1 “Retos ambientales: Panorama industrial”(Tercera Parte) Monserrat Chairez Llamas Ingeniería Química Dr. Pedro Medellín Milán Universidad Autónoma de San Luis Potosí Dr. Mahmoud M. El-Halwagi Texas A&M University Process Integration for Environmental Control in Engineering curricula (PIECE)

2 CARGAS Y CANTIDAD DE DESECHOS (lbs/day)PROBLEMA Consideremos una refinería típica con una capacidad promedio de 100,000 bbl/day como la presentada en la figura de la siguiente diapositiva. En este proceso la fuente principal de contaminantes como fenol, amoniaco y sulfuro es la unidad de cracking catalítico. No obstante lo anterior, considerables cantidades de estos componentes, y altos niveles de BOD y COD se encuentran también en el agua aceitosa proveniente de los fraccionadores en las unidades de destilación. El agua de desecho producida en las secciones de proceso antes mencionadas son llevadas a una unidad de tratamiento primario (separador API), y la corriente resultante presenta las características siguientes: PARAMETRO CARGAS Y CANTIDAD DE DESECHOS (lbs/day) Agua BOD5 12 000 COD 38 000 Sólidos suspendidos 3 800 Fenoles 800 Sulfuro 2 600 NH3-N 1 400 Aceite 5 300 PROBLEM STATEMENT Let’s consider a typical refining industry with an average 100,000 bbl/day capacity as the one presented in figure 1 on the next slide. In this process, the largest source of pollutants such as phenol, ammonia and sulfide results from the catalytic cracking unit. Considerable amounts of these components and, high levels of BOD and COD are founded in the oily sour water coming out of the fractionators in the distillation units. The wastewater produced in those sections of the process are loaded to a primary treatment unit (API separator), and the resulting stream shows the following characteristics given Table3.1: Table 3.1: Composición de la corriente de desecho acuosa

3 Producción de HidrógenoH2S CO2 NH3 H2S Amine plant Fuel Gas LPG y gases ligeros Butano Gasolina Gasoline Alquilación Blending Gas plant NH3 H2S H2 Naphtha Desulfurización Catalytic Reforming NH3 H2S Jet Fuel Destilados medios Treating Kerosene Gas Destilación atmosférica Naphtha NH3, H2S Gas Oils Cracking catalítico Desulfurización Heating oil H2 CO2 Producción de Hidrógeno Amine NH3 H2S Gas H2 Naphtha Hydrocracking Lubricating oil Grease Wax Destilación al vacío Treating HCN H2S Gas Naphtha Coke Coking Industrial Fuel Asphalt

4 El efluente primario es entonces llevado a tratamiento secundario, donde los niveles de BOD5, COD, aceite y sólidos suspendidos son disminuidos y pueden ser despreciados para este problema. Generalmente, los compuestos de azufre son difíciles de remover, por lo tanto no lidiaremos con su tratamiento y solo consideraremos la composición del afluente secundario como se muestra en la tabla 3.2: Compuesto Flujo (lb/h) Fracción Masa Agua NH3-N 58.33 Fenol 33.33 The primary effluent is then carried to secondary treatment, where the levels of BOD5, COD, oil and suspended solids are diminished and can be neglected for this open ended problem. Generally, sulfur compounds are difficult to remove, hence we will not deal with sulfide treatment and only consider the composition of secondary effluent as shown in Table 3.2: Tabla 3.2 Composición del efluente secundario

5 Contaminante o propiedad contaminanteLa refinería tiene que cumplir con los límites establecidos por el Codigo Federal de Regulaciones (40 CFR ) indicados abajo: Promedio de valores máximos diarios que no deben excederse para 30 días consecutivos Contaminante o propiedad contaminante Máximo para 1 día (kilogramos por 1,000 m3 de alimentación) BOD5 TSS COD Aceite y grasa Compuestos fenólicos Amoniaco como N Sulfuro Cromo total Cromo hexavalente pH 28.2 19.5 210.0 8.4 0.21 18.8 0.18 0.43 0.035 (\2\) 15.6 12.6 109 4.5 0.10 8.5 0.082 0.25 0.016 (\2\) The refinery has to fulfill the effluent limitation guidelines dictated by the Code of Federal Regulations (40 CFR ), stated below: Tabla 3.3. Límites establecidos por el Código Federal de Regulaciones para una refinería con unidad de cracking catalítico

6 Disminuir el contenido de fenol y amoniaco por Steam Stripping Con el objetivo de alcanzar los requerimientos del CFR, el efluente secundario será llevado a tratamiento terciario y las opciones consideradas son: Disminuir el contenido de fenol y amoniaco por Steam Stripping Remover el fenol presente usando Ósmosis Inversa Para el último caso, supondremos que no existe amoniaco presente en la corriente, así que el único contaminante a remover será el fenol: In order to reach the CFR requirements, the secondary effluent will be carried to the tertiary treatment and the considered options for this are: To diminish the content of phenol and ammonia by Steam Stripping To remove phenol by Reverse Osmosis For the last case we will suppose that there is no ammonia in the stream, so that the only pollutant to be removed is phenol: Compuesto Flujo (lb/h) Fracción Másica Agua Fenol 33.33 TOTAL 1 Tabla 3.4 Composición del efluente secundario para el caso de Tratamiento por Osmosis Inversa

7 PREGUNTAS: ¿Es el nivel de separación logrado con cada uno de estos métodos terciarios de tratamiento suficientemente bueno para satisfacer los límites impuestos por el CFR? ¿La concentración buscada podría ser alcanzada al modificar algunas condiciones de operación? Si es así, ¿como afectarían estas modificaciones los costos? De acuerdo a la separación final alcanzada y al análisis de costos, ¿cual es la tecnología más apropiada para este caso? ¿Qué método recomendarías como tratamiento secundario tomando en cuenta que los niveles de BOD5, COD, y las cantidades de sólidos suspendidos y aceite deben ser lo suficientemente bajas para cumplir con las regulaciones dictadas por el CFR? ¿Alguno de los métodos terciarios propuestos es conveniente para la remoción adicional de BOD, COD, sólidos suspendidos o aceite? QUESTIONS: Is the level of separation achieved with each of these tertiary treatment methods good enough to satisfy the limits imposed in the CFR? Could the target concentration be reached by modifying some operating conditions? If so, how would these modifications affect the costs? According to the final separation and the cost analysis, which is the most suitable technology? Which method would you recommend for secondary wastewater treatment taking into account BOD5, COD, suspended solids and oil amounts if secondary effluent have to be low enough to meet the CFR regulations? Is any of the two proposed tertiary methods convenient for additional removal of BOD, COD, suspended solids or oil?

8 INFORMACIÓN GEOMÉTRICAPara los cálculos de Ósmosis Inversa, los siguientes datos son requeridos: INFORMACIÓN GEOMÉTRICA Longitud de fibra, l: m Longitud de sello de fibra, ls: m Radio externo de fibra, ro: 42 x 10-6 m Radio interno de fibra, ri: 21 x 10-6 m Área de la membrana, Sm: 180 m2 DATOS ADICIONALES For the Reverse Osmosis calculation the following data is required: GEOMETRICAL DATA Fiber length, l: m Fiber seal length, ls: m Outer radius of fiber, ro: 42 x 10-6 m Inner radius of fiber, ri: 21 x 10-6 m Membrane area, Sm: 180 m2 INPUT DATA Maximum flow rate per module: kg/s Minimum flow rate per module: kg/s Maximum feed pressure: x 105 Pressure drop per module: x 105 Pure water permeability, A: 1.20 x 10-10 Solute transport parameter: 2.43 x 10-4 Velocidad de flujo máxima por módulo: kg/s Velocidad de flujo mínima por módulo: kg/s Presión máxima de alimentación: x 105 Caída de presión por módulo: x 105 Permeabilidad del agua pura, A: 1.20 x 10-10 Parámetro de transporte del soluto: 2.43 x 10-4 Mahmoud M. El-Halwagi, Synthesis of Reverse-Osmosis Networks for Waste Reduction, AIChE Journal, August 1992

9 Desechos IndustrialesLas características de las aguas de desecho industriales, su composición, flujo y volumen difieren considerablemente entre industrias dependiendo del proceso específico llevado a cabo. Como se vio en la sección 2.3, el agua de desecho de la industria de refinación del petróleo y petroquímica contiene compuestos químicos muy peligrosos como hidrocarburos, fenoles, sulfuro de hidrógeno, ácido sulfúrico, etc. Industrial Wastes The characteristics of industrial wastewaters, their composition, flow and volume differ considerably among industries depending on the specific process carried on. As seen in section 2.3, wastewater from petrochemical and petroleum refining industry contains hazardous chemicals as hydrocarbons, phenols, ammoniacal nitrogen, hydrogen sulfide, sulfuric acid, etc. Thus, the environmental impact of these wastewaters depend, besides their collective characteristics such as biochemical oxygen demand (BOD), chemical oxygen demand (COD) and suspended solids (SS), on their content of specific inorganic and organic compounds. This substances will dictate the most suitable treatment method. Por tanto, el impacto ambiental de estas aguas depende, además de sus características colectivas como BOD (biochemical oxygen demand) , COD (chemical oxygen demand) y sólidos suspendidos (suspended solids, SS), del contenido específico de compuestos orgánicos e inorgánicos. Estas sustancias dictarán el método más apropiado de tratamiento.

10 Opciones para controlar el desecho de aguas industrialesEl programa de la EPA para el control de desechos está basado en la siguiente jerarquía: Prevención Reuso Reciclaje Recuperación de energía Tratamiento Contención Disposición El tratamiento de aguas de desecho puede tomar lugar a diferentes puntos del proceso. Options for controlling industrial wastewaters EPA's program to control wastes is based on the following hierarchy: Avoidance Re-use Re-cycling Recovery of energy Treatment Containment Disposal The treating of wastewaters can take place at different points in the process. Wastewater can be: Pretreated for discharge to municipal treatment sources. Treated completely at the plant and reused or discharged directly into receiving waters. Treated at the point of generation. El agua de desecho puede ser: Pretratada para su descarga en las fuentes municipales de tratamiento. Tratada completamente en la planta y reusada o descargada directamente a las aguas de recepción. Tratada en el punto de generación.

11 Clasificación de métodos de tratamiento de aguas de desechoRemoción biológica de nitrógeno Bioaugmentation Lodos Activados Aereación extendida Procesos anaeróbicos Rotating biological contactors Sequencing batch reactores y filtros por goteo Adsorción con carbón Destilación Filtración Stripping con vapor Oil and grease skimming Separación agua/aceite Sedimentación Tecnología de membranas Oxidación Química Precipitación Química Coagulación Dissolved air flotation Oxidación Electroquímica Floculación Hidrólisis Neutralización Extracción con solvente Intercambio iónico QUÍMICO FÍSICO BIOLÓGICO INDUSTRIAL WASTEWATER TREATMENT METHODS

12 Clasificación de métodos de tratamiento de aguas de desechoRemoción biológica de nitrógeno Bioaugmentation Lodos Activados Aereación Extendida Procesos anaeróbicos Rotating biological contactors Sequencing batch reactores y filtros por goteo Adsorción con carbón Destilación Filtración Sttripping con vapor Oil and grease skimming Separación agua/aceite Sedimentación Tecnología de membranas Oxidación Química Precipitación Química Coagulación Dissolved air flotation Oxidación Electroquímica Floculación Hidrólisis Neutralización Extracción con solvente Intercambio iónico QUÍMICO FÍSICO BIOLÓGICO INDUSTRIAL WASTEWATER TREATMENT METHODS Procesos Físico/químicos si agentes químicos tales como agentes coagulantes son agregados.

13 Tratamiento ConvencionalTRATAMIENTO PREELIMINAR TRATAMIENTO PRIMARIO TRATAMIENTO SECUNDARIO TRATAMIENTO AVANZADO A descarga o a reuso/reciclaje Corriente de alimentación de agua de desecho Tratamiento Convencional Proceso de tratamiento de aguas de desecho Es una combinación de procesos químicos, físicos y biológicos. Tratamiento de alta calidad

14 Corriente de alimentación de agua de desechoRemoción de gravilla, escombros y cantidades excesivas de aceites y grasas. TRATAMIENTO PREELIMINAR TRATAMIENTO PRIMARIO Proceso de tratamiento de aguas de desecho Es una combinación de procesos químicos, físicos y biológicos. TRATAMIENTO SECUNDARIO PRELIMINARY TREATMENT Removal of grit, debris and excessive amounts of oils or greases. Planta de pretratamiento de agua de desecho TRATAMIENTO AVANZADO A descarga o a reuso/reciclaje

15 Corriente de alimentación de agua de desechoTRATAMIENTO PREELIMINAR Remueve cerca del 50 a 70% de SS, 25 a 50% de BOD5 y 65% de aceite y grasa. TRATAMIENTO PRIMARIO Proceso de tratamiento de aguas de desecho Es una combinación de procesos químicos, físicos y biológicos. Clarificador TRATAMIENTO SECUNDARIO PRIMARY TREATMENT Removes near to 50-70% of SS, 25-50% of BOD5 and 65% of oil and grease. TRATAMIENTO AVANZADO A descarga o a reuso/reciclaje

16 Corriente de alimentación de agua de desechoTRATAMIENTO PREELIMINAR TRATAMIENTO PRIMARIO Proceso de tratamiento de aguas de desecho Es una combinación de procesos químicos, físicos y biológicos. La remoción alcanzada es de hasta 85-95% de BOD y SS y 65% de COD. TRATAMIENTO SECUNDARIO SECONDARY TREATMENT The reached removal is up to % of BOD and SS and 65% of COD. TRATAMIENTO AVANZADO A descarga o a reuso/reciclaje

17 Corriente de alimentación de agua de desechoSeparación por membranas TRATAMIENTO PREELIMINAR TRATAMIENTO PRIMARIO Proceso de tratamiento de aguas de desecho Es una combinación de procesos químicos, físicos y biológicos. Remoción de : Sólidos orgánicos y suspendidos adicionales. Nitrogenous Oxygen Demand (NOD) Nutrientes Materiales Tóxicos TRATAMIENTO SECUNDARIO ADVANCED TREATMENT Also called “Tertiary Treatment” Removal of : Additional organic and suspended solids. Nitrogenous Oxygen Demand (NOD) Nutrients Toxic materials TRATAMIENTO AVANZADO También llamado “Tratamiento Terciario” A descarga o a reuso/reciclaje

18 Clarificador en Main Wastewater Treatment Plant en OaklandTRATAMIENTO PREELIMINAR Objetivo: Separar sustancias que pueden causar problemas al equipo de purificación de la planta. Sólidos inorgánicos pesados como arena, grava, metal o vidrio son removidos. El escombro colectado es usualmente enviado a un relleno sanitario. Procesos usados: Principalmente sedimentación y filtración. Equipo usado: Bar screens, comminutors y grit chambers. Generalmente el agua de desecho entra primero a una bar screen para remover sólidos de gran tamaño y entonces pasa a una grit chamber. Grit Chamber TRATAMIENTO PRIMARIO PRELIMINARY TREATMENT Objective: To separate substances which can cause problems to purification plant equipment. Heavy inorganic solids such as sand, gravel, metal or glass are removed. The collected debris is usually disposed off in a landfill. Used processes: Mainly sedimentation and filtration. Used equipment: Bar screens, comminutors and grit chambers. Generally the wastewater enters a bar screen first to remove large size solids and then passes to a grit chamber. PRIMARY TREATMENT Objective: Removal of organic and inorganic suspended solids, oils and greases. Also removed are some organic phosphorus, organic nitrogen, and heavy metals associated with solids. Colloidal and dissolved constituents are not affected. Used processes: Sedimentation, flotation and oil/water separation. Used equipment: Clarifiers and settling tanks for suspended solids removal and API separators for oil/water and solid separation. Clarificador en Main Wastewater Treatment Plant en Oakland Objetivo: Remoción de sólidos orgánicos e inorgánicos, aceites y grasas. También son removidos algunos compuestos orgánicos de fósforo y nitrógeno, así como metales pesados asociados con sólidos. Constituyentes coloidales y disueltos no son afectados. Procesos usados: Sedimentación, flotación y separación agua/aceite. Equipo usado: Clarificadores y tanques sedimentadores para remover sólidos suspendidos y separadores API para separación agua/aceite.

19 TRATAMIENTO SECUNDARIOObjetivo: Descomposición de materia orgánica disuelta usando biologically active sludge. Consiste en el tratamiento biológico del efluente proveniente de tratamiento primario para remover los sólidos residuales orgánicos, suspendidos, coloidales y disueltos. Tratamiento con RBC Procesos usados: Tres enfoques son usados para lograr el tratamiento secundario Sistemas de película fija: Los microorganismos crecen en sustratos (rocas, plástico, arena) sobre los cuales el agua de desecho es extendida. La película de microorganismos continua creciendo y se haciéndose gruesa mientras los nutrientes son absorbidos. Algunos ejemplos son rotating biological contactors (RBC), trickling filters y filtros de arena. Sistemas de película suspendida: Los microorganismos son suspendidos en el agua de desecho y, una vez que han absorbido nutrientes, se reproducen y sedimentan como lodo. Una porción de lodo es llevada nuevamente junto con el agua de desecho de entrada funcionando como microorganismos “semilla”, mientras que la otra parte es enviada a tratamiento de lodos. Ejemplos de tales sistemas son aereación extendida, activated sludge, sequential batch reactor systems y oxidation ditch. SECONDARY TREATMENT Objective: Decomposition of dissolved organic matter by means of using biologically active sludge. Consist of the biological treatment of the effluent from primary treatment to remove the residual organics, suspended, colloidal and dissolved solids. Used processes: Three approaches are used to accomplish secondary treatment Fixed film systems: Microorganisms grow on substrates (rocks, plastic, sand) over which the wastewater is spread over. The film of microorganisms grows and thickens while the nutrients are absorbed. Some examples are rotating biological contactors (RBC), trickling filters and sand filters. Suspended film systems: Microorganisms are suspended in wastewater and once they absorb nutrients, reproduce and then are settled out as a sludge. A portion of the sludge is pumped back into the incoming wastewater as “seed” microorganisms while the other part is sent to sludge treatment. Examples of such systems are extended aeration, activated sludge, sequential batch reactor systems and oxidation ditch. Lagoon systems: Are shallow ponds designed to hold wastewater for several months while is treated through a combination of physical, biological and chemical processes. Some aeration devices can be added to rise the system efficiency. The most common types of lagoons are: Anaerobic lagoons Naturally aerobic lagoons Aerated lagoons Sistemas de Lagunas: Son estanques poco profundos diseñados para contener el agua de desecho por varios meses mientras es tratada usando una combinación de procesos químicos, físicos y biológicos. Algunos equipos de aeración pueden ser adicionados para elevar la eficiencia del sistema. Los tipos mas comunes de lagunas son: Lagunas anaeróbicas Lagunas naturalmente aeróbicas Lagunas aereadas

20 De acuerdo al tipo de proceso utilizadoTRATAMIENTO AVANZADO Definición: Cualquier proceso aplicado después de tratamiento secundario diseñado para producir un efluente de mayor calidad para proteger las aguas receptoras o para proveer agua reusable para su posterior reciclaje industrial y/o doméstico. Esta tecnología incluye todas las unidades de operación no comúnmente encontradas en los tratamientos típicos. Clasificación de los procesos de tratamiento avanzados: “Proceso de tratamiento en el cual las unidades de operación son añadidas al tratamiento secundario convencional.” TRATAMIENTO TERCIARIO De acuerdo al tipo de proceso utilizado “Proceso de tratamiento en el cual procesos biológicos y fisicoquímicos son entremezclados para conseguir el efluente deseado.” ADVANCED WASTEWATER TREATMENT Definition: Any process applied after secondary treatment designed to produce an effluent of higher quality to protect the receiving waters or to provide reusable water for its further domestic and/or industrial recycling (cooling water supplies). This technology encompasses all unit operations not commonly found in the typical wastewater treatment. Classification of advanced wastewater treatment process: By the type of process flow scheme utilized TERTIARY TREAMENT “Treatment process in which unit operations are added to the conventional secondary treatment.” PHYSICOCHEMICAL TREATMENT “Treatment process in which biological and physical-chemical processes are intermixed to achieve the desired effluent.” COMBINED BIOLOGICAL-PHYSICAL-CHEMICAL TREATMENT Combination of biological and physicochemical treatments. TRATAMIENTO FISICOQUÍMICO Combinación de tratamientos biológicos y fisicoquímicos. COMBINADO BIOLOGICAL-PHYSICAL-CHEMICAL TREATMENT

21 TRATAMIENTO AVANZADO Otra manera de clasificar los métodos avanzados de tratamiento es diferenciándolos de acuerdo a su objetivo final. Algunos ejemplos se presentan a continuación. Consta de dos fases: Nitrificación o primera fase: Ocurre en ambiente aeróbico y un tanque similar al usado en lodos activados es usado para oxidar la amoniaco a nitrato. Segunda fase: Ocurre en un ambiente anóxico (sin oxígeno libre, i.e., O2) donde los nitratos son denitrificados a nitrógeno molecular por medio de diferentes géneros de bacteria usando los nitratos como compuesto oxidante en lugar de oxígeno. PROCESO BIOLÓGICO Another way to classify advanced wastewater treatment is to differentiate according to the desired treatment goals. Some examples are presented next. NITROGEN REMOVAL BIOLOGICAL PROCESS Consist of two phases: Nitrification or first phase: Occurs in an aerobic environment and a thank similar to that for the active sludge is used to oxidize the ammonia to nitrate. Second phase: Occurs in an anoxic (without “free” oxygen, i.e., O2) environment where the nitrates are denitrified to molecular nitrogen by means of different genus of bacteria using the nitrates as oxidizing compound in place of oxygen. PHYSICOCHEMICAL PROCESS Alkaline air stripping Ion exchange: Wastewater is passed through a porous bed of organic resin where cationic and anionic ion exchangers react with cations and anions, respectively, for removal or recovery. Breakpoint chlorination REMOCIÓ N DE N I TRÒGENO Stripping alcalino con aire Intercambio iónico: El agua de desecho es pasada a través de una cama porosa de resina orgánica donde intercambiadores de iones catiónicos y aniónicos reaccionan con cationes y aniones respectivamente para la remoción o recuperación. Breakpoint chlorination PROCESO FISICOQUÍMICO about/wyman.html

22 Tratamiento con Alum en Squibb Lake, Lawrenceville, NJTRATAMIENTO AVANZADO PROCESO BIOLÓGICO La remoción de fósforo se logra al promover que los PAO’s (phosphorus accumulating organisms) crezcan y consuman el fósforo usando un tanque anaeróbico localizado frente a un tanque de aereación de activated sludge. Reactor anaeróbico Reactor aeróbico Clarificador Efluente secundario Efluente limpio de P Desecho de activated sludge con bacteria rica en P. Ya que estos métodos convierten el fósforo disuelto en forma de partículas, es común usar filtros de arena como etapa final. REMOCIÓN DE FÓSFORO ADVANCED WASTEWATER TREATMENT PHOSPHORUS REMOVAL BIOLOGICAL PROCESS Phosphorus removal is done by encouraging PAO’s (phosphorus accumulating organisms) to grow and consume phosphorus by using an anaerobic tank placed ahead of an activated sludge aeration tank. CHEMICAL PROCESS By chemical precipitation using multivalent metal ions as iron salts or aluminum compounds such as ferric chloride or alum (aluminum sulfate) As these methods convert dissolved phosphorus into particulate form it is common to use sand filters as final stage. PROCESO QUÍMICO Por precipitación química usando iones metálicos multivalentes como sales de hierro o compuestos de aluminio tales como cloruro férrico o alum (sulfato de aluminio). Tratamiento con Alum en Squibb Lake, Lawrenceville, NJ

23 TRATAMIENTO AVANZADO Filtración. Usada para la eliminación adicional de sólidos suspendidos y BOD (Demanda bioquímica de oxígeno). Estos procesos incluyen filtros de arena, pantanos construidos (artificiales) y filtración por membranas. Microstraining. Método usado para la remoción adicional de sólidos suspendidos y BOD asociado. El proceso envuelve el paso del efluente a través de un tambor rotativo horizontal con una tela filtrante fija como a pantalla porosa. Estanques de pulido. Se emplea para obtener remoción adicional de sólidos suspendidos. El tratamiento puede ser aeróbico o facultativo (combinación de actividad biológica aeróbica y anaeróbica). OTROS MÉTODOS DE TRATAMIENTO Post-aereación. Método usando para mantener un nivel determinado de oxígeno disuelto. Esto es logrado por aeración mecánica, aereación difusa o aeración en cascada. ADVANCED WASTEWATER TREATMENT OTHER TRETMENT METHODS Filtration. Used for additional elimination of suspended solids and biochemical oxygen demand. These processes include sand filtration, constructed wetlands and membrane filtration. Microstraining. Method used for removal of additional suspended solids and associated biochemical oxygen demand. The process involves the passing of an effluent through a horizontal rotating drum with a filtering fabric fixed by a porous screen. Polishing ponds. Used to obtain additional suspended solids removal. Treatment can be aerobic or facultative (a combination of aerobic and anaerobic biological activity). Post-aeration. Method used to maintain certain dissolved oxygen level. This is accomplished by mechanical aeration, diffused aeration or cascade aeration. Adsorption with activated carbon. It is applied as advanced treatment for the removal of non-biodegradable dissolved organics or as a secondary treatment replacing conventional biological treatment. Some molecules as methanol, formic acid, and sugars are not removable by t his method. Adsorción con carbón activado. Se aplica como tratamiento avanzado para la remoción de compuestos orgánicos no biodegradables o como tratamiento secundario al reemplazar al tratamiento biológico convencional. Algunas moléculas como metanol, ácido fórmico y azúcares no son removidas por este método.

24 Los ejemplos mas comunes usados en el tratamiento de agua de desecho se presentan en la siguiente tabla: Tabla 3.5: Métodos de tratamiento de aguas de desecho.

25 Planta típica de Tratamiento de efluentes de una refinería de petróleoEste efluente es entonces tratado en una central conocida como tratamiento de “fin de tubería" ya que normalmente es implementado como última etapa del proceso, antes de que Planta típica de Tratamiento de efluentes de una refinería de petróleo Es común en la mayoría de las refinerías colectar todas las aguas de desecho y combinarlas en una corriente única. SeparadorAPI Dissolved Air Flotation la corriente sea dispuesta o repartida. El tratamiento de fin de tubería incluye sistemas biológicos y químicos. Alimentación Activated Sludge Process Tanques de Alimentación Equalization basin Typical Petroleum Refinery Effluent Treatment Plant It is common in most refineries to collect all process wastewaters and to combine them into a single wastewater. This effluent is then treated in a central facility called "end-of pipe" treatment as it is normally implemented as the last stage of the process before the stream is disposed of or delivered. The end-of-pipe treatment technology includes biological and chemical systems. Recipiente de Aereación Efluente Clarificador Reciclaje de lodos Lodos a desecho Adaptado de “An Integrated Expert System for Operating a Petroleum Refinery. Activated Sludge Process” Weibo Yuan, Michael K. Stenstrom , Naci H. Ozgur, David Okrent

26 Planta típica de Tratamiento de efluentes de una refinería de petróleoEl separador del Instituto Americano del Petróleo, (API) es un gran tanque rectangular que opera bajo el principio de la ley de Strokes, la cual define la velocidad de ascenso de una partícula de aceite basado en su densidad y tamaño. Planta típica de Tratamiento de efluentes de una refinería de petróleo API Separator Dissolved Air Flotation Alimentación Tanques de Alimentación The American Petroleum Institute (API) separator is a long rectangular tank that operates on the principle of strokes law which defines the rise velocity of an oil particle based on its density and size. Equalization basin Recipiente de Aereación Efluente Clarificador Reciclaje de lodos Lodos a desecho Activated Sludge Process

27 Planta típica de Tratamiento de efluentes de una refinería de petróleoEl separador del Instituto Americano del Petróleo, (API). Está diseñado para proveer suficiente tiempo de retención dinámico para permitir al aceite emulsificado libre aglomerarse y elevarse a la superficie. Los sólidos se sedimentan en el fondo del separador o son llevados a través del mismo con el agua, dependiendo de su velocidad de sedimentación y su densidad. Planta típica de Tratamiento de efluentes de una refinería de petróleo API Separator Dissolved Air Flotation Alimentación Activated Sludge Process Tanques de Alimentación American Petroleum Institute (API) separator. It is designed to provide sufficient hydraulic detention time to permit free emulsified oil to agglomerate and rise to the surface. Solids either settle at the bottom of the separator or are carried through the separator with the water, depending on their settling rate and density. Equalization basin Recipiente de Aereación Efluente Clarificador Reciclaje de lodos Lodos a desecho

28 Planta típica de Tratamiento de efluentes de una refinería de petróleo Separador API Relativamente ineficiente Requiere gran cantidad de espacio Planta típica de Tratamiento de efluentes de una refinería de petróleo Acepta una gran variedad y proporciones de aceite y sólidos, incluyendo aceite viscoso, pegajoso o ceroso. API Separator Dissolved Air Flotation Alimentación Activated Sludge Process Tanques de Alimentación Equalization basin Recipiente de Aereación Efluente Clarificador Reciclaje de lodos Lodos a desecho

29 Planta típica de Tratamiento de efluentes de una refinería de petróleoLa unidad de Dissolved Air Flotation (DAF) consta de 2 secciones. Primero, en la cámara de floculación, el influente es mezclado con demulsificadores cuagulantes que causan la aglomeración de pequeñas gotas de aceite y sólidos. Entonces, el desecho aceitoso fluye a la sección de flotación, en la cual las burbujas de aire ascendentes se adhieren a estas partículas causando también su elevación. Separador API Equalization basin Clarifier Alimentación Activated Sludge Process Tanques de Alimentación The Dissolved Air Flotation (DAF) unit consist of two sections First, in the “flocculator chamber” the influent is mixed with coagulant demulsifiers that cause the agglomeration of oil droplets and solids. Then the oily waste flows into the flotation section, in which rising air bubbles adhere to these particles causing them to rise. Recipiente de Aereación Efluente Reciclaje de lodos Lodos a desecho

30 Planta típica de Tratamiento de efluentes de una refinería de petróleoFinalmente, la escoria es removida en la superficie por un skimmer y el lodo asentado en el fondo es desplazado por gravedad o bombeo. Separador API Dissolved Air Flotation Equalization basin Alimentación Activated Sludge Process Tanques de Alimentación Finally, in the surface the scum is removed by a skimmer and the settled sludge from the bottom is displaced by gravity or pumping. Recipiente de Aereación Efluente Clarificador Reciclaje de lodos Lodos a desecho

31 Planta típica de Tratamiento de efluentes de una refinería de petróleoEqualization Basin Son tanques o estanques alineados. De acuerdo al Departamento de Ambiente y Recursos Naturales de Dakota del Sur, las equalization basins tienen dos objetivos: API Separator Feed Tanks Dissolved Air Flotation Equalization basin Alimentación Activated Sludge Process Equalization Basin These are tanks or lined ponds. According to the Department of Environment & Natural Resources of South Dakota, equalization basins have two objectives: Recipiente de Aereación Efluente Clarificador Reciclaje de lodos Lodos a desecho

32 Planta típica de Tratamiento de efluentes de una refinería de petróleo“El objetivo secundario es disminuir la fuerza de los constituyentes del agua de desecho al mezclar el agua de desecho en la equalization basin para mantener un grado fiable de control operacional. Genesee County ARTP Equalization Basin El objetivo primario es disminuir las variaciones causadas por la entrada e infiltración y las variaciones de flujo, para alcanzar un caudal casi constante en el proceso de tratamiento corriente abajo. API Separator Feed Tanks Dissolved Air Flotation Equalization basin Raw Feed Activated Sludge Process The primary objective is to dampen the variations caused by inflow/infiltration and the diurnal flow variation, to achieve a nearly constant flow rate through the downstream treatment processes. “The secondary objective is to dampen the strength of wastewater constituents by blending the wastewater in the equalization basin to maintain a degree of reliability and operational control”. Recipiente de Aereación Efluente Clarificador Reciclaje de lodos Lodos a desecho

33 Planta típica de Tratamiento de efluentes de una refinería de petróleoEl proceso de Activated Sludge Process es uno de los procesos de tratamiento secundario mas comunes. Este proceso usa bacterias Saprophytic para remover sólidos suspendidos y BOD disuleto. De acuerdo al Manual de Prácticas # 9 de Activated Sludge (Water Environment Association, 1987), el proceso de activated sludge consta de cinco equipos esenciales interrelacionados: Separador API Dissolved Air Flotation Alimentación Tanques de Alimentación The Activated Sludge Process is one of the most common secondary treatment processes. This process uses Saprophytic bacteria to remove suspended solids and dissolved BOD. According to Activated Sludge, Manual of Practice #9 (Water Environment Association, 1987), the activated-sludge process contains five essential interrelated equipment components. Equalization basin Recipiente de Aereación Efluente Clarificador Reciclaje de lodos Lodos a desecho Activated Sludge Process

34 Planta típica de Tratamiento de efluentes de una refinería de petróleoUn tanque de aeración en el cual aire u oxígeno es introducido al sistema para crear un ambiente aeróbico. Existen cuando menos siete modificaciones en forma y número de tanques para producir variaciones en el patrón de flujo. Separador API Dissolved Air Flotation Alimentación Tanques de Alimentación An aeration tank in which air or oxygen is introduced into the system to create an aerobic environment. At least seven modifications in the shape and number of tanks exist to produce variations in the pattern of flow. Equalization basin Recipiente de Aereación Efluente Clarificador Reciclaje de lodos Lodos a desecho Activated Sludge Process

35 Planta típica de Tratamiento de efluentes de una refinería de petróleoUna fuente de aereación, que puede ser de oxígeno puro, aire comprimido o por aereación mecánica. Fotografía de un difusor usado para suministrar el aire necesitado por los microorganismos. Separador API Dissolved Air Flotation Alimentación Tanques de Alimentación An aeration source that can be provided by pure oxygen, compressed air or mechanical aeration. Equalization basin Recipiente de Aereación Efluente Clarificador Reciclaje de lodos Lodos a desecho Activated Sludge Process

36 Planta típica de Tratamiento de efluentes de una refinería de petróleoClarificadores. Los sólidos provenientes del proceso de Activated sludge son separados del agua de desecho por floculación y sedimentación gravitacional. Entonces los lodos espesos resultantes (RAS) se dirigen a los fondos, mientras que en la porción superior del clarificador se forma una mezcla de agua de desecho con bajos niveles de sólidos de activated-sludge en suspensión. Separador API Feed Tanks Dissolved Air Flotation Alimentación Clarifiers. Activated sludge-solids are separated from the surrounding wastewater by flocculation and gravity sedimentation. Then a thickened sludge (flocs and termed return activated sludge or RAS) is founded in the bottoms while in the upper portion of the clarifier the wastewater with low level of activated-sludge solids in suspension is formed. Equalization basin Recipiente de Aereación Efluente Clarificador Lodos a desecho Reciclaje de lodos Activated Sludge Process

37 Planta típica de Tratamiento de efluentes de una refinería de petróleoLos RAS de los clarificadores secundarios es bombeado de regreso al tanque de aereación, para asegurar el recubrimiento de los microorganismos. Separador API Dissolved Air Flotation Alimentación Tanques de Alimentación The return activated sludge (RAS) from the secondary clarifiers is pumped back to the aeration tank to ensure the replenishing of the microorganisms. Equalization basin Recipiente de Aereación Efluente Clarificador Reciclaje de lodos Lodos a desecho Activated Sludge Process

38 Planta típica de Tratamiento de efluentes de una refinería de petróleoFinalmente, los lodos de activated sludge conteniendo superpoblación de microorganismos deben ser removidos o desechados del sistema. Separador API Dissolved Air Flotation Alimentación Tanques de Alimentación Finally, activated sludge containing an overabundance of microorganisms must be removed, or wasted (waste activated sludge, or WAS), from the system. Equalization basin Recipiente de Aereación Efluente Clarificador Reciclaje de lodos Lodos a desecho Activated Sludge Process

39 Técnicas de separación de MembranasLas técnicas de separación de membranas (Membrane separation, MS) han experimentado gran crecimiento en los años recientes y son ampliamente aplicadas en la industria en nuestros días ya que están orientadas a cumplir con las siguientes necesidades: Demanda de productos de mayor calidad. Presiones regulatorias en aumento. El elevado interés en preservar los recursos naturales. Sustentabilidad ambiental y económica. Membrane Separation Techniques Membrane separation (MS) techniques have experienced high growth in recent years and are widely being applied in the industry today as they are intended to fulfill the following necessities: Demand for higher quality products Increased regulatory pressures The rising interest in preserving natural resources Environmental and economic sustainability.

40 APLICACIÓN De entre sus muchas fortalezas, algunas de las razones para el incremento en la aplicación de los procesos de separación de membranas son: Ahorro de energía apreciable: bajo consumo de energía porque estos sistemas operan a temperatura cercana a la ambiente. Tecnología limpia con facilidad operacional. Diseño compacto y modular (usando menos espacio que los voluminosos equipos y métodos tradicionales). Producen productos de alta calidad debido a la gran selectividad de las membranas. Permite la recuperación de subproductos vendibles de las corrientes de desecho, lo que incrementa su rentabilidad. Gran flexibilidad en el diseño de sistemas. Fácil incorporación a plantas industriales ya existentes. Increasing applicability Among its many strengths, some of the reasons for the increased applicability of membrane separation processes are: Appreciable energy savings: Low energy consumption because these systems operate near room temperature. Clean technology with operational ease. Compact and modular design (using less space than cumbersome traditional methods). Produce high-quality products due to the high selectivity of the membranes. Allow the recovery of salable by-products from waste streams, which increases their profitability. Greater flexibility in designing systems. Easy incorporation to presently existing industrial plants.

41 Técnicas de separación de membranasEl objetivo básico de los procesos de separación de membranas es la permeación selectiva de una o más especies a través de la membrana, logrando así la separación. De acuerdo a la IUPAC, una membrana es una “estructura que tiene dimensiones laterales mucho más grandes que su grosor, a través de la cual puede ocurrir transferencia de masa bajo una variedad de fuerzas impulsoras”. Ya que las membranas no permiten el flujo de líquido, el transporte a través de las mismas es por: Sorción: Se refiere a la adsorción o a la absorción de las partículas en la membrana. Difusión: El movimiento de partículas desde áreas de alta concentración a áreas de baja concentración. Para que ocurra difusión, la membrana debe ser permeable a las moléculas. La permeabilidad describe la velocidad de transporte de las partículas a través de la membrana. Retenido Alimentación Membrana bomba Permeado Representación esquemática de una unidad de separación de membrana. Membrane separation techniques The basic objective of membrane separation processes is the selective permeation of one or more species through a membrane, thereby achieving separation. According to IUPAC, a membrane is a “structure, having lateral dimensions much greater than its thickness, through which mass transfer may occur under a variety of driving forces” (REF). Since membranes avoid the flow of liquid, the transport through the membrane is by: Sorption: It refers either to adsorption or absorption of the particles in the membrane. Diffusion: The movement of particles from areas of high concentration to areas of low concentration. For diffusion to occur, the membrane must be permeable to molecules The permeability describes the rate of transport of particles through membranes.

42 Regeneración del fluido, producción.“Las técnicas de separación de membranas pueden ser aplicadas en diferentes secciones del proceso”. subproducto Producto Final residuos Feed stream 1 Feed stream 2 Sección Up-stream process Sección In-course process Sección Down-stream process PROCESO Preparación del fluido Regeneración del fluido, producción. Purificación, producción recuperación, revalorización del efluente. Subproducto a venta Membrane Separation Processes can differ from one another in the type and configuration of the membrane, the mechanism of trans-membrane transport for various water solution components and, the nature of the process driving force. Los procesos de separación de membranas pueden diferir uno de otro en el tipo y configuración de la membrana, el mecanismo de transporte para varios componentes de las soluciones y, la naturaleza de la fuerza impulsora del proceso.

43 Definiciones Comunes Antes de continuar con la separación por membranas e introducir la técnica de ósmosis Inversa (Reverse Osmosis, RO), la comprensión de las siguientes definiciones es necesaria. Retenido: Corriente retenida en el lado de alta presión de la membrana. Permeado: Corriente retenida en el lado de baja presión de la membrana. Flujo Osmótico (Osmotic Flow ,OF): La creciente diferencia de potencial químico debida a la diferencia en concentraciones de los solutos en las soluciones, resulta en la permeación del portador (usualmente agua), a través de la membrana. Este proceso ocurre del lado de alto potencial químico (baja concentración), al lado de bajo potencial (alta concentración). Presión osmótica (P): La presión necesaria para detener el proceso de ósmosis. Es la presión hidrostática que debe ser aplicada al lado de alta concentración de soluto de una membrana ideal semipermeable rígida con el objetivo de detener el transporte de solvente a través de la membrana. COMMON DEFINITIONES Before we move on further with membrane separation and introduce Reverse Osmosis (RO), the perusal of the following definitions is useful. Retentate: Stream retained at the high pressure side of the membrane. Permeate: Stream retained at the low pressure side of the membrane. Osmotic Flow (OF): The chemical potential difference arising due to the difference in concentrations of the solutes in solutions, results in the membrane permeation of the carrier (usually water). This process occurs from high chemical potential side (low concentration) to low chemical potential (high concentration) side. Osmotic Pressure (P): The pressure necessary to stop the osmosis process. Is the hydrostatic pressure that must be applied to the side of a rigid ideal semipermeable membrane with higher solute concentration in order to stop the transport of solvent across the membrane.

44 En el caso de soluciones diluidas, la presión osmótica puede predecirse con la ecuación de Van’t Hoff: Donde C es la concentración molar del soluto, R es la constante universal de los gases y T es la temperatura absoluta. Membrane packing density: Define el área efectiva de la membrana instalada por volumen de módulo y es el principal indicador para el grado de pretratamiento necesario para los diferentes módulos con la finalidad de lograr la operación segura y libre de problemas del sistema. In the case of dilute solutions, osmotic pressure can be predicted with Van’t Hoff’s equation: Where C is the molar concentration of the solute, R is the universal gas constant and T is the absolute temperature. Membrane packing density: It defines the effective membrane area installed per volume of a module and is the main indicator for the degree of pretreatment necessary for the different modules in order to achieve a safe and trouble-free long term operation.

45 Membranas La separación máxima alcanzada en los procesos de membranas depende de la permeabilidad de la membrana por los componentes de la solución alimentada. Una membrana permeable permite el paso de todas las sustancias disueltas en el solvente. Una Membrana semipermeable es capaz de transportar diferentes especies moleculares a diferentes velocidades bajo condiciones idénticas. La membrana semipermeable ideal en los procesos de membranas es aquella que es permeable solo al solvente, pero impermeable a todos los solutos. Los procesos de separación de membranas dependen fuertemente de la naturaleza química de los materiales con que las membranas están fabricadas y de la estructura física de las mismas. Membranes The maximum separation reached in membrane processes depends on the permeability of the membrane for the feed solution components. A permeable membrane allows the passage of all dissolved substances and the solvent. A semipermeable membrane is capable of transporting different molecular species at different rates under identical conditions. The ideal semipermeable membrane in membrane processes is permeable to the solvent only but impermeable to all solutes. Membrane separation processes depend strongly on the chemical nature of the membrane materials and the physical structure of the membranes. The following are some desirable characteristics of membranes: Good permeability High selectivity Mechanical stability Temperature stability Ability to withstand large pressure differences across membrane thickness Las siguientes son algunas características deseables en las membranas: Buena permeabilidad Alta selectividad Estabilidad mecánica Estabilidad térmica Habilidad para soportar grandes diferencias de presión a través de la membrana

46 CLASIFICACIÓN DE MEMBRANASORIGEN MATERIAL MORFOLOGÍA/ ESTRUCTURA MEMBRANA Sintético Biológico Sólido Líquido Orgánico Inorgánico No-poroso Poroso

47 CLASIFICACIÓN DE MEMBRANASORIGEN MATERIAL MORFOLOGÍA/ ESTRUCTURA MEMBRANA Sintético Biológico Sólido Líquido Orgánico Inorgánico No-poroso Poroso Discriminación de acuerdo al tamaño de partícula o molécula. El mecanismo en el que se basa la separación es tamizado o filtración. Un gradiente en presión hidráulica actúa como fuerza impulsora. Discriminación de acuerdo a las afinidades químicas entre los componentes y los materiales de la membrana. Non-Porous Discrimination according to chemical affinities between components and membrane materials. Porous Discrimination according to size of particles or molecules. The mechanism on which separation is based is sieving or filtrating. A gradient in hydraulic pressure acts as the driving force.

48 CLASIFICACIÓN DE MEMBRANASORIGEN MATERIAL MORFOLOGÍA/ ESTRUCTURA MEMBRANA Sintético Biológico Sólido Líquido Orgánico Inorgánico No-poroso Poroso El transporte de masa a través de estas membranas es descrito por el “modelo de solución-difusión” como sigue: Sorción de un componente fuera de la mezcla de alimentación y solución en el material de la membrana. Transporte a través de la membrana a lo largo de un gradiente de potencial. Desorción al otro lado de la membrana. Non-Porous Mass transport through these membranes is described by the “solution-diffusion model” as follows: Sorption of a component out of the feed mixture and solution in the membrane material. Transport through the membrane along a potential gradient. Desorption on the second side of the membrane.

49 CLASIFICACIÓN DE MEMBRANASSIMÉTRICA (HOMOGÉNEA) Construida de un solo material, por esta razón la membrana es uniforme en densidad y estructura de poro a través de la sección transversal. Skinned type: consiste de una densa capa usada como barrera filtrante primaria y, una gruesa y más porosa subestructura que sirve como soporte. De acuerdo a la estructura física (“trans-wall symmetry”) Esta cualidad describe el nivel de uniformidad a través de la sección transversal de la membrana. ASIMÉTRICA Pueden ser homogéneas o heterogéneas y son caracterizadas por un cambio de densidad en el material de la membrana a través de la sección transversal de la misma. According to the Physical Structure (“trans-wall symmetry”). This quality describes the level of uniformity throughout the cross-section of the membrane. SYMMETRIC (HOMOGENOUS) Constructed by a single material and because of this reason, the membrane is uniform in density and pore structure throughout the cross-section. ASYMMETRIC May be either homogeneous or heterogeneous and are characterized by a density change given by the membrane material across the cross sectional area. Skinned type: consist of a dense skinned layer used as primary filtration barrier and, a thick and more porous understructure that serves as support structure. Graded density type: the porous structure gradually decreases in density from the feed to the filtrate side of the membrane. COMPOSITE (HETEROGENOUS) Constituted by different (heterogeneous) materials, the membranes have a thin, dense layer that serves as the filtration barrier. But, unlike skinned membranes, is made of different material than the porous substructure onto which it is cast. Graded density type: La estructura porosa decrece gradualmente en densidad desde el lado de alimentación hasta el lado del filtrado de la membrana. Constituidas por diferentes (heterogénea) materiales, las membranas tienen una delgada pero densa capa que sirve como barrera filtrante. Pero, a diferencia de las skinned membranes, está hecha de diferente material que la subestructura porosa sobre la cual está soportado. COMPOSITE (HETEROGÉNEA)

50 Mide la cantidad de la alimentación que es recuperada como permeado.RENDIMIENTO Y MANTENIMIENTO DE LAS MEMBRANAS El rendimiento de una membrana depende de: Las características de la membrana La solución de alimentación a ser tratada Las condiciones de operación Los siguientes son algunos parámetros usados para medir el rendimiento de las membranas: Mide la cantidad de la alimentación que es recuperada como permeado. MEMBRANE PERFORMANCE AND MAINTENANCE The performance of a membrane depends on: The characteristics of the membrane The feed solution being treated The operating conditions The following are some parameters used to measure membrane performance: Recovery Factor. Measures how much of the feed is recovered as permeate. Factor de Recuperación Donde Qpermeate y QFeed son la velocidad de flujo del permeado y de la alimentación, respectivamente.

51 Retención o rechazo TransmisiónMedida de la fracción de soluto que es retenida por la membrana. Retención o rechazo Donde CFeed es la concentración de una especie particular en la alimentación y Cpermeate es la concentración de la misma especie en la corriente purificada. Porcentaje de soluto que no es retenido por la membrana. Rejection or Retention. Measure of the fraction of solute that is retained for the membrane. Transmission. Percentage of solute that is not retained by the membrane. Transmisión or

52 Medida del grado de incremento en la concentración de un componente.Útil para evaluar el rendimiento de procesos de tratamiento de desechos. Factor de Descontaminación Medida del grado de incremento en la concentración de un componente. Factor de Concentración Decontamination Factor. Useful to evaluate the performance of waste treatment processes. Concentration Factor. Measure of the degree of increasing the concentration of a component. Altos valores de CF’s son deseables pero están limitados porque se traducen en presiones osmóticas altas (RO, NF) o formación de torta (MF, UF), lo cual lleva a un incremento en costos.

53 El rendimiento de las membranas puede verse afectada por los siguientes fenómenos:Compresión de Membrana (Membrane compaction): Es la disminución de la permeabilidad de la membrana causada por la compresión de la estructura de la membrana bajo la presión transmembrana. Concentración polarización: Es caracterizada por la acumulación de especies retenidas en la superficie de la membrana. Como consecuencia, la superficie de la membrana es sujeta a una concentración de alimentación que es mayor que la concentración del grueso de la corriente alimentada lo cual lleva al desarrollo de presiones osmóticas elevadas en ósmosis inversa y nanofiltración. El grosor de esta capa puede ser controlado parcialmente modificando la velocidad y turbulencia del líquido bombeado durante la operación de flujo cruzado (cross-flow). Membrane Performance can be affected for the following phenomena: Membrane compaction: Is the decrease in membrane permeability caused for the compression of the membrane structure under the transmembrane pressure. Concentration polarization: is characterized for the accumulation of retained species at the membrane surface. As consequence, the membrane surface is subjected to a feed concentration that is higher than the concentration of the bulk feed stream which leads to the development of high osmotic pressures in reverse osmosis and nanofiltration. The thickness of this boundary layer can be controlled partially by the velocity and turbulence of the liquid pumped over the membrane during the mentioned cross-flow operation. Concentration polarization is detrimental because: It decreases flux and retention and increases the potential for fouling through bacterial growth or chemical reactions such as precipitation. It causes stagnant and irreversibly bound cake formation in microfiltration. In ultrafiltration, it causes arising osmotic pressure build up and possible gel formation. Although this phenomenon is reversible, the fouling it causes may not be. Disminuye el flujo y la retención e incrementa el potencial de fouling por crecimiento bacterial o reacciones químicas como la precipitación. Provoca estancamiento y la formación irreversible de bound cake en microfiltración. En ultrafiltración, causa elevación de la presión osmótica y posible formación de gel. Es perjudicial porque: Aunque este fenómeno es reversible, el fouling que causa puede no serlo.

54 En general, existen cuatro tipos principales de fouling:Fouling: Es la deposición de partículas submicrométricas (menores a 1 μm) en la superficie de la membrana y/o sus poros. Esto ocurre cuando los sólidos rechazados no son transportados nuevamente al bulk de la corriente desde de la superficie de la membrana. En general, existen cuatro tipos principales de fouling: Generalmente, los diferentes tipos de fouling ocurren simultáneamente. Sólidos disueltos Sólidos suspendidos Orgánicos No-biológicos Organismos biológicos Comparación de membrana limpia y con fouling. Fouling: Is the deposition of sub-micrometre particles (smaller than 1 μm) on the membrane surface and/or its pores. It occurs when rejected solids are not transported from the surface of the membrane back to the bulk stream. In general, there are four major types of fouling: Dissolved solids Suspended solids Non-biological organics Biological organisms Generally, the different types of fouling occur simultaneously.

55 Fuerzas impulsoras para el TransporteEn general, cuatro diferentes fuerzas impulsoras son posibles en el transporte a través de membranas: Cada una de las fuerzas impulsoras tiene una influencia en los otros flujos, adicional a su efecto primario. Por ejemplo, un gradiente de presión puede causar un flujo de corriente, llamado the streaming current, además del flujo de solvente. FUERZA IMPULSORA EFECTO PRIMARIO Presión Flujo de solvente Concentración Flujo de soluto Potencial Eléctrico Flujo de corriente eléctrica Temperatura Flujo de energía térmica Driving Forces for Transport In general, four different driving forces are possible in membrane transport: Each of the driving forces have a counter influence on the other fluxes in addition to their primary effect. For example, the pressure gradient can cause a flux of current called the streaming current, besides the flux of solvent.

56 De acuerdo a las fuerzas impulsoras para el transporte, los procesos de membranas pueden clasificarse como sigue: Gradiente de Presión (P): Ósmosis Inversa Ultrafiltración Microfiltración Nanofiltración Permeación de vapor Permeación de Gas Pervaporación Gradiente de Potencial Eléctrico (E): Electrodiálisis Electrólisis de membrana Electrosorción Electrofiltración Intercambio iónico electroquímico Gradiente de Temperatura (T): Destilación con membranas Thermo-osmosis Gradiente de Concentración (C): Diálisis Extracción por membrana Membrana líquida soportada (SLM) Emulsion liquid membrane (ELM) Non-dispersive solvent extraction with hollow fiber contactors. Procesos con fuerzas impulsoras combinadas: Electro-osmofiltración (P + E) Concentración Electro-osmótica (E + C) Separación de gases (P + C) Piezodiálisis (P + C)

57 Procesos AlternativosEjemplos de aplicaciones y procesos de separación competentes con su respectivo proceso de separación de membrana. Proceso Aplicaciones Procesos Alternativos Microfiltración Separación de células y bacterias de las soluciones Sedimentación, Centrifugación Ultrafiltración Separación de proteínas y virus, concentración de emulsiones “aceite en agua” (oil-in-water emulsions). Centrifugación Nanofiltración Separación de colorantes y azúcares, ablandamiento de agua. Destilación, Evaporación Ósmosis Inversa Desalinización de agua de mar y agua salobre, proceso de purificación de agua Destilación, Evaporación, Diálisis Diálisis Purificación de sangre (riñón artificial) Osmosis Inversa Electrodiálisis Separación de electrolitos de no-electrolitos Cristalización, Precipitación Pervaporación Deshidratación de etanol y solventes orgánicos Destilación Permeación de gas Recuperación de hidrógeno de corrientes gaseosas procesadas, deshidratación y separación de aire Absorción, Adsorción, Condensación Destilación con membranas Purificación y desalinización de agua Tabla 3.6: Procesos de Separación y sus aplicaciones. Perry's Chemical Engineers' Handbook, 7th edition, pages to

58 Procesos de Membranas conducidos por PresiónLos procesos conducidos por presión son tecnologías maduras con un gran número de aplicaciones exitosas en el tratamiento de corrientes acuosas y de desecho industriales. Su gran flexibilidad para la configuración de los procesos puede optimizar su rendimiento. Son apropiados para la integración de sistemas con etapas de tratamiento convencionales. Pressure Driven Membrane Processes Pressure driven processes are mature technologies with a large number of successful applications in industrial water and wastewater treatment. Their flexibility in process configurations can optimize performance. They are suitable for system integration with conventional treatment steps.

59 PROCESO TAMAÑO DE PORO (L/m2 h) PRESIÓN (psi)La siguiente tabla muestra los procesos más usados de membranas conducidos por presión (Pressure Driven, PD) y los valores típicos de operación de los mismos: PROCESO TAMAÑO DE PORO FLUJO (L/m2 h) PRESIÓN (psi) MF 0.1 to 2 mm 100 – 1000 UF 0.005 to 0.1 mm 30 – 300 10 – 100 NF to mm 20 – 150 40 – 200 psig (90 típicamente) RO < 0.5 nm 200 – 300 Procesos PD basados primariamente en el tamaño de la especie a separar.

60 Pressure Driven Membrane ProcessesFeatures of Pressure-Driven Membrane Systems for Environmental Applications. REF

61 Tamaño de Poro de Membrana (mm)Los Procesos PD de membranas son especialmente útiles cuando un amplio rango de contaminantes posibles variando en el espectro de remoción entero deben ser removidos. Por ejemplo, la separación de macro partículas de especies iónicas. Tamaño de Poro de Membrana (mm) Presión (bar) Ósmosis Inversa (RO) Ultrafiltración (UF) Nanofiltración (NF) Microfiltración (MF) 30-60 20-40 1-10 < 1 Retenido (concentrado) Permeado (filtrado) FEED Pressure driven membrane processes are specially useful where a wide range of possible contaminants have to be removed over the entire removal spectrum i.e. macro particles to ionic species. Sólidos suspendidos Bacterias Virus Iones Multivalentes Iones Monovalentes Agua

62 (a) co-current flow (paralelo)Existen varios tipos de flujos usados en separaciones por membrana. Los siguientes son algunos de ellos: F R F R M M P S P (a) co-current flow (paralelo) (b) Flujo completamente mezclado F R M S P (a) Flujo a contra corriente F There are several types of flows used in membrane-based separations. The following are some of them: F R M M M = Membrana F = Alimentación P = Permeado R = Retenido S = Corriente de barrido P P (d) Flujo cruzado (e) Dead-end flow

63 En los procesos conducidos por presión la separación se logra ya sea por flujo tipo dead-end o flujo cruzado: Flujo tipo Dead-end: El flujo de alimentación es perpendicular a la membrana y la única salida para el fluido es a través de la membrana. En esta configuración el flujo bombardea la superficie de la membrana. No es un modo muy recomendado porque las partículas acumuladas en la superficie de la membrana pueden causar caídas de presión significativas debido al taponamiento o contaminación de la misma. In pressure driven processes separation is achieved either by dead-end or cross flow mode: Dead-end flow mode: The feed flow is perpendicular to the membrane and the only outlet for upstream fluid is through the membrane. In this configuration the flow bombards the membrane surface. It is not a very recommended mode because the particles accumulated on the membrane surface could cause significant pressure drop as it becomes plugged or fouled. Cross flow mode: In this mode the feed stream moves parallel to the membrane and the fluid on the downstream side of the membrane moves away from the membrane in the direction normal to the membrane surface. This configuration reduces material buildup on the membranes by sweeping the material away from the surface. Flujo cruzado: En este modo la corriente de alimentación fluye paralela a la membrana y el fluido corriente abajo se mueve lejos de la misma en la dirección normal a la superficie de la membrana. Esta configuración reduce la acumulación de material en las membranas barriéndolo lejos de la superficie.

64 De alta concentración de soluto a baja concentración.Tipos de Ósmosis ÓSMOSIS El solvente atraviesa la membrana hacia el lado de la solución. De el lado de baja concentración de soluto hacia el de alta concentración. Existen dos tipos de procesos osmóticos como se muestra en la figura: Ósmosis Directa (DO): Usa baja presión. El solvente pasa a través de la membrana debido a la diferencia de concentración de soluto en los dos lados. El equilibrio se alcanza cuando suficiente agua se ha transportado para igualar la concentración de soluto en los dos lados de la membrana. Ósmosis inversa (RO): Usa alta presión, mayor que la OP. así, el portador es permeado preferentemente, mientras que el retenido contiene el soluto rechazado (contaminante). Entonces, la membrana divide el agua de los contaminantes. El objetivo principal es purificar agua y no diluir los contaminantes. Solvente puro Solución EQUILIBRIO p Presión osmótica El flujo de solvente se detiene. Membrana CHECAR… DP > p ÓSMOSIS INVERSA El flujo es revertido cuando la DP aplicada es mayor que p. De alta concentración de soluto a baja concentración.

65 Efluente de la planta de blanqueadoÓSMOSIS INVERSA En Ósmosis Inversa una bomba es usada para elevar la presión y la alimentación es distribuida entre un número, n, de módulos. El retenido es colectado para su posterior tratamiento, disposición o venta. El permeado es recuperado y constituye la corriente limpia. Retenido Alimentación Permeado Ósmosis Inversa La Ósmosis Inversa puede ser usada en una legión de aplicaciones. Algunas de ellas son: desalinización de agua de mar, tratamiento de suero de queso, soluciones de acabado de metales, efluentes de plantas de blanqueado y teñido y agua de desecho de las plantas de tratamiento de aguas residuales. ultrafiltración evaporación Ósmosis inversa REVERSE OSMOSIS In Reverse Osmosis a pump is used to raise the pressure and the feed is distributed among a number, n, of modules. The reject is collected and taken for further treatment, disposal or sale. The permeate is recovered and constitute the clean stream. Reverse Osmosis can be used in a legion of applications. Some of them are: seawater desalting, treatment of cheese whey, metal finishing solutions, bleach and dye plant effluent and waste water from sewage treatment works. Checar bleach Azúcares 5%(w/v) Efluente de la planta de blanqueado Agua para reuso Lignosulfonados 30% (w/v) Azúcares 20%(w/v) Lignosulfonados60% (w/v) azúcares 60%(w/v) Ósmosis Inversa para agua de desecho proveniente de la industria del papel.

66 MEMBRANAS Y MÓDULOS PARA ÓSMOSIS INVERSAHollow Fiber module Spiral wound module Plate and Frame module Tubular module HOLLOW FIBER De acuerdo a su forma geométrica, las membranas pueden clasificarse en: FLAT SHEET REVERSE OSMOSIS MEMBRANE AND MODULES According to Geometric Shape, membranes can be classified in HOLLOW FIBER. Hollow Fiber module FLAT SHEET Spiral wound module Plate and Frame module TUBULAR Tubular module TUBULAR

67 Spiral-Wound Module: Consiste en dos membranas semipermeables colocadas espalda con espalda y separadas por una tela que funciona como portador de permeado y que está diseñada para minimizar la caída de presión del mismo. Tres bordes de la membrana están sellados con adhesivo, mientras que el cuarto está pegado a un tubo central perforado. Cuando el paquete es enrollado, las capas de membrana son separadas por una malla que no solo promueve la turbulencia y mejora la transferencia de masa, sino que también reduce la concentración polarización. El elemento de spiral-wound está inserto dentro de un recipiente presurizado o cubierta. Así, la solución de alimentación presurizada fluye axialmente dentro de solo una cara del cilindro. El permeado pasa a través de la membrana y bajo el portador de permeado y dentro del tubo central perforado, de donde es colectado y removido. El retenido fluye hacia afuera por el otro lado del spiral module. Spiral-Wound Module: Consist of two semipermeable membranes placed back to back and separated by a woven fabric that functions as a permeate carrier, designed to prevent the membrane from penetrating into it and to minimize permeate pressure drop. The three edges of the membrane are sealed with adhesive, while the fourth one is attached to a perforated central tube. When the package is rolled up, the membrane layers are separated by a mesh that not only promotes turbulence, improving mass transfer but also reduces concentration polarization. The spirally wound element is inserted into a pressure vessel or module housing. Thus, the pressurized feed water flows axially into only one face of the cylinder. The permeate passes through the membrane and down the permeate carrier and into the perforated central tube, where it is collected and removed. The reject flows out of the other end of the spiral module. Pages/FAQ/faqs.html

68 Módulo Tubular: Cada membrana es sostenida en un tubo porosoMódulo Tubular: Cada membrana es sostenida en un tubo poroso. En la práctica, la corriente alimentada circula a través de tubos en serie o paralelo. La solución permeada pasa a través de la membrana, a través del tubo y cae finalmente dentro de un receptáculo para su futura remoción. Plate and Frame Module: Consiste en membranas circulares selladas por ambos lados a un plato rígido (construido de plástico, fibra de vidrio porosa o papel poroso reforzado), el cual actúa como soporte mecánico y como portador de permeado. Estas unidades están colocadas en un recipiente presurizado para su uso. Cada plato en el recipiente se encuentra a baja presión, así que el permeado pasa a través de la membrana y es colectado en el medio poroso. Tubular Module: Each membrane is held in a porous tube. In practice, the feed stream is circulated through tubes in series or parallel. Permeate solution passes through the membrane, through the tube and drops off into a receptacle for further permeate removal. Plate and Frame Module: Consists of circular membranes sealed to both sides of a rigid plate (constructed of plastic, porous fiberglass or reinforced porous paper), which acts as mechanical support and as permeate carrier. These units are placed in a pressurized vessel for use. Each plate in the vessel is at low pressure, so that permeate passes through the membrane and is collected in the porous media. Módulo Tubular

69 Hollow Fiber Module (HFRO): Consiste en una carcaza o coraza que alberga un gran número de fibras huecas. Las fibras de membrana están agrupadas en un haz, espaciadas ligeramente alrededor de un tubo central distribuidor de la alimentación. Un extremo de la fibra está sellado y el otro se encuentra abierto a la atmósfera. Este haz es insertado en un contenedor presurizado para su uso. Durante la operación, la alimentación presurizada es introducida a través del tubo distribuidor, el cual pasa alrededor del lado externo de las fibras hacia el perímetro de la coraza. El permeado penetra a través de la pared de la fibra hacia el lado hueco y es removido por el extremo abierto de la misma. Hollow Fiber Module (HFRO): Consist of a shell which houses a very large number of hollow membrane fibers. The membrane fibers are grouped in a bundle, evenly spaced about a central feed distributor tube. One end of the fiber is sealed and the other is open to the atmosphere. This bundle is inserted into a pressure container for use. During operation, pressurized feed water is introduced through the distributor tube which flows around the outer side of the fibers toward the shell perimeter. The permeate penetrates through the fiber wall into the bare side and is removed at the open ends of the fibers.

70 VENTAJAS Y DESVENTAJAS DE LOS MÓDULOS DE MEMBRANASBajo costo de manufactura. Relativamente fácil de limpiar por métodos hidráulicos y químicos. Tiene un amplio rango de aplicaciones Alta packing density. No puede ser usado en aguas de alimentación extremadamente túrbidas sin pasar por un pretratamiento extensivo. Susceptible a taponamiento por partículas. SPIRAL-WOUND Costo de manufactura relativamente bajo. Compacto. Alta packing density. Modestos requerimientos de energía. Extremadamente susceptible a fouling debido al espaciamiento tan pequeño entre las fibras. Difícil de limpiar. Requiere pretratamiento extensivo. Limitado rango de aplicaciones. HOLLOW FIBER TUBULAR ADVANTAGES AND DISADVANTAGES OF MEMBRANE MODULES SPIRAL-WOUND ADVANTAGES Low manufacturing cost Relatively easy to clean by both chemical and hydraulic methods. Has a very broad range of applications High packing density DISADVANTAGES It can not be used on highly turbid feed waters without extensive pretreatment. Susceptible to plugging by particulates HOLLOW FIBER Relatively low manufacturing cost. Compact Modes energy requirement Extremely susceptible to fouling due to very small spacing between fibers. Difficult to clean. Requires extensive pretreatment. Limited range of applications. TUBULAR Can be operated on extremely turbid feed waters. Relatively easy to clean either mechanically or hydraulically. Can process high suspended solid feed with minimal pretreatment. High capital cost. Relative high volume required per unit membrane area. PLATE AND FRAME Moderate membrane surface. Well-developed equipment. Expensive to operate for large scale. Susceptible to plugging by particulates at flow stagnation points. Potentially difficult to clean. Puede ser operado en aguas extremadamente turbias. Relativamente fácil de limpiar por métodos mecánicos o hidráulicos. Puede procesar gran cantidad de sólidos suspendidos alimentados con pretratamiento mínimo. Costo capital alto. Relativamente alto volumen requerido por unidad de área de membrana. PLATE AND FRAME Superficie de membrana moderada. Equipo bien desarrollado. Costosa operación a gran escala. Susceptible a taponamiento por partículas en los puntos de estancamiento. Potencialmente difícil de limpiar.

71 Cálculos para RO Al modelar una unidad de RO, debemos considerar los siguientes aspectos: * Transporte de Membrana: Describe el fenómeno que se lleva a cabo en la superficie de la membrana (permeación de agua, etc.). * Modelo Hidrodinámico: Describe el transporte macroscópico, el momento y la energía de las especies. El modelo de 2 dimensiones (Two-D model), explicado por el Dr. El-Halwagi es usado para el cálculo de RO en esta sección. El método captura los flujos radial y axial en el modelo HFRO. El objetivo de los cálculos en RO es conocer lo siguiente: Flujo de soluto, Nsolute Velocidad de flujo del permeado, y Flujo de agua, Nwater Concentración de permeado

72 Esquema de un módulo HFRO2ri 2ro Fibra hueca típica Tubo alimentador 2Rf L 2RS LS Anillo aislante alimentación Permeado Rechazado Adoptado de “Pollution Prevention Through Process Integration Systematic Design Tools,” by Dr.El-Halwagi, fig 11.3, page 266.

73 Mezcla Agua/Fenol Como sabemos, para una mezcla líquido-líquido, RO es una buena elección. El rango de presión de la alimentación es de 10 a 70 atm con una membrana porosa a no-porosa Las ecuaciones usadas para los cálculos son las siguientes: Balance de materia global: donde qF ,qR ,qP son velocidades de flujo volumétrico de la por módulo de alimentación, permeado y retenido respectivamente. La velocidad de flujo volumétrico por módulo es dada por: Water/Phenol Mixture As seen earlier for a liquid- liquid mixture RO is a good choice. The common feed pressure range is atm with a porous to non-porous membrane. The equations used for calculations are as follows: Overall Material Balance: where qF ,qR ,qP are volumetric flowrates per module of feed, permeate and retentate respectively. The volumetric flowrate per module is given by: Where ‘QF’ is the total feed volumetric flowrate and ‘n’ is the number of modules. Donde ‘QF’ es la velocidad de flujo volumétrico total de la alimentación y ‘n’ es el número de módulos.

74 DP = Diferencia de presión, pF = OP de la alimentación,3) Balance de materia del soluto: donde, CF, CP y CR son las concentraciones de soluto en la alimentación, el permeado y el retenido respectivamente. 4) Flujo de agua: Donde, DP = Diferencia de presión, pF = OP de la alimentación, CF = Concentración de soluto en la alimentación CS = Concentración de soluto promedio en el lado de la shel, y A = Permeabilidad del solvente 3) Component Material Balance on solute: where, CF, CP and CR are the concentrations of solute in the feed, permeate and reject respectively. 4) Water Flux: where, DP = Pressure difference, pF = OP of feed, CF = solute concentration in the feed CS = average solute concentration in the shell side, and A = solvent permeability

75 4c) La concentración de soluto en la coraza es calculada como sigue:4a) Y ‘g ‘ está dada por: Donde, y 4b) Del mismo modo, la diferencia de presión a través de la membrana es: o donde PF ,PR ,PP son la presión de la alimentación, el retenido y el permeado. 4c) La concentración de soluto en la coraza es calculada como sigue:

76 Nsolute = parámetro de transporte de soluto * CS5) Flujo de soluto Nsolute = parámetro de transporte de soluto * CS 6) Velocidad de flujo del permeado: donde, Sm es el área superficial del hollow fiber por módulo. 7) Concentración de Permeado:

77 Valida para membranas con alto nivel de retención, cuandoSi consideramos que la mayoría del soluto está contenido en el retenido, la ecuación 3) puede ser simplificada como sigue: Valida para membranas con alto nivel de retención, cuando Al combinar estas ecuaciones con la ecuación 4), obtenemos lo siguiente: Así, Considering most of the solute is retained in the reject, equation 3) can be simplified to: The last equation is a quadratic equation that can be solved for CR. Once this is done we can calculate equations 4) through 7) to obtaining the end permeate concentration. If this concentration does not satisfy the target concentration, new values for parameters such as n, PF or different system configurations has to be proposed. Esta última ecuación es una ecuación cuadrática que puede resolverse para CR. Una vez hecho esto podemos calcular las ecuaciones 4) a 7) para obtener la concentración final del permeado. Si esta concentración no satisface la concentración objetivo, nuevos valores para parámetros como n, PF o diferentes configuraciones para el sistema deben ser propuestas.

78 ANÁLISIS DE COSTOS TAC = Costo total Anualizado (Annualized fixed cost) de los módulos + Costo fijo anualizado de la bomba Costo fijo anualizado de las bombas ($/año)= 0.0157[flujo por la bomba (kg/s)* diferencia de presión a través de la bomba (N/m2)]0.79 Costo fijo anualizado de los módulos de RO (incluyendo el costo anualizado de instalación, el reemplazo de membranas, mano de obra y mantenimiento)= Costo de energía eléctrica= 0.06 $/kW hr La eficiencia mecánica de bombas y turbinas fue considerada como de 65%

79 RESULTADOS DE LOS CÁLCULOS DE HFROAl efectuar los cálculos de HRFO podemos obtener muchas soluciones diferentes para este problema dependiendo de la configuración de los módulos y el análisis de costos. El siguiente diagrama muestra una solución, donde la composición objetivo no es alcanzada. QF=29.2kg/s CF=47.9 ppm n max= 63 R P QP=4.03kg/s CP=35.99 ppm QF=25.17kg/s CR=55.62 ppm Alimentación

80 RESULTADOS DE LOS CÁLCULOS DE HFROEl siguiente diagrama muestra otra solución a nuestro problema, en esta solución la composición objetivo es más baja pero como en el caso anterior, no se alcanza la composición objetivo. Se probaron muchas configuraciones y con ninguna de ellas se obtuvieron resultados satisfactorios puesto que la composición del permeado no era la deseada. R P CF=47.9 ppm QF=29.2kg/s n max= 63 QF=25.17kg/s CR=55.62 ppm QF=12.08kg/s CR=35.99 ppm CR=27.05 ppm QF=1.7kg/s CR=41.88 ppm QR=10.38kg/s Alimentación QF=87.59kg/s CF=47.95ppm QP=4.03kg/s CP=35.99 ppm

81 OBSERVACIONES Y RECOMENDACIONES PARA LOS CÁLCULOS DE ROLas ecuaciones anteriores asumen que la operación de las membranas es independiente del tiempo, esto significa que los efectos de la reducción en la permeabilidad no son considerados. La corriente de permeado debe cumplir dos requerimientos: La velocidad de flujo del permeado no debe ser menor que un valor dado: La concentración de los componentes indeseables en el permeado no debe exceder un cierto límite generalmente establecido por las regulaciones ambientales. La velocidad de flujo por módulo se encuentra limitada típicamente por restricciones de los fabricantes:

82 PP es típicamente atmosférmica. Es recomendable mantener una presión de alimentación de baja a moderada para evitar incremento en los costos. También con la finalidad de reducir el TAC, el número de módulos debe ser mínimo y para que esto suceda, el flujo por módulo debe ser máximo. En algunos casos es útil recuperar energía del retenido (solo cuando el valor de la energía recuperada es mayor que el costo de recuperarla), para hacerlo es necesario alimentar esta corriente a una turbina. En aquellos casos el costo fijo anualizado de las turbinas debe agregarse al TAC: Costo fijo anualizado de las turbinas ($/yr)= 0.4182[velocidad de flujo a través de la turbina (kg/s)* diferencia de presión a través de la turbina (N/m2)] 0.47 Feed Reject Permeate QF CF PF QR CR PR QP PP

83 STEAM STRIPPING (STRIPPING CON VAPOR) ¿Por qué Steam Stripping?El contenido de Amoniaco y fenol es alto y los cianidos, que son aniones de amoniaco, provocan que algunos de los tratamientos biológicos que involucran nitrificación/denitrificación sean poco económicos 2. 2 R. Marr and M. Koucar, Recovery of ammonia from industrial wastewater. Int. Chem. Eng (1993), p. 416

84 Steam Stripping Una corriente de agua de desecho es puesta en contacto con vapor en una torre empacada o de platos. Los efectos combinados del vapor y el calor causan que los contaminantes (fenoles y amoniaco) se transfieran del líquido a la fase vapor. Los contaminantes son removidos con el vapor. El contacto continua hacia abajo de la torre, empobreciendo el agua de desecho en el material orgánico mientras que la fase vapor se vuelve más rica en contaminantes al viajar hacia la parte superior de la torre. El agua de desecho es alimentada en la parte superior de la torre. El vapor inyectado en el fondo de la torre provee el calor requerido y el flujo de vapor. Como fondos se obtiene agua limpia mientras que las cabezas dejan la parte superior totalmente cargadas de material orgánico. Esta combinación vapor/orgánicos es condensada y procesada después. La principal característica del steam stripping es que una corriente contaminada y el vapor son inyectados en una torre lo que resulta en agua limpia como producto final.

85 Aspen RADFRAC El proceso de steam stripping culmina para dar una corriente de agua limpia con trazas de amoniaco y fenol (corriente 2). La corriente 4 contiene altos niveles de fenol y amoniaco junto con cerca de 25% de la cantidad de agua total en la corriente 1. En la corriente 3 no se obtienen productos puesto que este condensador tiene una fracción de destilación de cero. La característica RADFRAC de Aspen usada para la simulación del proceso de separación es mostrada en la figura de la derecha.

86 Steam Stripping con AspenLa simulación en Aspen fue usada para el proceso de steam stripping. La configuración para el montaje esta dada en la tabla 1.1. La temperatura usada es de 200oF, cercana al punto de ebullición del agua y la presión es de 14.7 psia, casi la presión atmosférica. Especificaciones de operación para steam stripping usando Aspen RADFRAC Número de etapas 30 Condensador Parcial-V-L Reboiler Kettle Fases válidas V-L Temperatura 200 °F Presión 14.7 psia Razón destilado-alimentación (moles) 0.25

87 RESULTADOS Resultados de la simulación del steam stripping para agua-fenol-amoniaco CORRIENTE 1 2 3 4 Temperatura F 200 Presión psi 14.7 26.25 19 Fracción de vapor Flujo molar lbmol/hr Flujo másico lb/hr Flujo volumétrico cuft/hr Entalpía MMBtu/hr AMONIACO 6.59E-35 AGUA 695150 FENOL Fracción másica 8.39E-05 1.26E-35 4.79E-05 1.17E-07 0.117 ppm Usando el setup mostrado en la figura 1.1 y corriendo la simulación en Aspen se obtuvieron los resultados mostrados en la tabla a la derecha. Corriente 1: Alimentación total = lb/hr Corriente 2: Agua = lb/hr (Trazas de ammonia y fenol). Corriente 3: Condensador a cero, no condensación. Corriente 4: Agua = lb/hr La corriente 2 contiene principalmente agua y una concentración de fenol de ppm, cumpliendo con los límites establecidos por el CFR, mientras que la separación agua-fenol-ammonia en la corriente 4 puede llevarse a cabo posteriormente usando otros procesos de separación.

88 Conclusiones La técnica de separación más adecuada de acuerdo al grado de separación alcanzado y al análisis de costos fue steam stripping. El fenol es un compuesto pobremente retenido por las membranas usadas en ósmosis inversa así que el costo de aplicar esta técnica no es justificado. No obstante lo anterior, las técnicas de separación por membranas son una buena opción ya que permiten alcanzar altos niveles de pureza, lo cual puede ser más barato a largo plazo. Algunas técnicas de membranas pueden combinarse con métodos convencionales para el tratamiento de efluentes contaminados (procesos híbridos). Métodos convencionales de tratamiento como destilación y adsorción y técnicas de membranas no estudiadas en este apartado como son pervaporación o membrane–based solvent extraction pueden ser usados para la remoción de fenol y ammonia. Kujawski y colaboradores estudiaron varias ténicas de separación con este propóstito (Removal of phenol from wastwater by different separation techniques).