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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])