Introducción a los métodos de pretratamiento de agua de reposición
Si bien las aplicaciones como el maquillaje de la torre de enfriamiento o el agua de servicio para lavar la infraestructura de la planta pueden ser sencillas, otras aplicaciones requieren agua de alta pureza.
Este capítulo examina los métodos de pretratamiento utilizados para refinar el agua cruda y reducir el potencial de corrosión, incrustación y contaminación aguas abajo en instalaciones que requieren una composición de alta pureza, como generadores de vapor de servicios públicos, fabricantes de semiconductores y plantas farmacéuticas.
Descripción general de las fuentes e impurezas primarias de agua cruda
La siguiente sección proporciona una breve mirada a las características principales de los suministros comunes de maquillaje crudo, seguida de una descripción general de las impurezas primarias en estos suministros.
Agua superficial
El agua recolecta partículas de arena, suelo y otros residuos, incluidos materiales orgánicos y microbios, a medida que fluye a lo largo de la superficie de la tierra. Las características físicas y químicas de cualquier suministro de agua superficial fluctuarán considerablemente con el tiempo. Por ejemplo, los grandes cambios en los sólidos suspendidos son comunes en los suministros fluviales después de precipitaciones intensas. La detección de residuos grandes, la clarificación/filtración y el tratamiento con biocidas para controlar la contaminación microbiológica generalmente son necesarios para eliminar las partículas suspendidas del agua superficial antes del uso posterior. La filtración de carbón activado también puede ser necesaria para suministros que tienen altas concentraciones de orgánicos disueltos.
Agua subterránea
Muchos suministros de agua subterránea están esencialmente libres de partículas, orgánicos y microbios, ya que se eliminan cuando el agua pasa a través de la tierra y las formaciones rocosas. Si bien la química y la temperatura del agua subterránea tienden a ser estables, la concentración de sólidos disueltos varía según la profundidad del acuífero y la química de las formaciones a través de las cuales pasa el agua. Las aguas subterráneas pueden tener niveles elevados de dureza, alcalinidad de bicarbonato, sílice, metales pesados como hierro e incluso sulfuro de hidrógeno, según la ubicación.
Fuentes de agua de reposición de OI: Abordar la calidad variable del agua para mantener la eficiencia del sistema
El precipitado, carbonato de calcio (CaCO3), ha sido el compuesto formador de sarromás problemático en sistemas de agua de enfriamiento e intercambiadores de calor durante décadas. Esta escala se desarrolla comúnmente en la plomería doméstica, y a menudo se la denomina incorrectamente como formación de CaCO3 de incrustación de cal también puede ocurrir en los elementos aguas abajo de las membranas de ósmosis inversa debido al aumento continuo de las concentraciones de calcio y bicarbonato en la corriente de rechazo.
Aluminio (Al):A menudo, el aluminio está presente en partículas suspendidas de agua cruda y se elimina mediante filtración mecánica. Sin embargo, las sales de aluminio se utilizan comúnmente como coagulantes para clarificadores aguas arriba de unidades de ósmosis inversa (RO). El remanente de exceso de alimentación de coagulante puede causar una contaminación grave de las membranas de ósmosis inversa. Las concentraciones de aluminio tan bajas como 50 partes por mil millones (ppb, aproximadamente equivalente a 0,050 mg/l) pueden provocar una disminución en el rendimiento.
El amoníaco y otras especies de nitrógeno: el ion de amonio (NH4+), el nitrito (NCO2–) y el nitrato (NO3-) a menudo existen en los suministros de agua superficial en pequeñas concentraciones debido a la actividad biológica y la descomposición de compuestos orgánicos de nitrógeno. En las plantas que utilizan efluentes de POTW para la composición, a menudo hay concentraciones más altas de compuestos de nitrógeno. Las especies de nitrógeno son muy solubles y no forman depósitos de incrustaciones, pero proporcionan nutrientes para microbios, que pueden causar contaminación en los sistemas de agua de enfriamiento, membranas de ósmosis inversa y otros lugares.
Bario: bario está presente en algunas aguas de pozo, con un rango de concentración típicamente inferior a 0,05–0,2 ppm. La mayor preocupación es que el bario puede formar una escala de sulfato dura en las membranas de ósmosis inversa, particularmente en los elementos traseros. Sin embargo, esta reacción de depósito es muy lenta y puede controlarse con el antiescalante adecuado. El bario que se ha eliminado en la unidad de intercambio catiónico de un desmineralizador puede volverse problemático durante las regeneraciones con ácido sulfúrico. Los depósitos de BaSO4 pueden ser difíciles de eliminar.
Cloruro (Cl): El cloruro existe en casi todas las aguas naturales, pero las concentraciones son elevadas en suministros salobres. Los compuestos de cloruro son muy solubles, pero el ion de cloruro puede ser corrosivo, particularmente para el acero inoxidable. Incluso las concentraciones relativamente pequeñas de cloruro en generadores de vapor de alta presión pueden ser problemáticas, lo que requiere una producción de agua de aporte de alta pureza para estas unidades.
Fluoruro (F): El fluoruro existe naturalmente en concentraciones bajas en algunas aguas de pozo, pero puede alcanzar concentraciones de hasta 2.5 ppm en agua municipal tratada con fluoruro. El fluoruro de calcio (CaF2) y el hexafluorosilicato de sodio (Na2(SiF6))pueden causar incrustaciones en ciertas aplicaciones de ósmosis inversa.
Dureza: El calcio y el magnesio son los principales iones de dureza. El calcio reacciona fácilmente con varios aniones para formar depósitos. Además del carbonato de calcio, dos ejemplos adicionales incluyen sulfato de calcio (CaSO4) y fosfato de calcio (Ca3(PO4)2). Este último se ha vuelto problemático en las aplicaciones de agua de enfriamiento desde el cambio a la química del tratamiento con fosfato/fosfonato en la década de 1980. De manera similar, el magnesio puede combinarse con sílice y otros iones para formar depósitos tenaces donde el pH tiene una gran influencia en la química.
Sulfuro de hidrógeno (H2S): En bajas concentraciones, el sulfuro de hidrógeno tiene un olor a huevo podrido y a menudo está presente en aguas de pozo. Los niveles de H2S tan bajos como 0,1 mg/l pueden afectar negativamente el rendimiento de los sistemas de RO o nanofiltración (NF). Si el agua está expuesta al aire u otros oxidantes, el gas puede convertirse en sulfuro elemental o sulfuros metálicos. Una reacción con oxidantes comúnmente resulta en depósitos negros o grises, lo que conduce a la formación de un residuo que ensucia las membranas de RO.
Hierro (Fe) y manganeso (Mn): Fe y Mn pueden existir en un estado soluble o particulado en agua. Las especies disueltas son comunes en aguas de pozo donde la ausencia de aire establece condiciones reductoras. Las manchas de inodoros y lavabos ocurren frecuentemente en los hogares en el agua de pozo, ya que ambos elementos reaccionan con el oxígeno para formar precipitados oscuros. De manera similar, en las aguas superficiales, estos elementos se combinan con oxígeno para formar partículas. Ambos elementos pueden ensuciar las resinas de intercambio iónico y las membranas de OI, y pueden catalizar los ataques oxidativos de las membranas de OI. Una pauta común para proteger los sistemas de agua del ensuciamiento por hierro y manganeso es mantener una concentración por debajo de 0,05 mg/l para cada uno. En los sistemas de pretratamiento con clarificadores y filtros multimedia de pulido, a menudo se capturan partículas de hierro y manganeso. Sin embargo, para algunas aplicaciones, como la alimentación directa de agua de pozo al equipo de proceso, pueden ser necesarias hojas verdes de manganeso y filtración para eliminar los metales.
Ortofosfato (PO4): El fosfato puede estar presente en los suministros de superficie debido a la escorrentía de fertilizantes de los campos agrícolas. Las altas concentraciones de fosfato son frecuentes en el efluente de POTW, particularmente si el tratamiento secundario es el paso final del proceso. Al igual que la alcalinidad natural, el ortofosfato existe en varias especies, como H3PO4, H2PO4-, HPO42−y PO43−, de acuerdo con el pH de suministro. En algunos sistemas, como las torres de enfriamiento, donde el agua “se acumula”, el control de la deposición de fosfato de calcio Ca3(PO4)2es extremadamente importante.
Sílice (SiO2): La sílice puede existir en forma soluble, coloidal o particulada. Debido a que la sílice es un componente primario en el suelo y la corteza terrestre, las partículas en las aguas superficiales generalmente contienen grandes cantidades de sílice. Sin embargo, esta forma no es químicamente reactiva y puede eliminarse del agua mediante clarificación y/o filtración estándar. La sílice disuelta, comúnmente denominada sílice reactiva, es la especie de sílice más problemática. A un pH ligeramente ácido, puede formar depósitos de SiO2 duros y tenaces. Por el contrario, a niveles de pH 8 y superiores, la sílice muestra una tendencia a reaccionar con metales, que incluyen Ca, Mg, Fe, Mn y Al, para formar una escala de silicato metálico tenaz. Una pauta común para las operaciones de la unidad, incluidas las torres de refrigeración y de ósmosis inversa, es un límite de sílice reactiva de aproximadamente 120 a 150 mg/l (a temperatura ambiente) en cualquier parte del sistema. En ciertas condiciones, la sílice puede polimerizarse para formar coloides. Estos no son reactivos a temperaturas ambiente. Antes de la introducción de la ósmosis inversa en la industria de la energía, surgieron dificultades cuando eventos como la lluvia intensa desprendieron la sílice coloidal de los sedimentos inferiores de los suministros de superficie. Esto hace que los coloides ingresen al flujo de maquillaje. Aunque estos coloides no reactivos pasarían limpiamente a través de la resina de intercambio aniónico del desmineralizador, luego se descompondrían en sílice reactiva dentro de la caldera.
Sulfato (SO4): Si bien el sulfato se puede combinar con muchos cationes, los que más preocupan a los sistemas de composición son el calcio, el bario y el estroncio, cada uno capaz de ensuciar las membranas de ósmosis inversa. Las regeneraciones de resina catiónica desmineralizadora a menudo se realizan en etapas, con dosis más bajas de ácido sulfúrico al comienzo del proceso para controlar la precipitación de CaSO4. A medida que se elimina el calcio, se puede aumentar la concentración de ácido.
Sólidos disueltos totales (TDS): El TDS mide la cantidad de compuestos disueltos, inorgánicos y orgánicos, en una muestra de agua. El procedimiento típico es filtrar la muestra para detectar partículas, luego secar un volumen medido hasta completarlo en un horno a una temperatura ligeramente superior al punto de ebullición. El TDS se correlaciona aproximadamente con la conductividad específica (S.C.) del agua, por lo que las lecturas S.C. se utilizan comúnmente para el monitoreo general y el control químico de muchos sistemas, incluida la RO. Las mejores prácticas sugieren un factor de conversión de conductividad a TDS de 0,65, pero este cociente es variable según la especie iónica en la solución.
Carbono orgánico total (TOC): TOC ES LA MEDICIÓN DEL CARBONO ORGÁNICO EN SISTEMAS ACUOSOS. Se debe mantener un límite superior de TOC de 3 mg/l para evitar la RO grave y el ensuciamiento del desmineralizador. Los compuestos orgánicos comunes a las aguas crudas incluyen taninos, ligninas y ácidos húmicos, que son moléculas grandes que tienen un potencial de contaminación significativo.
Turbidez: La claridad o turbidez de una muestra de agua está relacionada con las partículas suspendidas en la muestra. Visualmente, el agua puede parecer turbia o turbia. Los nefelómetros modernos proporcionan mediciones precisas con lecturas informadas como unidades de turbidez nefelométrica (NTU). Algunos sistemas modernos de micro y ultrafiltración pueden producir alimentación de ósmosis inversa con turbidez de menos de 0,05 NTU.
Los análisis completos y precisos del agua cruda, preferentemente durante un período de tiempo suficiente para resaltar las variaciones estacionales, son fundamentales para determinar el diseño adecuado previo al tratamiento para proteger el equipo de alta pureza aguas abajo.
Métodos de tratamiento previo
Si bien el enfoque principal de esta sección es el tratamiento previo de las aguas superficiales, también analizará detalles sobre otras fuentes de maquillaje. Comenzaremos con la tecnología bien establecida de clarificación para la eliminación de sólidos suspendidos.
Seis maneras de optimizar el tratamiento previo de su planta
La Figura 2.1 ilustra los rangos de sólidos disueltos y suspendidos en agua, y destaca las técnicas de filtración para la eliminación de sólidos.
Figura 2.1. Tamaño relativo de sólidos suspendidos y disueltos
Una cuenca de sedimentación de entrada, una característica principal de algunos sistemas de pretratamiento de agua de aporte, reduce el caudal lineal del afluente y permite que los materiales más grandes se precipiten mediante el uso de la gravedad. Sin embargo, quedan muchas partículas pequeñas después de este proceso. Por lo general, estas partículas son livianas, tienen carga negativa y son mutuamente repelentes. Los clarificadores, que utilizan métodos físicos y químicos, se utilizan comúnmente para eliminar estos sólidos. Los clarificadores de estilo antiguo dependían de un gran volumen para mejorar la sedimentación. En la Figura 2.2 se muestra un ejemplo.
Figura 2.2. Aclaradores circulares grandes.
Los aclaradores de este estilo generalmente tienen tasas de aumento, que es la relación entre el flujo del producto y el área superficial en la parte superior del clarificador, de 0,5 a 1,5 gpm/ft2. Las tasas de aumento bajas son necesarias para permitir que los aditivos químicos reaccionen con los sólidos suspendidos. El proceso normal, como se describe en la Figura 2.3, es la adición de coagulante (compuestos con carga positiva) para reducir la carga negativa en las partículas, seguido de tratamiento con floculante para fusionar las partículas coaguladas en flóculos más grandes que se asientan.
Figura 2.3. #1, Sólidos suspendidos dispersos; #2, Partículas neutralizadas por coagulantes;
N.o 3, Formación de flóculos.
Tecnología y equipo de aclaración
Los parámetros de diseño comunes para los clarificadores básicos son:
Flujo: Definido como gpm, galones por día (gpd) o pies cúbicos por minuto (pies3/minuto)
Cálculo del tiempo de retención: Volumen del clarificador dividido por el flujo. Las unidades generalmente se expresan en minutos u horas. El rango típico es de una a cuatro horas.
Cálculo del flujo del clarificador horizontal: Flujo de entrada (pies3) dividido por el área transversal del clarificador (pies2). Las unidades calculan a pies/minuto.
Tasa de aumento (o carga hidráulica): Flujo de entrada en gpm dividido por el área de superficie del clarificador en ft2. En los diseños originales del clarificador, la tasa de aumento típica osciló entre 0,5 y 1,5 gpm/ft2. En algunas unidades modernas es posible 25 gpm/ft2 o más, como se analiza en breve.
Tasa de desbordamiento del vertedero del clarificador: Flujo de entrada en gpd/pies lineales del vertedero, generalmente de 10,000 a 20,000 gpd/pie lineal.
Los clarificadores convencionales incluyen una zona de mezcla rápida, una zona de floculación de mezcla lenta y una zona de sedimentación grande. A continuación, se muestran dos tipos comunes, los cuales proporcionan tiempos de residencia hidráulicos largos y requieren una gran huella.
Figura 2.5. Clarificador de recirculación de lodo
Figura 2.6. Clarificador de recirculación de lodo – Diseño alternativo
La rápida mezcla y coagulación ocurren en el cilindro de entrada del clarificador. La floculación se produce por debajo del capó mucho más grande, donde los caudales lineales son más bajos. El asentamiento tiene lugar en las regiones exteriores del recipiente donde las partículas recién floculadas son capturadas por la capa de lodo establecida. Los rastrillos inferiores eliminan el lodo acumulado para su eliminación o procesamiento adicional en una prensa de filtro. Los rastrillos inferiores pueden funcionar continuamente o en un programa temporizado. La purga de lodo puede ser automática o manual, generalmente de forma periódica. Para la purga manual, el operador debe recordar detener la purga en el momento adecuado. Hay casos en los que los operadores han purgado toda la capa de lodo, lo que ha llevado al arrastre de sólidos suspendidos del clarificador. Una vez que esto ocurre, es necesario un esfuerzo considerable para restaurar la capa de lodo.
La Figura 2.7 ilustra un clarificador rectangular, con las zonas de mezcla rápida, floculación y asentamiento claramente descritas. En breve aparece una versión aún más moderna de un clarificador rectangular.
Figura 2.7. Aclarador rectangular
La baja tasa de aumento de los primeros clarificadores, y la gran huella que los acompaña, impulsó a los ingenieros a producir unidades con mayores tasas de aumento, mejor eficiencia y tamaños más pequeños. Uno de los primeros desarrollos en este sentido fue el clarificador de lamela.
Figura 2.8. Clarificador Lamella
Los clarificadores Lamella tienen placas inclinadas que mejoran la interacción de partículas que fluyen hacia arriba, con partículas más pesadas que se asientan hacia abajo. Las tasas de elevación hidráulica de 6 gpm/ft2 son posibles, aunque una unidad puede no alcanzar dichas tasas si el agua de entrada tiene sólidos suspendidos excesivos, que pueden acumularse entre las placas. Luego, los sólidos pueden desbordarse hacia el efluente, lo que requiere una reducción de la carga.
Una modificación del diseño de la lámina incluye el reciclaje de lodo para mejorar la eficiencia, como se muestra en la Figura 2.9. El arroyo de reciclaje sembra el proceso. Esta modificación ofrece flexibilidad operativa para variaciones en la calidad del agua de entrada.
Figura 2.9. Recirculación de lodo en un clarificador Lamella
El diseño con balasto es un avance moderno en la tecnología de clarificadores que, en parte, se basa en el concepto de reciclaje. A continuación se muestra una configuración conocida, Acti-Flo®.
Figura 2.10. Diagrama de flujo del proceso de Acti-Flo®.
La unidad tiene zonas de mezcla rápida y lenta en línea con los métodos normales de coagulación y floculación, y su característica prominente es la inyección y recirculación de microarena. Las partículas de arena recogen los flóculos, pero se asientan rápidamente en el clarificador principal con sus placas de lamela, ya que son significativamente más pesadas. Con los sistemas balastados, es posible que haya tasas de aumento de 25 gpm/ft2 o más. Como muestra la figura, un hidrociclón es una parte integral del proceso. El movimiento circular impartido por el hidrociclón hace que las partículas de microarena más pesadas salgan a través del subdesbordamiento y vuelvan al proceso, mientras que las partículas liberadas de flóculo salen del desbordamiento para su eliminación final. Este proceso recupera la mayor parte de la microarena, lo que reduce en gran medida las adiciones frescas.
Si bien otros sistemas similares han evolucionado, presentan diferencias clave. Un ejemplo principal es el proceso Co-Mag® con un material de lastre del óxido de hierro, magnetita (Fe3O4). Este proceso ha surgido como un tratamiento eficaz para aguas residuales industriales que contienen metales pesados, algunos de los cuales se coprecipitan bien con magnetita y se eliminan directamente de la solución.
Variables operativas del aclarador y técnicas de monitoreo/resolución de problemas
El paso inicial en la evaluación del programa de química adecuado para un nuevo clarificador es la prueba de frascos, a menudo realizada en el sitio donde se puede acceder a muestras de maquillaje sin procesar.
Figura 2.11. Una configuración de agitación mecánica común para la prueba de frascos. Típicamente, los mezcladores se establecen a una velocidad rápida para la adición de coagulante y luego se ralentizan para la adición de floculante.
Con las pruebas en frascos, tanto los coagulantes como los floculantes deben analizarse en combinación, y las pruebas pueden llevar tiempo optimizar la química y las tasas de dosificación.
Figura 2.12a. Lodo de sedimentación deficiente, se necesitan más pruebas. Figura 2.12b. Lodo bien asentado.
Como ilustran las Figuras 2.13a y 2.13b, los resultados de una prueba de frasco bien realizada ayudaron a transformar el rendimiento históricamente problemático de un clarificador suavizante con cal en una operación más confiable.
Figura 2.13a. Aclarador con mala selección de coagulante/flocculante
Figura 2.13b. El mismo clarificador con química coagulante y floculante ajustada inicialmente se calculó a partir de pruebas en frascos y se optimizó en el campo.
Las pruebas en frascos no son uniformes y son únicas para cada centro. Para obtener mejores resultados, las pruebas deben ser realizadas por un profesional con experiencia.
Los puntos de alimentación de coagulantes y floculantes deben seguir siendo coherentes con las pautas descritas anteriormente en este capítulo. Además del tratamiento con coagulantes/flocculantes, es común que los clarificadores se alimenten con biocida oxidante (a menudo lejía) bien corriente arriba para proporcionar el máximo tiempo de contacto.
Durante el arranque del nuevo sistema, y periódicamente para los sistemas existentes, es necesario realizar pruebas para garantizar que los productos químicos se estén alimentando con las dosis correctas. Los sistemas de alimentación química diseñados correctamente incluyen un cilindro graduado con una conexión en “T” a la línea de succión de la bomba para medir las velocidades de alimentación química. Para un funcionamiento normal, muchos sistemas utilizan comunicaciones electrónicas que ajustan automáticamente las velocidades de alimentación de productos químicos en función de las lecturas del flujo de agua de entrada. Los datos pueden mostrarse de forma remota en el sistema de alimentación de productos químicos y en la sala de control de la planta.
Las concentraciones de sólidos de la suspensión del clarificador indican el inventario de sólidos disponibles para la reacción. La mayoría de los clarificadores incluyen tomas de muestra instaladas a varias alturas para la recolección de sólidos.
Se deja que una muestra de 1000 ml recolectada en un cilindro graduado se asiente durante diez (10) minutos. La prueba, también conocida como el volumen establecido sobre el volumen inicial (V/Vo), debe estar en el rango objetivo de 20 a 40 % de sólidos de lechada.
Figura 2.14 – Prueba V/Vo de sólidos de lechada
Estas pruebas pueden ayudar en el control de purga de los clarificadores y proporcionar observaciones visuales de la calidad del sobrenadante, como el agua limpia por encima de los sólidos asentados.
En un clarificador que funciona correctamente, el lodo forma una capa distinta que puede observarse desde arriba del clarificador, como en la Figura 2.13b. El proveedor del clarificador debe proporcionar un rango recomendado de mantas de lodo. La medición del nivel es importante para garantizar que haya una manta suficiente para recopilar nuevos flóculos, y los datos también son importantes para controlar la purga. Hay varios métodos disponibles para medir la profundidad del lodo, incluido el descenso de una cuerda anudada a intervalos de un pie con una placa unida al extremo. La placa desaparecerá cuando se exponga a la parte superior del lecho de lodo, lo que permitirá determinar con precisión la profundidad del lodo. Además, otro método utiliza un muestreador Sludge Judge®, que perfila físicamente el agua en el clarificador. El muestreador cuenta con marcas en incrementos de un pie para medir la profundidad del lodo y proporcionar un perfil de calidad del agua. Los sistemas sonares también están disponibles para la medición de profundidad de lodo.
Figura 2.15. Ilustración de un juez de lodo.
El control cuidadoso de la profundidad del lodo mediante purga es una prioridad, ya que el exceso de acumulación de lodo puede provocar un arrastre de partículas al efluente o el taponamiento de las tuberías de extracción de lodo. El exceso de purga también puede degradar el rendimiento del clarificador al eliminar el material que captura flóculos recién formados. Esta situación puede requerir la resiembra del clarificador con agentes artificiales. Un material común de la semilla es la arena para gatos.
La turbidez de los efluentes es una medida importante para el rendimiento del clarificador. Los instrumentos electrónicos de turbidez están bien establecidos para medir la cantidad de luz dispersada por el material en el agua, como se muestra en la Figura 2.16.
Figura 2.16. Ilustración gráfica de la medición de la turbidez.
El limo, la materia orgánica e inorgánica finamente dividida, las algas, los organismos microscópicos y los compuestos orgánicos solubles de color son ejemplos de materiales que influyen en la turbidez. El monitoreo de turbidez de la entrada y salida del clarificador proporciona datos comparativos valiosos.
Figura 2.17. Un modelo de turbidímetro en línea. Las lecturas están en unidades de turbidez nefelométrica, como se analizó anteriormente en este capítulo. Fotografía cortesía de Hach.
El monitor continuo se puede configurar en alarma cuando las condiciones de turbidez son excesivas. La alta turbidez en la entrada puede requerir un ajuste de las velocidades de alimentación química y, en casos graves, pruebas adicionales en frascos y ajustes químicos.
Múltiples factores pueden alterar el rendimiento del clarificador, como cambios en la química del agua, la temperatura o un aumento repentino del flujo que aumenta la tasa de aumento y hace que la manta se expanda. Las fluctuaciones de sólidos suspendidos son comunes en los clarificadores que tratan los suministros de agua superficial, especialmente durante eventos de precipitación intensa. Además, la rotación del lago en primavera y otoño puede aumentar la concentración de sólidos suspendidos. Por el contrario, el efecto inverso puede ser problemático si una disminución en la carga de sólidos suspendidos hace que la capa de lodo se encoja.
Los clarificadores de operación eficiente generalmente producen agua con una turbidez de 2 NTU o menor y concentraciones de sólidos suspendidos inferiores a 5 ppm. Estos valores pueden reducirse con la filtración posterior, que es frecuente y se analizará más adelante en este capítulo.
En algunos casos, las altas concentraciones de dureza, alcalinidad y sílice pueden requerir tratamiento químico adicional para precipitar una parte de estos elementos y compuestos para reducir el potencial de formación de incrustaciones de la composición. La siguiente sección examina esta tecnología.
Industrial Complex ahorra más de 7 millones de USD con el programa de tratamiento ChemTreat y la gestión inteligente del agua
El objetivo del ablandamiento por precipitación es formar sólidos de dureza insolubles, específicamente carbonato de calcio (CaCO3) e hidróxido de magnesio (Mg(OH)2), que se eliminan del clarificador junto con sólidos suspendidos. Además, algunas sílices pueden coprecipitarse con hidróxido de magnesio.
Junto con la cal, puede ser necesario un tratamiento complementario con carbonato de sodio (Na2CO3 o ceniza de soda). Para proporcionar contexto para comprender la química de las reacciones de ablandamiento de cal, considere la siguiente muestra de agua de aporte cruda, que detalla los principales cationes y aniones y sus equivalentes de carbonato de calcio.
Figura 2.18. Un ejemplo de agua cruda para ilustrar el equilibrio catiónico-aniónico importante.
Las aguas naturales, donde los cationes y los aniones están equilibrados, son eléctricamente neutras. Los equivalentes de CaCO3sirven como una herramienta contable que indica el equilibrio catiónico-aniónico general, que incluye especies monovalentes como iones de sodio (Na+) y cloruro (Cl–), y los iones divalentes Ca2+, Mg2+ y SO42−.
Esta herramienta de contabilidad permite el siguiente gráfico de barras, que muestra cómo se asocian los iones en el agua.
Figura 2.19. Asociación de iones en el agua. Valores tomados de la Figura 2.20.
La dureza asociada con la alcalinidad del bicarbonato o especies relacionadas se conoce como dureza “carbonato” o “temporal”. La dureza asociada con el cloruro o el sulfato se conoce como dureza permanente y requiere la adición de ceniza de soda.
Cabe destacar que en las ecuaciones 2.9 y 2.10, no se reduce la dureza. El cloruro de magnesio y el sulfato se reemplazan por cloruro de calcio y sulfato de calcio.
Dependiendo de los requisitos finales de dureza, la dureza de no carbonato de calcio presente en el agua cruda y creada a partir de las ecuaciones 2.9 y 2.10 puede reducirse con ceniza de soda.
CaCl2 + Na2CO3 → CaCO3↓ + 2NaCl Eq. 2-11
CaSO4 + Na2CO3 → CaCO3↓ + Na2SO4 Eq. 2-12
La necesidad de alimentación de ceniza de soda junto con cal se determina por la composición del agua cruda y los requisitos de dureza del agua tratada.
Guía para la resolución de problemas y el tratamiento de desmineralizadores
Coagulantes/floculantes y acondicionadores de lecho de lodo
Los clarificadores suavizantes producen lodo significativo, como lo demuestran las reacciones de precipitación anteriores. Sin embargo, si el agua cruda tiene una concentración apreciable de sólidos suspendidos, el ablandamiento por sí solo puede no eliminar suficientes sólidos. Esto puede conducir a agua tratada con turbidez no deseada. En este caso, puede ser necesario un coagulante catiónico para acondicionar el afluente del clarificador. Los floculantes de alto peso molecular pueden ayudar a asentar y garantizar un efluente consistentemente claro.
Si el arrastre de sólidos en el efluente del clarificador se vuelve problemático, un método simplista como la prueba de dureza acidificada puede revelar la fuente. Para realizar una prueba de dureza acidificada, se agrega ácido a una porción de una muestra dividida, donde el ácido disuelve los productos de reacción de ablandamiento. Las mediciones de dureza posteriores en ambas muestras revelarán la diferencia de dureza, en caso de que exista una. Si la dureza de la muestra acidificada es notablemente mayor, la sospecha recae en la química de ablandamiento. De lo contrario, se debe investigar la química de coagulación/floculación.
Los clarificadores suavizantes de cal dependen de un diseño de contacto de lecho de lodo o sólidos para aumentar el tamaño de los precipitados recién formados, al igual que los clarificadores diseñados para la eliminación de sólidos suspendidos. Sin embargo, los precipitados de ablandamiento de cal pueden tener propiedades diferentes a las de los clarificadores básicos de sólidos suspendidos, que incluyen mayor densidad y mayor volumen. Establecer una cama estable puede requerir un acondicionador de lodo. Un ejemplo principal es si la relación calcio-magnesio es grande. El precipitado de hidróxido de magnesio actúa como un agente acondicionador de lecho natural que garantiza que el lodo esté bien suspendido. Si no hay suficiente hidróxido de magnesio, el lodo puede volverse muy pesado y difícil de circular. La alimentación complementaria de aluminio y coagulante de hierro puede generar un flóculo de hidróxido más ligero que mejora las propiedades del lodo.
Ablandamiento con cal en caliente
El ablandamiento con cal caliente alguna vez fue un método común para el pretratamiento primario del agua de alimentación de calderas industriales, pero las tecnologías modernas, como la ósmosis inversa, han reemplazado el ablandamiento en caliente en un grado significativo.
El ablandamiento en caliente utiliza altas temperaturas para reducir la dureza a niveles bajos inyectando vapor para calentar el agua a aproximadamente 235 °F, equivalente a una presión de 10 psig. Se requiere una ventilación en la parte superior de la unidad para mantener la temperatura y presión adecuadas y para permitir que el aire liberado del agua escape. Los ablandadores calientes a menudo se seleccionan para precalentar el maquillaje y proporcionar desaireación para calderas industriales de baja presión. Las unidades pueden reducir las concentraciones de dureza muy por debajo de lo que se puede lograr con los ablandadores de cal fría.
Los ablandadores de procesos calientes están diseñados como mantas de lodo de flujo ascendente o unidades de flujo descendente. En el diseño de flujo ascendente, los productos químicos y el vapor se introducen en la parte superior de la unidad en un embudo interno. La recirculación de lodo es común.
Figura 2.22. Diseño básico de un ablandador caliente de capa de lodo de flujo ascendente.
Las reacciones de ablandamiento comienzan en el tubo descendente desde el embudo. La mezcla se dirige al fondo de la unidad y a una capa de lodo preestablecida donde se forman grandes precipitados en sólidos previamente precipitados. Típicamente, la dureza puede reducirse a menos de 5 mg/l. El agua tratada fluye hacia arriba y fuera de la unidad.
Un ablandador de flujo descendente depende en gran medida del lodo recirculado.
Figura 2.23. Diseño básico de un suavizador de proceso caliente de flujo descendente.
Al igual que en el diseño de flujo ascendente, los productos químicos, el vapor y el lodo recirculado se introducen en la parte superior de la unidad. El agua fluye hacia abajo a través del recipiente mientras los precipitados se acumulan en el fondo y se eliminan o recirculan según sea necesario. El efluente fluye hacia arriba a través de la campana y luego hacia el proceso. Las concentraciones de dureza puedenreducirse a menos de 15 mg/l en este diseño.
Filtración
La aclaración elimina muchos sólidos que podrían causar incrustaciones y contaminación en los sistemas de enfriamiento de plantas industriales, intercambiadores de calor, calderas, sistemas de tratamiento de maquillaje de alta pureza y otros equipos. Normalmente, también se utiliza una forma de filtración para eliminar más sólidos. En algunos casos donde la composición cruda es agua dulce limpia, tal como de un lago o depósito, la filtración (microfiltración y ultrafiltración como se describe en una sección posterior) puede ser suficiente para la eliminación de sólidos suspendidos. Sin embargo, los suministros alternativos ofrecen mayores desafíos para los procesos previos al tratamiento, incluida la filtración. Además de la eliminación de partículas, también se pueden usar otras formas de filtración para eliminar oxidantes, hierro y manganeso disueltos o impurezas adicionales.
Filtros de medios
Los filtros de mediosdependen de lechos de material estratificados para eliminar partículas de tamaños variables. Estos filtros son del tipo gravedad o presión. Los filtros de gravedad dependen de la gravedad para forzar el agua a través del medio con un caudal típico de 2–4 gpm/ft2 de área de superficie. Debido a su tamaño más pequeño, los filtros de presión son comunes y pueden entregarse fuera de la estantería. El caudal de los filtros de presión suele ser de 4–6 gpm/ft2.
En la Figura 2.24 se muestra un diseño de filtro multimedia común.
Figura 2.24. Un esquema de filtro multimedia común.
Los diversos medios funcionan juntos para eliminar partículas de tamaño variable, de la siguiente manera:
Antracita: La antracita tiene una forma irregular y tiene granos fracturados, lo que proporciona una buena filtración de partículas suspendidas más grandes. Un diámetro de grano típico varía de 0,95 a 1,05 mm. La antracita no es tan duradera como la arena o el granate y se fracturará en granos más pequeños, que se escapan gradualmente durante los retrolavados. Esto hace necesario el reabastecimiento periódico.
Arena: Los granos de arena suelen tener un tamaño aproximado de 0,4 a 0,55 mm, con un promedio de 0,5 mm. La mayoría de los sólidos suspendidos quedan atrapados dentro de las cuatro a seis pulgadas superiores de la capa de arena. La acumulación de esta capa de “torta” o paspartú, comúnmente llamada por su nombre alemán “schmutzdecke”, aumenta gradualmente la caída de presión a través del lecho. Sin un retrolavado regular, las partículas pueden obstruir irreversiblemente el lecho y potencialmente penetrar a través de él.
Granate: El granate es el medio más pesado y de menor tamaño, con diámetros de grano que van de 0,25 a 0,3 mm. Actúa como una capa de pulido.
La combinación de antracita, arena y granate filtra progresivamente partículas grandes a pequeñas. Un filtro multimedia común, por ejemplo, puede contener:
18 pulgadas de antracita
12 pulgadas de arena
6 pulgadas de granate
El espacio vacío de los diferentes medios también puede influir en la carga en los diversos lechos.
Antracita, ~50 %
Arena, ~39 %
Granate, ~47 %
Considere el siguiente ejemplo de un filtro con un caudal de 4 gpm/ft2. La velocidad lineal a través de la antracita puede determinarse con los siguientes cálculos que incorporan los datos del espacio vacío mostrados anteriormente.
4 gpm/ft2 ÷ 7.48 galones/ft3 = 0.53 pies/min
0,53 pies/min ÷ 0,5 = 1,06 pies/min
A medida que el flujo se mueve hacia la capa de arena, el cálculo se convierte en:
0,53 pies/minuto ÷ 0,39 = 1,36 pies/minuto
Se puede realizar un cálculo similar para el granate.
A medida que el agua fluye hacia el filtro, las partículas experimentan un mayor impacto con la antracita debido al aumento de la velocidad. El mismo efecto ocurre en la arena. Si las partículas entrantes son delicadas, lo cual es común en el efluente del clarificador, existe una alta probabilidad de que se rompan en un material más fino. Este efecto ilustra la importancia de la capa de granate para el pulido, que puede eliminar partículas de hasta 10 micras.
Si bien los filtros de medios se consideran de baja tecnología, sigue siendo importante monitorear su funcionamiento y mantener un rendimiento constante. Un filtro que no funciona bien puede ensuciar gravemente el equipo corriente abajo, especialmente las unidades de ósmosis inversa. Un filtro auxiliar (dosis baja de coagulante catiónico) puede ser eficaz para mejorar la eliminación de sólidos suspendidos. Sin embargo, es necesario tener precaución, ya que los coagulantes/flocculantes catiónicos pueden ensuciar gravemente las membranas de ósmosis inversa, que generalmente tienen una carga negativa.
La turbidez de los efluentes y las caídas de presión en los medios son parámetros importantes para el monitoreo del rendimiento del filtro. La siguiente lista describe los iniciadores de retrolavado comunes:
ΔP, GENERALMENTE 10 PSI POR ENCIMA DEL VALOR INICIAL
Turbidez
Rendimiento
Tiempo
El monitoreo continuo de los diferenciales de presión generalmente proporciona los resultados más confiables para iniciar el retrolavado.
La corriente de retrolavado fluye contracorriente hasta el flujo normal del proceso. En consecuencia, la tasa de retrolavado debe calcularse en función de los medios más ligeros de la unidad, antracita, y debe considerar la temperatura. La densidad del agua aumenta significativamente con la disminución de la temperatura. Si la tasa de retrolavado no se ajusta a la temperatura del agua o está por encima de las pautas de operación a cualquier temperatura, la antracita se eliminará.
Si la válvula de retrolavado se abre rápidamente, la sobretensión de agua puede inducir ráfagas de medios que expulsan material de la unidad. Una solución típica implica un enfoque escalonado para la admisión de agua, donde las válvulas se mantienen parcialmente abiertas durante varios minutos antes de abrirse completamente.
Si bien el retrolavado es clave para un rendimiento estable del filtro, los medios aún pueden acumular residuos que requieren limpiezas periódicas. La contaminación biológica es posible, aunque la alimentación corriente arriba de un biocida oxidante ayudará a controlar el crecimiento microbiológico. Para determinar si el ensuciamiento se ha vuelto problemático, se deben realizar simultáneamente pruebas de deslizamiento de inmersión de bacterias aeróbicas en las corrientes de entrada y salida. Si las concentraciones de bacterias son mayores en la salida, esto es un signo de que hay colonias bacterianas presentes en los medios. La limpieza fuera de línea con una combinación de lejía y surfactante puede ser eficaz. Un procedimiento común es inyectar los productos químicos de limpieza en la unidad a través del sistema de retrolavado, dejando que la solución absorba el medio durante un período prolongado.
La materia particulada arrastrada en agua se conoce como sólidos suspendidos; el término de informe analítico es sólidos suspendidos totales (total suspended solids, TSS). El control de sólidos suspendidos es importante para minimizar las acumulaciones de lodo en la descarga de la planta y para evitar que los materiales tóxicos arrastrados se descarguen con los sólidos. El TSS puede ser un requisito de informe y es un método para evaluar el desempeño de los sistemas de coagulación/floculación química, sistemas de filtración y sistemas de tratamiento de lodos activados.
El aceite y la grasa se refieren a las grasas, aceites, ceras y otros materiales relacionados que se encuentran en las aguas residuales. El análisis de aceite y grasa (O&G) identifica estos contaminantes que pueden estar presentes en la descarga de aguas residuales. La reducción de aceite y grasa a menudo se requiere corriente arriba de los sistemas de tratamiento de aguas residuales biológicas, ya que el exceso de O&G puede ensuciar el equipo y reducir la eficiencia de captación de oxígeno de los microorganismos de lodo activados.
Las secciones posteriores de este capítulo analizan las técnicas de desnatación de aceite y flotación de aire disuelto (DAF) para la eliminación de O&G.
Muchos flujos de aguas residuales contienen compuestos ácidos o alcalinos (básicos). Estos pueden dañar gravemente a los organismos acuáticos. Un rango común de pH de descarga de NPDES es de 6,0 a 9,0. (Algunas pautas locales o regionales pueden tener un rango ligeramente diferente).
El Capítulo 7 proporcionó detalles sobre la alimentación de biocidas oxidantes y no oxidantes para el control de la contaminación microbiológica del sistema de enfriamiento. La reducción de las concentraciones residuales de biocidas en la descarga de la planta puede ser necesaria para algunos sistemas de aguas residuales.
En refinerías, plantas petroquímicas e instalaciones relacionadas, los productos químicos orgánicos a menudo aparecen en los flujos de aguas residuales. Estos compuestos pueden variar desde moléculas pequeñas hasta cadenas grandes, y algunos pueden ser directamente tóxicos para las criaturas acuáticas, los animales y los seres humanos. Además, los productos orgánicos y O&G (y nutrientes como nitrógeno y fósforo) influyen directamente en la demanda bioquímica de oxígeno (biochemical oxygen demand, BOD) y la demanda química de oxígeno (chemical oxygen demand, COD) de las aguas receptoras.
La prueba BOD5 mide las cargas de contaminantes orgánicos en aguas residuales. Según la Referencia 2, la BOD “se mide comúnmente determinando la cantidad de oxígeno utilizado por organismos acuáticos adecuados durante un período de cinco días mientras se descomponen contaminantes orgánicos”. Las pruebas BOD generalmente son necesarias para el efluente de aguas residuales industriales y municipales. Muchas plantas industriales no cuentan con el personal o equipo capacitado para realizar análisis de BOD5 y deben enviar las muestras a un laboratorio certificado.
La prueba de COD emplea un oxidante químico fuerte, dicromato de potasio, para oxidar la materia orgánica de todo tipo. Típicamente, los análisis de COD producen una lectura más alta que los resultados de BOD porque más compuestos están químicamente oxidados que biológicamente oxidados. Los análisis de COD pueden realizarse en dos o tres horas y son un parámetro importante para monitorear el rendimiento del tratamiento de aguas residuales. Compañías comoHach,CHEMetrics yCole Parmerofrecen equipos analíticos para realizar análisis de muestras de COD en el sitio.
Las especies de nitrógeno (principalmente amoníaco y nitrito/nitrato) y el fósforo (como fosfatos) proporcionan nutrientes primarios a los microorganismos y crean demanda de oxígeno en el flujo receptor si se descargan directamente a los cuerpos receptores de agua. Las proliferaciones de algas tóxicas se han convertido en un problema importante en muchas áreas del país y están fuertemente correlacionadas con las descargas de nutrientes y las aguas receptoras. Las fuentes no puntuales (escorrentía agrícola, etc.) proporcionan una parte significativa de los nutrientes que finalmente se descargan a las aguas receptoras, aunque es bastante difícil de medir y manejar. Las fuentes puntuales (instalaciones industriales, trabajos de tratamiento de propiedad pública, etc.) generalmente son más fáciles de monitorear para detectar nitrógeno y fósforo y, por lo tanto, se regulan más fácilmente.
Por el contrario, el amoníaco y el fósforo son nutrientes necesarios para el tratamiento de aguas residuales de lodo activado, y la alimentación directa de estos nutrientes puede ser necesaria para mantener la relación BOD:N:P óptima y garantizar un funcionamiento confiable.
Se dispone de pruebas analíticas simples para la medición de estos compuestos.
La descarga de metales pesados ha sido objeto de un mayor escrutinio por parte de la EPA, los trabajos de tratamiento de propiedad pública (public-owned treatment works, POTW) y las agencias reguladoras estatales durante las últimas décadas debido a la toxicidad material a extrema de algunos elementos; el mercurio es el más conocido. Los límites de descarga para muchos metales están en un rango bajo de microgramos por litro (μg/l, equivalente a partes por mil millones) o incluso nanogramos por litro (ng/l, equivalente a partes por billón) para mercurio.
Las industrias más responsables de la descarga de metales incluyen:
Tratamiento de las aguas residuales de POTW como maquillaje para plantas industriales
Cada vez más, por mandato o elección, las instalaciones industriales aceptan efluentes POTW como maquillaje. Como esta agua a menudo solo ha recibido tratamiento secundario en la planta de aguas residuales, aún contiene concentraciones significativas de amoníaco y nitrito/nitrato, fosfato, orgánicos, sólidos suspendidos y microbios. Estos componentes pueden iniciar y exacerbar la contaminación microbiológica grave en los sistemas de enfriamiento y otras redes de agua. Algunos de los compuestos, especialmente las especies de nitrógeno y muchos de los orgánicos, no se capturan mediante clarificación/filtración convencional. Han surgido métodos de tratamiento microbiológico para las plantas que tratan estos problemas, incluidos biorreactores de membrana (MBR) y biorreactores de lecho móvil (MBBR). A continuación se incluye un esquema básico de un MBR.
Figura 2.25. Diseño básico de MBR
El proceso fundamental de MBR implica reciclar lodo activado, de modo que los microorganismos beneficiosos consuman los alimentos y nutrientes introducidos en el recipiente principal desde la zona de mezcla. Un flujo de reciclaje ayuda a llevar organismos activos y bien establecidos a la entrada de la zona de mezcla. Una diferencia significativa entre el MBR y el lodo activado convencional es el uso de membranas de microfiltros en lugar de un clarificador tradicional para la separación sólido-líquido en el efluente. El proceso de microfiltración produce un flujo transparente, esencialmente libre de sólidos suspendidos. Aunque el amoníaco en la corriente se convierte en nitrito/nitrato, una limitación de este proceso básico de MBR es que el nitrógeno permanece en la corriente. Por lo tanto, el nitrógeno aún puede servir de nutriente en el sistema de agua de enfriamiento de la planta. Si es necesario, esto puede mitigarse expandiendo el sistema de MBR para incluir cámaras de reacción anóxicas o anaeróbicas que contienen microorganismos que convierten nitrito/nitrato en nitrógeno elemental.
MBBR emplea un recipiente agitado con medios de plástico móviles que circulan dentro del compartimento. Estos medios proporcionan sitios para que los microbios se asienten y desarrollen colonias saludables. MBBR se asemeja a una versión moderna de la antigua tecnología de lecho de goteo para el tratamiento de aguas residuales. A diferencia del MBR, los microfiltros o ultrafiltros que pulen el efluente del MBBR deben ubicarse externamente al recipiente de reacción.
Figura 2.26a-b. Medios comunes para MBBR, antes de la biopelícula (2.26a) y después de la unión de la biopelícula (2.26b).
Microfiltración y ultrafiltración
Como se describió anteriormente, la clarificación combinada con la filtración multimedia ha sido durante mucho tiempo una tecnología común para el tratamiento previo de maquillaje, con un objetivo principal de la eliminación de sólidos suspendidos aguas arriba de los sistemas de agua de maquillaje de alta pureza. Las tecnologías de membrana adicionales, más notablemente micro y ultrafiltración, han surgido como métodos para reducir aún más la carga de sólidos suspendidos en membranas de ósmosis inversa y resinas de intercambio iónico. Las aplicaciones se han extendido al tratamiento municipal de agua y aguas residuales, a la producción de alimentos y bebidas, y a la industria del petróleo y el gas. A menudo, estos sistemas sirven como reemplazos directos para la clarificación de sólidos suspendidos convencionales y la filtración multimedia.
La Figura 2.1 ilustra los rangos de filtración de MF, UF, nanofiltración (NF) y RO. El MF y el UF son estrictamente para la filtración de partículas, mientras que el NF y el RO eliminan los iones disueltos.
Existen tres diseños potenciales para membranas de MF/UF:
Fibra hueca
Tubular
Herida en espiral
El diseño de fibra hueca es más común, con sistemas presurizados y de vacío disponibles. A continuación se incluye un ejemplo de un sistema presurizado.
Figura 2.27. Vista en corte de las membranas de fibra hueca similares a espagueti en un recipiente a presión de MF. Foto cortesía de Pall Corporation.
Las dimensiones comunes de cada membrana son un diámetro exterior de 0,7 a 1,5 mm y un diámetro interior de 0,3 a 0,9 mm.
Figura 2.28. Vista ampliada de una sola membrana de la Figura 2.27. La trayectoria del flujo en estas membranas es de afuera hacia adentro. Foto cortesía de Pall Corporation.
La siguiente figura muestra la disposición del recipiente a presión para un sistema de microfiltración de 300 gpm.
Figura 2.29. Configuración del recipiente a presión para un sistema de 300 gpm. Fotografía de Brad Buecker.
La polietersulfona (PES), el fluoruro de polivinilideno (PVDF), el polipropileno (PP) y la polisulfona (PS) son ejemplos de materiales de membrana típicos, siendo PES y PVDF los más comunes. Cada uno es hidrófilo, lo que significa que la superficie del lumen se humedece por completo, lo que ofrece resistencia a la contaminación orgánica. PES tiene una permeabilidad ligeramente superior que PVDF. Con respecto a la limpieza fuera de línea, el PES tiene una mayor tolerancia cáustica (para la eliminación de materia orgánica y microbiológica durante las limpiezas fuera de línea), mientras que el PVDF tiene una mayor tolerancia al cloro y durabilidad de la membrana. Estos son factores importantes al decidir qué material es mejor para una fuente de agua en particular.
Los filtros multimedia descritos anteriormente en el capítulo pueden producir efluentes con turbidez que se aproxima a 1 NTU, mientras que el efluente de MF y UF es típicamente mucho más limpio. Por ejemplo, un microfiltro instalado como reemplazo directo de un clarificador envejecido redujo la turbidez del agua de alimentación a una unidad de RO de 1,0 NTU a menos de 0,05 NTU1. Esto condujo a una reducción drástica de la limpieza del filtro y la membrana del cartucho de ósmosis inversa, y a una mayor vida útil de la membrana.
Los sistemas presurizados tienen una trayectoria de flujo de adentro hacia afuera o de afuera hacia adentro. Por el contrario, los diseños sumergibles, donde las membranas se suspenden en un tanque con el agua de alimentación, utilizan una trayectoria de flujo de afuera hacia adentro, con un vacío leve que extrae el agua hacia el núcleo central de las membranas.
Los criterios comunes de selección de membrana o sistema incluyen:
La trayectoria de flujo de adentro hacia afuera es adecuada para bajas concentraciones de sólidos suspendidos.
De afuera hacia adentro es superior para niveles más altos de sólidos suspendidos debido a la mejor eficiencia de retrolavado.
Las membranas sumergibles son comunes para aplicaciones de alto TSS, como el tratamiento de aguas residuales/aguas de recuperación en un reactor biológico de membrana (MBR). Las membranas se colocan en el extremo del efluente del recipiente para maximizar el tiempo de residencia para que se produzcan las reacciones microbiológicas.
Las membranas de afuera hacia adentro tienen un área de superficie aproximadamente tres veces mayor que la de los módulos de adentro hacia afuera, mientras que los sistemas sumergibles generalmente operan a un caudal más bajo que los sistemas presurizados.
La tasa de flujo representa la tasa de flujo volumétrico dividida por el área superficial de la membrana, y es una medición clave de la salida y el rendimiento de MF/UF. Las mediciones comunes de la tasa de flujo son galones/pies2/día o litros/m2/h. El caudal alcanzable o requerido para cualquier aplicación depende del fabricante de la membrana, la trayectoria del flujo, el material de la membrana, las características del agua y la temperatura del agua. El flujo se ve influenciado por la presión transmembrana (TMP), que es la diferencia entre las presiones de alimentación y filtrado.
Calcular el flujo y la TMP como una relación proporciona lapermeabilidad, expresada como gfd/psi, del sistema, que puede utilizarse para determinar el rendimiento operativo.
J = Preguntas y respuestas
Donde J = flujo de filtrado (gfd).
Q= flujo de filtrado en galones por día (gpd).
A = área de superficie de la membrana (pies2).
TMP = ((PT + PB)/2) – PF
Donde TMP = presión transmembrana (psi).
PT = Presión del agua de alimentación en la parte superior del filtro (psi).
PB = Presión del agua de alimentación en la parte inferior del filtro (psi).
PF = Presión de filtrado (psi).
El término flujo específico se refiere al flujo de filtrado que se ha normalizado para la presión transmembrana.
FTM = F/TMP20 °C
Donde FTM = Flujo específico (gfd/psi).
F = flujo de filtrado (gfd).
TMP20 °C = PRESIÓN TRANSMEMBRANA COMPENSADA POR TEMPERATURA (PSI).
MF/UF utiliza una combinación de flujo cruzado y filtración sin salida donde el agua de alimentación fluye paralela a la superficie de la membrana, lo que permite que las partículas se acumulen dentro de las membranas. Las partículas deben eliminarse periódicamente con un proceso de retrolavado/raspado con aire. Por ejemplo, en el sistema que se muestra en la Figura 2.29, la secuencia de producción típica es de 20 minutos seguido de un retrolavado/desgaste de aire de un minuto. Si bien el retrolavado en esta aplicación se inicia en forma cronometrada, el retrolavado desencadenado por un aumento en la TMP también puede considerarse como una alternativa.
Algunas aguas pueden contener impurezas que causan contaminación más allá de los sólidos suspendidos “normales” que existen en las aguas superficiales o están presentes en el efluente de un sistema clarificador/suavizante aguas arriba. Por ejemplo, debido a su tamaño pequeño, los coloides pueden tapar las membranas. Las partículas finas de hierro pueden hacer lo mismo. Los coagulantes o floculantes orgánicos pueden adsorberse en la superficie de la membrana. El aceite y la grasa también son posibles contaminantes, y pueden cegar rápidamente las membranas y son difíciles de eliminar. La contaminación microbiológica también es preocupante. Sin embargo, si las membranas son material de PES o PVDF, la alimentación de biocida oxidante corriente arriba de la unidad es común para minimizar la contaminación microbiológica.
Una característica adicional de los diseños de MF/UF es el retrolavado mejorado químicamente (CEB). Después de un número establecido de retrolavados estándar, se inicia CEB. El CEB introduce una sustancia química o sustancias químicas para combatir los contaminantes problemáticos. Por ejemplo, si los óxidos de hierro son un problema, el ácido cítrico es una opción común. El ácido cítrico reduce el pH, pero es un quelante que puede solvatar el hierro. Si los compuestos orgánicos y/o microbios son problemáticos, CEB típicamente incluirá cáustico y lejía.
Las tendencias de TMP y los estudios de permeabilidad son beneficiosos para establecer la frecuencia de CEB y las concentraciones químicas. Siempre consulte y siga las pautas del fabricante para evaluar la tolerancia química de las membranas. Es común que se realice una descarga corta y directa después de un CEB para evitar que los productos químicos residuales ingresen en el agua producida.
A pesar del uso de CEB, las partículas se acumularán gradualmente, lo que requerirá un procedimiento de limpieza in situ (Clean-in-Place, CIP) aproximadamente una vez por trimestre o en un intervalo similar. Si bien CIP es un procedimiento fuera de línea, generalmente puede realizarse dentro de un turno de trabajo estándar. Muchos de los químicos CEB similares, como ácido cítrico, cáustico, blanqueador, también se utilizan para CIP en concentraciones más altas. Algunos ejemplos incluyen:
Limpiezas cáusticas, los valores objetivo de pH varían para diferentes materiales de construcción: 10–11 para PVDF y 11,5–12,5 para PES.
Las membranas de PVDF generalmente tienen una mayor tolerancia al cloro que el PES.
Con la limpieza con ácido cítrico para el ensuciamiento por partículas de hierro, un agente reductor como el bisulfito de sodio (SBS) puede aliviar el ensuciamiento interno de los poros. Las dosis varían de 1 a 3 % de ácido cítrico con 0,2 a 0,4 % de SBS.
A veces, la contaminación puede ser tan grave que se requiere una fórmula química especializada. Estas pueden ser mezclas de tensioactivos, cáusticos y quelantes.
La mejor práctica es seguir las pautas del fabricante al desarrollar procedimientos de CIP.
El parámetro clave para determinar la frecuencia de CIP es un aumento en la TMP o una disminución en la permeabilidad. La Figura 2.30 describe una posible curva de rendimiento de TMP a lo largo del tiempo. El factor de corrección de temperatura se aplica a los datos de permeabilidad para tener en cuenta las variaciones estacionales y la determinación del rendimiento de la membrana a largo plazo.
Figura 2.30. Descripción general del aumento de TMP y los efectos del retrolavado y
limpieza fuera de línea.
Con miles de membranas en una unidad de fibra hueca típica, las roturas ocasionales de membranas no son poco frecuentes. Un aumento en la turbidez del efluente puede revelar una falla de la membrana. Si se sospecha, el método de detección estándar es una prueba de caída de presión fuera de línea o una prueba de retención de vacío. Estos implican inyectar aire al lado de alimentación del módulo de membrana y sellar el módulo. Si la presión residual sigue estando dentro del 90 % de la presión inicial después de cinco minutos, la prueba se realiza correctamente. De lo contrario, se requiere una prueba de burbuja de aire para localizar la membrana(s) rotas e instalar un pasador en el extremo de entrada. Es importante tener en cuenta que algunos diseños son más estables que otros. Por ejemplo, la unidad que se muestra en la Figura 2.29 funcionó durante años sin una falla de membrana.
Aplicaciones adicionales de MF/UF
La MF y, particularmente, la UF se están volviendo más comunes como componentes clave de los sistemas de tratamiento de agua potable. Los poros de la membrana de menos de 0.1 micrones pueden lograr la eliminación total de patógenos como quistes de giardia u oocistos de criptosporidio, que varían en tamaño de 3 a 10 micrones. La integridad de la fibra es importante, principalmente debido a problemas relacionados con la salud humana. Cualquier método que valide la integridad debe ser lo suficientemente sensible como para detectar de manera precisa y consistente un defecto de 3 micrones. Las pruebas de integridad de la membrana en línea son vitales para garantizar que la calidad del agua cumpla constantemente con las regulaciones potables.
Como se analizó anteriormente en el capítulo, el MF y el UF se están volviendo cada vez más populares como reemplazo de los clarificadores estándar (no de las unidades de suavizado de cal). Sin embargo, debido a este cambio, un problema de preocupación es la eliminación de TOC. Si la concentración de TOC en agua cruda es significativa, el MF o UF por sí solos pueden ser insuficientes para proteger el equipo aguas abajo, ya que las tasas de eliminación fluctúan entre el 20 y el 80 %.
ChemTreat ayuda a la bodega a mejorar la eficiencia del sistema de ósmosis inversa y reducir la frecuencia de limpieza
La ósmosis inversa se utiliza comúnmente para la desmineralización a granel, seguida del pulido por intercambio iónico. El material principal para la mayoría de las membranas de ósmosis inversa es la poliamida, que es susceptible al ataque de los biocidas oxidantes, particularmente el cloro. Típicamente, las membranas pueden tolerar 1,000 ppm-horas de cloro libre, lo que significa que podrían sobrevivir durante 1,000 horas en un entorno de cloro libre de 1 ppm o una hora en un entorno de cloro de 1,000 ppm, con cualquier combinación intermedia. Para mantener las mejores prácticas, el biocida oxidante debe retirarse antes de entrar en contacto con las membranas de ósmosis inversa. (Los oxidantes también degradarán las resinas de intercambio iónico). Los metales de transición como el hierro, el cobre o el cobalto actúan como catalizadores oxidantes y pueden acelerar la degradación de la membrana.
La filtración de carbón activado y la inyección de agente reductor son los dos métodos principales utilizados para eliminar los biocidas oxidantes de la alimentación de RO/desmineralizador. Como se señaló, los biocidas oxidantes reaccionan dentro de las primeras pulgadas del lecho de carbono, dejando el resto del lecho como un caldo de reproducción para los organismos que sobreviven al tratamiento. En consecuencia, muchos sistemas modernos no tienen filtración de carbón activado y dependen de la inyección de agente reductor para eliminar oxidantes residuales. Si bien hay muchos agentes reductores disponibles, los dos más comunes son:
Bisulfito de sodio (NaHSO3, el agente reductor más común y económico, generalmente suministrado como una solución líquida al 30 %)
Metabisulfito de sodio (Na2S2O5, forma granular de bisulfito de sodio)
Las reacciones de estos dos compuestos se muestran a continuación.
2HOCl + 2NaHSO3 → 2H2SO4 + 2NaCl Eq. 2-14
2HOCl + Na2S2O5 + H2O → 2H2SO4 + 2NaCl Eq. 2-15
El punto de inyección debe estar lo más cerca posible de los filtros del cartucho de ósmosis inversa, preferentemente después de los filtros. Algunos organismos entran en hibernación cuando entran en contacto con un biocida oxidante, luego vuelven a surgir una vez que el residuo del biocida desaparece. Luego, los microbios pueden establecer colonias grandes en prefiltros y membranas de ósmosis inversa. Debido a esto, es fundamental tener la inyección de decloración lo más cerca posible de las membranas o resina.
Es vital realizar un monitoreo continuo después del punto de inyección del agente reductor. La medición principal es el cloro residual, con potencial de oxidación-reducción (ORP) como respaldo.
Figura 2.31. Analizador de cloro continuo Hach CL-17. Fotografía cortesía de Hach.
El objetivo principal es implementar un sistema de alarma para detectar cualquier inconsistencia con la reducción de la alimentación del agente, asegurando que las membranas de ósmosis inversa estén protegidas. Para un control mejorado, el personal de la planta puede utilizar señales del analizador para regular la alimentación del agente reductor. Como mínimo, las señales podrían desencadenar un aumento en la alimentación si se observa cloro residual en el analizador.
La solución ChemTreat RL1254 ayuda a la planta de bebidas a mejorar la eficiencia de la membrana de ósmosis inversa y mejorar las condiciones de trabajo
Los sistemas de pretratamiento bien diseñados, meticulosamente mantenidos y operados profesionalmente son fundamentales para prevenir la corrosión, la contaminación y la incrustación en el agua de enfriamiento, la composición de alta pureza y otros sistemas en instalaciones industriales y comerciales. Los análisis históricos detallados del agua cruda son esenciales al diseñar un sistema. Esto garantiza que el sistema se adapte adecuadamente a la química del agua cruda y a sus posibles cambios, evitando así la necesidad de eliminar los sistemas mal diseñados.
Encuentre soluciones personalizadas de pretratamiento de agua de maquillaje con ChemTreat
ChemTreat se compromete a proporcionar soluciones personalizadas de pretratamiento de agua diseñadas por expertos. Nuestras soluciones innovadoras y personalizadas de tratamiento de agua ayudan a mejorar la eficiencia y el cumplimiento ambiental para las empresas. Comuníquese hoy mismo con ChemTreat para comunicarse con su representante local y conocer cómo ChemTreat puede ayudar a su empresa.
Buecker, B., “Microfiltración: un enfoque hacia arriba y hacia adelante para el tratamiento previo para la industria de la energía”; 26.o Taller Anual de Química de Servicios Eléctricos, 9 de mayo-11, 2006, Champaign, Illinois.
Post, R., y Buecker, B., “Grey Water – A Sustainable Alternative for Cooling Water Makeup”; Conferencia Internacional del Agua, 4 de noviembre-8, 2018, Scottsdale, Arizona.
Hydranautics, “Chemical pretreatment for RO and NF”, Boletín de aplicación técnica n.o 111.
Acerca de los autores
Katie Perrymam
Gerente, tratamiento previo
Katie Perryman, gerente de Pretratamiento, tiene una licenciatura en Química del Instituto Politécnico de Virginia y ha trabajado en el tratamiento industrial del agua desde 2014, enfocándose en la separación de membranas y el intercambio de iones. Está muy involucrada en la consulta y resolución de problemas de sistemas de pretratamiento en múltiples industrias y aplicaciones. Se ha presentado en varias conferencias y administra el Programa de capacitación profesional temprana de ChemTreat.
Buecker Brad
Presidente de Buecker & Associates, LLC
Brad Buecker es presidente de Buecker & Associates, LLC y más recientemente se desempeñó como publicista técnico sénior en ChemTreat. Cuenta con más de cuatro décadas de experiencia en el sector de la energía, gran parte de ella en química de generación de vapor, tratamiento de agua y control de calidad del aire. Buecker tiene una licenciatura en Química de la Universidad Estatal de Iowa. Ha sido autor o coautor de más de 250 artículos para varias revistas de comercio técnico y ha escrito tres libros sobre química de centrales eléctricas y control de la contaminación del aire. Forma parte de la Junta Asesora Editorial de Tecnología del Agua y es miembro del comité de planificación de ACS, AIChE, AIST, ASME, NACE (ahora AMPP) y del Taller de Química de Servicios Eléctricos.
Ed Sylvester
Director; Tecnologías de filtración, intercambio iónico y membrana
Ed Sylvester comenzó a trabajar en el tratamiento del agua en 1976 mientras prestaba servicio en la Marina de los EE. UU. Como director de Ion Exchange y Membrane Technologies en ChemTreat, Sylvester ha recibido el reconocimiento de la compañía por su participación en proyectos de ahorro de energía y su apoyo a los clientes en las industrias de etanol, hidrocarburos, productos químicos y mercado medio. Sus áreas de experiencia incluyen tratamiento previo (filtración por membrana, intercambio iónico y aclaración) y tratamiento de calderas de alta presión.
Li Yang
Consultor Técnico, Tecnologías de Membrana
Li Yang tiene un doctorado en Ingeniería Química de la Universidad Tecnológica de Nanjing y trabaja en ChemTreat desde 2014. Sus áreas de experiencia incluyen formulación y aplicación de antiescalantes/limpiadores, solución de problemas de membranas y soporte de campo.
Oscar Echeverri
Consultor de Servicios Técnicos
Después de obtener su licenciatura en Biología de Old Dominion University, Oscar ingresó en el campo del tratamiento del agua. Actualmente tiene más de 23 años de experiencia en tratamiento de agua industrial, con una sólida experiencia en las operaciones, el servicio y la puesta en servicio de equipos de pretratamiento y aplicaciones de agua pura.
Jean M. Gucciardi
Consultor de personal técnico de ChemTreat, jubilado
Jean Gucciardi trabajó en el tratamiento de aguas industriales durante casi cuatro décadas, centrándose en aplicaciones de aguas residuales, refrigeración, calderas y afluentes. Gucciardi fue publicada en múltiples publicaciones de la industria a lo largo de su carrera. Obtuvo una licenciatura y una maestría en Ingeniería Ambiental de la Universidad de Wisconsin.
David Marturana
Consultor técnico sénior
Dave Marturana ha estado trabajando en el tratamiento industrial del agua desde 1981 y se incorporó a ChemTreat en 2008. Tiene una licenciatura en Ingeniería Química y es ingeniero profesional con licencia en la Mancomunidad de Pensilvania. Marturana, consultora de aplicaciones para el tratamiento de agua de efluentes industriales y afluentes, tiene amplia experiencia en la selección y optimización de coagulantes y floculantes, tratamiento de aguas residuales biológicas y primarias, tratamiento municipal de aguas grises y aplicaciones de deshidratación de lodos.
Si bien las aplicaciones como el maquillaje de la torre de enfriamiento o el agua de servicio para lavar la infraestructura de la planta pueden ser sencillas, otras aplicaciones requieren agua de alta pureza.
