eficacia de los tratamientos avanzados en la eliminación de

EFICACIA DE LOS TRATAMIENTOS AVANZADOS EN LA ELIMINACIÓN
DE SUSTANCIAS ESTROGÉNICAS
AURELIO HERNÁNDEZ LEHMANN, JUAN ANTONIO CORTACANS TORRE,
ISABEL DEL CASTILLO GONZÁLEZ, AURELIO HERNÁNDEZ MUÑOZ,
Cátedra de Ingeniería Sanitaria y Ambiental. Dpto. Ordenación del Territorio, Urbanismo y Medio Ambiente
E.T.S. Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos. Universidad Politécnica de Madrid
JESÚS MARTÍN GIL, FRANCISCO JAVIER MARTÍN GIL
Dpto. Ingeniería Agrícola y Forestal. E.T.S. Ingenierías Agrarías
Universidad Politécnica de Valladolid
RESUMEN
Se ha constatado en los últimos años la presencia de sustancias con actividad estrogénica en los efluentes de las
estaciones depuradoras de aguas residuales, siendo éstas unas de las principales fuentes de estrógenos en el medio
acuático. Así mismo, la presencia en el medio ambiente de componentes con propiedades estrogénicas se ha
transformado en una preocupación mundial, debido a que éstos pueden afectar negativamente en la reproducción del
hombre, ganado, animales salvajes y organismos acuáticos, produciendo la feminización de los órganos
reproductores. Entre los principales compuestos estrogénicos se encuentran las hormonas de origen natural y las
sintéticas.
Por estos motivos se plantearon en esta investigación los siguientes objetivos en tres etapas consecutivas.
1.
2.
3.
Determinar el grado de eliminación real de las sustancias estrogénicamente activas con diferentes tipos de
tratamiento de depuración convencionales, así como las concentraciones de las mismas que se están vertiendo a
los cauces receptores.
Estudiar la eficacia de tratamientos terciarios convencionales (coagulación-floculación seguida de filtración
rápida sobre arena) en la eliminación de los estrógenos seleccionados.
Analizar la efectividad de los tratamientos avanzados (con uso de membranas) en la eliminación de los
compuestos estrogénicos predeterminados (estrona y estradiol).
LOS DISRUPTORES ENDOCRINOS Y SUS EFECTOS
En los últimos 15 años ha empezado a prestarse atención a un grupo de contaminantes
emergentes. Dentro de estos contaminantes se encuentran una serie de sustancias que interfieren
con las funciones normales del sistema endocrino, originando respuestas anómalas, y se
denominan disruptores endocrinos.
El sistema endocrino funciona a través de la secreción de hormonas. En el flujo sanguíneo las
hormonas se desplazan hacia unos objetivos prefijados, las células diana, que poseen receptores
específicos para ellas, y que se encargan de leer y ejecutar las instrucciones que reciben. Así el
sistema endocrino interviene en funciones tan importantes como el metabolismo, reproducción,
crecimiento, etc..
1
Según la Comisión de Comunidades Europeas los disruptores endocrinos son sustancias o
mezclas de sustancias exógenas que alteran la función del sistema endocrino y, en consecuencia,
causan afectos adversos sobre la salud en un organismo intacto, su progenie o sus poblaciones.
Los mecanismos o formas de actuar de los disruptores endocrinos son numerosos, y en muchos
casos, no se conocen con precisión. Alguna de las formas de acción de estos compuestos es
uniéndose a la hormona o a los receptores celulares, provocando estímulos en momentos
impropios o en cantidades inadecuadas, o bien en otros casos bloqueando la acción de las
hormonas.
Existen 118 sustancias clasificadas como disruptores endocrinos entre las que se encuentran
hormonas naturales y sintéticas, fitoestrógenos, pesticidas, productos de limpieza y aseo, y otros
productos químicos empleados en la industria del plástico, etc.
La relación entre los EDCs y los trastornos del comportamiento en especies animales es un
hecho mundialmente admitido. Así se ha observado, preferentemente en animales que habitan
cauces y lagos alteraciones de sus sistema hormonal asociadas a la exposición a este tipo de
sustancias. Por ejemplo, la feminización de peces que viven a la salida de los efluentes de
depuradoras, alteraciones en los órganos reproductores de fauna piscícola en contacto con
contaminantes químicos procedentes de la degradación de detergentes y plásticos, etc.. Existen
también otros estudios que demuestran las alteraciones en su sistema reproductor en pájaros,
reptiles y mamíferos que viven bajo la influencia de áreas contaminadas con estos compuestos.
En el caso de la especia humana los estudios existentes no aportan evidencias tan contundentes
como la detectada para especies animales, pero numerosos ejemplos apuntan en el mismo
sentido.
Debe tenerse en cuenta además que la acción de los disruptores endocrinos puede ejercerse aún
cuando se encuentren en concentraciones tan pequeñas como los ng/l para los estrógenos de tipo
natural y sintético y los µg/l para los disruptores endocrinos de origen químico.
•
Estrógenos naturales. Los estrógenos son hormonas esteroideas segregadas principalmente en
los ovarios femeninos del ser humano y otros animales. Estos compuestos son importantes
para los procesos de reproducción y para el normal desarrollo de las hembras, estimulando el
desarrollo de sus órganos reproductores y sus características sexuales. Las hembras producen
de forma natural tres estrógenos: el estradiol (E2) que es el más abundante y potente, la
estrona (E1) y el estriol (E3).
El estradiol tiene un potencial 12 veces mayor que el de la estrona y 80 veces mayor que el
estriol. La estrona es el estrógeno dominante en mujeres una vez iniciada la menopausia, y
una vez que los ovarios dejan de producir estradiol. El estriol es un subproducto del
metabolismo de la estrona en mujeres no embarazadas, sin embargo la placenta de las
mujeres embarazadas es la principal fuente de estriol.
•
Estrógenos sintéticos. El principal estrógeno sintético introducido intencionadamente en el
organismo es el 17-α-etinilestradiol (EE2). Este estrógenos sintéticos se emplea como
anticonceptivo oral y para evitar los síntomas de la menopausia.
2
PRESENCIA DE SUSTANCIAS ESTROGÉNICAS EN LAS AGUAS
Los estrógenos son producidos o introducidos sintéticamente en el hombre, y luego excretados,
por lo que acaban inevitablemente en el agua residual. Así, se ha constatado la presencia de
sustancias con actividad estrogénica en los efluentes de las estaciones depuradoras de aguas
residuales y en los cauces receptores.
La mayor parte del material estrogénico excretado se encuentra como formas conjugadas
(glucurónidos y sulfatos) biológicamente menos activas. Sin embargo, parece ser que este tipo de
compuestos se convierten en sus formas activas (libres) en el camino entre el vertido de las
viviendas y la salida de las depuradoras.
La desconjugación ocurre durante el tratamiento del agua en las depuradoras gracias entre otros
factores a la presencia de grandes cantidades de la bacteria Eschercihia coli en los desechos
fecales. Esta bacteria sintetiza la enzima β-glucuronidasa, responsable de la transformación
anterior.
La persistencia de estas hormonas en el agua y su baja eliminación en los procesos de depuración
afectan a su presencia en los cauces receptores. Además algunas sustancias no activas
endocrinológicamente pueden ser transformadas durante el tratamiento biológico de las aguas
residuales en otros compuestos con efecto estrogénico.
Tabla 1. Concentraciones de estrógenos en ríos (adaptado de Auriol, M. et al.)
Lugar de muestreo
Francia
Holanda
Inglaterra
Alemania
Italia
España (NE)
Japón
Estados Unidos, California
Estrona
1.1-3.0
< 0.1-3.4
0.2-10
< 0.5
1.5
4.3
0.2-6.6
---
Concentración (ng/l)
Estradiol
Estriol
Etinilestradiol
1.4-3.2
1.0-2.5
1.1-2.9
<0.3-5.5
--<0.1-4.3
< 0.03-7.1 < 0.06-3.1
< 0.05
< 0.03
--< 0.5
0.11
0.33
0.04
6.3
8
--0.6-1.0
5.5
--0.05-0.8
--0.05-0.8
Según investigaciones realizadas en distintos países, los niveles de estrógenos en las aguas
residuales pueden resultar muy variables dependiendo del tipo de vertido y características de la
población. Se han encontrado valores mayores de los estrógenos naturales (estrona, estradiol y
estriol) que del sintético (etinilestradiol). Las concentraciones de estrona son siempre superiores
a las de estradiol y estriol.
ELIMINACIÓN DE SUSTANCIAS ESTROGÉNICAS EN LOS PROCESOS DE
DEPURACIÓN
Hasta el momento los datos sobre la eliminación de estrógenos en los procesos de depuración
convencionales son pocos y discordantes de unas publicaciones a otras. Igualmente se
desconoce el mecanismo exacto de eliminación de estas sustancias.
Los mecanismos de eliminación de los estrógenos del agua están influenciados por numerosos
factores entre los que se encuentran las condiciones locales, el tipo de hormona y el tipo de
proceso de depuración.
3
Un primer mecanismo de separación de los EDCs del agua se debe a la naturaleza no polar e
hidrofóbica de estos compuestos, lo que favorece su adsorción a las partículas y su concentración
en los fangos. Esto concuerda con la detección de altas concentraciones de estrógenos en los
fangos digeridos (49 ng/g de E2 y 37 ng/g de E1) y en el agua procedente de los procesos de
deshidratación del fango.
Un segundo mecanismo de eliminación es la degradación y transformación de los estrógenos en
los procesos biológicos de depuración, estando influenciados los rendimientos de eliminación
por diversos factores como por la edad del fango, la temperatura del agua, la alternancia entre
condiciones anaeróbicas, anóxicas y aerobias, etc..
La importancia de estos dos mecanismos (adsorción y biodegradación) en la reducción del
potencial estrogénico difiere de unas publicaciones a otras. Mientras que algunos autores refieren
que los procesos de biodegradación son los responsables fundamentales de la eliminación de
estrógenos en los procesos de depuración, otros manifiestan que el mecanismos de eliminación
principal es la adsorción a los lodos.
En términos generales, puede decirse que los sistemas de depuración que utilizan tratamientos
primarios y secundarios pueden eliminar 20-40% de las hormonas sintéticas (EE2) y entre 5080% de las hormonas naturales (E1, E2, y E3). Es importante señalar que la estrona (E1) suele
tener rangos de eliminación mucho más variables, ya que su contenido puede aumentar después
de su paso por la depuradora al ser un producto de degradación del estradiol (E2).
Los tratamientos químicos convencionales como la coagulación y la floculación tienen bajos
rendimientos y no son apropiados para eliminar EDCs del agua , debido a que la mayor parte de
los compuestos responsables de la estrogenicidad son compuestos orgánicos de bajo peso
molecular. Sin embargo, otros tipos de tratamiento como la oxidación con cloro y ozono, el
tratamiento con óxido de manganeso o la fotólisis con radiación UV parece ser que pueden
modificar o transformar la estructura química de algunos estrógenos.
ELIMINACIÓN DE SUSTANCIAS ESTROGÉNICAS CON MEMBRANAS
En el caso de los estrógenos, aunque con la microfiltración y ultrafiltración no se espera retener
compuestos de tan bajo peso molecular, se ha observado cierta eliminación de sustancias
estrogénicas (estrona) en membranas de MF y UF debido a mecanismos de adsorción en los
materiales hidrofóbicos de las membranas. Estos efectos de adsorción se debe al establecimiento
de puentes de hidrógeno entre la estrona y la membrana (Schäfer, 2002).
Los tratamientos terciarios que emplean filtración por membranas como la nanofiltración o la
ósmosis inversa teóricamente podrían ser capaces de reducir totalmente la presencia de estas
sustancias en las aguas por exclusión por tamaño. Sin embargo la eliminación no es total, incluso
se ha demostrado que compuestos orgánicos con peso molecular significativamente superiores al
MWCO de las membranas estudiadas (100 y 200 Da) pueden aparecer en los permeados de
ósmosis inversa (Bellona). En el caso de membranas de NF se ha demostrado que algunas
membranas eliminan estrona y estradiol por exclusión por tamaño, y otras lo hacen por adsorción
debido a las interacciones polímero-contaminante. (Nghiem).
Los mecanismos que intervienen en el rechazo de la contaminantes en los tratamientos de NF y
OI son numerosos, entre los que cabe citar: propiedades físico-químicas del contaminante,
4
interacciones hidrofóbicas entre el soluto y la membrana, material de la membrana, colmatación,
pH de la alimentación, exclusión electrostática, etc.) (Bellona)
•
Efecto del pH. En general, los fenómenos de adsorción y retención de sustancias estrogénicas
en membranas de NF están fuertemente afectados por el pH. Cuando las moléculas adquieren
carga negativa a pH elevados, se produce una repulsión entre la membrana cargada
negativamente y los aniones orgánicos, generando una disminución de la adsorción y
facilitando el transporte a través de la membrana. La adsorción de estradiol y estrona en las
membranas de NF parece que puede deberse a interacciones débiles que dan como resultado
un equilibrio dinámico e inestable entre la adsorción y la desorción.
La baja adsorción (y retención) a pH elevado debido a la repulsión de cargas entre el
estradiol cargado negativamente y la superficie de la membrana, plantea el problema de la
posible liberación de estradiol durante la limpieza de la membrana en la que se suelen aplicar
soluciones alcalinas a pH 11.
•
Material de la membrana. Otros estudios han demostrado que la eliminación de esteroides
(estrona, estradiol y etinil-estradiol) depende del tipo de material de la membrana de NF. Así
se han conseguido eliminaciones de más de 99% de estos compuestos cuando el material es
poliamida, mientras que cuando el material de la membrana es de polietersulfona hidrolizada
los rendimientos de eliminacion disminuyen hasta el 40-90%. (Weber, 2004).
•
Presión aplicada. Aunque lo habitual es que la retención de los solutos aumente con la
presión hasta alcanzar un valor asintótico, para el caso de solutos orgánicos que tienen una
fuerte interacción con los polímeros de las membranas, la retención puede disminuir al
aumentar la presión. Así para el caso de la estrona y estradiol un incremento en la presión de
operación de 10 a 25 bar produce una disminución del 15% en la retención de las dos
hormonas (Nghiem, 2004).
•
Otro factor que influyen en la retención de estrógenos es la carga de la superficie de la
membrana y el tamaño de poros de la membrana. Parece por tanto que aunque la NF no es
una barrera completa de separación para ciertos contaminantes como las hormonas, puede
resultar eficaz si se elige adecuadamente el tipo de membrana y la presión aplicada.
INVESTIGACIÓN REALIZADA EN LA CÁTEDRA DE INGENIERÍA SANITARIA
La Cátedra de Ingeniería Sanitaria y Ambiental de la E.T.S. de Ingenieros de Caminos, Canales y
Puertos de Madrid, ha realizado una investigación titulada “Presencia de sustancias estrogénicas
en efluentes de estaciones depuradoras de aguas residuales y posibles riesgos derivados de la
reutilización de dichos efluentes tratados. Empleo de tecnologías de membrana para la
eliminación de dichos compuestos”. Esta investigación se ha podido desarrollar gracias a una
subvención concedida por la Dirección General de Política Tecnológica del Ministerio de
Ciencia y Tecnología de España en la convocatoria PROFIT 2003 y 2004-2007.
1ª Fase de la investigación. Eliminación de estrógenos en depuradoras convencionales
La primera fase de la investigación consistió en determinar el grado de eliminación real de dos
estrógenos naturales (estradiol y estrona) con diferentes tipos de tratamiento de depuración
convencionales, así como las concentraciones que se están vertiendo a los cauces receptores.
Se ha seleccionado un conjunto representativo de depuradoras de tipo convencional en el
tratamiento de las aguas residuales: Fangos activos convencional, Fangos activos doble etapa,
5
Oxidación prolongada, Lechos bacterianos, Biodiscos y Lechos de turba. El programa de
muestreo y análisis duró 6 meses durante los cuales se tomaron muestras compuestas en cada
estación depuradora con una frecuencia media de 3 veces por semana.
En cada depuradora se analizaron los estrógenos naturales y las características del agua (DQO,
DBO5, SS, etc.), en el influente y a la salida de cada una de las etapas del tratamiento.
Analizando los resultados de las muestras compuestas de las seis depuradoras estudiadas, se ha
observado que las concentraciones medias diarias de estradiol obtenidas en las aguas residuales
han oscilado entre los 22.8 ng/l y 11.8 ng/l. Sin embargo se han llegado a detectar valores
máximos en las muestras compuestas diarias de 59.2 ng/l y valores mínimos de 3.2 ng/l. En la
siguiente tabla se muestran los rendimientos de eliminación de estradiol en función del tipo de
tratamiento.
Tabla 2. Rendimientos en la eliminación de estradiol en función del tipo de tratamiento
DEPURADORAS
FANGOS ACTIVOS CONVENCIONAL
Trat. Primario
Trat. Secundario
Total
FANGOS ACTIVOS EN DOBLE ETAPA
1ª Etapa
2ª Etapa
Total
OXIDACIÓN PROLONGADA
LECHOS DE TURBA
BIODISCOS
Trat. Primario
Trat. Secundario
Total
LECHOS BACTERIANOS
RENDIMIENTO MEDIO DE
ELIMINACIÓN DE ESTRADIOL
28.1
47.4
62.2
27.6
74.9
81.8
66.1
10.2
10.6
15.5
24.5
5.72
De esta parte del estudio se ha podido concluir:
•
La estrona es el estrógeno natural que se encuentra en mayor concentración en el agua
residual y se detecta en todas las muestras analizadas. Sin embargo, aunque la estrona es el
primer producto de degradación del estradiol y suele aparecer en mayores concentraciones en
las aguas y en los efluentes tratados, su potencial estrogénico es mucho menor que el del
estradiol.
•
En todos los casos, el estradiol presentan una reducción después de su paso por la
depuradora. En las seis depuradoras analizadas los rendimientos en la eliminación de
estradiol ha oscilado entre 81.8% para la depuradora de fangos activos en doble etapa y
5.72% para la depuradora de lechos bacterianos.
•
Analizando los resultados obtenidos en las depuradoras que disponían de tratamiento
primario, se ha podido concluir que la eliminación de estradiol en la decantación prkimaria
oscila entre el 28.1% y el 10.6%.
•
Se ha observado una clara diferencia en la eliminación de hormonas en función del tipo de
tratamiento biológico empleado. Así, los tratamientos biológicos del tipo de biomasa en
suspensión han mostrado ser más eficaces en la eliminación de estradiol. El que mejores
rendimientos ha ofrecido ha sido el tratamiento de fangos activos en doble etapa (81.8%) y el
6
que menor rendimiento ha conseguido el de fangos activos convencional (62.2%). Para los
procesos biológicos del tipo de biomasa fija, la reducción de estradiol observada ha sido
mucho más baja (entre 24.5 y 5.7%). Por último, el tratamiento con lechos de turba reduce
sólo un 10.2% del estradiol que lleva el agua.
2ª Fase de la investigación. Eficacia de los tratamientos terciarios en la eliminación de
estrógenos
En esta fase se fijó como objetivo determinar la reducción de disruptores endocrinos (estradiol y
estrona) en tratamientos terciarios. Se ha estudiado el tratamiento terciario convencional
consistente en coagulación-floculación seguida de filtración rápida por arena. Los procesos
básicos de la línea de agua de la depuradora seleccionada para esta etapa de la investigación son:
•
•
•
•
Pretratamiento.
Tratamiento físico-químico. Adición de coagulantes y coadyuvantes en las cubas de mezcla y
floculación para producir flóculos y precipitar el fósforo, que sedimentan posteriormente en
los decantadores primarios.
Tratamiento biológico. Consistente en reactores biológicos con aporte de oxígeno con
difusores de burbuja fina y tiempo necesario para la nitrificación. Eventualmente, tiene la
capacidad de creación de zonas anóxicas para la desnitrificación. La separación de sólidos se
realiza en los decantadores secundarios.
Tratamiento terciario. Consistente en una microfloculación previa realizada gracias al aporte
de reactivos en los tanques de mezcla y floculación, y una posterior separación de los
flóculos en filtros de arena.
Los puntos de la EDAR en los que se efectuó la toma de muestras tres veces por semana fueron
los siguientes:
•
•
•
•
Entrada agua bruta
Salida de decantación primaria
Salida de decantación secundaria
Salida filtros de arena
Las muestras tomadas en cada punto fueron compuestas sobre 24 horas proporcionales al caudal
tratado, tomándose las mismas por medio de muestreadores automáticos.
Metodología para el análisis de hormonas
Aunque inicialmente se utilizó para los análisis el inmunoensayo quimiluminiscente, algunas de
las muestras analizadas presentaban concentraciones de estradiol inferiores a la sensibilidad del
método (18 pg/ml). Por este motivo, para obtener una mayor sensibilidad se recurrió a un
segundo método de análisis por radioinmunoensayo que alcanzaba sensibilidades de 0,6 pg/ml
para el estradiol y 1,2 pg/ml para la estrona. A continuación se describen brevemente las
características del ensayo.
•
Metodología. Este nuevo método para la determinación cuantitativa de estradiol y estrona en
aguas se realizó mediante la metodología RIA. El procedimiento sigue el principio básico
del radioinmunoensayo, que consiste en la competición entre un antígeno radioactivo y otro
no radioactivo por una cantidad fija de lugares de unión a anticuerpos. La cantidad de
estradiol (o estrona) marcados con I-125 unido al anticuerpo es inversamente proporcional a
7
•
•
la concentración de estradiol (o estrona) sin marcar presente. La separación del antígeno libre
y el unido a anticuerpos se realiza mediante un sistema de dos anticuerpos.
Equipos de reactivos utilizados. DSL-39300 tercera generación Estradiol RIA y DSL-8700
Estrona RIA.
Características de los ensayos. La sensibilidad teórica de estradiol es 0,6 pg/mL y la de
estrona, 1,2 pg/mL. La precisión intraensayo, medida a través de los CV, es del 3,9% para
estradiol y del 5,6% para estrona. La precisión intraensayo es, para ambas determinaciones,
<5%.
3ª Fase de la investigación. Eficacia de los tratamientos avanzados con membranas de
ultrafitración y nanofiltración en la eliminación de estrógenos
Para desarrollar el siguiente hito de la investigación cuyo objetivo es determinar la reducción de
disruptores endocrinos (estradiol y estrona) utilizando técnicas de filtración avanzadas, estaba
previsto emplear una planta piloto de membranas de ulrafiltración. Posteriormente se
complementó esta etapa realizando ensayos con una planta piloto de membranas de
nanofiltración.
Las plantas piloto se alimentaron con el efluente de los filtros de arena de la depuradora.
En esta fase y con el fin de comparar los rendimientos en la eliminación de estrógenos en
muestras sometidas a diferentes procesos de filtración, se tomaron muestras en se tomaron
muestras en los siguientes puntos:
•
•
•
•
salida del decantador secundario
salida de los filtros de arena
salida de la planta de ultrafiltración
salida de la planta de nanofiltración
Así, la toma de muestras se iniciaba con la salida del decantador secundario, luego la salida del
tratamiento terciario (filtro de arena), y con el agua tomada en este punto se operaron la plantas
piloto para obtener las muestras de filtración con membranas de ultrafiltración y nanofiltración.
En cada punto se tomaron muestras para el análisis de estrona y estradiol, y además para el
análisis de DQO, turbidez, fósforo total y nitrógeno total. Esta etapa de la investigación duró 6
meses, durante los cuales se tomaban muestras tres días por semana. A continuación figura una
breve descripción de las dos plantas piloto utilizadas.
Planta piloto de membranas de ultrafiltración
La planta piloto de membranas de ultrafiltración utilizada es modelo M38HR-9-3 fabricada por
Dow Danmark A/S. Esta compuesta por un tanque de balance o depósito de agua de 200 litros
de capacidad, una bomba de alimentación con caudal de 2.5 m3/h y altura máxima de impulsión
de 32.4 m, una bomba de recirculación, un módulo para membranas de ultrafiltración, un filtro
de seguridad, un termostato, un intercambiador de calor, y válvulas e instrumentos necesarios
para la medición y operación segura de la planta.
El nivel del tanque se controla automáticamente por la apertura y cierre de las válvulas de
entrada, así mismo, cuenta con un control automático para calentamiento y enfriamiento del agua
y un compresor de aire de 1.5 HP empleado para los propósitos de regulación.
8
Todas las partes en contacto con el agua están hechas en acero o plástico resistentes a los ácidos.
Para la operación de la planta se requiere una potencia suministrada de 3.380/660 V, 50Hz, La
máxima potencia demandada es de 15 KW y el aire presurizado debe estar a 5.6 bar, con un
mínimo de 3.5 bar. La distribución de esta planta se puede observar en la figura nº1.
Especificaciones de las membranas
Tipo:
MWCO:
Rango de operación de pH:
Temperatura:
Presión:
Material:
DSS-GR95PP
2.000 Daltons
1-13
0- 75ºC
1-10 bar
Polietersulfona.
Figura 1.
Planta piloto de membranas de nanofiltración
La planta a escala piloto de membranas de nanofiltración utilizada es modelo LabStak M20
fabricada por Alfa Laval Naksskov A/S (Figura nº2). Esta compuesta por un tanque, una bomba
de flujo cruzado utilizada para la alimentación, un módulo de membranas de nanofiltración, un
intercambiador de calor, e instrumentos necesarios para la medición y operación de la planta.
Especificaciones de las membranas
Tipo:
Rechazo de MgSO4
DSS-NFT-50
> 99% (Medido en
2000 ppm MgSO4,
9 bar, 25ºC)
Rango de operación de pH: 2-10
9
Temperatura:
Presión:
Material:
0- 50ºC
1-55 bar
Poliéster
Figura 2.
Para tomar las muestras en la planta piloto de membranas de ultrafiltración se deben realizar las
siguientes actividades a nivel general: Primer flushing, filtración, segundo flushing, limpieza
química y tercer flushing.
Los pasos detallados para realizar las actividades anteriores se describen a continuación:
•
•
•
•
•
•
•
•
Verificar la posición de las válvulas.
Accionar el interruptor del panel de control para dar energía a la planta.
Abrir un poco la válvula de agua potable.
Comprobar que la válvula de refrigeración de la bomba de recirculación, situada bajo el
tubo de refrigeración se encuentra un poco abierta (45º aprox.).
Encender el compresor.
Comprobar que el termostato se encuentre en 30ºC.
Abrir las válvulas de salida del permeado tajo 2000 grande y tajo 2000 pequeña por
donde sale el concentrado fuera de la planta.
Se abre la válvula de bola de PVC (roja) que conduce el agua hacia el tanque de
alimentación.
La rutina para tomar las muestras en la planta piloto de membranas de nanofiltración comprende
las siguientes actividades:
•
Filtración con agua potable, para enjuagar las membranas.
10
•
•
•
•
Filtración con agua residual, en donde el agua correspondiente al permeado es recogida
en un cubo para posteriormente tomar la muestra y almacenarla en un frasco de vidrio y
otro de plástico.
Filtración con agua potable, para enjuagar las membranas.
Filtración con agua más detergente alcalino, para realizar la limpieza química de las
membranas.
Filtración con agua potable, para enjuagar las membranas y retirar el detergente alcalino.
En la siguiente tabla se presenta un resumen de los resultados de las fases 2 y 3 de la
investigación.
Tabla 3. Rendimientos de eliminación de hormonas con tratamientos avanzados
TRATAMIENTOS
ESTRADIOL
RENDIMIENTOS MEDIOS
ESTRONA
DQO
Nt
Pt
Turbidez
TRATAMIENTO FANGOS ACTIVOS CONVENCIONAL
+ TRAT. TERCIARIO
Trat. Primario
Trat. Secundario
Trat. Terciario
Total en el conjunto de la planta
27.22
28.89
45.40
71.75
8.74
13.78
52.07
62.33
36.86
75.90
84.78
43.49
69.56
85.80
14.28
--9.32
11.76
13.33
25.22
35.29
63.64
75.92
--56.28
48.37
36.86
78.01
86.11
43.49
78.36
87.77
14.28
52.08
58.47
11.76
46.67
52.62
35.29
81.82
87.67
--53.14
46.64
PROCESOS DE ULTRAFILTRACION
Filtro de arena
Ultrafiltración
Filtro de arena + UF (referido a salida del dec.2º)
PROCESOS DE NANOFILTRACION
Filtro de arena
Nanofiltración
Filtro de arena + NF (referido a salida del dec.2º)
En relación a la eficacia de los tratamientos terciarios y con membranas en la eliminación de
estrógenos ha podido llegarse a las siguientes concusiones:
•
En relación con el contenido de estradiol
En el caso del estradiol las concentraciones observadas en el agua residual bruta están
comprendidas entre un mínimo de 1.27 ng/l y 15.50 ng/l con una media de 9.77 ng/l. Los
valores son en general inferiores a los detectados en el primer año de investigación.
Los rendimientos de eliminación en los tratamientos primario, secundario y terciario son
27.22%, 28.29% y 45.40% respectivamente. Estos rendimientos se refieren en cada caso a la
entrada de cada etapa y por tanto son acumulativos.
Al estudiar el efecto de separación de las membranas, se observa que, a partir de un
rendimiento del terciario (filtración) del 36.86% en media, se consigue un rendimiento del
75.90% con la ultrafiltración y de un 78.01% con la nanofiltracióbn.
11
Con ello se consigue al final unos valores de salida muy bajos tanto en el caso de las
membranas de ultrafiltración como en el caso de la nanofiltración (2.40 ng/l en media en el
caso de la ultrafiltración y 1.69 ng/l en el caso de la nanofiltración).
•
En relación con el contenido de estrona
En el caso de la estrona las concentraciones medidas en el agua residual bruta están
comprendidas entre un mínimo de 0.31 ng/l y un máximo de 30.00 ng/l, con una media de
10.83 ng/l. En este caso no se puede hacer una comparación con los resultados del primer
año de investigación porque en ese año no se hizo un seguimiento sistemático de la estrona.
Los rendimientos de eliminación en los tratamientos primario secundario y terciario son del
8.74%, 13.78% y 52.07% respectivamente. Estos rendimientos se refieren en cada caso a la
entrada de cada etapa, y por tanto son acumulativos.
En lo que respecta a la efectividad de las membranas, a partir del rendimiento de la filtración
(43.49%), se consigue un rendimiento del 69.56%,con la ultrafiltración y de un 78.36% con
la nanofiltarción.
Los valores de salida son bajos (4.38 ng/l en media con ultrafiltración y 3.11 ng/l en media
con la nanofiltración) pero no tanto como en el caso del estradiol.
•
En relación con la reducción de estrona y estradiol en los procesos de filtración
La estrona es el primer producto de degradación del estradiol con lo que estudiar los
rendimientos de eliminación referidos a estrona no es totalmente significativo porque está
englobando seguramente, un paso de estradiol a estrona en los procesos.
Los rendimientos globales de eliminación son bastante altos con tratamiento terciario
(filtración) y muy altos si además se pasa el agua posteriormente por un tratamiento de
membranas (similar en ultrafiltración y nanofiltración).
Como no hay una legislación sobre contenido de estrógenos admisibles en los vertidos de
aguas depuradas (y se tardará probablemente mucho en tener criterios dada la complejidad
del estudio de determinación de sus efectos nocivos en función de las concentraciones), no se
puede decir con absoluta seguridad que los resultados obtenidos, aunque solo obtengan
valores de salida muy bajos, son suficientes.
A pesar de las limitaciones indicadas, los resultados obtenidos son bastante significativos.
Los resultados de separación con membranas después de la filtración son muy altos (y más
concluyentes en el caso de la estrona , ya que la baja concentración de salida que se obtiene
para el estradiol con el tratamiento secundario da lugar a que los valores obtenidos en las
etapas siguientes estén más expuestos a error).
Como ya se sospechaba, a partir de los datos conocidos de otras experiencias los efectos de
los dos tipos de membrana ensayados no son muy distintos a pesar de la diferencia de tamaño
de paso.
Para definir en casos concretos la efectividad de distintos tipos de membranas sería
necesario, por tanto, hacer estudios comparativos simultáneos de la efectividad de las
mismas, ya que el paso de las mismas no es decisivo influyendo sus características tanto en
su composición química como las propiedades físicas.
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Aunque no se han realizado ensayos, por falta de medios, con membranas de ósmosis
inversa, no parece que pueda ser una solución de tipo general por lo que ello conlleva
(separación de todo tipo de sales disueltas). Esta objeción podrá ser aplicable, parcialmente,
también a la nanofiltración en algunos casos.
Por último, no hay que olvidar que el resultado óptimo, por sus consecuencias, es el que se
consiga, por tratamiento biológico, que depende fundamentalmente de la edad del fango, ya
que el compuesto se biodegrada mientras que en el caso de las membranas es por adsorción
en la capa de suciedad (“filter cake”) que se genera envolviendo la membrana, incluso este
efecto es el que se produce en la filtración convencional con lo que el posible problema se ha
separado del agua y se ha trasladado a los fangos.
•
En relación con otras características del agua residual
Aunque no estaba previsto en los objetivos considerados, se ha complementado la
investigación con el estudio de la evolución de los parámetros básicos definitorios de la
contaminación del agua residual: DQO, nitrógeno total, fósforo total y turbidez
Los comentarios a los resultados obtenidos son los siguientes:
•
•
•
La planta tiene un elevado rendimiento lo que se ha reflejado, seguramente, en los buenos
resultados obtenidos en la investigación.
En los resultados referidos a DQO y fósforo total se nota la mayor efectividad del tamaño
de la separación, viéndose una clara mejora en el caso de la nanofiltración frente a la
ultrafiltración, lo que se debe a los contenidos del efluente en partículas que se retienen
en función del grado de separación.
En el caso de la turbidez se nota menos la diferencia porque dado el alto rendimiento que
tiene ya el tratamiento secundario, el contenido en turbidez coloidal es ya muy bajo antes
de los terciarios.
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