Aplicación de la tecnología de membranas
G. Gehlert, H. Wienands, J.L. García
Wehrle Umwelt GmbH (Alemania)

y Á. Cambiella Wehrle Medioambiente, S.L a reducción del consumo de agua y la minimización de la generación de agua residual se están convirtiendo en objetivos primordiales de la industria en general y de la industria química y farmacéutica en particular, impulsados por una mayor concienciación medioambiental y la necesidad de reducción de costes de operación. La reutilización del efluente final de las plantas de depuración de agua residual industrial puede ser una solución efectiva desde el punto de vista económico. El agua residual tratada puede convertirse en agua de proceso.


La reutilización del agua residual industrial puede ser una solución efectiva desde el punto de vista económico al convertirla en agua de proceso. En este artículo se presentan varios ejemplos (industria papelera, planta de reciclado de aceite residual y lavandería industrial) de sistemas de reutilización de aguas residuales basados en la combinación de membranas y reactores biológicos.

En este artículo se presentan varios ejemplos de sistemas de reutilización de agua residual en la industria, basados en la combinación de las tecnologías de separación con membranas y reactores biológicos. Los procesos descritos, correspondientes a una industria papelera, a una planta de reciclado de aceite residual y a una lavandería industrial, muestran la adecuación de la tecnologíapara superar la problemática particular de cada caso.

Tecnología de membranas Las propiedades de separación de las membranas poliméricas se conocen desde hace tiempo. Los primeros intentos de aplicación industrial a gran escala datan de los ensayos de desalación de aguas llevados a cabo por el Departamento de Interior de los EE.UU en los años 50 del siglo pasado [1]. Sin embargo, la baja permeabilidad de las membranas impidió su utilización comercial. En los años 60, S. Loeb y S. Sourirajan consiguen fabricar la primera membrana asimétrica de acetato de celulosa [2], la cual combinaba excelentes características de permeabilidad y retención de sales. Este hecho marca el inicio de la aplicación de la tecnología de membranas a escala industrial.
Membranas en la separación sólido/líquido

La figura 1 muestra el espectro de procesos comerciales de filtración sólido-líquido. Aparte de la filtración, los procesos de separación con membranas se pueden clasificar en microfiltración (MF), ultrafiltración (UF), nanofiltración (NF) y ósmosis inversa (OI). En los dos primeros, las membranas son de carácter poroso; la separación se lleva de acuerdo al tamaño de partícula o soluto. En la ósmosis inversa, en cambio, se emplean membranas “densas” y el principio de separación es la diferencia de solubilidad y difusividad de las especies en el interior de la membrana.
Las membranas de nanofiltración presentan un comportamiento.

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termedio con poros de tamaño inferior a 5 nm. Una característica importante de lasmembranas de NF es la capacidad para separar en función de la carga eléctrica: los iones monovalentes pueden normalmente atravesar la membrana, mientras que aquellos con carga superior son rechazados.
Aplicaciones de los procesos de membranas
–––––––––––––––––––––––––––––––

El amplio intervalo del espectro de procesos con membranas permite su aplicación en muy distintosámbitos de producción. La microfiltración y la ultrafiltración se emplean de forma habitual en la retención de partículas suspendidas y bacterias, con aplicaciones desde el tratamiento de aguas a la industria alimentaria. En este sentido, la reutilización directa del permeado de procesos de UF ó MF sólo es posible si los requerimientos de calidad de las aguas no son muy exigentes. Compuestos solubles, como sales o moléculas orgánicas pequeñas, permean a través de este tipo de membranas y están presentes en el efluente final. La nanofiltración consigue retener la mayoría de estos compuestos, dejando tan sólo pasar aquellos iones monovalentes, con lo que en la mayoría de sus aplicaciones el permeado puede reutilizarse en el proceso productivo.
La principal aplicación de la ósmosis inversa es la desalación de

E

l agua residual
tratada puede
convertirse en agua
de proceso
agua de mar, aunque también tiene
aplicación en el tratamiento de
aguas, como, por ejemplo, en el
tratamiento de lixiviados de vertedero para conseguir los parámetros
de vertido requeridos legalmente.
Reactores biológicos
de membrana
–––––––––––––––––––––––––––––––

Bajo el nombre de reactores
biológicos de membrana (MBR,del inglés membrane bioreactors)
se agrupan aquellos procesos híbridos que combinan un proceso biológico con una etapa de separación

Figura 1.
Espectro
de procesos
de separación
con membranas

con membranas. La principal aplicación de los MBR en el tratamiento de aguas es la combinación
de un proceso de lodos activados
con una etapa de microfiltración o
ultrafiltración para la retención del
lodo [3 4]. Este proceso ofrece
varias ventajas en comparación
con los sistemas convencionales de
lodos activos
• Retención total de los sólidos
en suspensión con elevada calidad
del efluente.
• Mayor edad del lodo, con mejores condiciones para el crecimiento de la microbiota especializada
• Mayor estabilidad de operación.
• Menores necesidades de espacio.
Los sistemas MBR están ampliamente implantados para el tratamiento de aguas residuales de
elevada carga contaminante, como
son los lixiviados de vertederos o
de plantas de biometanización de
residuos sólidos urbanos o las
aguas residuales industriales procedentes de la industria química, alimentaria o farmacéutica. También
tiene aplicación en el tratamiento
de aguas residuales urbanas, especialmente, en aquellos casos en los


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agua residual es preferible un sistema que presente una elevada densidad de flujo de permeado y que
pueda absorber dichas fluctuaciones. Por otro lado, en aguas con alta carga contaminante se requiere
un elevado aporte de oxígeno para
conseguir la degradación de la materia orgánica, lo cual implica un
importante consumo energético
que reduce el potencial de ahorro
de costes en lossistemas de UF de
menor consumo energético. Así, en
el tratamiento de aguas urbanas,
entre el 30% y el 75% del consumo
energético total se destina a los procesos de separación mediante sistemas sumergidos de UF [5], por lo
que, en este caso, el potencial de
ahorro es bastante amplio. En el caso de aplicaciones industriales con
alta carga, el consumo energético
de la UF oscila entre el 5 y el 20%,
con menor margen de ahorro y
donde suele ser más viable los sistemas de UF externos.

que existen mayores restricciones
en los parámetros de vertido o donde no hay una gran disponibilidad
de espacio.
En la práctica se distinguen dos
tipos de sistemas MBR: de membranas sumergidas y de flujo cruzado (Fig. 2). En el primer tipo, las
membranas se encuentran sumergidas en el interior del reactor; la
fuerza impulsora, la presión a través de la membrana, se consigue
mediante la combinación de la presión hidrostática en el interior del
reactor y la aplicación de vacío en
el permeado. En los MBR de flujo
cruzado, el lodo activo se bombea
hacia el sistema de membranas externo, normalmente configurado
en forma de bucles, donde otras
bombas aumentan la velocidad de
flujo para evitar la formación de
capas de polarización por concentración sobre la membrana que limitan su permeabilidad.
Los dos sistemas MBR presentan características y campos de
aplicación muy diferentes. Los
MBR de membranas sumergidas

enero 07

74

Figura 2.
Tipos de
biorreactores
de membrana
en el
tratamiento
de aguas
residuales

presentan un consumo energético
relativamente inferior, pero requieren la instalación de unaelevada
superficie de membrana debido a
su reducida permeabilidad. Los
sistemas de flujo cruzado requieren menor área de membrana y tienen un mayor consumo energético.
En la Tabla I se enumeran los
criterios de selección del tipo de
MBR, la cual depende en gran medida de la situación y del tipo de
agua residual, es decir, del coste
energético, de la carga contaminante y de la estimación de vida útil de
la membrana. Por ejemplo, en
aquellas plantas donde existe una
variación importante del caudal de

El ensuciamiento y sustitución
de las membranas es otro parámetro importante de la selección. En
sistemas sumergidos, la limpieza y
sustitución son muy complejas
mientras que en los MBR de flujo
cruzado ambas operaciones se pueden realizar de modo sencillo sin
interrumpir el proceso biológico.
Ha de tenerse en cuenta, por tanto
las características del agua residual, su potencial de ensuciamiento de la membrana y estimar la
vida útil de las mismas.
Ejemplos
de aplicaciones
industriales
A continuación, se presentan
tres aplicaciones industriales de
reutilización de agua, con procesos
diferentes pero con el denominador

Tabla I. Criterios de selección de sistemas MBR

Criterio
Consumo energético
Sustitución de membranas
Fluctuación de caudal
Carga orgánica admisible

MBR de membranas
sumergidas

MBR de flujo
cruzado

Menor
Complejo
Poco flexible
Media-baja

Mayor
Sencillo
Flexible
Elevada


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común de que la etapa de tecnología con membranas desempeña un
papel clave.

Tabla II. Evolución del consumo de agua
y de la producción de papel en el estadode Baden-Wüttember [6]

Año

Litros de agua por kg papel

1974
1976
1985
1990
1995

Producción en toneladas (x106)

47
36
21
18
15

6,54
6,39
9,3
12,8
14,8

Figura 3. Diagrama de flujo de la planta depuradora en Palm Eltmann

Industria papelera
–––––––––––––––––––––––––––––––

En los procesos de producción
de la industria papelera tiene lugar
un elevado consumo de agua. De
hecho, se estima que si no hay reutilización se necesitan aproximadamente 100 litros de agua por kg de
papel producido. En los últimos 30
años se ha llevado a cabo una importante reducción del consumo de
agua por vías de reutilización, tal y
como muestra la Tabla II, donde se
recoge el consumo de agua en la
producción de papel del estado de
Baden-Württemberg (Alemania).
Los principales productores mundiales de pasta de papel han incorporado la reutilización del agua
residual como una parte más del
proceso de producción. Sin embargo, la complejidad de dicho proceso
y la naturaleza de los contaminantes
presentes en el agua residual, así como las necesidades de calidad final
del agua tratada, requieren la implantación de procesos con un
know-how específico en cada planta.
La incorporación de la tecnología de
membranas como etapa adicional
proporciona numerosas ventajas,
derivadas de la elevada calidad de
agua que se obtiene, como son una
mayor reducción del consumo de
agua o un aumento de los ciclos de
operación de la planta de producción al reducir o eliminar los tiempos muertos durante la misma.
Concepto
La planta de producción de Palm
Eltmann (Alemania) se dedica principalmente alreciclado de papel
usado. Debido a un aumento en la
producción, se llevó a cabo en el año
1999 una ampliación de la planta de
tratamiento de aguas residuales
existente. El diseño de la planta ampliada se muestra en la figura 3.

Figura 4. Evolución de los parámetros de DQO y sulfatos en las corrientes de entrada y salida a la planta de depuración de Palm Eltmann

enero 07

76

A la salida del proceso biológico convencional se instaló un filtro
de arena para la separación de los
sólidos suspendidos. Una parte del
efluente de salida de este filtro de
arena se devuelve al proceso pro-


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Figura 5.
Distribución
de costes en el
tratamiento
de agua
residual en
Palm Eltmann

Costes
En la figura 5 se muestra la distribución de costes del proceso. La mayor parte de éstos son debidos a la
sustitución de membranas y al consumo de productos químicos. También
son significativos la depreciación y el
coste energético. En total suman 46
céntimos/m3, lo cual significa una reducción de aproximadamente el 80%
respecto al coste de agua de red.
Tratamiento de aceites
residuales–Cator
–––––––––––––––––––––––––––––––

ductivo, otra se lleva a una etapa
de nanofiltración (NF) para lograr
una mayor depuración y una tercera parte se vierte directamente al
río Main. La elevada calidad del
permeado de la etapa de NF permite su utilización en los procesos
más exigentes del proceso productivo. El concentrado de la NF se
trata en una etapa de floculación /
sedimentación antes de ser devuelto a la biología.
Resultados
Tras el proceso biológico, el
efluente presenta todavía un eleva-enero 07

78

La planta depuradora de aguas
residuales de Cator (Catalana de
Tractament d'Olis Residuals, Alcover, Tarragona) trata efluentes acuosos procedentes de procesos de
recuperación y reciclaje de aceites
residuales. La planta se diseñó para
un caudal de 50 m3/h de agua residual con un elevado contenido en
sales y aceites en emulsión. El 85%
de este caudal es reutilizado como
agua de refrigeración tras su tratamiento en la planta depuradora.

do contenido en DQO, colorantes y
compuestos orgánicos halogenados
(AOX) disueltos. Mediante la nanofiltración, se consigue eliminar
prácticamente la totalidad de estos
solutos. La figura 4 muestra los valores de concentración de DQO y
sulfatos a la entrada del tratamiento
y en el efluente de la NF.
El caudal de permeado de la NF
es aproximadamente 180 m3/h, con
una tasa de recuperación del 85%.
Con la nueva implantación, se consiguió reducir el consumo específico de agua hasta en 7 litros de agua
por kilogramo de papel.

Figura 6.
Diagrama
de flujo
de la planta
depuradora
en Cator

Concepto
La figura 6 muestra un esquema
del proceso de tratamiento de


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de las sustancias no biodegradables (sales y DQO refractaria). Sin embargo, el destilado
presenta aún un elevado contenido en DQO, el cual se elimina
en un proceso MBR con un rendimiento de eliminación superior al 90%. En esta etapa y para
lograr la degradación biológica
se requiere la adición de pequeñas cantidades de nutrientes como fosfatos o sales minerales.
El permeado de la ultrafiltración se emplea posteriormente
como agua de refrigeración entorres de enfriamiento.
Resultados

Figura 7. Evolución de los valores de DQO a la entrada de la flotación, entrada al MBR y efluente de salida en la planta de Cator

Tabla III. Costes del proceso de depuración
de aguas residuales de Cator (€/m3)
Etapa del proceso
Evaporación
Biología
Ultrafiltración
Pretratamiento / otros
Gestión de concentrados
TOTAL

Depreciación

Costes de operación

TOTAL

3,5
1,8
1,0
0.9

5,4
1,3
1,0
0,5
14,6
22,8

8,9
3,1
2,0
1,4
14,6
30,0

7,20

aguas residuales. Debido al elevado contenido en compuestos refractarios en el agua residual
especialmente aceites y sales, el
tratamiento mediante un proceso
biológico únicamente no es posi-

ble. Por ello, tras una etapa de flotación para eliminar los aceites no
emulsionados y las partículas en
suspensión, el agua residual se lleva a un proceso de evaporación,
donde se eliminan la mayor parte

Los valores de DQO de las corrientes de entrada a la flotación, al MBR y del permeado
de la ultrafiltración se muestran en
la figura 7. En la etapa de evaporación se reduce la DQO en un 80%
con unos valores de DQO en la salida entre 6.000 y 20.000 mg/L. En
el proceso MBR, la carga contaminante se reduce en otro 90-95%,
con una calidad de permeado de
UF, por debajo de los 500 mg/L de
DQO, que permite su aplicación
como agua de refrigeración.
Costes

Figura 8.
Diagrama
de flujo
de la planta
depuradora
en Alsco

Una estimación de los costes de
tratamiento se muestra en la Tabla
III. El coste total de 30 €/m3 puede
parecer a priori muy elevado. Sin
embargo, ha de tenerse en cuenta queel coste de la gestión del agua residual como residuo peligroso en la
comunidad autónoma se estima
en 180 €/m3. Tampoco se ha considerado en este cálculo el ahorro
de agua debido a la reutilización
del efluente. Se observa asimismo que el coste más elevado es el
correspondiente a la gestión de
los concentrados. Los costes de
depreciación y la operación del
evaporador también son significativos. Comparados con éstos
los costes de operación del proceso MBR son muy reducidos.
Lavanderías
industriales
–––––––––––––––––––––––––––

El sector de lavandería industrial es otro de los sectores con

enero 07

80


INGENIERÍA QUÍMICA

salida de la UF y la NF se representa en la Figura 9. Se aprecia que
en el MBR se consigue una reducción de más del 75%. La DQO en
el permeado de la NF está siempre
por debajo de 30 mg/L, y a menudo no es cuantificable por métodos
analíticos estándar.
En la Tabla IV se muestran los
valores de algunos parámetros, como AOX o metales pesados, en las
tres corrientes. Se aprecia que nuevamente la mayor reducción de concentración de contaminante tiene
lugar también en el proceso MBR.
Costes

mayores consumos de agua, la cual
se emplea en la limpieza de todo tipo de prendas textiles, procedentes
a su vez de muy diferentes actividades económicas. Esta diversidad
de origen da lugar a que el agua residual de los procesos de lavado se
encuentre contaminada con muy
diferentes compuestos y que en algunos países, como Alemania,
exista una normativa específica de
vertidos para estas empresas, donde se regulan además de parámetros como DQO, fosfatos o
nitrógeno, otroscomo metales pesados o AOX [7]. Los requerimientos de los valores de vertido son
tales que un efluente que verifique
la calidad exigida es prácticamente
susceptible de ser reutilizado como
agua de proceso.

Figura 9.
Evolución
de los valores
de DQO a
la entrada
de la flotación
entrada al
MBR y efluente
de salida en
la planta
de Alsco

vado. Asimismo, el concentrado de
la NF puede ser tratado en una depuradora de aguas urbanas.
Resultados
La evolución de la DQO en las
corrientes de entrada al MBR y de

Los costes del tratamiento de
aguas se muestran en la figura 10.
En ésta no se incluyen los costes
de personal pues la planta está totalmente automatizada y no requiere la contratación de personal
adicional. El coste total de operación se sitúa en torno a 1 €/m3,
muy por debajo del precio del agua
de red local. Más importante aún
es que se verifican los requisitos

Tabla IV. Concentraciones de metales pesados
y compuestos organohalogenados en las
distintas corrientes del proceso Alsco, en mg/L.

Parámetro

Entrada

Permeado UF

Permeado NF

AOX
plomo
cadmio
cromo
cobre
zinc

0,81
0,19
0,0021
0,063
0,33
0,84

0,13
< 0,01
< 0,001
< 0,01
< 0,1
0,056

0,07
< 0,01
< 0,001
< 0,01
< 0,1
< 0,05

Este es el caso de la planta que
la compañía Alsco tiene en la localidad alemana de Kaiserslautern.
La estación depuradora de esta lavandería se diseñó para un caudal
de 63 m3/día y la puesta en marcha
se llevó a cabo a finales de 2004.
Concepto
Un esquema del diagrama de flujo de la planta depuradora de Alsco
se muestra en la figura 8. Tras unaseparación inicial de fibras, la corriente de agua residual se lleva al
proceso MBR. El permeado de UF
se trata posteriormente en una etapa
de NF para alcanzar los requerimientos de agua de proceso de la-

enero 07

82

Figura 10. Distribución de costes en el tratamiento de agua residual en Alsco


Tratamiento de Aguas
Residuales
tanto de vertido como de reutilización, estimándose que el coste para alcanzar los valores límite de
vertido está en torno a 1,47 €/m3 y
que se destinan unos 0,28 €/m3 a la
reutilización de agua. Además, se
reduce en parte el consumo energético en el proceso pues el efluente de la NF tiene a la salida una
temperatura de unos 35sC.
Conclusiones
La tecnología de membranas se
presenta como una alternativa rentable para el tratamiento y la reutilización o reciclado de aguas residuales.
En este artículo se han presentado
varios ejemplos donde la combinación de procesos de separación con
membranas y biorreactores MBR
permite reducir de forma significativa los costes de operación de distintos procesos productivos.
Así, en la industria papelera,
donde los elevados consumos de
agua obligan en numerosas ocasiones a instalar procesos de trata-

miento y reutilización de agua, la
tecnología de membranas permite,
no sólo el vertido del efluente final, sino también una reducción
significativa del consumo de agua
mediante su reutilización y una
disminución de los tiempos muertos en el proceso productivo.
En el tratamiento del agua residual procedente de un proceso de
reciclado de aceites usados, la implantación de un proceso integrado
de MBR y evaporación evita lagestión del agua residual resultante
como residuo peligroso y un ahorro en los costes de operación en
torno al 80%.
Asimismo se presenta el caso de
una lavandería industrial, donde
las exigencias de valores límite de
vertido obligaron a la implantación
de una planta depuradora mediante
un sistema MBR. Se demuestra
que una pequeña inversión adicional permite la reutilización del
efluente final como agua de proceso con el consiguiente ahorro en el
consumo de agua.

Referencias
[1] R. W. Baker, “Overview of Membrane Science and Technology”, en “Membrane Technology
and Applications”, R.W. Baker (Ed.), John Wiley
& Sons, Ltd, New York (2004).
[2] S. Loeb, S. Sourirajan, “Sea Water Demineralization by Means of an Osmotic Membrane”, en
“Saline Water Conversion–II”, Advances in Chemistry Series ,28, American Chemical Society,
Washington, DC, pp. 117–132 (1963).
[3] F.J. Vizcaya Lozano, F. Estrany Coda, R. Oliver Pujol, “El reactor biológico de membrana en
el tratamiento de aguas residuales”, Ingeniería
Química, 435, 160-167 (2006).
[4] W. Yang, N. Cicek, J. Ilg, “ State-of-the-art of
membrane bioreactors: Worldwide research and
commercial applications in North America”, Journal of Membrane Science, 270, 201-211 (2006)
[5] N. Engelhardt, Chr. Brepols, A. Janot, „Das
Gruppenklärwerk Nordkanal nach einem Jahr Betrieb – eine Perspektive für große Membranbelebungsanlagen“, Proceedings 6th Aachener
Tagung Siedlungswasserwirtschaft und Verfahrenstechnik, Aachen (2005).
[6] https://www.uvm.baden-wuerttemberg.de/umweltplan/text/umpl50.htm
[7] Deutsche Abwasserverordnung, Anhang 55:
Wäschereien