Aplicación de la tecnología de membranas en el tratamiento de efluentes generados en la industria de elaboración de conservas vegetales

Resumen

En la presente Tesis Doctoral se evalúa la tecnología de membranas aplicada al tratamiento de las aguas residuales generadas en un proceso del sector agroalimentario. El agua residual seleccionada fue el efluente generado en un proceso de elaboración de conservas de pimiento, caracterizado por unas concentraciones moderadas de DQO y materia inorgánica disuelta. Los tipos de operaciones de membrana considerados para el estudio fueron dos, la ósmosis inversa de baja presión, y la nanofiltración. Se seleccionaron estas operaciones en concreto debido a que a que la mayor parte de la materia orgánica de este tipo de efluente es disuelta, a que la salinidad en muchos casos puede estar por encima de los límites legales de vertido, y a que las especies disueltas solo pueden ser rechazadas en una gran proporción con este tipo de membranas. Previamente a las operaciones de tratamiento de membrana se trató el agua residual considerada para eliminar su contenido de materia en suspensión y coloidal. Se realizó una serie de ensayos de ósmosis inversa y nanofiltración, en ambos casos con un mismo tipo de agua residual y condiciones operativas, a fin de determinar con cuál de las dos operaciones indicadas y bajo qué condiciones se optimizaba el rendimiento del proceso, tanto a nivel de caudal de permeado, como de rechazo de contaminantes. Las variables estudiadas fueron la presión y el tiempo de operación, ya que el proceso tenía lugar bajo condiciones no estacionarias. Las variables respuesta medidas para evaluar el rendimiento del proceso fueron la densidad de flujo de permeado y el rechazo de conductividad, DQO, sólidos totales, sólidos totales volátiles, y dureza total. Además, como las variaciones con el tiempo de estas respuestas a presión constante son debidas al ensuciamiento de la membrana, se incluyeron también en los ensayos una serie de acciones encaminadas a obtener información sobre la naturaleza del ensuciamiento causante de dicha variabilidad. Posteriormente se realizó el ajuste de los datos experimentales obtenidos a un modelo teórico no estacionario, para obtener una herramienta con la que poder predecir el caudal de permeado y la naturaleza del ensuciamiento de la membrana en función de la presión y el tiempo de operación para un agua residual y un tipo de membrana similares a los estudiados. A fin de complementar los ensayos realizados con el agua residual se realizaron con los dos tipos de membranas una serie de pruebas utilizando como alimentación disoluciones sintéticas preparadas para simular a las aguas residuales en estudio. Las disoluciones se prepararon empleando como base agua de red, a la que se le añadió cloruro sódico e hidrogenoftalato de potasio a distintas proporciones para fijar los niveles deseados de conductividad y DQO según el tipo de disolución a ensayar. El objeto de la realización de estas pruebas fue asegurar la utilización de un agua con unas características semejantes en todas ellas y permitir la realización de un número mucho mayor de ensayos. Con ello se elaboró un diseño de experimentos para medir la incidencia de las variables de operación del proceso de separación sobre el rendimiento del mismo. Los factores estudiados fueron la presión, temperatura, concentración y composición de la corriente de alimentación, y las variables respuesta, el caudal de permeado y el rechazo de materia disuelta por la membrana. También se realizó el ajuste de los datos experimentales obtenidos con las disoluciones sintéticas a varios tipos de modelos: dos modelos teóricos, concretamente el modelo de solución-difusión, y una modificación del mismo para incluir el transporte convectivo a través de la membrana, y un modelo empírico obtenido mediante la aplicación de métodos estadísticos a los resultados siguiendo la metodología de superficies de respuesta. En los ensayos realizados con disoluciones sintéticas se apreció como el caudal de permeado dependía fundamentalmente de la presión para ambos tipos de membranas. Sin embargo, si bien el aumento en los sólidos totales de la corriente de alimentación supuso siempre la reducción en la densidad de flujo de permeado con las membranas de ósmosis inversa, con las de nanofiltración, dicha densidad de flujo dependió además de la relación entre los sólidos totales volátiles y los sólidos totales contenidos en la disolución sintética. Según el modelo empírico desarrollado para describir la densidad de flujo de permeado en las membranas de nanofiltración, solo la presión influyó de forma estadísticamente significativa en la misma. En el caso de las membranas de ósmosis inversa, sin embargo, el flujo de permeado se vio afectado significativamente por la presión y la conductividad de la alimentación. Por otra parte, en la nanofiltración y en la ósmosis inversa se observó el aumento de la densidad de flujo de permeado con la temperatura, y que el incremento del flujo de permeado, con respecto al incremento de la presión, aumentó con la temperatura para los dos tipos de membranas. Con respecto a los rechazos observados en los ensayos con disoluciones sintéticas, las principales diferencias entre los dos tipos de membranas fueron: (1) los mayores valores que se obtuvieron con la ósmosis inversa, especialmente de conductividad; (2) el efecto de la presión, el cual solo fue apreciable en el rechazo de conductividad y sólidos totales en las membranas de nanofiltración, y (3) el efecto de los valores de conductividad y sólidos totales en la alimentación en las membranas de ósmosis inversa, que fue mayor que en las de nanofiltración. Según el modelo empírico desarrollado para describir el rechazo de sólidos totales en las membranas de nanofiltración, dicho rechazo depende, por este orden, de la DQO, la conductividad, el producto de la conductividad por la DQO, y la presión. En el caso de las membranas de ósmosis inversa, el modelo empírico desarrollado indica que el rechazo de sólidos totales disminuye con el incremento de la conductividad y aumenta con el de la DQO en la corriente de alimentación; la presión, a diferencia de lo observado en la nanofiltración, no parece tener efecto sobre este rechazo de sólidos en la ósmosis inversa. Los resultados obtenidos en el ajuste de los modelos de solución-difusión y solución-difusión modificado a los datos obtenidos con las disoluciones sintéticas mostraron con claridad que los modelos propuestos se ajustaban mucho mejor para el caso de las membranas de nanofiltración que para el de ósmosis inversa En los ensayos realizados con agua residual se obtuvieron, a igualdad de condiciones, mayores caudales de permeado con la nanofiltración que con la ósmosis inversa. Para ambos tipos de membranas se observó además una reducción en su rendimiento volumétrico con el aumento de la presión, debido al incremento en la acumulación de sólidos en las proximidades o sobre la superficie de la membrana. En este sentido se apreció un ensuciamiento creciente, tanto de naturaleza reversible como irreversible, aunque el efecto de éste último fue más importante en el caso de la nanofiltración. Por otra parte, los rechazos de los distintos componentes del agua residual observados fueron mayores para la ósmosis inversa que para la nanofiltración. Además, dichos rechazos no se vieron afectados por la presión en ninguno de los dos casos. Estos resultados indicaron que, en términos relativos, a igualdad de presión, la membrana de ósmosis inversa se comportó mejor que la de nanofiltración en el tratamiento del agua residual considerada. Adicionalmente, las grandes diferencias observadas para ambas membranas al comparar los resultados de caudal de permeado obtenidos con el agua residual, y con las disoluciones sintéticas, indicaron la gran influencia de la composición del agua a tratar en el rendimiento volumétrico del proceso. Los ensayos con agua residual sirvieron como base para la realización del dimensionamiento básico de sendas instalaciones de nanofiltración y ósmosis inversa de baja presión para el tratamiento de un vertido con unas características similares a las del agua residual estudiada. Si bien, en términos relativos, las membranas de ósmosis inversa mostraron mejor comportamiento que las de nanofiltración en los ensayos con agua residual, los mayores rendimientos volumétricos en términos absolutos de las membranas de nanofiltración las hacen más aconsejables para la aplicación aquí planteada. En vista de los resultados obtenidos con las condiciones de operación y los tipos de membranas estudiados, se establece la operación de nanofiltración a 6 bares de presión como la mejor opción para el tratamiento del agua residual considerada.