nanofiltración aplicada a la eliminación de compuestos orgánicos

NANOFILTRACIÓN APLICADA A LA ELIMINACIÓN DE
COMPUESTOS ORGÁNICOS DE AGUAS SUPERFICIALES
CON DESTINO A CONSUMO HUMANO
Por:
LEOPOLDO GUERRERO GALLEGO y JOAN SANZ ATAZ
Vivendi Water Systems
SUMARIO
Para reducir el carbono orgánico total (COT) del agua del río Oise,
Vivendi Water (VW) diseñó y suministró una planta de tratamiento de
agua de 140.000 m3/día, con destino a consumo humano, en la población de Méry-sur-Oise situada al norte de París. Para cumplir con los
altos niveles de calidad exigidos en cuanto a COT, VW tomó en consideración, después de realizar un ensayo piloto a escala real con una
planta con capacidad de 3.000 m3/día, el proceso de nanofiltración, que
permite una gran fiabilidad en la separación de pesticidas y precursores
de formación de trihalometanos (THM) y lo que se pone de manifiesto
en la reducción del contenido de COT, cuyo valor promedio es de
0,18 mg/l en el agua permeada producida. Otra condición impuesta al
proceso de nanofiltración, es la de mantener en el permeado un contenido de bicarbonatos entre el 30 y 60% del valor del agua bruta, y de
calcio y magnesio entre un 20 y 55%, para evitar la remineralización del
agua al final del tratamiento.
PALABRAS CLAVE
Nanofiltración, pesticidas, carbono orgánico total, trihalometanos, planta piloto, ETAP.
INTRODUCCIÓN
La presencia en las aguas superficiales de compuestos orgánicos, tanto
de origen natural como de origen antropogénico con destino a consu145
mo humano, plantea problemas importantes en las calidades de las
aguas de suministro, en el estado microbiológico de las redes de distribución, así como en las postcloraciones necesarias para mantener un
potencial desinfectante en el agua potable (Durenceau et al., 1992).
La presencia, sobre todo, de ácidos húmicos y fúlvicos como precursores de trihalometanos (THM), de herbicidas del tipo de inhibición de
fotosíntesis derivados de la triazina como, por ejemplo, terbutilazina,
simazina, atrazina y otros, en las aguas superficiales de captación para
su posterior consumo humano, plantea dificultades en las plantas potabilizadoras, en vista a alcanzar los valores permitidos por las actuales
normativas de aguas potables (OTV, 1997). Entre los tratamientos de
afino disponibles, la aplicación de la tecnología de separación por
membranas de nanofiltración, ha demostrado ser muy eficaz para obtener un agua “no nutritiva”, capaz de reducir la concentración de compuestos orgánicos, manteniendo al mismo tiempo un nivel adecuado
del balance iónico del agua, concretamente de calcio y bicarbonatos,
que no haga necesario la remineralización de las aguas tratadas antes
de su distribución.
En la década de los años 80, el Sindicato de Aguas de Ile de France
(SEDIF), prodeció a mejorar considerablemente las tres ETAP de que
dispone en Francia: Méry, Choisy y Neuilly, complementándolas con
tratamientos avanzados a base de ozono y carbón activo granular. Sin
embargo se detectó que este tratamiento en Méry-sur-Oise, debido a la
alta carga orgánica del río Oise, era insuficiente y no aseguraba la
reducción necesaria de THM en el sistema de distribución, debido al
alto contenido de COT a la salida de la ETAP. Esto traía consigo, primeramente, la disminución de la capacidad de producción de la planta y,
finalmente, la parada de la misma cuando el valor del COT era superior
a 2 mg/l en el sistema de distribución de agua.
Para asegurar una adecuada calidad del agua de suministro potable
desde el punto de vista orgánico, se demostró, después de ensayos
experimentales sobre piloto en laboratorio, que el proceso de nanofiltración era el más idóneo para tratar las aguas altamente polucionadas
como las del río Oise, por lo que el SEDIF decidió implantar el sistema
de membranas como afino en la ETAP de Méry-sur-Oise localizada en
el norte de París, en paralelo con la planta convencional existente.
146
NANOFILTRACIÓN
La nanofiltración es una técnica de separación por membrana diseñada
inicialmente para la eliminación de iones divalentes como el calcio, el
magnesio o el sulfato, con objeto de descalcificar el agua, y recibió en
su origen el nombre de softening membranes (Beardsley et al., 1995).
Unidas a la capacidad de separación de estos iones divalentes (descalcificación, desulfatación), las membranas de nanofiltración ofrecen una
excelente barrera física para las moléculas orgánicas disueltas, y permiten la reducción del COT y de los precursores de formación de los
THM.
Junto a un rechazo elevado de iones divalentes y carbono orgánico
total, la nanofiltración presenta un rechazo bajo de iones monovalentes
(sodio, potasio, bicarbonatos, nitratos), lo que permite obtener un permeado de mayor contenido en sales respecto de la ósmosis inversa, y
operar a presiones inferiores. De esta forma las membranas de nanofiltración operan típicamente entre 7 y 10 bar, admitiendo tasas de conversiones del 85%.
Durante la última década las membranas de nanofiltración han estado
evaluadas en las aplicaciones de eliminación de color causado por ácidos húmicos y fúlvicos en aguas superficiales y subterráneas, eliminación de precursores de trihalometanos y eliminación de microcontaminantes orgánicos (Fu et al., 1994).
Así, la nanofiltración, es particularmente interesante en los casos de
contaminación crónica por plaguicidas como atrazina, simazina o terbutilazina (Turner et al, 1997), reducción de subproductos de la cloración, y micropolucionantes orgánicos emergentes tales como los disruptores endocrinos.
PLANTA PILOTO EN AUVERS-SUR-OISE
El Syndicat des Eaux d’Ile de France (SEDIF) inició en 1992 un proyecto
de ampliación de 140.000 m3/día de la ETAP de Méry-sur-Oise ubicada
en París en la que debería cumplirse especificaciones de calidad restrictivas en relación a las concentraciones de atrazina, subproductos de
la cloración y carbono orgánico total (SEDIF, 1992). A su vez también se
147
consideró mejorar la calidad del agua suministrada mediante una descalcificación parcial. Con estas premisas se seleccionó la nanofiltración
como etapa de tratamiento final de la ETAP.
Los ensayos en planta piloto cubrieron los siguientes aspectos:
1. Optimización de la energía consumida en la nanofiltración.
2. Minimización del ensuciamiento e incrustación de las membranas.
3. Minimización del rechazo.
4. Impacto ambiental del rechazo.
5. Minimización del rechazo de dureza y bicarbonatos en aras a evitar la
etapa de remineralización posterior típica de los procesos de ósmosis inversa.
La ETAP de Méry-sur-Oise es una de las tres plantas propiedad de
SEDIF y capta las aguas del río Oise, particularmente contaminado por
compuestos orgánicos. La planta piloto de 3.000 m3/día de capacidad,
proporcionaba agua potable, como único suministro, a la población de
Auvers-sur-Oise (6.000 habitantes). El agua del río Oise (Tabla 1) presenta típicamente un pH alto, una salinidad elevada y altos valores de COT.
Las fuentes de contaminación son tanto domésticas (fósforo, amoníaco,
materia orgánica), agrícolas (plaguicidas y compuestos relacionados),
industrial (carbono orgánico y otros microcontaminantes). La temperatura del agua varia entre 1 °C y 25 °C según la estación del año.
Tabla 1 - Características del agua del río Oise
Parámetro
Turbidez
Conductividad
Sólidos totales disueltos
Unidad
Mínimo
Máximo
Media
UNF
30
250
78
µS/cm
330
800
560
mg/l
150
720
435
pH
7,7
8,3
8,0
Carbono orgánico total
mg/l
3
10
3,9
Carbono orgánico disuelto
mg/l
3
7
3,8
Fosfato
mg/l
0,2
0,9
0,5
Atrazina
µg/l
--
1,0
--
El agua de alimentación a la planta piloto de Auvers-sur-Oise procedía
del agua tratada por la ETAP de Méry-sur-Oise, seguida de un ajuste de
148
pH con ácido clorhídrico o sulfúrico y una filtración previa con filtros de
bolsa.
La planta piloto incluía dos líneas de nanofiltración con tres etapas
cada una de ellas. La configuración era de ocho tubos de presión de
seis elementos en primera etapa, cuatro en la segunda etapa y dos en
la tercera etapa, con un total de 168 elementos de 8 pulgadas. La conversión era del 85% y la producción de permeado por cada línea de 55
m3/h (Ventresque et al., 1997).
Desde julio de 1992 hasta noviembre de 1996 se empleó la membrana
A (Tabla 2) y se obtuvo una calidad de agua que cumplía los objetivos
de bajos niveles de carbono orgánico disuelto, precursores de trihalometanos y plaguicidas. El agua suministrada a Auvers-sur-Oise no presentó olor a cloro y el sabor y nivel de ablandamiento fue satisfactorio
para la comunidad de usuarios.
Tabla 2 - Características de la membrana A
Fabricante
Dow Chemical
Tipo
Filmtec NF70-400
Espesor
1500 - 2000 Å
Composición
Poliamida
Soporte microporoso
Polisulfona
Soporte poroso
Poliéster
Producción nominal
47 m3/día (2.000 mg/MgSO4, 4,8 bar, 25 °C)
Superficie efectiva
37 m2 (400 ft2)
Espaciador de alimentación
0,71 mm en propileno
Presión máxima de operación
17,2 bar
pH de operación en continuo
3-9
SDI15 máximo
5
Tolerancia al cloro
<0,1 mg/l
Turbidez máxima
1 UNF
Las condiciones de operación registradas (Tabla 3) en este período presentaron requerimientos en energía, aún con las temperaturas más
bajas, inferiores a 0,7 kWh/m3 de agua permeada. Asimismo los niveles
de ensuciamiento fueron aceptables considerando los valores elevados
de materia orgánica disuelta (hasta 10 mg/l como carbono orgánico
149
total), la presencia de algas y material coloidal, y se empleó una limpieza entre uno y dos meses.
Tabla 3 - Parámetros de operación con la membrana A
Parámetro
Energía eléctrica (bombeo)
0,65 kWh/m3 agua producida
Limpieza (ácida + detergente)
Frecuencia 1-2 meses
Adición de ácido clorhídrico
350 g/m3
Adición de hidróxido de sodio (postratamiento)
183 g/m3
Reemplazo de bolsas filtrantes 2 h por filtro
Frecuencia 1-4 días
Como consecuencia de los resultados obtenidos se planteó una segunda fase con el objeto de mejorar el pretratamiento y reducir los costes
de mano de obra y de bolsas filtrantes fijando como condiciones del
agua de alimentación:
• Índice de atascamiento SDI inferior o igual a 3
• Concentración de partículas superiores a 1 µm, inferior o igual a 200
partículas/ml
• Concentración de aluminio y hierro inferior a 50 mg/l
Considerando las características del agua del río Oise, el esquema del
tratamiento se concretó en el proceso en serie:
• Coagulación (pH 7)
• Decantación lamelar rápida asistida con microarena (Sistema OTV
Actiflo)
• Ozonización intermedia (dosis sobre 2 g O3/m2)
• Postcoagulación en línea y filtración bicapa (antracita-arena)
Sobre el tipo de membrana se consideró con el fabricante (Filmtec) la
optimización de la misma para evitar el postratamiento enfocado a
reducir la corrosividad del agua distribuida y la acidificación previa.
Estas consideraciones orientaron el desarrollo de una membrana de
nanofiltración con un rechazo inferior de dureza y de alcalinidad, manteniendo el rechazo de pesticidas y materia orgánica de la membrana A.
Después de varios prototipos se ensayó la membrana B (Tabla 4) en
planta piloto y se fabricó a escala industrial (Figura 1). Las especifica-
150
ciones fijaban un rechazo de iones calcio del 55% y un rechazo mínimo
del 92% para la atrazina por elemento y del 95% en promedio.
Tabla 4 - Características de la membrana B
Fabricante
Dow Chemical
Tipo
Filmtec NF200 B
Espesor
200 Å
Composición
Polipiperazina
Soporte microporoso
Polisulfona
Soporte poroso
Poliéster
Producción nominal
25,7 m3/día (2.000 mg/MgSO4, 4,8 bar, 25 °C)
Superficie efectiva
37 m2 (400 ft2)
Espaciador de alimentación
0,71 mm en propileno
Presión máxima de operación
41 bar
pH de operación en continuo
3-10
Las modificaciones introducidas en la composición de la membrana B
aportaron un incremento en la difusión del calcio a través de la membrana unas diez veces superior al de la membrana A manteniendo el
rechazo de atrazina.
Las dos membranas pudieron se comparadas en condiciones reales en
la misma planta piloto instalada en Auvers-sur-Oise durante dos meses
(noviembre-diciembre 1996) aprovechando la configuración de doble
línea.
A temperatura cercana a 1 °C y con una conductividad del agua de alimentación de 750 µS/cm, la membrana A obtenía un permeado de conductividad 40 µS/cm y la membrana B, de 380 µS/cm. En ambos permeados la reducción de la atrazina y la materia orgánica era superior al
90%. El rechazo de calcio se encontraba en la membrana B del orden
del 20-50%, y era superior al 90% en el caso de la membrana A.
151
Figura 1 - Planta prototipo
El prototipo fabricado posteriormente, diseñado e instalado a finales de
1996 en base a la nanofiltración con la membrana NF 200B tenía una
capacidad de producción de 125 m3/h con una composición respecto a
dureza y alcalinidad correspondiente a una descalcificación y desalación parcial (Tabla 5).
Tabla 5 - Características del agua permeada (membrana NF 200 B)
Conductividad (µ/cm 20 °C)
Alimentación
Permeado
Rechazo %
620-680
400-470
30-40
Dureza cálcica (mg/l CaCO )
290-350
150-200
40-50
Alcalinidad (mg/l CaCO3)
270-330
140-190
35-50
pH
7,9-7,2
6,8-7,0
3
Durante el período de pruebas de 11.850 horas se compararon los valores obtenidos en las condiciones reales de operación con los previstos
por el programa de diseño. La Tabla 6 muestra un control de los datos
de operación respecto a los previstos después de un año de funcionamiento (Redondo, 2001).
152
Tabla 6 - Datos de operación reales y calculados
Parámetro
Predicción
Medida real
Presión alimentación (bar)
10,8
10,7
Presión concentrado (bar)
7,4
7,1
Caudal permeado 1ªetapa (m3/h)
34
34,8
Caudal permeado 2ªetapa (m3/h)
14,4
14,8
Caudal permeado 3ªetapa (m3/h)
6,6
5,1
Caudal concentrado (m3/h)
9,7
9,87
Composición del permeado en mg/l
Mg2+
1,0
1,0
Ca2+
28,6
29,0
Na+
15,0
9,8
K+
2,8
3,2
SO422,0
<0,1
HCO3
82,8
79,9
Cl
18,8
22,0
NO318,9
20,9
Igualmente se realizaron ensayos de prestaciones de los elementos instalados después del período de pruebas de 11.850 horas (Tabla 7).
Tabla 7 - Ensayos estándar después de 11.850 horas de operación
Elem. Nº
Aceptación
(*1)
(*2)
(*3)
A1 Etapa/elem. (1/1) Presión, bar
5,45
5,5
5,6
6,1
Pasaje Ca, %
46,06
48,2
50
46,8
Atrazina Rechazo, %
98,1
98,6
97,4
98,6
A2 Etapa/elem. (2/1) Presión, bar
5,4
5,5
5,7
6,4
Pasaje Ca, %
46,88
45,6
46,8
46,5
Atrazina Rechazo, %
97,9
98,9
99,1
98,8
A3 Etapa/elem. (2/6) Presión bar
8,1
5,5
5,8
6,7
Pasaje Ca, %
46,88
48,3
50,2
47
Atrazina Rechazo, %
98,1
97,6
97,2
98,0
A4 Etapa/elem. (3/6) Presión, bar
7,95
6,4
5,6
5,9
Pasaje Ca, %
49,19
52,8
46,1
49,8
Atrazina Rechazo, %
98,7
97,4
98,1
98,4
Horas de Operación
170
1.700
4.700
11.850
*1) - 3 días después de la 1ª limpieza.
*2) - 3 días después de la 2ª limpieza.
*3) - antes de la parada final.
153
La repetición de los tests muestra un pasaje estable de calcio entre 47
y 52% y un rechazo aproximado de atrazina entre 97,5 y 99,0%.
PLANTA DE MÉRY-SUR-OISE
Una vez finalizados los ensayos en planta piloto suministrando agua
potable a Anvers-sur-Oise, SEDIF contrató la ampliación de Méry-sur
Oise a Vivendi Water-Générale des Eaux, que incluía el diseño, la instalación y la operación de la línea de nanofiltración de 140.000 m3/día de
capacidad (Figura 2), y ciertas adaptaciones de las líneas ya existentes
con capacidad de 200.000 m3/día. Se puso en marcha en 1999. La
planta de nanofiltración tiene instaladas 9.120 membranas en 1.520
tubos de presión repartidos en ocho trenes. Cada tren está configurado
en tres etapas de 648/324/168 membranas respectivamente. La conversión alcanzada es del 85% (Ventresque et al., 2000).
Figura 2 - Planta de nanofiltración para 140.000 m3/día
154
La línea de tratamiento de la ETAP de Méry-sur-Oise está compuesta
de los siguientes procesos (Figura 3):
A) Coagulación-floculación, con policloruro de aluminio y polielectrolito
aniónico, respectivamente.
B) Decantación acelerada por medio del sistema ACTIFLO, de Vivendi
Water-OTV, que permite, a través del uso de microarena, mayores
cargas superficiales que los sistemas convencionales de separación
sólido-líquido (hasta 60 m/h).
C) Ajuste de pH 7, para mantener la cantidad residual de aluminio tan
baja como sea posible en el agua de alimentación a las membranas
de nanofiltración para prevenirlas de la formación de depósitos sobre
ellas.
D) Preoxidación con ozono, producido a partir de oxígeno, del agua decantada, en dosis entre 0,5 y 1 mg/l.
E) Coagulación secundaria de afino sobre los filtros de arena y antracita.
F) Dosificación de un antiincrustante orgánico en dosis de 2 mg/l.
G) Prefiltros de cartuchos de 6 µm, con contralavados automáticos.
H) Ocho trenes con membranas de nanofiltración, cada uno de 17.500
m3/día, en total 140.000 m3/día de agua tratada, con tasa de conversión del 85%, empleando para ello 1.520 cajas de presión y 9.120
membranas de nanofiltración FILMTEC, modelo NF 200 B-400, de
37,2 m2 cada una. Esta membrana fue desarrollada para la planta de
producción de agua potable de Méry, por FILMTEC, filial de Dow
Chemical de acuerdo a las especificaciones de Vivendi Water (Redondo, 2001).
I) Desgasificación por stripping, para la reducción de dióxido de carbono para la estabilización del agua, reduciendo la corrosión de la red
de distribución.
J) Esterilización con radiación ultravioleta.
155
Figura 3 - Diagrama de flujo de la planta de nanofiltración
Después de la puesta en marcha, la eficiencia en la reducción del contenido en carbono orgánico total (COT) es, en promedio, del 95,5%,
con un valor medio del COT de 0,18 mg/l en el permeado producido. En
el período de septiembre de 1999 y mayo de 2000, no se han detectado plaguicidas en el agua permeada (límite de detección 50 ng/l), mientras que los valores máximos detectados en el agua de alimentación
fueron de 440 ng/l de atrazina y 220 ng/l de diuron. En cuanto a los
bicarbonatos se ha alcanzado un paso de sales del orden del 30 al 60%
en función creciente de la temperatura del agua.
El paso de sales para el calcio y magnesio también ha variado con la
temperatura del 20 al 55%.
El coste total de línea de nanofiltración incluyendo las modificaciones
en el resto de la ETAP ascendió a 130 millones de euros (IVA excluido) y
el coste de tratamiento del agua se incrementó en 0,12 euros (IVA
excluido). Estos costes extras han sido compensados por ahorros en
otras áreas de la ETAP, y han dado lugar al mantenimiento de los precios para los usuarios finales.
156
CONCLUSIONES
El desarrollo de nuevas membranas de nanofiltración fruto de la colaboración de fabricantes de membranas e ingenierías dedicadas al tratamiento de agua potable, ha permitido combinar la eliminación de plaguicidas, materia orgánica y precursores de trihalometanos con una
retención parcial de calcio y bicarbonatos que permite mantener los
requerimientos de calidad de las aguas destinadas al consumo humano. Asimismo la disminución del contenido en carbono orgánico total y
de la carga microbiológica ha permitido reducir los niveles de cloración
y de formación de subproductos de desinfección mejorando el sabor
del agua.
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