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Obstrucción por acumulación de materiales orgánicos e inorgánicos entre los poros en sistemas de flujo a través de medios porosos.

Problemas de la tecnología de membrana para el tratamiento del agua:

- Metodología de supervisión del funcionamiento de los sistemas de membranas

- Forma de detectar el ensuciamiento y las incrustaciones en la membrana en tiempo real.

- Control de ensuciamiento de las instalaciones de filtración por membrana

- Ensuciamiento:

o compuestos inorgánicos poco solubles o coloidales o partículas en suspensión o compuestos orgánicos disueltos o reactivos químicos

o microorganismos (crecimiento biológico).

- Conformación de la materia orgánica natural (MON):

o polisacáridos (hidrofílicamente neutros) o proteínas (bases)

o sustancias húmicas (incrustación abiótica)

- Presión transmembranal requerida.

- Superficie específica y adhesión bacteriana a la misma.

- Vector vertical del flujo de permeado

Disruptores endocrinos (EDC), compuestos farmacéuticos activos (PhACs), y subproductos de la desinfección (DBPs).

Ensuciamiento de las membranas

El principal problema de las membranas es el ensuciamiento, tanto el externo como el interno. Existen tres mecanismos distintos de ensuciamiento externo y puede atribuirse a uno o más de ellos:

i. cristalización heterogénea de sales minerales en la membrana, formación de incrustaciones ii. acumulación de sólidos rechazados sobre la membrana, formación de la torta o capa de

suciedad

iii. colonización de microorganismos potenciales, denominada biopelícula (incrustación biológica).

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Figura 23: Ilustración esquemática del esquema de formación de incrustaciones (RB.4: Antony Alice et al., 2.011)

El ensuciamiento externo está influenciado por las condiciones de funcionamiento, así como por la química de la solución, la temperatura, la naturaleza de la membrana y la geometría del módulo.

El ensuciamiento interno incluye los posibles cambios en la estructura de la membrana, tales como la

degradación y la compactación de la membrana. La incrustación externa es generalmente reversible y

controlable mediante limpieza química, mientras que el ensuciamiento interno es generalmente irreversible.

El ensuciamiento de superficie es un fenómeno complejo y podría ser una combinación de coloidal, inorgánica, orgánica y la incrustación biológica. La gestión de la formación de la incrustación se puede lograr en la fase de diseño mediante la inclusión de los procesos unitarios para los componentes de la formación de incrustaciones o por la aplicación de anti-incrustantes que retrasar el inicio de la nucleación. (RB.4: Antony Alice et al., 2.011)

Los operadores de plantas, los usuarios finales, los fabricantes y los proveedores de sistemas de membranas se han enfrentado a dos grandes problemas desde el advenimiento de las aplicaciones comerciales de la tecnología de membrana para el tratamiento del agua y la utilización de los procesos de membranas: 1) cómo supervisar el funcionamiento de sus sistemas de membranas, y 2) la forma de detectar el ensuciamiento y las incrustaciones en la membrana en tiempo real, antes que ocurra una pérdida significativa o irreversible de la eficiencia en el rendimiento, lo que resulta en una baja disponibilidad de la planta y costos significativamente más altos de operación y mantenimiento. (RB.85: Saad Mohamad Amin, 2.004).

Para el control de la operación de sistema de membranas es posible utilizar tres estrategias diferentes, con respecto al caudal y a la presión transmembranal (PTM):

1) mantener el caudal constante permitiendo variar (aumentar) la presión transmembranal (PTM) con el tiempo

2) mantener la presión transmembranal constante y dejando que el caudal pueda variar (disminuir) con el tiempo

3) tanto la presión transmembranal como el caudal pueden variar en el tiempo

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El más utilizado tradicionalmente era el método de caudal constante, aunque en los últimos años se ha impuesto el último método, donde ambos parámetros varían en el tiempo (RB.136: Asano T. et al.,

2.007).

Otra forma de caracterizar el ensuciamiento puede ser en términos del método por el cual se elimina (reversible e irreversible para la eliminación física y química, respectivamente), su naturaleza química o de origen (por ejemplo, orgánica, inorgánica, biológica, etc.), o su forma física (disuelto, coloidal, partículas, etc.). El ensuciamiento por partículas se considera que es reversible, ya que es en gran parte eliminado por limpieza física. Otros tipos de ensuciamiento pueden ser irreversibles, requiriendo limpieza química para su eliminación. El funcionamiento sin coagulante resulta en un rápido ensuciamiento y una reducción posterior de los intervalos de limpieza química. La adición de coagulante (sulfato férrico) resulta en una reducción de la suciedad, tanto reversible como

irreversible, lo que permite un funcionamiento sostenible. El uso de niveles bajos de coagulantes

permite por lo tanto que la planta opere con un flujo mayor, lo que equivale a una reducción del área de la membrana y un ahorro de energía (RB.48: Hatt J.W. et al, 2.011).

En ósmosis inversa (OI) y en procesos de nanofiltración (NF) de flujo cruzado la biopelícula o

ensuciamiento biológico es el impedimento más importante. Debido al componente de flujo cruzado,

los microorganismos presentes en el agua de alimentación son transportados a la superficie de la membrana donde se absorben, formando una capa de saturación. Una vez absorbidos, los microorganismos pueden crecer y multiplicarse a expensas de los nutrientes del agua de alimentación, formando una capa de ensuciamiento biológico que reduce los flujos de permeado y dañan la membrana. El ensuciamiento biológico parece ser la forma predominante de saturación compuesta de bacterias y polímeros extracelulares, mientras que el tamaño y la composición de la población de la biopelícula parecen ser convergentes en un número finito. El espectro de la Espectroscopia Infrarroja por Transformada de Fourier (IRTF) de la acumulación de materia orgánica en la membrana NF mostró la presencia de proteínas y aminoácidos y un alto nivel de los residuos alifáticos y polisacáridos (RB.53: Ivnitsky H. et al., 2.005).

El diagnóstico del tipo(s) y el grado de ensuciamiento es el primer paso esencial para controlar el ensuciamiento con el fin de mantener el rendimiento de la planta. Un análisis (escaneo) rápido de la instalación para el diagnóstico de obstrucción implica un estudio in situ de los elementos de una membrana (autopsia), incluyendo la evaluación de los datos de pre-tratamiento. El ensuciamiento, en última instancia, puede conducir a una pronta sustitución de los elementos de membrana. Los mecanismos de ensuciamiento de las membranas en espiral son las incrustaciones (inorgánica,

orgánica y coloidal) y la contaminación biológica.Las incrustaciones por compuestos inorgánicos se

controlan normalmente mediante el uso de un inhibidor de incrustante (polímero, ácido) y las incrustaciones por material coloidal puede ser controlado por el tratamiento previo (por ejemplo,

ultrafiltración). Los procesos de filtración biológica que eliminan compuestos biodegradables, como

pretratamiento, pueden reducir el riesgo de contaminación biológica. (RB.116: Vrouwenvelder J.S. et al., 2.003).

El ensuciamiento biológico,- definido como la acumulación de biomasa en una superficie por el crecimiento y/o deposición a un nivel tal que está causando problemas operativos-, es difícil de cuantificar. Sin embargo, el diagnóstico de la contaminación biológica sólo se justifica cuando se encuentra una relación entre los problemas de funcionamiento encontrados y la acumulación de biomasa, determinada con los parámetros adecuados. El ensuciamiento biológico, que ha sido descrito ampliamente puede causar la reducción de flujo (disminución del coeficiente de transferencia de masa, CTM) y/o el aumento de las caídas de presión (caída de presión normalizada: CPN). Un

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conjunto de parámetros de la biomasa y herramientas analíticas están disponibles, pero la pregunta sigue siendo qué parámetro(s) a cuales niveles son concluyentes para determinar la contaminación biológica como la causa de los problemas de funcionamiento. Los productos químicos, tales como los inhibidores de las incrustaciones (polímeros y ácidos) usados para el control de las incrustaciones en membranas de NF y en las de OI difieren en gran medida en su capacidad para promover el crecimiento de microorganismos y ciertos inhibidores de incrustaciones disponibles comercialmente

pueden causar ensuciamiento biológico. Estos químicos y su dosificación en el pretratamiento (p.e.

floculantes) pueden también causar incrustaciones (no publicadas) (RB.116: Vrouwenvelder J.S. et al., 2.003).

El rendimiento de las membranas de nanofiltración (NF) y ósmosis inversa (OI), involucra complejas interacciones entre la química del agua y las propiedades de la membrana. El ensuciamiento biológico se encuentra fuertemente afectado por la concentración de cationes monovalentes y las propiedades de la membrana, como la rugosidad y el potencial zeta. La alta rugosidad de la membrana y el alto potencial zeta (es decir, membranas más negativas) junto con altas concentraciones de cationes monovalentes en el agua de alimentación contribuyen al control del

ensuciamiento biológico. Las propiedades de la membrana y la composición de carbono orgánico

disuelto (COD) tienen una importancia significativa en la disminución del flujo; la composición del COD, especialmente el ácido húmico, fue identificado como el más factor importante que contribuye a

la formación de ensuciamiento abiótico. Las propiedades de la membrana influyen de manera

importante en la disminución del coeficiente de transferencia de masa: una rugosidad y peso molecular límite altos ayudan a reducir la disminución del CTM y el ensuciamiento biológico

contribuye más a la disminución del CTM que el ensuciamiento abiótico (RB.82: Peng Weihua et al.,

2.004).

El rendimiento de los sistemas de nanofiltración (NF) es controlado por las características del agua de alimentación especialmente la fuerza iónica, las concentraciones y los tipos de cationes divalentes y la materia orgánica natural. En condiciones específicas, la concentración de estos materiales de ensuciamiento puede dar lugar a interacciones complejas que causan disminución rápida y a veces irreversible del flujo debido a la capa de suciedad. La implementación exitosa de un sistema de tratamiento de agua basada en la nanofiltración requiere una cuidadosa selección de la fuente de agua, el tratamiento previo a medida (si es necesario), el establecimiento de las condiciones específicas de operación y de los ciclos de limpieza para mantener la integridad de la membrana y los niveles de producción requeridos (RB.91: Shaalan Hayam Fahim, 2,003).

La materia orgánica disuelta contenida en el efluente de aguas residuales tratadas, comúnmente

conocida como materia orgánica del efluente (MOEf), se ha descubierto que está principalmente

compuesta de productos microbianos solubles (PMS) y ha sido asociada con el significativo

ensuciamiento en membranas de OI. Incluidos en los PMS se encuentran diferentes componentes, sin embargo las proteínas y los polisacáridos, que están presentes en el efluente de aguas residuales, han sido identificados como los principales contribuyentes del ensuciamiento. Las proteínas y los polisacáridos son incrustantes claves para la OI, con los polisacáridos, en particular,

causando pérdidas relativamente altas de permeabilidad. Existen fuertes correlaciones entre las

fuerzas de adhesión intermoleculares,- medidas utilizando microscopía de fuerza atómica (MFA)-, y las tasas de ensuciamiento en experimentos controlados en OI. Sin embargo, existen efectos

sinérgicos cuando varias especies orgánicas están presentes en la alimentación de OI y se ha

reconocido que los estudios que se realizan con especies orgánicas individuales pueden subestimar significativamente el ensuciamiento de la membrana. También se comprobó que las observaciones del ensuciamiento en los primeros días de funcionamiento se distinguían de las siguientes observaciones después de un mes o más de operación, lo que sugiere que los estudios a corto plazo

son incapaces de predecir tendencias a largo plazo en el ensuciamiento (RB.60: Kent Fraser C. et al.,

2.011).

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La MOEf de bajo peso molecular es propensa a ser adsorbida sobre la superficie de la membrana e

iniciar el ensuciamiento orgánico y la posterior contaminación biológica. La complejidad y la

heterogeneidad de la MOEf pueden dar lugar a un ensuciamiento de la membrana de características

físicas y químicas variadas. Además, la química del agua de alimentación (es decir, la presencia de sílice y calcio, fuerza iónica, y el pH de la solución) puede afectar a las interacciones entre los constituyentes de la MOEf e intensificar ensuciamiento de la membrana. Las características de la superficie de la membrana juegan un papel importante en el ensuciamiento de la membrana durante

la fase inicial de la filtración. Las membranas rugosas e hidrófobas con alta permeabilidad muestran

una disminución inicial más severa del Flujo específico corregido por la temperatura (TCSF) (60%) durante la filtración en gran parte debido a la compactación de la membrana y adsorción de la materia orgánica hidrófoba. (RB.124: Xu Pei et al., 2.010).

Limitar los agentes microbianos en el agua de alimentación por medios físicos puede minimizar el crecimiento biológico de las incrustaciones en la torta o capa de suciedad. Sin embargo, una vez que se fijaron en la torta de suciedad, la multiplicación microbiana puede aumentar rápidamente el número de células y la cantidad de materiales de polisacáridos extracelulares dentro de la misma. La disminución de flujo se atribuye a la acumulación de materiales extracelulares más que a la

naturaleza coloidal de las células bacterianas (RB.98: Speth Thomas F et al., 2.000).

En las membranas de UF, las sustancias disueltas más grandes que el tamaño de poro de la membrana, se han identificado como las principales suciedades,- en las aguas residuales domésticas tratadas-, que afectan a la resistencia al ensuciamiento biológico en procesos de UF de flujo normal

(dead-end). A ésta fracción se atribuye más del 50 % de la resistencia total al ensuciamiento causado

durante la filtración de efluentes secundarios y del filtrado lento en arena. Dentro de las sustancias orgánicas disueltas, la concentración de biopolímeros detectados por cromatografía líquida con detección en línea de carbono orgánico (LC-OCD) muestra una correlación cuantitativa con la capacidad de filtración de las muestras de agua en UF de flujo normal. Mayores cargas de biopolímeros entregados (BE) llevan a una mayor resistencia al ensuciamiento. La misma carga de BE exhibe similares disminuciones del flujo independiente del pre-tratamiento de las muestras de agua (efluente secundario o filtrado lento en arena). Por lo tanto, los biopolímeros se consideran la suciedad más importante en la UF que afecta la filtrabilidad de las aguas residuales domésticas tratadas cargadas de MOEf (RB.131: Zheng Xing et al., 2.009). En ultrafiltración de flujo normal de

aguas residuales domésticas tratadas, el contenido de biopolímeros influye sobre la filtrabilidad de las muestras de agua, por lo general de manera proporcional. La reversibilidad hidráulica del ensuciamiento formado continuamente está inversamente relacionada a la concentración de biopolímeros. Los biopolímeros son por lo tanto el mayor incrustante orgánico en la UF. El ensuciamiento por biopolímeros es compresible. El incremento de la presión de filtración resulta en una mayor compresión, generando una resistencia específica de la suciedad mayor y una menor

reversibilidad. Aunque la capa de ensuciamiento de biopolímeros es prácticamente removible

hidráulicamente, las interacciones entre los biopolímeros y las membranas promueve el desarrollo del

ensuciamiento irreversible (RB.129: Zheng Xing et al., 2.010).

La distribución de parte hidrófoba/hidrófila y de carga son importantes propiedades de la MOEf en

términos de potencial de contaminación debido a que tienden a influir en las interacciones entre la MOEf y la membrana. La fuerza de adherencia con la membrana es otro factor importante que

determina el potencial de contaminación de una fracción orgánica además de su cantidad en el agua de alimentación y será definida durante los experimentos de ensuciamiento. En comparación con las membranas de ósmosis inversa utilizadas en el tratamiento de agua potable, los ácidos hidrófobos tales como las sustancias húmicas que representan alrededor del 40-60% de la DQO del agua, a

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menudo se han identificado como el mayor agente de ensuciamiento. Esta observación sugiere que

las estrategias de mitigación del ensuciamiento deben desarrollarse específicamente dirigidos a las suciedades dominantes identificados en una fuente de agua. Por lo tanto, los sistemas de pretratamiento desarrollados para sistemas de ósmosis inversa de agua potable no pueden ser directamente transferibles a los sistemas de ósmosis inversa de tratamiento de aguas residuales

(RB.127: Zhao Yan et al., 2.010).

En términos generales, los aspectos físicos - químicos y de dinámica de fluidos controlan el comportamiento del ensuciamiento coloidal de membranas de filtración. Sin embargo, se puede argumentar de forma segura que los fenómenos de ensuciamiento coloidales de la membrana son

complicados y no se entienden completamente. El método más común y ampliamente aceptado para

la predicción de ensuciamiento coloidal es el Índice de Densidad de (obstrucción por) sedimentos (SDI). El SDI, que es una prueba totalmente empírica está muy arraigado en la práctica, aunque los informes de mala correlación con el rendimiento real de membrana no son pocos; se han hecho trabajos para mejorar las herramientas de predicción para aplicaciones prácticas, dando lugar al desarrollo del Índice de Ensuciamiento modificado para UF (IMF-UF). El enfoque es establecer las condiciones de la torta de filtración en las pruebas de UF y estimar la resistencia al ensuciamiento de la torta formada en la membrana. Esto es en realidad la cuestión clave de este enfoque, es decir, la

"extrapolación" de las resistencias de ensuciamiento obtenidos en las pruebas de UF a las diferentes

condiciones que prevalecen en las plantas de OI y NF. Experimentos de las incrustaciones realizados con membranas de OI confirman que existe una dependencia lineal de las tasas de suciedad con la concentración del material incrustante, que permite la extrapolación de los resultados obtenidos en laboratorio a concentraciones más bajas, que por lo general se encuentran en la práctica. El comportamiento de las incrustaciones se analiza en un esfuerzo para relacionar los resultados de la OI y de las pruebas de UF. Se ha encontrado que la resistencia específica de la torta de hierro coloidal depositada es mucho más pequeña en las pruebas de UF de flujo normal (dead-end) en

comparación con los obtenidos en los experimentos de OI con flujo cruzado. Esta diferencia es menor en el caso de los ácidos húmicos, mientras que la resistencia específica de la capa de suciedad en membranas de UF y OI es muy parecida para los incrustantes de alginato, cuando se corrige para el rechazo incompleto de las especies por UF y la deposición sobre las membranas de ósmosis inversa (RB.94: Sioutopoulos D.C. et al., 2.010)

En los sistemas EDR se presentan tres formas orgánicas que pueden ensuciar las membranas. En primer lugar, niveles muy altos de compuestos orgánicos naturales de alto peso molecular pueden construir depósitos en la superficie de la membrana similar al ensuciamiento coloidal. En segundo lugar, los polímeros artificiales altamente iónicos pueden ensuciar la superficie de las membranas interfiriendo con la operación de la EDR; estos deben ser identificados y evaluados antes de diseñar el sistema de tratamiento. En tercer lugar, los compuestos iónicos orgánicos de peso molecular medio tienen un potencial para ensuciar internamente las resinas de las membranas de intercambio iónico. Los materiales artificiales pueden ser evaluados antes de encomendarse el proyecto y los compuestos orgánicos presentes en la naturaleza no son capaces de ensuciar las membranas modernas de base acrílica en un grado que deban ser reemplazadas. Todas estas posibles formas de ensuciamiento orgánico se producen en los sistemas EDR. En todos los casos ha habido un modo práctico de bajo coste para corregir el problema o mantener la operación sin tener que reemplazar las membranas. La inversión de la polaridad y la combinación de espaciadores tortuosos mejora la capacidad del proceso de EDR para manejar los niveles más altos de material de ensuciamiento coloidal en el agua de alimentación, pero no elimina completamente el potencial de ensuciamiento coloidal. El índice de densidad de sedimentos (SDI) es el método más común de estimar el potencial de ensuciamiento coloidal de un agua de alimentación para una membrana de desaladora. La experiencia con EDR en aguas naturales típicas es que, cuando el SDI a los 5 minutos es inferior a 12, el ensuciamiento coloidal no ocurre; si el SDI a los 5 minutos es mayor que 16 el ensuciamiento

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