zinc 365
Grfico 9.69. - Concentracin de cromo 366
Grfico 9.70. - Concentracin de manganeso 367
______________________________________________________________________ xiv
ndice _____________________________________________________________________
Grfico 9.71. - Modificacin de pH 368
Grfico 9.72. - Modificacin de la conductividad 369
Grfico 9.73. - Rendimientos de turbidez 370
Grfico 9.74. - Rendimientos de dureza total 371
Grfico 9.75. - Rendimientos de dureza clcica 372
Grfico 9.76. - Rendimientos de dureza magnesio 373
Grfico 9.77. - Modificacin de la alcalinidad total 374
Grfico 9.78. - Rendimientos de nitrgeno total 375
Grfico 9.79. - Rendimientos de fsforo total 376
Grfico 9.80. - Rendimientos de la Demanda Qumica de Oxgeno (DQO) 377
Grfico 9.81. - Rendimientos de cloruros 378
Grfico 9.82. - Rendimientos de sulfatos 379
Grfico 9.83.- Rendimientos de sodio 380
Grfico 9.84.- Rendimientos de plomo 381
Grfico 9.85.- Rendimientos de nquel 382
Grfico 9.86.- Rendimientos de cadmio 383
Grfico 9.87.- Rendimientos de zinc 384
Grfico 9.88.- Rendimientos de cromo 385
Grfico 9.89.- Rendimientos de hierro 386
Grfico 9.90.- Rendimientos de manganeso 387
Grfico 10.1.- Modificacin pH 389
Grfico 10.2.- Modificacin conductividad 390
Grfico 10.3.- Rendimientos turbidez 391
Grfico 10.4.- Modificacin pH 392
Grfico 10.5.- Modificacin conductividad 393
Grfico 10.6.- Rendimientos turbidez 394
Grfico 10.7.- Modificacin pH 395
Grfico 10.8.- Modificacin conductividad 396
Grfico 10.9.- Rendimientos turbidez 397
Grfico 10.10.- Modificacin pH 398
Grfico 10.11.- Modificacin conductividad 399
Grfico 10.12.- Rendimientos turbidez 400
Grfico 10.13.- Rendimientos dureza total 401
Grfico 10.14.- Rendimientos dureza de calcio 402
Grfico 10.15.- Rendimientos dureza de magnesio 403
Grfico 10.16.- Modificacin alcalinidad total 404
______________________________________________________________________ xv
ndice _____________________________________________________________________
Grfico 10.17.- Rendimientos dureza total 405
Grfico 10.18.- Rendimientos dureza de calcio 406
Grfico 10.19.- Rendimientos dureza de magnesio 407
Grfico 10.20.- Modificacin alcalinidad total 408
Grfico 10.21.- Rendimientos dureza total 409
Grfico 10.22.- Rendimientos dureza de calcio 410
Grfico 10.23.- Rendimientos dureza de magnesio 411
Grfico 10.24.- Modificacin alcalinidad total 412
Grfico 10.25.- Rendimientos dureza total 413
Grfico 10.26.- Rendimientos dureza clcica 414
Grfico 10.27.- Rendimientos dureza de magnesio 415
Grfico 10.28.- Modificacin alcalinidad total 416
Grfico 10.29.- Rendimientos nitrgeno total 417
Grfico 10.30.- Rendimientos fsforo total 418
Grfico 10.31.- Rendimientos DQO 419
Grfico 10.32.- Rendimientos cloruros 420
Grfico 10.33.- Rendimientos sulfatos 421
Grfico 10.34.- Rendimientos nitrgeno total 422
Grfico 10.35.- Rendimientos fsforo total 423
Grfico 10.36.- Rendimientos DQO 424
Grfico 10.37.- Rendimientos cloruros 425
Grfico 10.38.- Rendimientos sulfatos 426
Grfico 10.39.- Rendimientos cloruros 427
Grfico 10.40.- Rendimientos sulfatos 428
Grfico 10.41.- Rendimientos cloruros 429
Grfico 10.42.- Rendimientos sulfatos 430
Grfico 10.43.- Rendimientos sodio 431
Grfico 10.44.- Rendimientos plomo 432
Grfico 10.45.- Rendimientos nquel 433
Grfico 10.46.- Rendimientos cadmio 434
Grfico 10.47.- Rendimientos zinc 435
Grfico 10.48.- Rendimientos cromo 436
Grfico 10.49.- Rendimientos hierro 437
Grfico 10.50.- Rendimientos manganeso 438
Grfico 10.51.- Rendimientos sodio 439
Grfico 10.52.- Rendimientos plomo 440
______________________________________________________________________ xvi
ndice _____________________________________________________________________
Grfico 10.53.- Rendimientos nquel 441
Grfico 10.54.- Rendimientos cadmio 442
Grfico 10.55.- Rendimientos zinc 443
Grfico 10.56.- Rendimientos cromo 444
Grfico 10.57.- Rendimientos hierro 445
Grfico 10.58.- Rendimientos manganeso 446
Grfico 10.59.- Rendimientos plomo 447
Grfico 10.60.- Rendimientos nquel 448
Grfico 10.61.- Rendimientos cadmio 449
Grfico 10.62.- Rendimientos zinc 450
Grfico 10.63.- Rendimientos cromo 451
Grfico 10.64.- Rendimientos manganeso 452
Grfico 10.65.- Rendimientos plomo 453
Grfico 10.66.- Rendimientos nquel 454
Grfico 10.67.- Rendimientos cadmio 455
Grfico 10.68.- Rendimientos zinc 456
Grfico 10.69.- Rendimientos cromo 457
Grfico 10.70.- Rendimientos manganeso 458
Grfico 11.1.- pH 493
Grfico 11.2.- Conductividad 494
Grfico 11.3.- Turbidez 495
Grfico 11.4.- Nitrgeno total 496
Grfico 11.5.- Fsforo total 497
Grfico 11.6.- Demanda Qumica de Oxgeno (DQO) 498
Grfico 11.7.- Sodio 499
Grfico 11.10.- Plomo 500
Grfico 11.11.- Nquel 501
Grfico 11.12.- Cadmio 502
Grfico 11.13.- Zinc 503
Grfico 11.14.- Cromo 504
Grfico 11.15.- Manganeso 505
______________________________________________________________________ xvii
ndice _____________________________________________________________________
NDICE DE FIGURAS
Figura 2.1. Rangos normales de varios procesos de filtracin. 27Figura 2.2. Modulo espiral de una hoja 43Figura 2.3. Circulacin de flujos en una membrana tubular 44Figura 2.4. Seccin de un mdulo de fibra hueca 45Figura 9.1. Esquema de puntos de muestreo 297
NDICE DE FOTOGRAFAS
Foto 6.1. Test de DQO 194Foto 6.2. Test de Fsforo 195Foto 6.3. Test de Nitrgeno 196Foto 6.4. Test de Sodio 200Foto 6.5. Test de Sulfatos 201Foto. 6.6 Test de Hierro 202Foto 6.7. Balanza 204Foto 6.8. Fotmetro 204Foto 6.9. Termorreactor 205Foto 6.10. Turbidmetro 205Foto 6.11. Conductmetro 206Foto 6.12. pHmetro 206Foto 6.13 Espectrofotmetro de Absorcin Atmica 207Foto 6.14 Vista general de la planta piloto de ultrafiltracin (UF). 216Foto 6.15 Detalle foto anterior. Mdulo de filtracin UF. 216Foto 6.16 Vista general de la planta piloto de smosis inversa (OI). 217Foto 6.17 Detalle foto anterior. Mdulo de filtracin OI. 217
______________________________________________________________________ xix
RESUMEN
Los procedimientos avanzados de filtracin que utilizan membranas semipermeables
(microfiltracin, ultrafiltracin, nanofiltracin y smosis inversa), constituyen un grupo
de tecnologas limpias, de caracterstica modular, con bajos requerimientos
energticos que preservan la calidad y la funcionalidad de los productos a separar o
concentrar. En este sentido, resultan de especial inters la ultrafiltracin y la smosis
inversa, como procedimientos de afino posteriores al tratamiento biolgico de las
aguas residuales. Esta investigacin estudia la modificacin de algunos parmetros
fisicoqumicos y la eliminacin de metales pesados mediante el empleo de membranas
de ultrafiltracin y smosis inversa. La investigacin experimental se ha llevado a cabo
en las instalaciones de la Estacin Depuradora de Aguas Residuales de El Endrinal
en Collado, Villalba; Considerando como puntos de muestreo el influente y efluente del
filtro de arena (canal) de dicha Estacin Depuradora, as como el permeado de las
plantas piloto de ultrafiltracin y smosis inversa, la finalidad era la de obtener agua de
alta calidad para ser reutilizada en distintos usos. Los resultados obtenidos mediante
el monitoreo de dichos parmetros son comparados con las principales Directivas
Europeas y con el Real Decreto 1620/2007 que recin aplica para Espaa.
Mediante el tratamiento de filtracin por arena se observaron modificaciones en el pH,
la conductividad y la alcalinidad total de una manera descendente en 6,44%, 62,80% y
1,58% respecto a la de los valores medios, al pasar el efluente del filtro de arena por
membranas de ultrafiltracin, estos parmetros se vieron modificados
descendentemente en 7,72%, 78,61% y 57,75%, por smosis inversa un 9,03%
94,90% y 90,11%, al emplear los procesos por membrana en lnea la modificacin es
del 10,25%, 96,78% y 95,54%, respectivamente.
Con el tratamiento de filtracin por arena, la eliminacin de la turbidez mostr un valor
del 61,50% respecto del valor medio, al pasar el efluente del filtro de arena por
membranas de ultrafiltracin la turbidez mostr un valor de 95,42%, mientras que por
smosis inversa mostr un valor del 97,91%, y al emplear los procesos por membrana
en lnea la eliminacin mostrada fue del 99,61%. Mediante el proceso de filtracin por
arena, la eliminacin de la dureza total mostr un valor del 1,91% respecto a su valor
medio, al pasar el efluente del filtro de arena por membranas de ultrafiltracin la
dureza total fue de 45,94%, por smosis inversa un 90,95%, y al emplear los procesos
por membrana en lnea la eliminacin es del 94,99%.
xxi
Con el tratamiento de filtracin por arena la eliminacin de nitrgeno total y fsforo
total fue de 12,44% y 16,27% respecto del valor medio; Mientras que al pasar el
efluente del filtro de arena por membranas de ultrafiltracin la modificacin de estos
parmetros fue del 66,13% y 82,56%. Con el tratamiento de filtracin por arena la
eliminacin de DQO fue de 12,87% respecto del valor medio, al pasar el efluente del
filtro de arena por membranas de ultrafiltracin la DQO fue de 70,34%.
Con el tratamiento de filtracin por arena la eliminacin de cloruros fue de 2,91%
respecto del valor medio, al pasar el efluente del filtro de arena por membranas de
ultrafiltracin los cloruros fueron de 39,01%, por smosis inversa un 93,61%, y al
emplear los procesos por membrana en lnea la eliminacin es del 95,94%. Con el
tratamiento de filtracin por arena la eliminacin de sulfatos fue de 3,02% respecto del
valor medio, al pasar el efluente del filtro de arena por membranas de ultrafiltracin los
sulfatos fueron de 46,31%, por smosis inversa un 97,93%, y al emplear los procesos
por membrana en lnea la eliminacin es del 98,82%.
Respecto a la remocin de los metales estudiados mediante el tratamiento de filtracin
por arena, los rendimientos obtenidos fueron los siguientes: Sodio 6,17%, plomo
4,36%, nquel 12,57%, cadmio 6,18%, zinc 9,00%, cromo 4,46%, hierro 22,56% y
manganeso 2,50%; Al pasar el efluente del filtro de arena por membranas de
ultrafiltracin los rendimientos obtenidos para los metales estudiados son los
siguientes: Sodio 56,05%, plomo 30,25%, nquel 55,18%, cadmio 37,00%, zinc
34,93%, cromo 14,71%, hierro 47,00% y manganeso 17,46%; Al pasar el efluente del
filtro de arena por membranas de smosis inversa los rendimientos obtenidos para los
metales estudiados son los siguientes: Plomo 45,11%, nquel 72,53%, cadmio 58,83%,
zinc 66,48%, cromo 35,60%, y manganeso 29,57%; Al emplear los procesos por
membrana en lnea los rendimientos obtenidos para los metales estudiados son los
siguientes: Plomo 59,63%, nquel 84,58%, cadmio 72,15%, zinc 75,81%, cromo
41,80% y manganeso 40,32%.
Se ha podido establecer que, mediante el empleo de los procedimientos de filtracin
por membranas, especficamente, ultrafiltracin y smosis inversa, es posible cumplir
en su mayora los requisitos establecidos en las diferentes normativas, en relacin con
la reutilizacin. El objetivo fundamental buscado y alcanzado en esta investigacin, es
facilitar el escalonado de procesos de filtracin necesarios para cumplir con las
condiciones exigidas en cualquier tipo de uso, siguiendo las normativas europeas de
calidad segn los usos en la reutilizacin de las aguas.
xxii
ABSTRACT
The advanced processes using membranes (microfiltration, ultrafiltration, nanofiltration
and reverse osmosis) form a group of adequate and modular technologies, with
different energy requirements, that dont change the characteristics of the substances
separated or concentred. Ultrafiltration and reverse osmosis are very adequate
technologies to complement the biological processes. This investigation studies the
modification of several chemical parameters and the separation of some cations and
heavy metals with the use of ultrafiltration and reverse osmosis.
The experimental investigation has been carried out in the wastewater treatment plant
of El Endrinal in Collado, Villalba. The samples have been taken in the following
points: Influent and effluent of the sand filter of the plant, and in the effluents of the
ultrafiltration and reverse osmosis of the pilot plants installed in the municipal plants
with the finality of produce high quality reclaimed waters. The obtained results are
compared with the main European Directives and with the Real Decreto 1620/2007
recently approved in Spain.
Sand filtration produced modifications in the values of pH, conductivity and alkalinity
with a decrease of 6,44%, 62,80% and 1,58% in relation with the average values. Whit
the use of ultrafiltration these parameters decreased also in a percentage of 7,72%,
78,61% and 57,75%, with reverse osmosis in 9,03%, 94,90% and 90,11%, and with
both membrane processes in line 10,25%, 96,78% and 95,54% respectively.
With sand filtration, turbidity remotion was 61,50%, with ultrafiltration 95,42% and with
reverse osmosis 97,91%, and with both membrane processes in line 99,61%.
With sand filtration, total hardness was reduced 1,91%, with ultrafiltration 45, 94%, with
reverse osmosis 90,95%, with both membrane processes in line 94,99%.
With sand filtration the reduction of total nitrogen and phosphorus was 12,44% and
12,67% respectively, with ultrafiltration 66,13% and 82,56%.
The sand filter reduced DQO in a percentage of 12,87% and with ultrafiltration 70,34%.
xxiii
Chloride reduction with sand filtration was 2,91%, with ultrafiltration 39,01%, with
reverse osmosis 93,61%, and with both membrane processes in line 95,94%.
With sand filtration the reduction of sulphates was 3,02%, with ultrafiltration 43,61%
and with reverse osmosis 97,93%, with both membrane processes in line, the reduction
was 98,82%.
The reductions of cations with sand filtration was the following: Sodium 6,17%, lead
4,36%, nickel 12,57%, cadmium 6,18%, Zinc 9,00%, Chromium 4,46%, iron 22,56%
and manganese 2,50%. With ultrafiltration the reduction were the following: Sodium
56,05%, lead 30,25%, nickel 55,18%, cadmium 37,00%, zinc 34,93%, chromium
14,71%, iron 47,00% and manganese 17,46%. With reverse osmosis the reductions
were the following: Lead 45,11%, nickel 72,53%, cadmium 58,83%, zinc 66,48%,
chromium 35,60% and manganese 29,57%. With both membrane processes in line the
reduction were the following: Lead 59,63%, nickel 84,58%, cadmium 72,15%, zinc
75,81, chromium 41,80% and manganese 40,32%.
It has been possible to establish that the use of the filtration procedures by
membranes, specifically ultrafiltration and inverse osmosis satisfy mainly the
requirements established in the different standards in relation with the wastewater
reuse. The main object of the research has been to scale in different levels the filtration
processes, necessary to meet the requirements for any use, following the European
quality standards related to wastewater reuse.
xxiv
Captulo 1: Antecedentes _____________________________________________________________________
1. ANTECEDENTES
1.1 ANTE CEDENTES PERSONALES Radams Trejo Valencia nace en la ciudad de Acayucan, Veracruz, Mxico, el 1 de
diciembre de 1982. En 1997 2000, lleva a cabo estudios preparatorios, obteniendo el
ttulo de tcnico en informtica. En el periodo 2000 2005 efecta estudios de
Ingeniera en el Instituto Tecnolgico de Minatitln, obteniendo el ttulo de Ingeniero
Ambiental, en 2005. En el ao 2006, labora en la Secretara de Medio Ambiente y
Recursos Naturales Zona Federal Martimo Terrestre del Estado de Veracruz como
analista de evaluaciones de impacto ambiental.
1.2 FORMACIN PARA EL DOCTORADO Realiza el ao acadmico del Doctorado Conjunto Universidad Politcnica de Madrid
Instituto Tecnolgico de Minatitln en el periodo 2005 2006, de la siguiente manera:
Tabla 1.1.- Curso 2005 2006: Periodo de docencia
Asignatura Crditos Calificacin
Procesos de tratamiento de agua potable. 3 Notable
Desinfeccin en la reutilizacin de las aguas y lodos. 5 Notable
Procesos de depuracin de aguas residuales industriales. 4 Notable
Legislacin ambiental, impactos ambientales y auditorias. 4 Sobresaliente
Procesos de eliminacin de nutrientes. 3 Notable
Impacto ambiental de las energas renovables. 5 Notable
Superados los veinte crditos exigidos en la etapa de docencia se procedi a la fase
de investigacin, considerando como tema: Empleo de membranas en la reutilizacin
de las aguas.
Tabla 1.2.- Curso 2006 2007: Periodo de investigacin
Asignatura Crditos Calificacin
Empleo de membranas en la reutilizacin de las aguas 12 Sobresaliente
______________________________________________________________________ 1
Captulo 1: Antecedentes _____________________________________________________________________
El 27 de junio de 2007 recibe el reconocimiento de suficiencia investigadora por parte
de la Comisin de Doctorado del Departamento de Ordenacin del Territorio,
Urbanismo y Medio Ambiente.
1.3 TTULO PROPUESTO PARA LA TESIS DOCTORAL Los trabajos de investigacin para la tesis doctoral se han desarrollado en los cursos
2006 2007 y 2007 2008. El 17 de julio de 2007 se solicita al Director del
Departamento de Ordenacin del Territorio, Urbanismo y Medio Ambiente la
aprobacin del Proyecto de Tesis Doctoral titulado Investigacin sobre eliminacin
de sales metlicas por procedimientos avanzados, bajo la direccin de D. Aurelio Hernndez Muoz. Dicha solicitud fue aceptada el 24 de julio de 2007 por la Comisin
de Doctorado del Departamento de Ordenacin del Territorio, Urbanismo y Medio
Ambiente.
1.4 INTERS POR EL TEMA En mi pas, Mxico, existen carencias respecto al suministro de los recursos hdricos,
no slo en lo concerniente al abastecimiento de agua potable y de los tratamientos
adecuados a las mismas, sino tambin en la reutilizacin de las aguas residuales
depuradas, por lo cual, existe mucho por hacer al respecto. Ante la conveniencia de
profundizar sobre el tema, mediante la investigacin, y con el deseo de aportar en este
sector de la reutilizacin, durante el periodo de docencia llev a cabo los cursos de
procesos de tratamiento de agua potable, depuracin de aguas residuales industriales
y desinfeccin en la reutilizacin de aguas y lodos; Por ello, en este periodo de
investigacin, indagu en la Ctedra de Ingeniera Sanitaria y Ambiental un tema que
me permitiese alcanzar este objetivo personal. Como resultado, expres a mi director
de tesis este inters y fui incorporado a una lnea de investigacin en marcha.
1.5 LNEAS DE INVESTIGACIN EN DESARROLLO POR PART E DE L A CTEDRA DE INGENIERA SANITARIA Y AMBIENTAL
La Ctedra de Ingeniera Sanitaria y Ambiental, est adscrita al Departamento de
Ordenacin del Territorio, Urbanismo y Medio Ambiente de la E.T.S. de Ingenieros de
Caminos, Canales y Puertos de la Universidad Politcnica de Madrid, y todo su
personal pertenece al rea de Tecnologas del Medio Ambiente. Dentro del grupo de
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Captulo 1: Antecedentes _____________________________________________________________________
investigacin de la Ctedra de Ingeniera Sanitaria y Ambiental, hace parte D. Aurelio
Hernndez Muoz; Su actividad investigadora se relaciona con la depuracin de aguas
residuales, tanto urbanas como industriales, as como al tratamiento de las aguas de
abastecimiento; Teniendo actualmente como una de las principales lneas de
investigacin la reutilizacin de aguas residuales depuradas, as como el tratamiento
de aguas por procesos de membrana, lnea de la cual forma parte la presente
investigacin. En esta lnea, los proyectos sobre los que se ha trabajado en los ltimos
tres aos son los siguientes:
Tabla 1.3.- Proyectos de la Ctedra Ingeniera Sanitaria (UPM)
PROYECTO INVESTIGADOR
PRINCIPAL
ENTIDAD FINANCIADORA Y REFERENCIA DEL
PROYECTO
Diseo de un prototipo de biorreactor de
membrana sumergida para la reutilizacin
directa de las aguas residuales en
instalaciones hoteleras y pequeas
urbanizaciones con especial atencin a los
aspectos organolpticos.
Aurelio Hernndez
Muoz
(por parte de la UPM)
Ministerio de Ciencia
y Tecnologa
FIT-310200-2004-109
Empleo de tecnologas de membrana para la
eliminacin de frmacos en efluentes de
depuradoras con la finalidad de reutilizar las
aguas.
Aurelio Hernndez
Lehmann
(por parte de la UPM)
Ministerio de Ciencia
y Tecnologa
FIT-310200-2004-108
Presencia de sustancias estrognicas en
efluentes de estaciones depuradoras de
aguas residuales y posibles riesgos derivados
de la reutilizacin de efluentes tratados.
Empleo de tecnologas de biorrectores de
membrana sumergida en su eliminacin.
Aurelio Hernndez
Lehmann
(por parte de la UPM)
Ministerio de Ciencia
y Tecnologa
FIT-310200-2004-105
Presencia de sustancias estrognicas en
estaciones depuradoras de aguas residuales
y posibles riesgos derivados de la
reutilizacin de dichos efluentes tratados.
Aurelio Hernndez
Lehmann
Ministerio de Ciencia
y Tecnologa
FIT-050000-2003-82
Diseo de un prototipo de planta de
electrocoagulacin y electroflotacin para el
tratamiento avanzado de las aguas residuales
con fines de reutilizacin.
Aurelio Hernndez
Lehmann
Ministerio de Medio
Ambiente
015/SGTB/2007/3.1
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Captulo 2: Generalidades _____________________________________________________________________
2. GENERALIDADES
2.1 REUTILIZACIN DE AGUAS RESIDUALES
2.1.1 Reutilizacin planificada de aguas residuales
El agua de calidad para satisfacer las necesidades humanas es un recurso cada vez
ms escaso, y su posesin constituye un factor esencial de civilizacin, de lo que da
testimonio la historia de los asentamientos de la humanidad.
La escasez de recursos hdricos naturales en zonas ridas y semiridas constituye un
problema, a veces dramtico, para la poblacin asentada en ellas, como es el caso de
las regiones mediterrneas, en las que la creciente acumulacin de poblacin unida a
una escasa pluviometra irregularmente distribuida en el tiempo y a unos limitados
recursos superficiales, estn llevando al agotamiento o al deterioro irreversible de los
recursos subterrneos. En este contexto, la reutilizacin de las aguas residuales
urbanas se perfila como una fuente adicional de agua merecedora de ser tenida en
cuenta en la gestin global de los recursos hdricos, junto a medidas ya tradicionales
como los trasvases desde cuencas excedentarias, la construccin de embalses para
regular recursos superficiales y otras medidas ms innovadoras y costosas como la
desalacin de agua de mar. Ciardelli, G. y otros (2000) [23] mencionan que en Europa,
la escasez de recursos hdricos los ha obligado a reutilizar el agua que inicialmente se
desechaba, principalmente en la industria textil debido a los grandes volmenes de
agua usada en los procesos. Por otra parte, Olson, G. (2005) [63] menciona que los
pases de Medio Oriente son los que ms plantas desalinizadoras tienen (49,8% del
total mundial), y han ido reponiendo sus nuevas plantas utilizando la smosis inversa.
El Libro Blanco del Agua en Espaa (2000) [60] seala que la demanda de agua a
nivel de la Unin Europea es aproximadamente 246 km3, con tendencia a mantenerse
constante. La demanda per cpita es 662 m3/habitante/ao, siendo Italia el pas con
una mayor demanda, 1001 m3/habitante/ao, seguido por Espaa con 900
m3/habitante/ao, mientras que en ltimo lugar se encuentra Dinamarca con 175
m3/habitante/ao. A nivel de la Unin Europea, el uso de agua que predomina es la
refrigeracin de las centrales que producen energa elctrica, con un 46%, seguido por
agricultura 30%, uso urbano 14% e industrial 10%. En Estados Unidos sta
distribucin es 42% en agricultura, 39% en refrigeracin, 12% en usos urbanos y 7%
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Captulo 2: Generalidades _____________________________________________________________________
en usos industriales. En Espaa el consumo total se encuentra distribuido en 68%
para agricultura, 14% para refrigeracin, 13% para usos urbanos y el 5% restante para
la industria.
La existencia de vertidos lquidos urbanos e industriales, con poca o nula depuracin,
que alcanzan cursos superficiales de agua y acuferos, junto a depsitos de residuos
slidos urbanos o industriales no controlados y las aportaciones, poco racionales a
veces, de fertilizantes y fitosanitarios en agricultura, provocan una contaminacin
artificial de las aguas que agrava significativamente su carencia con una importante
prdida de calidad.
Las aguas residuales, como consecuencia de la incorporacin de las aguas de
abastecimiento de los restos de la actividad humana e industrial, pueden ser
contempladas como un "caldo" que contiene millones de microorganismos aerobios y
anaerobios, elementos orgnicos e inorgnicos disueltos y slidos en suspensin.
Adems de la carga orgnica, el uso domstico aporta sustancias minerales, que en
unos casos aadirn valor fertilizante y en otros pueden suponer una carga txica
limitante para su reutilizacin (metales pesados como Cd, Hg o Zn).
Asano, T. y Levine, A. D. (1995) [10] La recuperacin y reutilizacin de las aguas
residuales urbanas se ha incrementado en los ltimos aos, debido en gran parte a la
falta de recursos hdricos y a inadecuadas estructuras econmicas, en particular, en
pases con zonas ridas y semiridas. Sin embargo, la reutilizacin debe ser segura
para evitar daos a la salud pblica y el medio ambiente. La reutilizacin de aguas
residuales es un componente intrnseco del ciclo natural del agua. Mediante el vertido
de estos efluentes a los cursos de agua y su dilucin con el caudal circulante, las
aguas residuales han venido siendo reutilizadas incidentalmente en puntos aguas
abajo de los cauces para aprovechamientos urbanos, agrcolas e industriales. La
reutilizacin directa o planificada del agua a gran escala tiene un origen ms reciente,
y supone el aprovechamiento directo de efluentes, con un mayor o menor grado de
regeneracin, mediante su transporte hasta el punto de utilizacin a travs de un
conducto especfico, sin mediar para ello la existencia de un vertido o una dilucin en
un curso natural de agua.
Angelakis, A. N. y Bontoux, L. (2001) [8] En los pases del norte de Europa, en los que
el agua es abundante, la reutilizacin directa no se plantea. Si acaso, algunas
industrias, debido al alto costo del agua, han mejorado sus procesos de recirculacin
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Captulo 2: Generalidades _____________________________________________________________________
de agua y de refrigeracin. En otros pases con altas precipitaciones como Irlanda o
Suiza la reutilizacin no es una alternativa considerada. En Alemania, Holanda o el
Reino Unido hay ciertas aplicaciones como la recarga de acuferos, el riego de campos
de golf o la refrigeracin industrial pero, globalmente, representan un pequeo
porcentaje de sus recursos hdricos.
Catalinas, M. P. M y Ortega, M. E. (2002) [17] Mencionan que la reutilizacin puede
ser de dos tipos, directa e indirecta; Indirecta, cuando hace parte del ciclo natural del
agua, y los vertidos de los efluentes van a los cursos de agua, en donde se diluyen y
aguas abajo son reutilizadas en usos urbanos, agrcolas o industriales. Y reutilizacin
directa o planificada cuando el segundo uso se hace a continuacin del primero, sin
incorporar entre ambos ningn cauce pblico y se realiza con efluentes depurados. Sin
embargo, otros autores denominan reutilizacin directa, al uso del agua residual que
no ha sido sometida a un tratamiento previo.
El notable desarrollo alcanzado por la reutilizacin planificada del agua, especialmente
en pases con recursos hdricos suficientes, se ha debido a la necesidad de ampliar los
abastecimientos de agua y de ampliar las formas de gestin de los vertidos de aguas
depuradas. El incremento registrado por las dotaciones de agua de abastecimiento,
junto con el aumento de poblacin experimentado por numerosas zonas urbanas, han
hecho que las fuentes de abastecimiento tradicionales sean insuficientes para atender
las demandas actuales. Las distancias crecientes entre las nuevas fuentes de
abastecimiento y los ncleos urbanos, las limitaciones ambientales para construir
nuevos embalses y las sequas plurianuales han llevado a numerosas poblaciones a
plantearse la utilizacin de aguas depuradas como fuente adicional de agua para
aprovechamientos que no requieran una calidad de agua potable. El proceso de
tratamiento necesario para que un agua depurada pueda ser reutilizada se denomina
generalmente regeneracin y el resultado de dicho proceso agua regenerada. De
acuerdo con su significado etimolgico, la regeneracin de un agua consiste en
devolverle, parcial o totalmente, el nivel de calidad que tena antes de ser utilizada, de
igual manera que la regeneracin de suelos y la regeneracin de playas tratan de
restaurar el estado y la forma que stos tenan en el pasado.
La implantacin de un proyecto de regeneracin de agua tiene dos requisitos
esenciales y complementarios: 1) definir los niveles de calidad adecuados para cada
uno de los posibles usos que se piense dar al agua y 2) establecer los procesos de
tratamiento y los lmites de calidad del efluente recomendados para cada uno de los
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Captulo 2: Generalidades _____________________________________________________________________
usos previstos. La elaboracin y aprobacin de estos dos aspectos tcnicos de la
regeneracin de agua constituyen generalmente la faceta ms discutida de todo
programa de reutilizacin, debido a la dificultad de establecer una relacin causal entre
la calidad del agua y los posibles efectos sobre la salud y el medio ambiente. Prueba
de ello son la diversidad y heterogeneidad de criterios y normas de calidad
establecidas por diversos pases y organizaciones internacionales sobre la
reutilizacin del agua. El aprovechamiento de un agua regenerada requiere
normalmente: 1) su transporte desde la planta de regeneracin hasta el lugar de
utilizacin, 2) su almacenamiento o regulacin para adecuar el caudal suministrado por
la planta a los caudales consumidos y 3) la definicin de unas normas de utilizacin
del agua que permitan minimizar los posibles riesgos directos o indirectos para el
medio ambiente, las personas que la utilizan, la poblacin circundante al lugar de uso
y los consumidores de cualquier producto cultivado con el agua regenerada. Estos tres
elementos tcnicos constituyen el ncleo central de un programa de reutilizacin
planificada del agua.
2.1.2 Fiabilidad del proceso de regeneracin
Una exigencia caracterstica de los proyectos de regeneracin de agua es la
necesidad de asegurar una fiabilidad notable del proceso de tratamiento y una gestin
adecuada del sistema de reutilizacin del agua. La circunstancia de que la reutilizacin
del agua suela plantearse en muchos casos como la nica fuente alternativa de agua
para el aprovechamiento considerado, sin la proteccin que la dilucin con agua de
mejor calidad pueda ofrecer, pero, sobre todo, el hecho de que la reutilizacin de un
agua suele conllevar en muchos casos la posibilidad de un contacto directo con
personas, animales o plantas, que pueden verse afectados en su salud o desarrollo,
hacen que la fiabilidad de las plantas de regeneracin de agua deba ser elevada y
constituya un elemento esencial tanto de su concepcin como de su explotacin y
mantenimiento.
La fiabilidad de los procesos de tratamiento pasa as a constituir un elemento esencial
de la concepcin y explotacin del sistema de reutilizacin, con prioridad sobre el
rendimiento y eficacia de los propios procesos, que han de satisfacer los lmites de
calidad establecidos para el efluente.
Entre las exigencias relativas a la fiabilidad del proceso de regeneracin cabe destacar
la instalacin de controles continuos de determinados parmetros, la instalacin de
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Captulo 2: Generalidades _____________________________________________________________________
alarmas y automatismos, la disponibilidad de piezas de recambio, la duplicidad de
equipos y procesos, la existencia de equipos de entrada en funcionamiento automtico
en caso de avera, la existencia de volmenes de reserva de reactivos, especialmente
de desinfectante, y la instalacin de equipos autogeneradores o la duplicidad de
suministros de energa elctrica.
Para evitar que la utilizacin de un agua inadecuadamente regenerada pueda provocar
un riesgo ambiental y sanitario inaceptable, las normas de regeneracin suelen exigir
la instalacin de lagunas de almacenamiento, donde desviar el efluente
inadecuadamente tratado para su tratamiento posterior, o la provisin de un sistema
alternativo de vertido.
En definitiva, la regeneracin del agua se debe concebir como un proceso destinado a
obtener un producto de calidad. La elaboracin y la comercializacin de este producto
deben plantearse en un marco ms amplio que el tradicional de lucha contra la
contaminacin, y con una nueva mentalidad en la concepcin y explotacin de los
procesos de regeneracin diferente a la adoptada generalmente en la depuracin del
agua residual, cuyo resultado final suele considerarse un residuo lquido o slido. Esta
nueva forma de plantear la regeneracin del agua ha hecho que la reutilizacin
planificada del agua haya pasado a ser un elemento esencial de la gestin integral de
los recursos hdricos.
La reutilizacin planificada del agua constituye, junto con la regulacin en embalses y
en acuferos subterrneos para uso eficiente del agua, uno de los elementos bsicos
de la gestin integrada de los recursos en zonas semi-ridas (Ej. las del sur de
California).
2.1.3 Tipos de reutilizacin El agua regenerada se viene empleando para mltiplos usos, entre los que cabe
destacar: 1) los usos urbanos (jardinera, incendios, lavado de calles y automviles), 2)
los usos industriales (refrigeracin, lavado de vagones de ferrocarril), 3) el riego
agrcola y forestal, 4) los usos ornamentales y recreativos, 5) la mejora y preservacin
del medio natural y 6) la recarga de acuferos. La reutilizacin agrcola y de jardinera
constituye el aprovechamiento ms extendido del agua regenerada, tanto para cultivo
hortcola (consumo crudo) como de cultivos con procesamiento posterior, cereales,
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Captulo 2: Generalidades _____________________________________________________________________
ctricos, y viedos, y tanto mediante riego por aspersin, micro-aspersin y goteo,
como por riego por inundacin.
Atendiendo al posible contacto o ingestin del agua regenerada por parte de las
personas, la reutilizacin se clasifica en: 1) reutilizacin para uso no potable y 2)
reutilizacin para uso potable. Esta ltima categora suele subdividirse a su vez en
otros dos posibles usos: 1) reutilizacin indirecta para uso potable, cuando el agua
regenerada se mezcla con otra masa de agua natural, como ocurre durante la
infiltracin de agua regenerada en un acufero natural del que posteriormente se
extrae agua como materia prima para la elaboracin de agua potable y 2) reutilizacin
directa para uso potable, cuando el agua regenerada se introduce directamente en la
red de distribucin de agua potable, tal como est previsto en el laboratorio espacial
durante su permanencia en rbita.
Es importante sealar que, hasta el momento, los proyectos de regeneracin para
usos no potables son los que han adquirido el mayor desarrollo en numerosas partes
del mundo, habiendo alcanzado unas excelentes cotas de fiabilidad y de aceptacin
por parte de los usuarios y el pblico en general, especialmente en pases
desarrollados donde los recursos hdricos son limitados y la proteccin ambiental es
una prioridad destacada.
2.2 AVANCES TECNOLGICOS
El tratamiento de las aguas residuales es una prctica que, si bien se lleva realizando
desde la antigedad, actualmente resulta algo fundamental para mantener nuestra
calidad de vida. Son muchas las tcnicas de tratamiento con larga tradicin y,
evidentemente, se ha mejorado mucho en el conocimiento y diseo de las mismas a lo
largo de los aos. Al momento de revisar los tratamientos unitarios ms
convencionales no resulta fcil establecer una clasificacin universal. Una de las
formas ms utilizadas es en funcin de los contaminantes presentes en el agua
residual, o tambin en funcin del fundamento del tratamiento (qumico, fsico o
biolgico). Una forma de intentar aunar ambas formas de clasificacin puede ser
considerar que los contaminantes en el agua pueden estar como materia en
suspensin, materia coloidal o materia disuelta. Entre los avances tecnolgicos que
han de contribuir al desarrollo de la reutilizacin planificada del agua cabe destacar la
implantacin progresiva de sistemas de regeneracin de agua basados en la
utilizacin conjunta de sistemas de tratamiento convencionales y otros basados en
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Captulo 2: Generalidades _____________________________________________________________________
filtracin por membranas, desde la microfiltracin hasta la smosis inversa. Lo anterior,
debido a que las aguas residuales contienen contaminantes como slidos en
suspensin, materia orgnica biodegradable y no degradable, patgenos, metales
pesados (en su mayora provenientes de procesos industriales), por ello, antes de su
reutilizacin es imprescindible someterlas a un proceso de depuracin. Los
tratamientos a aplicar dependern, en cierta medida, del uso final y de la calidad
exigida.
Actualmente en Espaa la lnea de tratamiento ms empleada para la depuracin de
agua residual, con fines de reutilizacin, consiste en someter las aguas efluentes de
un tratamiento biolgico completo a un tratamiento adicional (denominado
comnmente tratamiento terciario) consistente en coagulacin floculacin,
decantacin lamelar, filtracin por arena y desinfeccin.
La coagulacin consiste en agregar ciertos reactivos qumicos, que en primer lugar,
desestabilicen la suspensin coloidal (coagulacin) y que a continuacin favorezcan la
floculacin de las mismas para obtener partculas fcilmente sedimentables. Es una
operacin que se utiliza a menudo, tanto en el tratamiento de aguas residuales
urbanas y potables como en industriales (industria de la alimentacin, pasta de papel,
textiles, etc.) Los coagulantes suelen ser productos qumicos que en solucin aportan
carga elctrica contraria a la del coloide. Habitualmente se utilizan sales con cationes
de alta relacin carga/masa (Fe3+, Al3+) junto con polielectrolitos orgnicos, cuyo
objetivo tambin consiste en favorecer la floculacin:
Sales de Fe3+: Pueden ser Cl3Fe o Fe2(SO4)3, con eficacia semejante. Se
pueden utilizar tanto en estado slido como en disoluciones. La utilizacin de
una u otra est en funcin del anin, si no se desea la presencia de cloruros o
sulfatos.
Sales de Al3+: Suele ser Al2(SO4)3 o policloruro de aluminio. En el primer caso
es ms manejable en disolucin, mientras que en el segundo presenta la
ventaja de mayor porcentaje en peso de aluminio por kg dosificado.
Polielectrolitos: Pueden ser polmeros naturales o sintticos, no inicos
(poliacrilamidas) aninicos (cidos poliacrlicos) o catinicos (polivinilaminas).
Las cantidades a dosificar son mucho menores que para las sales, pero tanto
la eficacia como el coste es mucho mayor.
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Captulo 2: Generalidades _____________________________________________________________________
Al flculo que se forma por la accin del coagulante, se le debe aumentar el volumen,
peso y cohesin; para aumentar la cantidad del flculo el agua debe ponerse en
contacto con los precipitados; As mismo, para que las partculas coloidales
descargadas elctricamente se incorporen a las partculas del flculo, se debe realizar
una agitacin lenta y homognea. Otra alternativa es usar floculantes que favorecen
cada una de estas operaciones, estos productos pueden aumentar la velocidad de
reaccin o mejorar la calidad del flculo (hacindolo ms pesado, voluminoso y
coherente). Los floculantes se clasifican segn su naturaleza, origen y carga elctrica.
Segn su naturaleza: Orgnica (fabricados a partir de algas, almidones,
derivados de celulosa), o mineral.
Segn su origen: (poliacrilamidas, poliaminas) o natural.
Segn su carga elctrica: Aninica (negativa), catinica (positiva) o no inica.
Posteriormente a la coagulacin floculacin contina la sedimentacin o
decantacin, que es la operacin fsica en la que se aprovecha la fuerza de la
gravedad que hace que una partcula ms densa que el agua tenga una trayectoria
descendente, depositndose en el fondo del sedimentador. Esta operacin ser ms
eficaz cuanto mayor sea el tamao y la densidad de las partculas a separar del agua,
es decir, cuanto mayor sea su velocidad de sedimentacin, siendo el principal
parmetro de diseo para estos equipos. La forma de los equipos donde se lleva a
cabo la sedimentacin es variable, en funcin de las caractersticas de las partculas a
sedimentar (tamao, forma, concentracin, densidad, etc.).
En los tratamientos terciarios, el tercer escaln suele establecer la operacin de
filtracin, que tiene por objetivo retener la mayor cantidad posible de materia en
suspensin. El medio poroso tradicionalmente utilizado es un lecho de arena, de altura
variable, dispuesta en distintas capas de diferente tamao de partcula, siendo la
superior la ms pequea y de entre 0,15 y 0,3 mm. Es una operacin muy utilizada en
el tratamiento de aguas potables, as como en el tratamiento de aguas para
reutilizacin, para eliminar la materia en suspensin que no se ha eliminado en
anteriores operaciones (sedimentacin). En aguas industriales hay mas variedad en
cuanto al material filtrante utilizado, siendo habitual el uso de tierra de diatomeas. Hay
muchas maneras de clasificar los sistemas de filtracin: Por gravedad a presin,
lenta rpida, de torta en profundidad.
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Captulo 2: Generalidades _____________________________________________________________________
Filtracin por gravedad: El agua circula verticalmente y en descenso a travs
del filtro por simple gravedad. Dentro de este tipo, podemos encontrar dos
formas de operacin, la primera que nos lleva a tener una filtracin lenta,
apenas utilizada actualmente, o una que nos lleve a tener una filtracin rpida.
El mecanismo de separacin de slidos es una combinacin de asentamiento,
retencin, adhesin y atraccin, por lo que se eliminan partculas mucho
menores que el espacio intersticial. Es un sistema muy utilizado en tratamiento
para aguas potables.
Filtracin por presin: Normalmente estos filtros se encuentran contenidos en
recipientes y el agua se ve forzada a atravesar el medio filtrante sometido a
presin. Tambin en este caso puede existir filtracin lenta, debido a que en la
superficie del filtro se desarrolla una torta filtrante. Por otra parte, en la filtracin
rpida se habla de filtracin en profundidad, es decir, cuando la mayor parte de
espesor de medio filtrante est activo para el proceso de filtracin y la calidad
del filtrado mejora con la profundidad. Esta filtracin a presin se suele utilizar
ms en aguas industriales.
En la actualidad y en algunas de sus aplicaciones, los mtodos de filtracin
previamente sealados estn siendo desplazados por operaciones con membranas.
El tratamiento terciario, dependiendo del uso al cual est previsto destinar las aguas
residuales tratadas, puede completarse con una desinfeccin. Las tcnicas ms
empleadas son: Cloracin, ozonizacin, radiacin ultravioleta y tratamientos por
membranas.
La desinfeccin pretende la destruccin o inactivacin de los microorganismos que
puedan causarnos enfermedades, dado que el agua es uno de los principales medios
por el que se transmiten. Los organismos causantes de enfermedades pueden ser
bacterias, virus, protozoos y algunos otros. La desinfeccin se hace imprescindible
para la proteccin de la salud pblica, si el agua a tratar tiene como finalidad el
consumo humano. En el caso de aguas residuales industriales, el objetivo puede ser
no solo desactivar patgenos, sino cualquier otro organismo vivo, si lo que se pretende
es reutilizar el agua. Para llevar a cabo la desinfeccin se pueden utilizar distintos
tratamientos: Tratamiento fsico (calor, radiacin), cidos o bases, etc., pero
fundamentalmente se utilizan agentes oxidantes, entre los que cabe destacar el
clsico Cl2 y algunos de sus derivados, o bien procesos de oxidacin avanzada tales
como la ozonizacin.
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Captulo 2: Generalidades _____________________________________________________________________
El cloro (Cl2), es el oxidante ms ampliamente utilizado. Hay una serie de factores que
influyen en el proceso: Naturaleza y concentracin de organismos a destruir,
sustancias disueltas o en suspensin en el agua as como la concentracin de cloro y
el tiempo de contacto utilizado. Las sustancias presentes en el agua influyen en gran
medida en la cloracin. En presencia de sustancias orgnicas, el poder desinfectante
es menor. La presencia de amonio consume cloro (formacin de cloraminas). El hierro
y manganeso aumentan la demanda del mismo. En este sentido, es importante
realizar un estudio de la demanda del cloro (breakpoint) para determinar la dosis de
cloro correcta para cada tipo de agua. Adems de la dosis, es tambin importante el
tiempo de contacto, de manera que el parmetro a utilizar es la expresin Ct:
Concentracin de desinfectante final en mg/l (C) y tiempo de exposicin mnimo en
minutos (t). Normalmente la expresin utilizada es Cnt=constante, que para el cloro
adopta valores entre 0.5 y 1.5. Sin embargo, una de las principales desventajas de la
utilizacin del cloro como desinfectante es la posibilidad de formacin, aunque en
cantidades muy reducidas, de compuestos como los trihalometanos. Por otra parte, se
ha observado que el cloro acta sobre las bacterias en concentraciones muy bajas
(0,1 a 2,0 mg/l). Por esto, hay quienes sugirieron que slo podra explicarse
considerando que era el sistema enzimtico de la clula el que quedaba en alguna
forma afectado, por ser muy sensible a bajos niveles de sustancias inhibidoras. Segn
ellos, los compuestos clorados reaccionan con los grupos sulfhdricos presentes en las
enzimas celulares, paralizando el proceso metablico de oxidacin de la glucosa, con
lo que la actividad enzimtica de la clula queda irreversiblemente destruida. En
relacin con la distinta actividad de los compuestos de cloro, Fair y otros sugieren que
se debe a la actividad de la membrana celular, que tiene un comportamiento selectivo,
permitiendo el paso de determinadas sustancias e impidiendo el de otras. El HOCl por
su pequeo tamao molecular y su neutralidad elctrica puede atravesar dicha
membrana ms fcilmente que otros compuestos. Por tanto, la desinfeccin se hara
en dos etapas:
Penetracin de la membrana celular por el compuesto.
Reaccin con las enzimas celulares (deshidrogenada triosefosfrica).
Por otra parte, los protozoos pueden estar como quistes o en forma vegetativa. En el
primer caso son ms resistentes a la desinfeccin que en el segundo, pero en ambos
son ms difciles de destruir que las bacterias. Como ejemplo pede sealarse que:
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Captulo 2: Generalidades _____________________________________________________________________
Para dosis de cloro libre de 2 mg/l y pH igual a 7,5 se necesita no menos de 4
h de tiempo de contacto para poder eliminar los quistes de amebas.
En cambio para pH igual a 9 y la misma dosis de cloro libre, se requieren 30 h,
lo que indica que el aumento de pH disminuye notablemente con la capacidad
cisticida del cloro.
Sobre la forma como el cloro acta sobre las partculas virales no ha sido investigada
suficientemente. Se cree que el HOCl ataca la envoltura protenica de los virus
reaccionando con ella. Esto explicara la relativa lentitud con que se hace la
desinfeccin, pues la interaccin entre el cloro y las protenas progresa muy
lentamente.
Referente a la destruccin de las esporas por el cloro se produce de manera diferente
que la de las formas vegetativas, pues aquellas no poseen la capacidad de oxidar la
glucosa, su viabilidad no depende de dicha capacidad. De all su mayor resistencia a
la desinfeccin, la cual puede tambin ser causada por la impermeabilidad de su capa
protectora, que impide la difusin de los compuestos clorados hacia el interior de la
clula.
La potencia desinfectante de los compuestos de cloro se expresa por un coeficiente de
letalidad (MORRIS), que da la concentracin de cloro necesario para producir el 99 por
100 de inactividad, en un tiempo de contacto de 10 minutos.
La ozonizacin, es una alternativa de desinfeccin ms potente y sin riesgos como la
formacin de trihalometanos, el tiempo de actuacin es ms corto que el del cloro; el
ozono se hidroliza (desdoblamiento de la molcula) en el agua formando radicales
libres que actan como germicidas. Es efectivo en la eliminacin de virus, bacterias y
protozoos. El alto potencial de oxidacin del ozono hace que sea capaz de oxidar a
todos los iones negativos inorgnicos menos al flor. En efecto, oxida a los iones
manganoso y ferroso, as como a los sulfuros y sulfitos, pasndolos a sulfatos y los
nitritos a nitratos. Los yoduros, bromuros y cloruros los oxida a yodo, bromo y cloro,
siendo la reaccin del yodo el fundamento de su determinacin. En medio bsico,
oxida el in amonio a nitrato, no hacindolo en medio cido. Merced a esta facultad,
reacciona con casi todas las sustancias que se encuentran en el agua, incluyendo las
sales metlicas.
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Captulo 2: Generalidades _____________________________________________________________________
Con mucha frecuencia existe una relacin directa entre la presencia de iones hierro y
manganoso y el color del agua. La eliminacin del hierro y el manganeso como tales,
no justifica el empleo de ozono; a menudo pueden aplicarse otros procedimientos para
eliminarlos. Sin embargo, estos elementos pueden formar complejos con grupos
aninicos que deben destruirse con anterioridad. En este caso el ozono es el reactivo
que debe elegirse: precipita los elementos no deseables en forma de hidratos
insolubles de valencia elevada y todo ello a los pH que normalmente se encuentran en
las aguas naturales. Esta accin es particularmente interesante en el caso del
manganeso. La transformacin del manganeso en hidrato tetravalente Mn(OH)4, por el
oxgeno del aire, el cual es insoluble, exige un pH superior a 10 en ausencia de
catalizador, y un pH 8,5 en presencia de xidos superiores de manganeso. Por el
contrario, el ozono provoca, sin la presencia de catalizador, una precipitacin total a
partir de un pH de 6,5. Igualmente acta en la eliminacin de metales pesados (Cd, Ni,
Co, Zn).La desventaja es que el ozono es poco transportable, con lo cual se debe
generar in situ y para ello se requiere una gran inversin instalacin, explotacin y
mantenimiento. Cuando se aplica ozono, con una concentracin determinada
insuficiente, ejerce una accin bactericida muy pequea. Si se sobrepasa la
concentracin necesaria, la accin desinfectante es completa y total. La dosis de
ozono en un agua dada, para una determinada acci