El cambio climático está impactando profundamente el contenido y las características de las NOM en las aguas superficiales a través de varios mecanismos complejos, lo que convierte a las NOM en un contaminante central en el tratamiento del agua potable. Las fuentes de agua con alto-NOM generalmente exhiben un alto color y un alto DOC (dosis por unidad de área). NOM no sólo causa problemas de color y olor en los cuerpos de agua, sino que también reacciona con los desinfectantes para generar subproductos cancerígenos.
Los procesos tradicionales de tratamiento de agua potable tienen una eficiencia limitada en la eliminación de NOM, mientras que los procesos convencionales de membranas orgánicas adolecen de inconvenientes como la susceptibilidad a la contaminación y la escasa resistencia a la corrosión. La membrana cerámica junto con la coagulación proporciona una solución innovadora, de bajo-consumo de energía-, compacta y altamente estable para purificar agua superficial con alto-NOM.
Tres métodos de pretratamiento: de la compacidad tradicional a la máxima compacidad
Un equipo de investigación europeo diseñó y comparó tres modelos de pretratamiento de coagulación y floculación, logrando una optimización continua del flujo del proceso garantizando al mismo tiempo la efectividad del tratamiento:
1. Coagulación/floculación tradicional en dos-tanques
Como modo de tratamiento clásico, este proceso emplea un diseño de reacción de dos-etapas: un tanque de mezcla rápida y un tanque de floculación lenta. El agua cruda y el coagulante se mezclan completamente en el tanque de mezcla rápida antes de ingresar al tanque de floculación para completar el crecimiento del flóculo, con un tiempo de retención hidráulica (HRT) total de 21 minutos. Este modo proporciona una reacción completa pero requiere una gran huella y tiene altos costos de construcción.
2. Modo de mezcla rápida
Este modo simplifica el flujo del proceso, eliminando el tanque de floculación lenta y conservando solo la unidad de mezcla rápida. El coagulante y el agua cruda se mezclan y entran directamente al módulo de membrana, reduciendo el tiempo de retención hidráulica a 7 minutos. Si bien mantiene la eficacia básica del tratamiento, simplifica significativamente la configuración del equipo.
3. Modo de floculación tubular en línea
Esta es la solución compacta más innovadora de este estudio. El flujo del proceso es el siguiente: agua cruda + coagulante → mezcla de bomba de alimentación de membrana → floculante tubular → membrana cerámica → permeado. No existe un tanque de reacción durante todo el proceso; la mezcla y la floculación se realizan a través de tuberías. El tiempo de retención hidráulica (HRT) es de solo 45 segundos y el valor G-se controla a 330 s⁻¹. Tiene el tamaño más pequeño entre los tres modos.
Parámetros principales: soporte de hardware de membrana cerámica
En el experimento se utilizó una membrana cerámica que, debido a sus propiedades de material inorgánico de resistencia química y alta resistencia mecánica, se convirtió en el soporte central del hardware para el funcionamiento estable del proceso.
Resultados experimentales: ventajas duales de eliminación de alta-eficiencia + baja-contaminación
El estudio utilizó DOC, color y UV₂₅₄ como indicadores de evaluación NOM y diferencia de presión transmembrana (TMP) como indicador de evaluación de suciedad de la membrana, optimizando el tipo, la dosis y el valor de pH de los coagulantes.
El experimento comparó el cloruro de polialuminio y el cloruro férrico y los resultados fueron bastante esclarecedores:
Eliminación de DOC:
Las sales de aluminio alcanzaron una tasa de eliminación del 50% al 85% a pH 5,5, aumentando al aumentar la dosis.
Las sales de hierro alcanzaron una tasa de eliminación máxima del 87% a pH 4,5 y 10 mg/L.
Eliminación de color:
Aluminum salts were optimally removed at pH 5.5, with a dosage as low as 2 mg/L achieving a removal rate >90%.
Las sales de hierro se eliminaron de manera óptima a un pH de 5,0, lo que requiere 6... Para lograr resultados equivalentes se requieren concentraciones superiores a mg/L.
Un hallazgo clave del estudio es que más coagulante no es necesariamente mejor.
Con 2 mg/L de sal de aluminio: neutralización de carga insuficiente, pequeños flóculos y fácil obstrucción de los poros de la membrana.
A 5 mg/L de sal de aluminio: puede ocurrir una reestabilización de la carga o la carga de la superficie de la membrana puede ser demasiado alta.
Con 3 mg/L de sal de aluminio: la contaminación de la membrana es mínima y el funcionamiento es más estable.
Esto significa que optimizar la dosis es más importante que aumentarla ciegamente.
En cuanto al ensuciamiento de la membrana, presenta una estabilidad extremadamente fuerte, con un ensuciamiento irreversible de la membrana muy bajo. Con una dosis de sal de aluminio de 3 mg Al/L, la tasa de ensuciamiento de la membrana alcanza un nivel óptimo, con un aumento de presión en un solo-ciclo de solo aproximadamente 40 mbar. Combinado con un retrolavado regular, se puede mantener-un funcionamiento estable a largo plazo.
Vale la pena señalar que la concentración de metales residuales en el efluente es un indicador limitante fundamental para la operación del proceso. Dentro del rango de pH óptimo de 4,5 a 5,5 para la eliminación de NOM, las concentraciones residuales de aluminio y hierro superan fácilmente los 150 ug/L (los límites para el aluminio en los "Estándares para la calidad del agua potable GB5749-2022" son 200 ug/L y para el hierro, 300 ug/L). En la ingeniería práctica, es necesario equilibrar el valor del pH y la dosis de coagulante, teniendo en cuenta tanto la eficiencia de eliminación como la seguridad del efluente.
El modo de floculación tubular en línea es la opción preferida
La comparación de los tres modos de pretratamiento reveló:
Las tasas de eliminación de color y DOC rondaron el 80%, con diferencias insignificantes.
Las tasas de ensuciamiento de la membrana irreversible fueron similares (0,06–0,10 mbar/h).
La turbidez del efluente se mantuvo consistentemente por debajo de 0,1 NTU.
Los tres modos no mostraron diferencias significativas en la eficiencia de eliminación de NOM, pero el modo de floculación tubular en línea, con su tiempo de retención hidráulica ultra-corto de 45 segundos y su diseño minimalista sin tanque de reacción, se convirtió en la opción óptima.
Este estudio confirma que el proceso de coagulación-floculación + membrana cerámica es totalmente aplicable a las necesidades de purificación de agua superficial con alto NOM (contenido normalmente de oxígeno): una dosis baja de coagulante logra un tratamiento compatible; la membrana cerámica es lavable y tiene una larga vida útil; y su consumo de energía operativo es mucho menor que el de los procesos tradicionales. El modo de floculación tubular en línea rompe la limitación de la gran huella inherente a los procesos tradicionales de tratamiento de agua, brindando soporte técnico para la construcción de plantas de agua potable compactas e inteligentes.
Conclusión
Ante unos estándares de calidad del agua potable cada vez más estrictos y los desafíos de la contaminación de las fuentes de agua, el proceso de pretratamiento con membranas cerámicas de coagulación-equilibra la efectividad del tratamiento con costos reducidos de ingeniería civil. Con sus principales ventajas de eliminación de alta-eficiencia, baja contaminación, diseño compacto y bajo consumo de energía, proporciona un nuevo enfoque para las plantas de agua que trabajan con fuentes de agua de alto-contenido orgánico-(como agua de embalses en el sur y algo de agua de río en el norte).