Guia Sobre Tratamientos de Aguas Residuales Urbanas Para Pequenos Nucleos de Poblacion
Reutilización de aguas residuales urbanas en la industria ...
Transcript of Reutilización de aguas residuales urbanas en la industria ...
Reutilización de aguas residuales urbanas en la industria: Proyecto LIFE WIRE
O. Ferrer1, M. Pastur1, C. Echeverría1, M. Aceves2
1 CETaqua, Water Technology Centre, 2 Àrea Metropolitana de Barcelona
Contenido
2
• Introducción
• Objetivos
• Materiales y métodos
• Planta piloto demostrativa
• Plan de monitorización
• Resultados
• Operación del adsorbente
• Operación de la ultrafiltración
• Operación de la osmosis inversa
• Comparación de configuraciones
• Calidad del agua tratada
• Conclusiones (operación)
Introducción
3
• El consumo de agua ha crecido el doble de rápido que la población en el último siglo (FAO,2007). En Europa, se considera que un 1/3 de los países sufren escasez de agua (EC, 2012)
• La reutilización de agua está considerada como una alternativa de bajo impacto ambientaly con un coste potencial menor que otras fuentes de agua alternativas (California EnergyCommission, 2005).
• El uso de agua en industrias representa el 18% del consumo de agua potable en Europa(EEA, 2004). Solamente el 0.7% del total de agua residual tratada se reutilizaó en industrias(Iglesias, 2008).
Las predicciones apuntan a un incremento de la reutilización industrial (respect otros usos):
• Son necesarios proyectos demostrativos que demuestren la vialidad y fiabilidad de estapráctica, para así promover la reutilización de agua en la industria
AGRICULTURA
71%
52%
AMBIENTAL
17%
22%
RECREACIONAL
7%
5%
URBANO
4%
9%
INDUSTRIAL
1%
12%
2006
2021
Insitituto Nacional de Estadística, 2014
Título: Water Cycle Efficiency Improvement by Boosting Industrial Water Reuse
Duración: 01/10/2013 – 30/03/2017
Coordinador:
Partners:
Presupuesto: Total: 1.721.875 €Financiación EC (LIFE+): 862.3 k€
4
Introducción
Objetivos
• Demostrar que las tecnologías de ultrafiltración (UF), adsorción (CNM) y osmosis inversa(RO) son técnicamente viables para reutilizar agua residual urbana en diferentes sectoresindustriales
• Optimizar la operación de la UF, CNM y RO en cada configuración en términos de consumode químicos, consumo eléctrico, rendimiento hídrico y subproductos generados
• Proyectar la implementación de estos esquemas de reutilización en las diferentes industrias,para determinar el CAPEX y OPEX asociado y por lo tanto, su viabilidad económica
5
Caso de estudio
Secundario-terciario
Coagulación/floculación
Decantación lamelar
Filtración
Desinfección (UV + cloración)
UF ROAgua residual Primario
UF CNM RO
ERA El Baix Llobregat (Barcelona, España)
LIFE WIRE
6
(12.600 m3/h) (625 m3/h)
(Química, tratamiento de residuos
líquidos, electro-deposición)
Mediombiental
Industrial
Agricultura
Recargade
aquíferos
Urbano
Tratamientos satélites en las industrias
Materiales y métodos
Efluente del tratamiento terciario
PrefiltraciónMaterial: antracita y silexCapacidad: 4.0 m3/h
Columna de CNMMaterial: Saratech adsorbentCapacidad: 2.2 m3/h
Unidad de RO2 etapas (6 membranas)Capacidad: 2.1 m3/h
UF cerámicaMaterial: Al2O3, TiO2, ZrO2Capacidad: 2.0 m3/h
By-pass
Agua producto
7
Planta piloto demostrativa LIFE WIRE
Agu
a ad
apta
da
a lo
s re
qu
erim
ien
tos
de
la in
du
stri
a
8
Octubre 2015 – Mayo 2016
Junio 2016 – Diciembre 2016
Enero 2017 – Febrero 2017
Cáclulo teórico
Materiales y métodos
Planta piloto demostrativa LIFE WIRE
Pre-tratamiento UF CNM RO
Tipo Filtro multicapaMembrana cerámica–
Likuid L91
Carbón de alta eficiencia
SARATECH - Blücher
Membranas de 4 pulgadas en
espiral
HYDRANAUTICS: LFC3-LD-4040
Configuración
Grava 40 Kg
Sílex 80 Kg
Antracita75 Kg
1 módulo de 91 membranas:• D canal: 3,5 mm • # canales: 19 • L: 1.178 mm • Tamaño de poro: 100 nm.• Área de membrana: 22,3 m2
1 filtro con116 kg de
adsorbente.
• H: 1250 mm,
• D: 500 mm
6 membranas.
2 etapas: 1ª etapa 2 tubos con
2 membranas, 2ª etapa of 1
tubo con 2 membranas
Caudal nominal 4 m3/h 2 m3/h 2 m3/h 1,5 m3/h
Parámetros
monitorizados
online
-TMP, presiones de salida/entrada,
caudal, tiempo de filtración
Caída de presión, caudal,
presiones de
entrada/salida
Caudales, presiones
Parámetros
químicos
monitorizados
online
Turbidez de entradaTurbidez de entrada/salida,
temperaturaTurbidez de salida
Conductividades de
entrada/Salida, pH, redox,
temperatura
Objetivo del
tratamiento
Eliminación de sólidos
en suspensión
Eliminación de sólidos y
contenido microbiológico
Eliminación del
contenido orgánicoEliminación de sales
9
Materiales y métodos
Planta piloto demostrativa LIFE WIRE
Materiales y métodos
Plan de monitorización
Alimentación y agua producto de cada unidad
9
• Medida online- pH- Turbidez- Conductividad
• Análisis semanal- Dureza- DQO- TOC- Cloruros- Fosfatos - Nitrógeno amoniacal- Nitrógeno Kjedhal- Sulfatos- Barrido de metales- Aceites y grasas
• Análisis mensual- Hidrocarburos- Microcontaminantes- E. coli- Coliformes totales- Aerobios totales- Legionella spp- Enterococcos- Huevos de helmito- Clostridum perfringens- Bacteriófagos
Autopsia de las membranas (UF, RO)
11
• CNM: Adsorbente en base a carbono de alta eficiencia.
Evaluación de diferentes condiciones con el objetivo de:
– Optimizar la operación hidráulicamente
– Optimizar la eficiencia de eliminación de contaminantes
– Caracterizar el comportamiento tras su regeneración
Resultados técnicos - CNM
02/11/15 – 04/03/16 04/03/16 – 30/08/16 15/11/16 – 30/03/17
Caudal (m3/h) 2,0 – 2,2 1,6 – 1,7 1,0 – 0,8
Velocidad de filtrado(m/h) 10,7 8,5 5,3
Frecuencia BW Cada 3 días Cada 7 días Cada 23 días
Rend. hídrico(%) 99,8 99,9 >99,9
Consumo eléctrico (kW·h/m3 perm.)
0,04 0,04 0,04
Consumo químicos(mL/m3 perm.)
- - -
Operación del adsorbente
12
Resultados técnicos - CNM
Operación del adsorbente
Velocidad de filtración:Antes de regeneración: 10.7 – 8.5 m/hDespués de regeneración: 5.3 m/h
Ab
sorb
anci
a a
25
4 n
m
Parámetro Eficiencia de eliminación (%)
DQO 80 – 20
TOC 85 – 15
Abs 254 nm 90 – 20
Níquel 46 – 7
Hierro 67 – 7
Turbidez 40 - 5
12
Resultados técnicos- UF
Operación de la ultrafiltración
Optimización de las limpiezas hidráulicas
Optimización de la dosis de coagulante
Optimización de las limpiezas
químicas
Pruebas de larga duración
Condiciones óptimas
Resultados técnicos - UF
13
Parámetro Flujo alto Flujo bajo Flujo medio
Alimentación PRE PRE PRE
Temperatura (oC) 20-22 16-18 11-14
Flujo (LMH) 76-72 23-21 34-37
Rendimiento hídrico (%) 92,6 90,1 88,4
TMP (bar) 0,7 - 2,6 0,4 – 2,0 0,6 – 2,5
Consumo energético (kW·h/m3 perm) 0,05 0,08 0,10
Consumo de químicos (mL/m3 perm) 845 221 410
Operación de la ultrafiltración
B6.Assessment of the prototype water quality
15
Resultados técnicos- UF
Autopsia membrana UF
• Micro estructura de la membrana: no dañada
• Clogging: Se puede corregir con limpiezas ácidas• Cloruro férrico• Hidróxido sódico
• Capa activa cubierta por O, Fe, Ca, Mg and C: Precipitación inorgánica: Carbonato de calcio, carbonato de magnesio -> Ajuste de pH y limpieza ácida
Resultados técnicos - RO
15
Alimentación CNM CNM UF CNM + UF
Flujo (LMH)
1ª etapa
2ª etapa
18-19
16-17
16-17
13-14
16-17 16-17
Requerimientos de CIP Cada 12 días
(sin flushing)
Cada 16 días
(1 flushing/d)
Cada 17 días
(sin flushing)
Cada 33 días
(1 flushing/d)
Cada 2 meses
(1 flushing/d)
Cada 3 meses (1
flushing/d)
Consumo de químicos
(mL/m3 perm)
18 / 16 22 / 18 114 89
Operación de la osmosis inversa
CNM permeate
UF permeate
Referencia M1 M2
Modelo (Hydraunautics) LFC3-LV-4040 LFC3-LD-4040
Posición 1 6
Inspección visual: No se observan daños. Bajo ensuciamiento.
Alimentación Permeado
Presencia de hierro en ambas membranas Fe(III):⇨ Debido a la coagulación con FeCl3 aguas arriba
No se observa halogenación de poliamidas (Fujiwara test):⇨ Compuestos oxidantes no han dañado las membranas
No hay precipitación de carbonatos en la membrana
Test de integridad: Paso de tinta negativo
Resultados técnicos - RO
16
Autopsia membranas RO
Resultados técnicos - comparación
17
C I: CNM + RO C II: UF + RO C III: CNM + UF + RO C IV: (CNM+UF) + RO
Parámetros de
diseñoCNM: t contacto: 9 min
Frec. Regener.: 9 meses
RO: 15-20 LMH
UF: 20-25 LMH
RO: 15-20 LMH
CNM: t contacto: 9 min
Frec. Regener.: 9 meses
UF: 30-35 LMH
RO: 15-20 LMH
CNM: t contacto: 9 min
Frec. Regener.: 9 meses
UF: 20-25 LMH
RO: 15-20 LMH
Rendimiento
hídrico(%)99,9 / 75,0 91,0 / 75,0 99,9 / 89,7 / 75,0 99,9 / 91,0 / 75,0
Consumo eléctrico
(kW·h/m3 perm) 1,04 1,10 1,14 1,07
Consumo de
químicos (mL/m3 RO
permeado)
19 423 787 171
Comparación de las configuraciones
Conf I:
• Rendimiento hídrico muy
alto
• Bajo consumo de químicos
• Bajo consumo eléctrico
• Pocas unidades de
tratamiento
• Es necesaria regeneración
Conf II:
• Rendimiento hídrico alto
• Consumo químico muy alto
• Bajo fouling en la membranas de RO
• Pocas unidades
Conf III:
• Consumo químico muy alto
• Alto consumo eléctrico
• Menor fouling en la membranas de RO
• Más unidades
Conf IV:
• Consumo químico muy alto
• Más unidades
B6.Assessment of the prototype water quality
19
Resultados técnicos - calidad
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
Co
nce
ntr
atio
n (
mg/
L)
TOC
0
5
10
15
20
25
30
0
100
200
300
400
500
600
15/07/2015 23/10/2015 31/01/2016 10/05/2016 18/08/2016 26/11/2016 06/03/2017 14/06/2017
TOC
(m
g/L)
Har
dn
ess
and
alk
alin
ity
(mg/
L)
INFLUENTEConfiguración I Configuración II Configuración III
Hardness(CaCO3)
Alcalinity(CaCO3)
TOC(secondaryaxis)
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
500
Co
nce
ntr
atio
n (
mg/
L)
Hardness(CaCO3)
Alcalinity(CaCO3)
Calidad del agua producto
B6.Assessment of the prototype water quality
20
Resultados técnicos - calidad
0
100
200
300
400
500
600
700
Raw water Pre-Treatment CNM permeate UF permeate CNM+UFpermeate
CNM+ROpermeate
UF+ROpermeate
CNM+UF+ROpermeate
Co
nce
ntr
ació
n(u
g/L)
Metales
Si (SiO2)
Zn
Ni
Mn
Fe
B
Ba
Al
0,0
1,0
2,0
3,0
4,0
5,0
6,0
7,0
8,0
9,0
Raw water Pre-Treatment CNM permeate UF permeate CNM+UFpermeate
CNM+ROpermeate
UF+ROpermeate
CNM+UF+ROpermeate
Co
nce
ntr
ació
n (
mg
N/L
)
Nitrógeno total
N-Nitrits
N-Nitrats
NitrògenOrganic
NitrògenAmoniacal
Calidad del agua producto
21
0
50
100
150
200
Raw water Pre-Treatment CNM permeate UF permeate CNM+UFpermeate
CNM+ROpermeate
UF+ROpermeate
CNM+UF+ROpermeate
Co
ne
tnid
om
icro
bio
lógi
co (
NM
P/1
00
m
L, N
MP
/10
0 M
l, N
MP
/10
0 m
L,
UFC
/mL)
E. Coli
Enterococci
Bacteriophagues
Clostridiumperfringens
0
1000
2000
3000
4000
Raw water Pre-Treatment CNM permeate UF permeate CNM+UFpermeate
CNM+ROpermeate
UF+ROpermeate
CNM+UF+ROpermeate
Co
nte
nid
o m
icro
bio
lógi
co (
UFC
/mL,
N
MP
/10
0m
L, N
MP
/10
0m
L)
Total Aerobic
Pseudomonaaeruginosa
Total Coliform
Calidad del agua producto
Resultados técnicos - calidad
22
• La planta piloto demostrativa ha sido capaz de operar de forma continua y estable, siendoalimentada por agua regenerada.
• La calidad del agua producida es estable tecnologías fiables
• El agua producida por la RO cumple con los requisitos de las tres industrias (tratamiento deresiduos líquidos, química, electro-coating) a pesar de las variaciones en el agua de entrada(operación discontinua).
• El adsorbente (CNM) ha sido capaz de operar de forma continua y estable, comportándosede forma similar antes y después de la regeneración. No precisa de químicos durante suoperación, pero es necesaria su regeneración periódicamente (25,000 lechos). Presenta unalto rendimiento hídrico.
• La UF cerámica ha presentado un consumo químicos alto. La realización de una micro-coagulación previa ha permitido disminuir la velocidad de ensuciamiento. Se han halladoprecipitados de carbonato de calcio y de magnesio durante la autopsia.
• La RO ha trabajado de forma estable y ha presentado una alta calidad de permeado. No sehan observado daños físicos, y el nivel de fouling observado ha sido bajo (sin carbonatos).Presencia de hierro debido a la micro-coagulación previa de la UF.
• La configuración CNM + RO es la que tiene un menor consumo de químicos y menorconsumo eléctrico con un mayor rendimiento hídrico (evaluar económicamente lasregeneraciones)
Conclusiones (operación)
Olga Ferrer ([email protected])Mateo Pastur ([email protected])
Carlos Echevarría ([email protected])