1 Tecnologías de Potabilización por Membranas
2 Potabilización de Agua Los municipios necesitan suministrar agua potable de alta calidad en un medio ambiente mas desafiante, manteniendo su eficiencia y su efectividad. Desafíos: Crecimiento de la población Reducción de las fuentes de agua fresca Contaminación de las fuentes de agua disponibles Regulaciones mas exigentes (remoción o inactivación de Giardia y Cryptosporidium) Infraestructura muy antigua o inadecuada
3 La opción de las tecnologías de filtración por membrana Las tecnologías de filtración por membrana son la mejor opción para tratar agua de superficie o subterránea en comunidades pequeñas (10 mil habitantes o 1 millón gpd) y obtener agua segura. Comparada con los tratamientos convencionales las tecnologías de filtración por membrana ofrecen la siguientes ventajas: Requieren menos espacio Requieren mínimo tratamiento químico Demandan menos atención de parte del operario Pueden ser monitoreadas de manera remota Design considerations for small drinking water membrane systems, Anthony M. Wachinski, Ph.D., P.E. and Charles Liu, Ph.D., P.E., Water Conditioning & Purification Magazine, March 2007.
4 Los sistemas de micro filtración por membranas con tamaño de poro de 0.1 micrómetros proveen una barrera física para los protozoos como el Cryptosporidium y la Giardia y para bacterias como la E. Coli. Debido a la alta resistencia de los protozoos al cloro y al riesgo de formación de sustancias organocloradas el proceso de desinfección convencional no resulta efectivo. Es en ese punto en el que los procesos de microfiltración y ultrafiltración desempeñan un papel importante para cumplir con las normativas de agua potable. La opción de las tecnologías de filtración por membrana http://www.cdc.gov/parasites/giardia /index.html http://www.cdc.gov/parasites/crypto /index.html Design considerations for small drinking water membrane systems, Anthony M. Wachinski, Ph.D., P.E. and Charles Liu, Ph.D., P.E., Water Conditioning & Purification Magazine, March 2007.
5 La necesidad de reciclar y reutilizar el agua residual La cantidad y la capacidad de las fuentes de agua fresca son limitadas y pueden resultar insuficientes para abastecer los consumos de agua potable, de agua tratada para las plantas generadoras de energía, de agua de irrigación para la agricultura y de agua tratada para otros tipos de industrias. El reciclaje y reutilización del agua residual, industrial y domestica, surge como una solución que permite reducir la demanda de agua fresca. Las tecnologías de membrana permiten minimizar el volumen de agua residual vertida, reducir los solidos totales disueltos, remover los solidos suspendidos totales, lograr alta calidad de agua para su reutilización o para minimizar los costos de capital y de operación.
6 Procesos de membrana usados en los sistemas integrados de membrana Los procesos de membrana empleados hoy para tratar agua incluyen: o Procesos impulsados por presión Microfiltración Ultrafiltración Nanofiltración Osmosis inversa o Procesos impulsados por electricidad Electrodiálisis reversa Electrodesionización
7 Procesos de membrana Impulsados por presión Ultrafiltración y Microfiltración Remueven principalmente solidos suspendidos y bacterias Pueden ser configurados como membranas en espiral, fibras huecas, membranas planas, tubulares y cerámicas Actualmente la configuración de fibra hueca es la mas empleada: Es compatible con aguas muy contaminadas a costos razonables Requieren poco espacio para su instalación Es capaz de lograr remociones de 4 a 6 logaritmos de quistes de Giardia y de ovo quistes de Cryptosporidium
8 Procesos de membrana Impulsados por presión Ultrafiltración y Microfiltración Las membranas de MF pueden tener tamaños de poro nominales de 0.05-1.0 μm. El tamaño de poro de las membranas de UF usualmente se miden en peso de corte molecular. Medidos en micras los tamaños de poro de las membranas de UF pueden ir de 0.01 a 0.1 μm. La mayoría de las membranas de MF y UF pueden garantizar que el agua tratada tendrá un SDI < 3 y una turbiedad < 0.1 NTU sin importar las variaciones de las características del agua de alimentación.
9 Procesos de membrana Impulsados por presión Los elementos en espiral utilizan una membrana plana enrollada alrededor de un tubo central. La mayoría de esas membranas son hechas de polisulfona. El agua de alimentación es presurizada entre 20 y 200 psig e ingresa al espaciador de la membrana a altas velocidades que ayudan a mantener limpia su superficie. Ultrafiltración y Microfiltración - Elementos en espiral Estos elementos no pueden retrolavarse, así que eventualmente se forman depósitos de contaminantes en la superficie de las membranas. Estos depósitos de contaminantes deben ser removidos con alguna frecuencia mediante lavados químicos.
10 Procesos de membrana Impulsados por presión Compuestos de miles de fibras huecas de diámetro reducido, hechas de diferentes materiales (polisulfona, PVDF, polipropileno, polietileno, polietersulfona y poliacrilonitrilo). La filtración puede ocurrir de adentro hacia afuera de la fibra o de afuera hacia adentro. Pueden ser operadas sin salida de concentrado o en modo de flujo cruzado como las membranas en espiral. Pueden ser retrolavadas para limpiar su superficie, con una frecuencia que puede ir de 20 minutos a algunas horas de operación. Ultrafiltración y Microfiltración - Elementos de fibra hueca
11 Procesos de membrana Impulsados por presión Ultrafiltración y Microfiltración - Aplicaciones Tratamiento de aguas de alta turbiedad Garantizar la remoción de virus y bacterias del agua potable Pretratamiento de equipos de osmosis inversa para mejorar su desempeño y aumentar el tiempo de vida de las membranas de osmosis. Tratamiento terciario de agua municipal para: o Remoción de bacterias y pirógenos o Pretratamiento para reducir los costos de operación de los equipos de osmosis empleados para remover solidos disueltos de los efluentes municipales que se reutilizaran.
12 Procesos de membrana Impulsados por presión Ultrafiltración y Microfiltración – Aplicaciones - MBR Un tipo especial de sistema de MF son los biorreactores de membrana (MBR). Los MBR se usan ara tratar directamente agua residual industrial o domestica. Reemplazan el paso convencional de sedimentación removiendo los materiales en suspensión con una membrana plana, tubular o de fibras huecas, para producir agua con un contenido de solidos en suspensión menor a 10 mg/L.
13 Procesos de membrana Impulsados por presión Ultrafiltración y Microfiltración – Aplicaciones - MBR
14 Procesos de membrana Impulsados por presión Ultrafiltración y Microfiltración – Aplicaciones - MBR La membrana de MF del un MBR puede ir sumergida directamente en un tanque de aireación o puede ubicarse externamente para tratar una corriente lateral. Una bomba de vacío hace pasar el agua a través de las membranas, dejando en el tanque de aireación la biomasa. El agua filtrada es adecuada para alimentar un equipo de osmosis inversa o para reutilización directa en irrigación o en otros procesos.
15 Procesos de membrana Impulsados por presión Osmosis Inversa y Nanofiltración Las membranas de osmosis inversa permiten el paso de las moléculas de agua alimentadas a alta presión pero es una barrera para la mayoría de los solidos disueltos en el agua. A medida que el agua fluye a lo largo de la membrana la fracción de agua no filtrada aumenta mas su contenido de solidos disueltos y finalmente es descargada como una corriente de rechazo del proceso. La nanofiltración es un proceso similar que ocurre a presiones de operación menores. Dow Water Solutions - FILMTEC™ Reverse Osmosis Membranes - Technical Manual
16 Procesos de membrana Impulsados por presión Osmosis Inversa y Nanofiltración Los sistemas de OI pueden remover del 90 al 95% de todos los solidos disueltos. Los sistemas de NF remueven principalmente iones divalentes y sustancias orgánicas. Estas tecnologías se alimentan con agua pretratada a la que se la han removido orgánicos, solidos suspendidos y metales que pueden oxidar o precipitarse sobre las membranas. Sus aplicaciones incluyen obtención de agua desalinizada para consumo humano, reutilización de agua residual, o producción de agua ultra pura. La OI es una barrera para la bacterias y los pirógenos, puede remover pesticidas y proveer agua con un bajo contenido de solidos disueltos totales.
17 Procesos de membrana impulsados por presión
18 Superficie de membranas de UF taponadas Procesos de membrana impulsados por presión
19 Ultrafiltración vs Micro filtración Ultrafiltración vs Osmosis Inversa Procesos de membrana impulsados por presión
20 Procesos de membrana Impulsados por electricidad Electrodiálisis reversa (EDR) Utiliza la diferencia de potencial eléctrico (voltaje) para conducir iones cargados a través de una membrana semipermeable, reduciendo los sólidos disueltos totales del agua tratada. El proceso emplea membranas catiónicas y aniónicas ubicadas de manera alternada dentro de un campo de potencial eléctrico creado por una corriente directa (DC). El agua alimentada fluye a lo largo de unos espaciadores que están localizados entre las membranas aniónicas y catiónicas y que proveen un camino para el agua, soportan las membranas y crear un flujo turbulento.
21 Procesos de membrana Impulsados por electricidad Electrodiálisis reversa (EDR) El voltaje DC induce a los cationes a migrar hacia el ánodo a través de la membrana catiónica y a los aniones a migrar hacia el cátodo a través de la membrana aniónica. Los aniones y los cationes se acumulan en el lado de rechazo de las membranas y el agua con un bajo contenido de solidos disueltos totales queda contenida en el lado de diluido o producto de las membranas.
22 Procesos de membrana Impulsados por electricidad Electrodiálisis reversa (EDR) El sistema periódicamente invierte la polaridad del campo eléctrico para remover las incrustaciones de iones sobre la superficie de las membranas y así reducir las necesidad de limpiar químicamente las membranas.
23 Procesos de membrana Impulsados por electricidad Electrodiálisis reversa (EDR) - Aplicaciones La EDR se emplea típicamente en agua difícil de tratar, de alta dureza y con una salinidad baja (de 200 a 5,000 mg/L SDT). Se logran recuperaciones de agua de hasta un 95% con una remoción de sal de hasta el 90%. Tolera hasta 0.5 mg/L de cloro, lo que la hace compatible con las aplicaciones de reutilización de agua residual. También se emplea la EDR para producir agua potable, para tratar o producir agua de proceso y como pre concentrador del agua de alimentación de cristalizadores y evaporadores.
24 Procesos de membrana Impulsados por electricidad Electrodesionización (EDI) El principio de operación es similar al de la EDR, pero no usa la inversión de la polaridad. Los compartimientos entre las membranas catiónicas y aniónicas contienen esferas de resinas de intercambio iónico. Estas actúan como medio de transporte de los iones. El mecanismo de remoción de iones ocurre en dos etapas: los iones son transportados por difusión hasta la resina y luego a través de la resina y de las membranas por la corriente eléctrica. La EDI se usa para la obtención de agua ultra pura y requiere ser alimentada con agua tratada por OI. La recuperación típica del agua es del 95% y puede remover hasta el 99% de los sólidos disueltos totales produciendo agua hasta de 18 MΩ/cm (0.055 µS/cm)
25 Comparación de costos Tratamiento convencional de agua de superficie vs. Desalinización de agua de pozo El Valle Bajo del Rio Grande, Texas, estaba experimentando un rápido crecimiento de población, expansión de la zona urbana y contaba con limitados recursos de agua. La creciente competencia por el agua llevó a los planeadores urbanos a evaluar alternativas para futuras fuentes de suministro. El 87% del agua municipal e industrial provenía del tratamiento convencional de agua de superficie de Rio Grande. Históricamente, la desalinización de agua no había sido económicamente viable pero interesaba realizar un nuevo análisis comparativo que tuviera en cuenta los nuevos avances en la tecnología. Economic Implications of Conventional Water Treatment Versus Desalination: A Dual Case Study. Andrew J. Leidner, Callie S. Rogers, Allen W. Sturdivant, M. Edward Rister, Ronald D. Lacewell, Javier G Santiago Joseph W. “Bill” Norris, Jesús Leal, Jose Garza, and Judy Adams.
26 Comparación de costos Tratamiento convencional de agua de superficie vs. Desalinización de agua de pozo Economic Implications of Conventional Water Treatment Versus Desalination: A Dual Case Study. Andrew J. Leidner, Callie S. Rogers, Allen W. Sturdivant, M. Edward Rister, Ronald D. Lacewell, Javier G Santiago Joseph W. “Bill” Norris, Jesús Leal, Jose Garza, and Judy Adams. Se compararon los costos de producción de agua potable de dos sistemas de tratamiento de agua ya existentes: El sistema de tratamiento convencional de agua de superficie del Rio Grande, McAllen Northwest. o Entró en funcionamiento en 2004 o Opera a 6.44 mgd, el 78% de la capacidad máxima de diseño, 8.25 mgd. o Se asumió una vida útil del sistema de 50 años. El sistema de desalinización de agua subterránea del acuífero de Gulf Coast, Southmost. o Entró en funcionamiento en 2002 o Opera a 5.1 mgd, el 68% de la capacidad máxima de diseño, 7.5 mgd. o Se asumió una vida útil del sistema de 50 años. -
27 Comparación de costos Tratamiento convencional de agua de superficie vs. Desalinización de agua de pozo Economic Implications of Conventional Water Treatment Versus Desalination: A Dual Case Study. Andrew J. Leidner, Callie S. Rogers, Allen W. Sturdivant, M. Edward Rister, Ronald D. Lacewell, Javier G Santiago Joseph W. “Bill” Norris, Jesús Leal, Jose Garza, and Judy Adams.
28 Comparación de costos Tratamiento convencional de agua de superficie vs. Desalinización de agua de pozo Economic Implications of Conventional Water Treatment Versus Desalination: A Dual Case Study. Andrew J. Leidner, Callie S. Rogers, Allen W. Sturdivant, M. Edward Rister, Ronald D. Lacewell, Javier G Santiago Joseph W. “Bill” Norris, Jesús Leal, Jose Garza, and Judy Adams.
29 Comparación de costos Tratamiento convencional de agua de superficie vs. Desalinización de agua de pozo Economic Implications of Conventional Water Treatment Versus Desalination: A Dual Case Study. Andrew J. Leidner, Callie S. Rogers, Allen W. Sturdivant, M. Edward Rister, Ronald D. Lacewell, Javier G Santiago Joseph W. “Bill” Norris, Jesús Leal, Jose Garza, and Judy Adams. Resultados y conclusiones El costo de producir agua potable en el sistema convencional de Northwest, durante todo el tiempo de vida útil considerado, es de $2.37 por cada 1,000 galones (en dólares de 2006). El costo de producir agua potable en el sistema de desalinización de Southmost, durante todo el tiempo de vida útil considerado, es de $2.36 por cada 1,000 galones (en dólares de 2006). Los resultados sugieren que el costo de producir agua es virtualmente equivalente en los dos sistemas. Hay otros factores que deben ser tomados en cuenta cuando se comparan las dos tecnologías, tales como calidad del agua producida, eficiencia de la operación, consumo de energía, costo de mano de obra, disposición del concentrado, costos de entrada, estándares del agua potable y la fuente de suministro de agua.
30 Casos de éxito Sistema Osmosis + Ozono Pascagoula, Mississippi Objetivo: tratamiento de agua subterránea con contaminantes no tóxicos que causaban problemas de sabor, color y olor. Solución: Tratamiento a través de membranas de osmosis inversa y oxidación mediante inyección de ozono. Resultados: Disminución de un 90% de sodio, cloruros y solidos disueltos totales. Disminución del un 95% de color y sub productos de la desinfección. Reducción del consumo de cloro en un 87%. El problema de sabor desapareció y el gas de sulfito de hidrogeno causante del problema de olor fue completamente eliminado.
31 Casos de éxito Sistema Osmosis + Ozono Pascagoula, Mississippi
32 Casos de éxito Sistema EDR - Sherman, Texas Objetivo: remoción del alto contenido de sólidos disueltos en agua de un lago artificial. Solución: Tratamiento convencional (preoxidación, mezcla rápida, floculación / sedimentación y filtración por medios duales) + EDR. Resultados: El sistema es fácil de operar y de mantener. Reduce los solidos disueltos totales y la dureza del agua de manera efectiva a un costo razonable. La recuperación de agua es del 85%. Es tolerante a las incrustaciones de sulfato de bario y a las variaciones en la calidad del agua de alimentación.
33 Casos de éxito Sistema UF – Barrie, Toronto Objetivo: tratamiento de agua de superficie proveniente de la bahía Kempenfelt. Solución: pretratamiento con cloro (control de mejillón cebra), tamizado, adición de coagulantes (remoción de orgánicos), ultrafiltración de 0.02 micras, filtros de carbón activado granular, cámaras de contacto con cloro (desinfección adicional).
34 Casos de éxito Sistema UF – Barrie, Toronto Resultados: El sistema de ultrafiltración remueve bacterias, el 99,99% de la Giardia y el Cryptosporidium y el 99,97% de los virus. El agua de desecho del primer conjunto de membranas alimenta un segundo sistema de membranas logrando una recuperación global de agua superior al 99%
35 Producción de agua potable IWVA - Bélgica
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37 Aplicaciones - Sistemas para Tratamiento de Agua para Calderas de Alta Presión Sistema de tratamiento de agua de la planta generadora de energía North Lake Copell Texas EEUU Sistema de tratamiento de agua para el Sistema de control de NOx de la planta generadora de energía de West Coast California EEUU
38 Aplicaciones - Sistemas para Tratamiento de Agua para Calderas de Alta Presión Sistema de tratamiento de agua de la planta generadora de energía Florida Power & Light Company EEUU Sistema de tratamiento de agua de la planta generadora de energía Midwest Power Systems, Inc. George Neal Station North Sioux City, IA. EEUU
39 Tratamiento de Agua Residual Refinería PEMEX, Minatitlan Mexico
40 Tratamiento de Agua Residual Planta Solutia Rio Delaware, Bridgeport NJ, EEUU
41 Sistema de Tratamiento de Agua Planta Toyota Cambridge ON, Canada (original)
42 Sistema de Tratamiento de Agua Planta Toyota Cambridge ON, Canada (con reciclaje)
43 Gracias por su atención.