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   ESCUELA UNIVERSITARIA DE INGENIERIA TÉCNICA INDUSTRIAL DE ZARAGOZA PROYECTO FINAL DE CARRERA REDUCCIÓN DE LA CONCENTRACIÓN DE NITRATOS EN AGUAS PARA CONSUMO HUMANO Diseño de una planta mediante la tecnología de biofiltración (UFBAF®)     ALUMNO: MARINA PALACIOS BENITO ESPECIALIDAD: QUÍMICA INDUSTRIAL DIRECTOR: ROSA MOSTEO CONVOCATORIA: SEPTIEMBRE 2010 PFC: Reducción de nitratos en agua prepotable Página 1 de 106 Agradecimientos Quiero dar mi más sincero agradecimiento a Rosa Mosteo como tutora de este proyecto final de carrera, por haber coordinado y dirigido todas las actividades con él relacionadas, además de por su paciencia y comprensión debido a la distancia y a la combinación de éste con mi vida laboral y personal. Agradezco también, muy especialmente, el apoyo, la colaboración, el asesoramiento y la motivación de mi director, Antoni Ventura, que ha hecho de este proyecto un estimulo para seguir estudiando y abriendo nuevas oportunidades en el campo del tratamiento de nitratos en aguas. Es necesario destacar también la colaboración con Air Water Technologies, empresa suministradora de la tecnología UFBAF® y sin la cual, este proyecto, no hubiera sido posible. Y, en último lugar, decir, que este proyecto final de carrera se ha realizado gracias a los conocimientos y experiencias de un amplio abanico de reconocidos profesionales en el sector del agua, que desde especializaciones y ámbitos muy diversos me han ayudado a que éste fuera posible, ellos son: Sergi Menendez, Jordi Barniol, Xavier Bosch, Carme Farré y todos mis compañeros de trabajo. PFC: Reducción de nitratos en agua prepotable Página 2 de 106 Abstract El presente proyecto final de carrera estudia de manera general la tecnología de biofiltración UFBAF®, como alternativa para la reducción de la concentración de nitratos en aguas prepotables, juntamente con otras tecnologías existentes en el mercado como la ósmosis inversa, el intercambio iónico o el proceso HIDRONITREX®. Además, realiza un estudio comparativo de viabilidad, más detallado, entre la tecnología UFBAF®, como proceso biológico, y la tecnología de ósmosis inversa, como proceso físico-químico para el caso concreto de la reducción de nitratos en el agua de abastecimiento en el municipio de Sant Climent (Menorca). En este estudio se comparan los aspectos técnicos, económicos medioambientales y sociales de cada uno de los dos procesos. PFC: Reducción de nitratos en agua prepotable Página 3 de 106 ÍNDICE 1 INTRODUCCIÓN..............................................................................................................4 2 UBICACIÓN Y ENTORNO...............................................................................................6 3 TECNOLOGÍAS APLICABLES.....................................................................................10 3.1 PROCESOS BIOLOGICOS....................................................................................11 3.2 BIOFILTRACIÓN ....................................................................................................18 3.3 ÓSMOSIS INVERSA ..............................................................................................20 3.4 INTERCAMBIO IÓNICO .........................................................................................36 3.5 HIDRONITREX® ....................................................................................................41 3.6 RESUMEN..............................................................................................................44 4 BASES DE PARTIDA....................................................................................................47 4.1 CAUDALES DE AGUA A TRATAR.........................................................................47 4.2 CALIDAD DEL AGUA A TRATAR...........................................................................48 4.3 LEGISLACIÓN APLICABLE ...................................................................................50 5 ESTUDIO Y DISEÑO DE LA PLANTA DE TRATAMIENTO MEDIANTE BIOFILTRACIÓN (UFBAF®).................................................................................................51 5.1 DESCRIPCIÓN DEL PROCESO DE TRATAMIENTO............................................51 5.2 VERTIDO................................................................................................................77 5.3 COSTES DE INVERSIÓN ......................................................................................83 5.4 COSTES DE EXPLOTACIÓN.................................................................................85 6 ESTUDIO Y DISEÑO DE LA PLANTA DE TRATAMIENTO MEDIANTE ÓSMOSIS INVERSA ...............................................................................................................................88 6.1 DESCRIPCIÓN DEL PROCESO DE TRATAMIENTO............................................88 6.2 VERTIDO................................................................................................................96 6.3 COSTES DE INVERSIÓN ......................................................................................96 6.4 COSTES DE EXPLOTACIÓN.................................................................................97 7 CONCLUSIONES Y ESTUDIO COMPARATIVO........................................................101 8 BIBLIOGRAFIA............................................................................................................104 9 ANEJOS.......................................................................................................................106 PFC: Reducción de nitratos en agua prepotable Página 4 de 106 1 INTRODUCCIÓN La afección por nitrato constituye uno de los principales problemas de la contaminación de las aguas subterráneas en España. La existencia de acuíferos actualmente afectados, se debe a la persistente acción, entre otros factores, de los focos contaminantes relacionados con determinadas actividades industriales, agrarias y urbanas. El efecto que tales actividades tienen sobre las aguas subterráneas es el incremento de las concentraciones de compuestos nitrogenados, que pueden alcanzar niveles que suponen un riesgo, para la salud, si se utilizan sin el tratamiento adecuado en abastecimiento urbano. El principal efecto perjudicial para la salud humana derivado de la ingesta de agua con elevadas concentraciones de nitratos y nitritos es la metahemoglobinemia, es decir, un incremento de metahemoglobina en la sangre, que es una hemoglobina modificada (oxidada) incapaz de fijar el oxígeno y que provoca limitaciones de su transporte a los tejidos. En condiciones normales hay un mecanismo enzimático capaz de restablecer la alteración y reducir la metahemoglobina otra vez a hemoglobina, pero cuando la metahemoglobinèmia es elevada, la primera manifestación clínica es la cianosis, generalmente asociada a una tonalidad azul de la piel. En el año 2004, la Organización Mundial de la Salud (OMS) confirmó un valor máximo orientativo de 50 miligramos de nitratos por litro de agua de consumo humano. Valor que ya había sido fijado en el Real Decreto 140/2003, de 7 de febrero, por el que se establecen los criterios sanitarios de la calidad del agua de consumo humano (RD 140/2003), como límite para la concentración de nitratos admisible en el agua. De este modo, se hace necesario, someter a las aguas destinadas a consumo humano y con un elevado contenido en nitratos a un tratamiento que permita verificar los niveles de calidad establecidos por la normativa. El presente proyecto final de carrera de reducción de la concentración de nitratos en aguas para consumo humano estudia la tecnología de biofiltración UFBAF®, como alternativa para el tratamiento de los nitratos en aguas prepotables, juntamente con otras tecnologías existentes en el mercado como la ósmosis inversa, el intercambio iónico o el proceso HIDRONITREX®. Además, realiza un estudio comparativo de viabilidad entre la PFC: Reducción de nitratos en agua prepotable Página 5 de 106 tecnología UFBAF®, como proceso biológico, y la tecnología de ósmosis inversa, como proceso físico-químico para la reducción de nitratos en el agua de abastecimiento en el municipio de Sant Climent (Menorca). En este estudio se comparan los aspectos técnicos, económicos, medioambientales y sociales de cada uno de los dos procesos. El suministro de agua potable al núcleo de Sant Climent se efectúa a través de una red de agua potable procedente de un pozo denominado también, Sant Climent. Actualmente, el agua de este pozo presenta, una elevada concentración de nitratos, habiéndose obtenido resultados de 143 mg/l de nitratos, este valor es claramente superior al límite máximo definido en el Real Decreto 140/2003. En la actualidad, y ante la imposibilidad de suministrar el agua de dicho pozo a la población de Sant Climent, el agua de consumo humano se esta suministrando mediante camiones cisterna, lo que supone un coste muy elevado e imposible de repercutir en la factura del agua. Por todo ello, se hace necesario realizar un tratamiento de la misma para reducir su concentración por debajo de 50 mg/l. La tecnología UFBAF®, es una novedosa tecnología de biofiltración que permite realizar el proceso de desnitrificación biológica en óptimas condiciones y en un espacio muy reducido. Debido a que es un proceso de eliminación del ión y no de separación del mismo de la corriente producto, no genera rechazos que contengan elevadas concentraciones de nitratos. PFC: Reducción de nitratos en agua prepotable Página 6 de 106 2 UBICACIÓN Y ENTORNO Este proyecto final de carrera está ubicado en el municipio menorquín de Sant Climent. La isla de Menorca con extensión total es de 701 km2, es la más oriental y septentrional del archipiélago balear. Este archipiélago está situado este en el centro oeste del Mediterráneo Occidental y esta compuesto además por otras dos islas mayores: Mallorca (3.739 km2), y Ibiza, la más occidental (581 km2); dos islas menores, Formentera, la más meridional (82 km2) y Cabrera (15 km2). La situación de las aguas subterráneas en el archipiélago balear se puede catalogar de aceptable en su conjunto, si bien localmente existen problemas, en algunos casos intensos de presencia de nitratos en contenidos elevados, como se refleja la siguiente tabla donde se representan los puntos según el contenido de nitratos en las cuencas hidrológicas de baleares. PFC: Reducción de nitratos en agua prepotable Página 7 de 106 Tabla 1: Distribución de puntos según el contenido en nitrato en las unidades hidrogeológicas de las cuencas baleares En la tabla 1 se observa que en la isla de Menorca, Migjorn, presenta una deficiente calidad, con cerca del 45% de puntos con contenidos superiores a 50 miligramos por litro (mg/l), situados en el entorno de las dos poblaciones principales Mahón y Ciudadella. Por el contrario, Albaida, no muestra indicios destacables de contaminación por nitrato. PFC: Reducción de nitratos en agua prepotable Página 8 de 106 El municipio Sant Climent, es un núcleo tradicional de Mahon, con 557 habitantes que se urbanizó en 1817 sobre terrenos de la antigua garriga de Mussuptà. En realidad, esta fecha tan reciente es la del intento de agrupar de forma estructurada una población dispersa existente, ya que la zona de Sant Climent ha estado muy poblada desde la época antigua. En la siguiente figura se muestra una vista aérea del núcleo urbano de Sant Climent. Figura 1: Núcleo urbano de Sant Climent (imagen extraída de Google Earth) El suministro de agua potable al núcleo de Sant Climent que pertenece al municipio de Mahón en Menorca, se efectúa a través de una red de agua potable procedente de un pozo denominado también, Sant Climent que alimenta a un depósito con una capacidad de 300 metros cúbicos (m3). Actualmente, el agua del pozo Sant Climent, en base a los resultados analíticos efectuados por el laboratorio de análisis, diagnóstico y certificación medioambiental de LABAQUA presenta una elevada concentración de nitratos. En el caso más desfavorable, se ha obtenido un contenido en nitratos de 143 miligramos por litro. (Ver anejo II) La planta de tratamiento de agua para la reducción de los nitratos se pretende ubicar dentro del emplazamiento de las actuales instalaciones para el suministro de agua (pozo de PFC: Reducción de nitratos en agua prepotable Página 15 de 106 De estos géneros, las Pseudomonas (microorganismos móviles con flagelación polar, presentan una versatilidad metabólica muy grande que se traduce en su capacidad de utilizar como fuente de carbono substratos muy variados) es el género más común y más extensamente distribuido. Se ha demostrado que las especies del género Pseudomonas con capacidad para realizar desnitrificación, pueden hacerlo con una gran cantidad de fuentes de carbono orgánicas. En el caso del municipio de Sant Climent, y como se ha comentado anteriormente, es la concentración de nitratos, en el agua, el parámetro que supera el límite fijado en la legislación vigente, de lo que se deduce que el proceso biológico que debe producirse para su reducción es la desnitrificación. Seguidamente se describe más en detalle dicho proceso biológico. 3.1.3 Desnitrificación Antes de explicar en detalle el proceso de desnitrificación, se definen algunos conceptos básicos para su entendimiento. 3.1.3.1 Conceptos básicos DQO (Demanda Química de Oxígeno): Parámetro que mide la cantidad de sustancias susceptibles de ser oxidadas por medios químicos que hay disueltas o en suspensión en el agua. Se utiliza para medir el grado de contaminación y se expresa en miligramos de oxígeno diatómico por litro (mg O2/l). DBO (Demanda Biológica de Oxígeno): Parámetro que mide la cantidad de materia susceptible de ser consumida u oxidada por medios biológicos. Se utiliza para medir el grado de contaminación, normalmente se mide transcurridos cinco días de reacción (DBO5), y se expresa en miligramos de oxígeno diatómico por litro (mg O2/l). TOC (Carbono Orgánico Total): Es la cantidad de carbono unido a un compuesto orgánico y se usa frecuentemente como un indicador no específico de calidad del agua. Se mide por la cantidad de dióxido de carbono que se genera al oxidar la materia orgánica en condiciones especiales. PFC: Reducción de nitratos en agua prepotable Página 16 de 106 Nutrientes: Los alimentos posibilitan que los seres vivos crezcan y se desarrollen, y a la vez, suministran la energía que nos permite realizar otras actividades vitales. Carga Másica: Es la relación de kilogramos de DQO presentes por metro cúbico y día en el sistema. díam DQOkg Cm 3 Carga hidráulica o velocidad de flujo: Es la relación entre los metros cúbicos de agua tratados y la superficie de filtración por hora. 2 3 m díam Cm 3.1.3.2 Fundamento La desnitrificación tiene lugar bajo condiciones de anoxia en ecosistemas acuáticos. Esta condición se da cuando el oxígeno disuelto se encuentra en poca cantidad y su papel como aceptor de electrones es poco significativo. En estas condiciones, las bacterias con capacidad para realizar la desnitrificación toman como aceptor de electrones al nitrato (o el nitrito en algún caso) con el objetivo de obtener la energía necesaria para el crecimiento. Dada la gran concentración de oxígeno en la atmósfera terrestre la desnitrificación sólo tiene lugar en ambientes dónde el consumo de oxígeno excede la tasa de entrada, tales como algunos suelos y humedales, lugares pobremente oxigenados de los océanos y sedimentos del fondo marino. La clave, pues, para favorecer la actividad desnitrificante de las bacterias heterótrofas presentes en el biofiltro, consistirá en garantizar unas condiciones adecuadas de anoxia. Hace falta tener en cuenta que muchas de estas especies bacterianas son aeróbicas facultativas y pueden utilizar, a menudo, de manera más eficiente el oxígeno disuelto como aceptor de electrones. Energéticamente, es más favorable la utilización de oxígeno que de nitrato, por eso la presencia de oxígeno inhibe la desnitrificación1. En algunos casos, estas 1 La utilización del nitrato como aceptor de electrones libera una energía de 71.67 KJ/electrón equivalente , mientras que si se tiene el oxígeno como aceptor esta reacción libera 93.23 KJ/ electrón equivalente de energía (Metcalf and Eddy, 4ª edición pag. 572) PFC: Reducción de nitratos en agua prepotable Página 17 de 106 especies bacterianas pueden dar lugar a procesos de fermentación en el caso de ausencia de O2 disuelto y de NO3-. En ausencia de O2 disuelto o en concentraciones limitadas, se induce la actividad nitrato reductasa (enzima) de la cadena de transporte de electrones de la bacteria. Esto colabora en la transferencia de hidrógeno y electrones al NO3- que actúa como aceptor de electrones reduciéndose. Los pasos que tienen lugar a lo largo del proceso de reducción del nitrato se presentan a continuación. 22 23 NONNONONO   El primer paso tiene lugar gracias a la actividad del enzima nitrato reductasa desasimiladora. La reducción del nitrito (NO2-) se da en el periplasma de las bacterias dando lugar a óxidos de nitrógeno y finalmente a N2 gas. Una nitrato reductasa periplamática (que puede contener Cu o Citocromo cd1) reduce el nitrito a óxido nítrico (NO). Este compuesto es altamente tóxico y sólo es aceptable por la bacteria en concentraciones muy pequeñas (nanomolares). Así pues, hace falta que se produzca muy rápidamente la reducción a óxido nitroso (N2O). Esto se logra gracias a la actividad enzimática de la óxido nítrico reductasa. El óxido nitroso (N2O) es reducido a nitrógeno por la actividad de la óxido nitroso reductasa periplasmática (NosZ). En términos de desnitrificación biológica, la fuente de carbono puede ser:  La materia orgánica biodegradable soluble presente en el agua a tratar. En general, es baja en el agua de abastecimiento.  La materia orgánica biodegradable soluble producida durante el decaimiento endógeno (respiración endógena).  Una fuente de carbono externa. Generalmente metanol o ácido acético. Debido a que el caso de Sant Climent es un agua de pozo para abastecimiento, su contenido en materia orgánica biodegradable, es bajo, lo que hace necesaria la adición de una fuente de carbono externa. PFC: Reducción de nitratos en agua prepotable Página 18 de 106 Dentro de las diferentes configuraciones de biomasa fija, se ha escogido para el estudio de este proyecto el sistema de biofiltración por ser el más novedoso tecnológicamente, además de ser una tecnología que ocupa poco espacio. 3.2 BIOFILTRACIÓN La tecnología de biofiltración objeto de estudio es la tecnología UFBAF® (Up Flow Biological Aerated Filter®), tecnología que combina en una sola etapa los procesos de filtración, adsorción y oxidación/reducción biológica de los compuestos a reducir del agua a tratar. Además ocupa poco espacio y ahorra en el consumo de reactivos químicos y energía, mejorando los costes productivos del bien que se produce. En la siguiente figura se muestra una fotografía, como ejemplo, de una instalación de biofiltración con tecnología UFBAF®. Figura 3: Instalación de biofiltración con la tecnología UFBAF®.(Cortesía de Air Water Technologies) Los biofiltros, también denominados filtros biológicos, son dispositivos que eliminan una amplia gama de compuestos contaminantes desde una corriente de fluido (aire o agua) mediante un proceso biológico. Las sustancias contaminantes se adhieren a la biopelícula de biomasa formada sobre el relleno y aquí posteriormente son digeridas por microorganismos. La biomasa producida tiene una gravedad específica mayor al agua, por lo que se puede eliminar del efluente mediante lavado del biofiltro y posterior sedimentación gravitacional. Es PFC: Reducción de nitratos en agua prepotable Página 19 de 106 importante señalar que debe existir una eliminación periódica de la misma, ya que ésta confiere materia orgánica al efluente. 3.2.1 Material de soporte El material de soporte del biofiltro debe disponer de la máxima superficie específica y debe proporcionar unas características óptimas, para la fijación de la biopelícula, para la distribución de los nutrientes y para la difusión del nitrógeno hacia el exterior. Así mismo, tiene que permitir un correcto lavado. Entre los materiales más habituales están:  Arcillas expandidas de granulometría, forma, uniformidad y composición adecuadamente estudiadas para el caso a tratar. (UFBAF®).  Material basáltico de granulometría, forma, uniformidad y composición adecuadamente estudiadas para el caso a tratar.  Arenas de sílice con una pureza no inferior al 85% y granulometría entre 1,2 mm y 2,0 mm de medida efectiva, con un coeficiente de uniformidad adecuado y composición estudiada.  Materiales plásticos. 3.2.2 Configuración estructural La planta de tratamiento de aguas para la reducción de nitratos basada en la tecnología de biofiltración, estará compuesta por las siguientes etapas:  Bombeo de impulsión del agua del pozo  Acondicionamiento químico del agua de salida del pozo. Adición de nutrientes, fuente de carbono y de fósforo.  Equipo de biofiltración compuesto por dos unidades con funcionamiento en paralelo.  Reactor de oxigenación del agua (compuesto por un depósito de almacenamiento del agua desnitrificada y un sistema de aireación)  Biofiltros de eliminación de DQO  Filtración de afino realizada con un filtro dual (sílex, antracita) PFC: Reducción de nitratos en agua prepotable Página 20 de 106 Seguidamente, en al figura 4, se muestra un esquema del proceso a seguir y de los caudales y concentraciones de nitratos de cada uno de los flujos: Figura 4: Esquema de tratamiento del agua mediante la tecnología de biofiltración 3.2.3 Vertido El vertido generado por este proceso es el resultante de los lavados de los filtros, y se considera que su calidad es suficiente como para verterlo al colector municipal sin necesidad de realizarle ningún tratamiento previo. En los cálculos realizados posteriormente, en el capítulo de diseño y dimensionado de la instalación del sistema, se justifica su vertido a colector municipal, estando los parámetros de DQO y materia en suspensión (MES) dentro de los límites fijados en la Ordenanza Municipal Sobre el Uso de la Red de Alcantarillado Sanitario del Núcleo Urbano de Mahón. 3.3 ÓSMOSIS INVERSA Antes de entrar de lleno en el proceso de la ósmosis inversa como tratamiento del agua y en la configuración de las plantas con esta tecnología, se definen algunos conceptos básicos relacionados con el propio proceso y con la calidad del agua. 3.3.1 Conceptos básicos Para entender el funcionamiento de la ósmosis inversa se deben tener claros los siguientes conceptos: PFC: Reducción de nitratos en agua prepotable Página 21 de 106 Difusión: Proceso físico irreversible, en el que partículas materiales se introducen en un medio que inicialmente estaba ausente, de manera que se obtiene un conjunto formado por las partículas difundidas o soluto y el medio donde se difunden o disolvente. Normalmente los procesos de difusión están sujetos a la Ley de Fick. La membrana permeable puede permitir el paso de partículas y disolvente siempre a favor del gradiente de concentración. La difusión, proceso que no requiere aporte energético, es frecuente como forma de intercambio celular. La ley de Fick sigue la siguiente relación: siendo D el coeficiente de difusión de la especie de concentración c. Figura 5: Dibujo esquemático de los efectos de la difusión a través de una membrana celular. (www.e-ciencia.com) Permeabilidad: Capacidad de un material para que un fluido lo atraviese sin alterar su estructura interna. Se afirma que un material es permeable si deja pasar a través de él una cantidad apreciable de fluido en un tiempo dado, e impermeable si la cantidad de fluido es despreciable. La velocidad con la que el fluido atraviesa el material depende de tres factores básicos:  la porosidad del material;  la densidad del fluido considerado, afectada por su temperatura;  la presión a que está sometido el fluido. PFC: Reducción de nitratos en agua prepotable Página 22 de 106 Para ser permeable, un material debe ser poroso, es decir, debe contener espacios vacíos o poros que le permitan absorber fluido. A su vez, tales espacios deben estar interconectados para que el fluido disponga de caminos para pasar a través del material. La porosidad específica es la capacidad de un material de absorber líquidos o gases. La capacidad de absorción se puede medir con la siguiente fórmula matemática. Donde: , Masa de una porción cualquiera del material (en seco). , Masa de la porción después de haber sido sumergido en agua: , porosidad másica del objeto expresado (en tanto por ciento). La densidad ( ), denominada en ocasiones masa específica, es una magnitud referida a la cantidad de masa contenida en un determinado volumen, y puede utilizarse en términos absolutos o relativos. En la siguiente tabla se muestran las densidades del agua destilada y del agua de mar. Tabla 3: Densidades de diferentes tipos de agua Sustancia Densidad media (en Kg/m3) Agua destilada 1.000 Agua de mar 1.027 La presión es una magnitud física que mide la fuerza por unidad de superficie, y sirve para caracterizar como se aplica una determinada fuerza resultante sobre una superficie. En el Sistema Internacional de Unidades (SI) la presión se mide en una unidad derivada que se denomina pascal (Pa) que es equivalente a una fuerza total de un newton actuando uniformemente en un metro cuadrado. Conductividad: Capacidad de un cuerpo de permitir el paso de la corriente eléctrica a través de sí. La conductividad en medios líquidos está relacionada con la presencia de sales en solución (salinidad), cuya disociación genera iones positivos y negativos capaces de transportar la PFC: Reducción de nitratos en agua prepotable Página 23 de 106 energía eléctrica si se somete el líquido a un campo eléctrico. Las unidades de medida de la conductividad vienen dadas por micro Siemens/cm (µS/cm) a 20ºC, se puede observar que la unidad esta referenciada a una temperatura, esto es debido a que la conductividad varía en función de la temperatura, por eso para poder trabajar siempre con unos valores comparables se debe fijar una temperatura de referencia y en este caso se ha marcado en 20ºC. Habitualmente cuando se habla de las sales presentes en el agua se suele emplear el término de conductividad, aunque a veces se usa el término salinidad. Se entiende por salinidad, el contenido de sales disueltas en el agua. Su medición se realiza en unidades de concentración, miligramos de sal por litro de agua, o lo que es lo mismo, partes por millón (ppm). En función de la cantidad de sales que tiene el agua, éstas se clasifican en dulces, salobres, salinas y aguas marinas o de mar. En la siguiente tabla se muestran diferentes tipos de aguas en función de su naturaleza salina: Tabla 4: Características de diferentes tipos de agua Tipo de agua Salinidad (ppm) Conductividad (µS/cm a 20ºC ) aprox. Presión de operación Dulce Salobre Salina Marina < 1.000 1.000-10.000 10.000-30.000 > 30.000 < 1.500 1.500-15.000 15.000-45.000 > 45.000 25 bar 29 bar 42 bar 56 bar En la tabla anterior se puede observar que, al aumentar la salinidad aumenta la presión que hay que aplicar a las membranas de ósmosis inversa para obtener la misma retención de sales. Turbidez: Falta de transparencia de un líquido, debido a la presencia de partículas en suspensión. Al aumentar la salinidad (conductividad) del agua de entrada a la ósmosis inversa, debido a que la presión osmótica es mayor, mayor es también la presión necesaria a aplicar para la remoción de sales. PFC: Reducción de nitratos en agua prepotable Página 24 de 106 La turbidez se mide en Unidades Nefelométricas de turbidez, o Nefelometric Turbidity Unit (NTU), o en Unidades Nefelométricas de Formacina (UNF). Según la OMS, la turbidez del agua para consumo humano no debe superar en ningún caso las 5 NTU, y estará idealmente por debajo de 1 NTU. La eliminación de la turbidez es primordial para obtener un agua de consumo humano. pH: El pH es una medida de la acidez o alcalinidad de una solución. El pH es la concentración de iones hidronio [H3O+] presentes en determinadas sustancias. La sigla significa "potencial de hidrogeno". Este término fue acuñado por el químico danés Sorensen, quien lo definió como el logaritmo negativo de base 10 de la actividad de los iones hidrógeno. Esto es: El pH típicamente va de 0 a 14 en disolución acuosa, siendo ácidas las disoluciones con pH menores a 7 y alcalinas las que tienen pH mayores a 7. El pH = 7 indica la neutralidad de la disolución (donde el disolvente es agua). El valor del pH se puede medir de forma precisa mediante un potenciómetro, también conocido como pH-metro, un instrumento que mide la diferencia de potencial entre dos electrodos: un electrodo de referencia (generalmente de plata/cloruro de plata) y un electrodo de vidrio que es sensible al ión hidrógeno. Puesto que el agua está disociada en una pequeña extensión en iones hidroxilo (OH-) y H3O+, tenemos que: Kw = [H3O+]·[OH–]=10–14 en donde [H3O+] es la concentración de iones hidronio, [OH−] la de iones hidroxilo, y Kw es una constante conocida como producto iónico del agua, que vale 10−14. Por lo tanto, log Kw = log [H3O+] + log [OH–] –14 = log [H3O+] + log [OH–] 14 = –log [H3O+] – log [OH–] pH + pOH = 14 PFC: Reducción de nitratos en agua prepotable Página 31 de 106 la eliminación del cloro, mientras que la inyección de bisulfato de sodio puede ser utilizada para eliminar otros agentes oxidantes. La temperatura y la presión pueden afectar también la operación de un sistema de ósmosis inversa. La temperatura del agua de entrada, tiene un efecto marcado en la cantidad de agua que una determinada membrana es capaz de producir. Las características de funcionamiento de esta membrana se basan en una temperatura de agua de entrada de 25 ºC. Por cada grado centígrado (ºC) que ésta disminuya por debajo de 25 ºC, habrá una reducción del 3% en la cantidad de agua producida. Por esta razón, en algunos casos se recomienda ajustar la temperatura del agua de entrada. Aquellas temperaturas que sean superiores a 35 ºC, causarán daños en la mayoría de las membranas. Por consiguiente, para seleccionar la membrana que proporcione la cantidad adecuada de agua, se debe medir la temperatura del agua de entrada. La presión del agua de entrada puede afectar tanto a la cantidad como a la calidad del agua producida por un sistema de ósmosis inversa. Presiones altas como hasta de 400 psig (27.2 bar), no causarán daños en las membranas; por otro lado, la efectividad de la membrana para eliminar impurezas se verá reducida por las bajas presiones de operación. Un sistema de ósmosis inversa, operando a 200 psig (13.6 bar), mejorará la calidad de un 5 a 10%, si se compara con su operación a 60 psig (4.1 bar). Por debajo de 50 psig (3.4 bar), la calidad es afectada más drásticamente. La cantidad de agua producida puede ser también afectada por la presión. Generalmente, entre más baja sea la presión, menor será la cantidad de agua pura producida. Es indispensable conocer la composición del agua de entrada, para así poder seleccionar el mejor material que debe usarse en la membrana para el sistema de ósmosis inversa. La siguiente tabla muestra un resumen de los cinco factores anteriormente comentados y que son los que más afectan las membranas, así como, las limitaciones que estos tienen en función de los materiales de la membrana. Tabla 6: Comparativa de los materiales de las membranas Acetato de celulosa Poliamida pH 4 -8 1 - 11 ÍNDICE LANGLIER Negativo Negativo CLORO LIBRE 0.2 - 1.0 ppm de cloro libre 0.0 BACTERIA Afectado por bacteria, requiere cloro No lo afecta TEMPERATURA 4 -30 ºC 4 – 30 ºC PFC: Reducción de nitratos en agua prepotable Página 32 de 106 3.3.4.2 Morfología de la membrana Las membranas osmóticas son homogéneas, no porosas, de manera que el mecanismo de transporte es por difusión. Las membranas están compuestas de tres capas, siendo la inferior un tejido soporte de poliéster de unas 120 micras de espesor, encima va una capa de un sustrato micro poroso de polisulfona de unas 40 micras de espesor y finalmente la capa activa, la membrana osmótica, a base de poliamida aromática, poliurea o acetato de celulosa, de un espesor de 0,4 micras. Existen dos tipos de membranas contenidas en estos módulos: de fibra hueca y de arrollamiento en espiral. En el caso de membrana de fibra hueca, el agua salada presurizada circula por fuera de las fibras mientras el filtrado circula por el interior de las mismas hacia el final de la fibra donde se recoge el permeado de los miles de fibras. Esta configuración contiene más superficie por unidad de volumen que las espirales. En la figura 10 se puede ver la disposición de los diferentes elementos que componen una membrana con la configuración de arrollamiento en espiral y la dirección y sentido de las corrientes de entrada y salida. Figura 10. Estructura de una membrana de ósmosis (cortesía de Hydranautics) En la figura 11 se muestra la misma membrana pero cerrada, tal y como se disponen dentro de los tubos de presión, en las plantas de ósmosis inversa. El diferente diámetro de la membrana viene determinado por la cantidad de caudal de agua a tratar. PFC: Reducción de nitratos en agua prepotable Página 33 de 106 Figura 11. Membranas de ósmosis inversa (cortesía de Hydranautics) Las membranas que se fabrican actualmente se montan dentro de tubos horizontales de diámetros normalizados, llamados módulos, que mejoran su rendimiento y limpieza, son más compactos y facilitan su sustitución. Estos tubos son los llamados tubos de presión o vessels. 3.3.5 Tubo de presión Las membranas están contenidas en sus respectivos tubos de presión, que son contenedores estancos fabricados con matriz de resina epoxy curada en caliente y fibra de vidrio como refuerzo, cuyas tapas conectan perfectamente con la membrana, por la cara interior, y por la cara exterior tiene dos salidas que comunican con el permeado y el rechazo. A continuación se muestra el esquema de lo que sería un tubo de presión y los flujos de entrada y salida de las corrientes de alimentación, permeado y rechazo. Figura 12. Esquema de un tubo de presión y direcciones de los flujos (cortesía de Code Line) PFC: Reducción de nitratos en agua prepotable Página 34 de 106 3.3.6 Configuración estructural planta de ósmosis Las plantas de tratamiento de agua cuyo objetivo es el suministro de agua de consumo humano y su principal proceso es la ósmosis inversa, están constituidas por diferentes elementos que definen varios niveles de actuación para el tratamiento del agua. La planta consistirá en los siguientes equipos y pasos:  Filtración con un lecho dual compuesto por sílex y antracita.  Acondicionamiento químico del agua de alimentación, previa entrada a las membranas de ósmosis inversa. Regulación del pH con ácido, reductor de cloro para la protección de las membranas y adición de antiincrustante para evitar precipitaciones.  Microfiltración de seguridad.  Bomba de alta presión  Membranas de ósmosis inversa. Salida del agua de permeado al depósito de distribución y salida del agua de rechazo a emisario submarino o tratamiento posterior. 3.3.6.1 Acondicionamiento químico del agua de alimentación Previa entrada al tratamiento de ósmosis inversa, se hace necesario el acondicionamiento químico del agua. Para ello se prevén las siguientes dosificaciones: Dosificación de bisulfito sódico El bisulfito sódico (NaHSO4) se emplea aprovechando sus propiedades como reductor y su capacidad para atacar a numerosos cuerpos orgánicos que destruye y declora. Con la adición de este producto se garantiza que no pasan compuestos oxidantes a las membranas de ósmosis inversa. Por otro lado, este producto ejerce también un efecto bacteria estático, ya que debido a su carácter reductor, reduce el oxígeno presente en el agua y de esta manera la proliferación de las bacterias aeróbicas. PFC: Reducción de nitratos en agua prepotable Página 35 de 106 La reacción de descomposición del cloro, es la siguiente: Cl2 + NaHSO3 + H2O NaHSO4 + 2 HCl Resultando de la descomposición, la formación de bisulfato sódico y ácido clorhídrico. Dosificación de antiincrustante Cuando el agua pasa a través de las membranas de ósmosis inversa, el aumento de la concentración salina tiende a provocar la precipitación del carbonato cálcico y los sulfatos de calcio y bario principalmente. Estas precipitaciones perjudican notablemente el funcionamiento de las membranas. La adición de antiincrustante en línea se realiza con el fin de evitar dicha precipitación que podría dañar gravemente las membranas de la ósmosis inversa. El uso del producto, aumenta el producto de solubilidad de la sal susceptible de precipitar, de tal forma que ayudará a mantener el rendimiento de las membranas minimizando la precipitación de sales dañinas. Dosificación de ácido Es necesario previa entrada a las membranas de ósmosis inversa realizar un control del pH del agua de alimentación, con el fin de evitar la precipitación de las sales de carbonato de calcio y magnesio. Para ello se dosifica un ácido (ácido clorhídrico) que desplaza a los bicarbonatos hacia la forma de monóxido de carbono (CO2) evitando así la formación de carbonatos. CaCO3 + 2 HCl → CaCl2 + CO2 + H2O El CO2 liberado, debido a que su estructura molecular es muy similar a la del agua traspasa libremente la membrana. Seguidamente, en al figura 14, se muestra un esquema del proceso a seguir y los caudales y concentraciones de nitratos de cada uno de los flujos: PFC: Reducción de nitratos en agua prepotable Página 36 de 106 Figura 14. Esquema de tratamiento del agua mediante la tecnología de ósmosis inversa A continuación se detalla el balance realizado para el cálculo de la concentración de nitratos en el agua para consumo humano.   lmglg hm hm lg hm hm NO /43/3,14 /9 /7 /143 /9 /2 3 3 3 3 3  3.3.7 Vertido El rechazo obtenido de la ósmosis inversa, es un agua con alto contenido en sales (salmuera), debido a que su gestión y vertido no es sencilla, debe tenerse muy en cuenta a la hora de decidir la tecnología a aplicar. Este vertido deberá llevarse a mar, mediante emisario submarino o camiones cisterna, o deberá tratarse. 3.4 INTERCAMBIO IÓNICO La tecnología de intercambio iónico consiste en el cambio de iones móviles unidos por fuerzas electrostáticas a grupos funcionales ácidos o básicos, situados en la superficie de un sólido (resina), por iones de carga similar de la disolución con una mayor afinidad por el grupo funcional. PFC: Reducción de nitratos en agua prepotable Página 37 de 106 3.4.1 Resinas de intercambio iónico Las resinas de intercambio iónico son materiales sintéticos, sólidos e insolubles en agua, que se presentan en forma de esferas o perlas de 0.3 a 1.2 mm de tamaño efectivo, aunque también las hay en forma de polvo. Están compuestas de una alta concentración de grupos polares, ácidos o básicos, incorporados a una matriz de un polímero sintético (resinas estirénicas, resinas acrílicas, etc.) y actúan tomando iones de las soluciones (generalmente agua) y cediendo cantidades equivalentes de otros iones. La principal ventaja de las resinas de intercambio iónico es que pueden recuperar casi la totalidad de su capacidad de intercambio original, mediante el tratamiento con una solución regenerante. 3.4.1.1 Tipos de resinas Las resinas de intercambio iónico pueden ser de los siguientes tipos dependiendo de cual es el ion que aporta al agua potable: Si aporta iones negativos (aniones, como en el nuestro caso los cloruros, Cl-) se tratará de una resina aniónica; si aporta iones positivos (cationes) se denomina catiónica. a. Resinas catiónicas de ácido fuerte  Resinas catiónicas de sodio: eliminan la dureza del agua por intercambio de sodio por el calcio y el magnesio (descalcificadores).  Resinas catiónicas de hidrógeno: pueden eliminar todos los cationes (calcio, magnesio, sodio, potasio, etc) por intercambio con hidrógeno. b. Resinas catiónicas de ácidos débiles: eliminan los cationes que están asociados con bicarbonatos. c. Resinas aniónicas de bases fuertes: eliminan todos los aniones. Su uso se ha generalizado para eliminar aniones débiles en bajas concentraciones, tales como: carbonatos y silicatos. PFC: Reducción de nitratos en agua prepotable Página 38 de 106 d. Resinas aniónicas de base débil: eliminan con gran eficiencia los aniones de los ácidos fuertes, tales como sulfatos, nitratos y cloruros. 3.4.2 Principio de funcionamiento El intercambio iónico funciona en ciclos compuestos por dos procesos distintos: En el primero de ellos, el de producción, el agua cruda de la cual se quiere retirar un determinado ion, se pasa a través de la resina, la cual intercambia éste por otro, menos dañino para la salud. Una vez que la resina ha agotado las reservas de este ion, se procede a realizar lo que se denomina un ciclo de regeneración, con el fin de volver a restituir la resina con los iones iniciales. Una vez la resina esta regenerada, puede procederse a un nuevo ciclo de producción de agua potable. En el caso del municipio de Sant Climent se utilizará una resina del tipo aniónica de base débil. El intercambio, se produce entre iones nitratos provenientes del agua de alimentación e iones cloruro soportados en la resina. La mejor forma de representar el proceso que ocurre en una resina es mediante una reacción química, en la que la resina, que suele tener una composición química compleja, se representa mediante la letra R. La representación de funcionamiento de una resina aniónica para el proceso de desnitrificación sería la siguiente: Ciclo de producción R-Cl- + NO3-  R- NO3- + Cl- , es decir, la resina (R) que retiene nitratos y libera cloruros. Ciclo de regeneración R- NO3- + Cl-  R-Cl- + NO3- , realiza la operación contraria. 3.4.2.1 Regeneración La regeneración de las resinas de intercambio iónico es el proceso inverso al de producción y tiene por finalidad devolver a la resina de intercambio iónico su capacidad inicial de PFC: Reducción de nitratos en agua prepotable Página 39 de 106 intercambio. Esto se realiza haciendo pasar soluciones que contengan el ión móvil original, el cual se deposita en la resina y desaloja los iones captados durante el agotamiento. Para la regeneración de las resinas de intercambio iónico se usan diferentes soluciones regenerantes, dependiendo del ion a eliminar. En el caso de Sant Climent la solución regeneradora es sal común (cloruro de sodio). Una vez regenerada la resina está lista para un nuevo ciclo de intercambio iónico. En el caso de la eliminación de nitratos, la regeneración se realiza con una solución concentrada de cloruro sódico. El agua que ha sido utilizada para realizar la regeneración contiene un alto contenido en nitratos, lo que la hace no apta para agua de consumo humano. Si bien la eliminación de nitratos a través de resinas de intercambio iónico depende básicamente del tiempo de contacto del agua con las resinas, también es cierto que intervienen, entre otros factores, la concentración en fosfatos y la conductividad. Es por ello, que es difícil establecer a priori la eficiencia de estos equipos. 3.4.3 Configuración estructural La planta para la eliminación de nitratos mediante resinas de intercambio iónico, consistirá en los siguientes elementos:  Bombeo de impulsión del agua del pozo.  Acondicionamiento químico del agua de salida del pozo, para control biológico, con hipoclorito sódico.  Equipo desnitrificador compuesto por dos resinas de intercambio iónico, una funcionando y la otra en reserva y una válvula reguladora de presión (sistema dúplex).  Sistema de regeneración (depósito de almacenamiento de la salmuera para la regeneración de las resinas y bomba de alimentación de salmuera).  Depósito de agua tratada con una instalación de recloración en la recirculación del mismo.  Sistema de vertido compuesto por un depósito de homogenización de las aguas de lavado y tratamiento o gestión del vertido a mar. PFC: Reducción de nitratos en agua prepotable Página 40 de 106 Seguidamente, en la figura 15, se muestra un esquema del proceso a seguir y los caudales y concentraciones de nitratos de cada uno de los flujos: Figura 15. Esquema de tratamiento del agua mediante la tecnología de intercambio iónico Si se tiene en cuenta que para aguas no muy cargadas se puede llegar a eliminar un máximo del 80% de los nitratos, y la concentración de nitratos a la entrada es de 143 mg/l se prevé obtener un agua de salida con una concentración de 28,6 mg/l. A continuación se detalla el balance realizado para el cálculo de la concentración de nitratos en el agua para consumo humano.   lmglg hm hm lg hm hm NO /6.47/6.28 /12 /10 /143 /12 /2 3 3 3 3 3  3.4.4 Vertido Las necesidades del agua de lavado (el lavado debe realizarse con agua tratada), son de un caudal el doble del que circula en condiciones normales a través de las resinas, es decir de 20 m3/h. El lavado se prevé que se realice cada 24 horas y durante aproximadamente media hora. PFC: Reducción de nitratos en agua prepotable Página 47 de 106 4 BASES DE PARTIDA A continuación se describe la documentación y datos de partida que servirán como base para el posterior diseño y dimensionado de la planta de tratamiento de agua del municipio de Sant Climent.  Datos analíticos a la calidad del agua del pozo de Sant Climent. (Anejo II)  Caudales necesarios de agua a tratar.  Concentración de nitratos en el agua a la entrada y salida de la planta.  Normativa aplicable al agua de vertido (lavado de filtros).  Normativa aplicable a la calidad el agua de consumo humano. 4.1 CAUDALES DE AGUA A TRATAR La capacidad máxima de extracción de agua del pozo es de 12 m3/h, y dado que el consumo medio de la población es del orden de 150 m3/día, se calcula que el bombeo trabajará aproximadamente 12.5 horas al día. Si bien esto no es del todo cierto, ya que se deben tener en cuenta el tiempo destinado al llenado del depósito de acumulación de agua para las limpiezas, se tomará este dato como real para realizar los cálculos, puesto que son las horas necesarias de funcionamiento para suministrar el agua de consumo humano. Se consideran los siguientes datos de partida:  Caudal de tratamiento máximo de 12,00 m3/h.  Consumo diario de agua por parte de la población: 150 m3/día Tabla 8: Resumen de los datos de partida considerados Datos de partida Caudal medio diario 150 m3/d Caudal de diseño 12,0 m3/h Horas de trabajo de diario 12,5 h/d Temperatura del agua 15 ºC En la tabla 8 se muestran los datos de partida que se han tomado para realizar el diseño de la planta de tratamiento del agua. Se ha considerado que la temperatura del agua del pozo es de 15ºC (según los datos tomados en varias ocasiones por el personal que opera la planta). PFC: Reducción de nitratos en agua prepotable Página 48 de 106 4.2 CALIDAD DEL AGUA A TRATAR Se considera una concentración máxima de nitratos (NO3-) en el agua a tratar de 143,00 mg/l o ppm (partes por millón) (valor máximo obtenido en los resultados analíticos), ver anejo II, y una concentración máxima a la salida inferior al límite fijado por el Real Decreto 140/2003, (50,00 mg/l), por el que se establecen los criterios higiénico sanitarios del agua de consumo humano. Para el caso de la biofiltración, se ha fijado una concentración máxima de nitratos en el agua tratada de 43,00 mg/l. A continuación, sabiendo la concentración de nitratos en el agua a tratar y la concentración en el agua tratada, se calcula la cantidad nitratos que el sistema debe eliminar del agua: - [NO3-] entrada = 143 mg/l (ppm) h kgNO h m m l mg kg l mg   3 3 3 3 3716.1 12 1 10 10 1 143           dia kgNO dia h h kgNO 33 45.215.12716.1 Kg de nitratos que entran en la planta de tratamiento por día - [NO3-] salida = 30 mg/l (ppm) h kgNO h m m l mg kg l mg   3 3 3 3 3516.0 12 1 10 10 1 43           dia kgNO dia h h kgNO 33 37.65.12516.0 Kg de nitratos que salen de la planta de tratamiento por día - [NO3-] a eliminar: KgNO3-/h  1.716 – 0.516 = 1.200 KgNO3-/h KgNO3-/dia  21.45 – 6.37 = 15.08 KgNO3-/día PFC: Reducción de nitratos en agua prepotable Página 49 de 106 En la siguiente tabla se expone un resumen de las concentraciones de nitratos presentes en el sistema de tratamiento: Tabla 9: Concentraciones de nitratos presentes en el sistema de tratamiento Calidad del tratamiento a lograr Cantidad de NO3- en el afluente 1,716 Kg/h 21,45 Kg/d Cantidad de NO3- en el efluente 0,51 Kg/h 6,37 Kg/d Cantidad de NO3- a eliminar 1,20 Kg/h 15,08 Kg/d 4.2.1 Caracterización del agua bruta (salida del pozo) Según los análisis realizados por laboratorio de análisis, LABAQUA, la caracterización del agua de entrada al sistema (alimentación) es la indicada en la siguiente tabla: Tabla 10: Caracterización del agua de alimentación Parámetro analizado Resultado analítico 15/09/2009 Resultado analítico 19/05/2009 Límites RD 140/2003 pH 7 U. pH 7.6 U. pH 6.5-9.5 U. pH Conductividad a 20ºC 1278 µS/cm 1228 µS/cm 2500 µS/cm Amonio 0.14 mg/l 0.18 mg/l 0.5 mg/l Oxidabilidad 1.0 mg O2/l 0.6 mg O2/l 5.0 mg O2/l Nitritos < 0.02 mg/l < 0.02 mg/l 0.1 mg/l Nitratos 148.0 mg/l 155.0 mg/l 50 mg/l Cloruros 181.0 mg/l 184.0 mg/l 250 mg/l Sulfatos 65.3 mg/l 59.5 mg/l 250 mg/l Hierro* 620 µg/l 476 µg/l 200 µg/l Se observa, en los datos presentados en la tabla 9 que los niveles de hierro y de nitratos sobrepasan los valores establecidos por el Real decreto 140/2003. (*).- Los niveles de hierro no se han tenido en cuenta debido a que esta instalación ha estado mucho tiempo en desuso y se considera que el hierro analizado en el agua proviene de la tubería de aspiración del pozo, que es de este mismo material. PFC: Reducción de nitratos en agua prepotable Página 50 de 106 4.3 LEGISLACIÓN APLICABLE A continuación se expone un resumen de la normativa más importante que hay que tener en cuenta a la hora de diseñar un tratamiento para un agua de consumo humano. 4.3.1 General  Reglamento del Dominio Público Hidráulico.  Directiva Marco del Agua (2000/60/CEE).  Real Decreto 606/2003, del 23 de mayo, por el que se modifica el Real Decreto 849/1986, de 11 de abril, por el que se aprueba el Reglamento del Dominio Público Hidráulico, que desarrolla los Títulos preliminar, I, IV, V, VI y VIII de la Ley 29/1985, de 2 de agosto, de Aguas. 4.3.2 Agua potable  Directiva 98/83/CE del consejo del 3 de noviembre de 1998 relativa a la calidad de las aguas destinadas al consumo humano.  Real Decreto 140/2003, del 7 de febrero, por el que se establecen los criterios sanitarios de la calidad del agua de consumo humano.  Orden SCO 1591/2005, de 30 mayo, sobre el Sistema de Información Nacional de Aguas de Consumo.  Orden SCO 3719/2005, de 21 de noviembre, sobre sustancias para el tratamiento del agua destinada a la producción de agua de consumo humano (BOE 287 del 1/12/2005). 4.3.3 Agua residual  Directiva 91/271/CEE, de 21 de mayo de 1991, sobre el tratamiento de las aguas residuales urbanas.  Ordenanza Municipal Sobre el Uso de la Red de Alcantarillado Sanitario del Núcleo Urbano de Mahón De esta normativa, aquella que más va a regir el proceso de tratamiento y que más nos va a condicionar el diseño en cuanto a calidades de agua es el RD 140/2003 para el agua tratada y la Ordenanza Municipal Sobre el Uso de la Red de Alcantarillado Sanitario del Núcleo Urbano de Mahón. Ambas están adjuntadas en el anejo V. PFC: Reducción de nitratos en agua prepotable Página 51 de 106 5 ESTUDIO Y DISEÑO DE LA PLANTA DE TRATAMIENTO MEDIANTE BIOFILTRACIÓN (UFBAF®) 5.1 DESCRIPCIÓN DEL PROCESO DE TRATAMIENTO Como se ha descrito en el apartado 3.2.4., la planta consta de diferentes niveles de actuación para el tratamiento del agua, todo ellos con el objetivo es obtener de agua de consumo humano. En este apartado se describe detalladamente el proceso de tratamiento adoptado para la eliminación de nitratos del agua de consumo humano de Sant Climent, cuyo principal tratamiento es la tecnología de biofiltración, UFBAF®, así como los equipos que componen la planta y los cálculos realizados para el dimensionado de los mismos. El proceso de tratamiento esta compuesto por las siguientes fases o pasos:  Bombeo  Pretratamiento: Acondicionamiento químico del agua  Tratamiento: Biofiltración para desnitrificación  Filtración para eliminación de DQO  Filtración de afino  Almacenamiento 5.1.1 Bombeo del agua de pozo Se dispone para la extracción del agua del pozo, de una bomba sumergible con una capacidad de 12,00 m3/h y 90 m.c.a. (metros de columna de agua), debido a que el nivel freático se encuentra a ésta profundidad. Este caudal de extracción viene fijado por la capacidad máxima de extracción del pozo. La planta tendrá, considerando las necesidades de agua diarias a la población y las necesidades diarias de lavado de los filtros, un régimen de funcionamiento entre 12.5-15 horas al día aproximadamente. La bomba estará equipada con un variador de frecuencia que irá controlado, por un lado, por la concentración de nitratos en el agua del pozo y por otro, por el nivel de agua del depósito posterior a la extracción del pozo. PFC: Reducción de nitratos en agua prepotable Página 52 de 106 Este depósito esta provisto de un medidor de nivel ultrasonidos que regulará junto con el medidor de nitratos en continuo, el funcionamiento de la bomba del pozo. Mediante este sistema se podrá controlar el caudal extraído por la bomba con el objetivo de ajustarse a los requerimientos del tratamiento dimensionado. Así mismo, y aun teniendo en cuenta que la variabilidad de la concentración de nitratos en el pozo será baja, si se detectan concentraciones de nitratos superiores a 143 mg/l, el variador de frecuencia permitirá actuar sobre la bomba reduciendo el caudal de extracción. En caso contrario, si la concentración de nitratos disminuye, la bomba como máximo seguirá extrayendo 12 m3/h ya a que es la capacidad máxima del pozo. Del mismo modo la bomba del pozo vendrá regulada también, por el nivel del depósito posterior, de tal forma que cuando el depósito se encuentre en su nivel máximo la bomba parará. El sistema de biofiltración se dimensiona para admitir una concentración máxima de NO3- de 143,00 ppm con un caudal de extracción de 12,00 m3/h. 5.1.2 Pretratamiento: Acondicionamiento químico del agua Seguidamente al pozo, el agua llega a un depósito de 10 m3 (depósito de entrada), construido en PRFV (Poliéster Reforzado con fibra de Vidrio) donde se realizan las dosificaciones de los nutrientes y la medición en continuo de la concentración de nitratos comentada en el apartado 4.2. Previa llegada al depósito de entrada se dispone de un caudalímetro electromagnético para llevar el control del caudal que llega a planta. La fuente de carbono necesaria para la realización de los procesos biológicos de las bacterias y obtención de energía, puede provenir de la materia orgánica del agua o de una fuente externa, como se ha descrito anteriormente. En el caso del núcleo urbano de Sant Climent, al ser un agua de pozo, la materia orgánica presente en el agua es muy escasa, por lo que se hace necesario la adición de una fuente de carbono externa y fácilmente asimilable, ésta puede ser metanol o ácido acético. PFC: Reducción de nitratos en agua prepotable Página 53 de 106 A continuación se detallan las reacciones y los cálculos para la adición del metanol (CH3OH) y del ácido acético (CH3COOH) como fuentes de carbono externas y se estudia cual de ellas es más adecuada. Se realizan también, los cálculos oportunos para determinar su concentración en el agua y se definen los sistemas y equipos más apropiados para su correcta dosificación. 5.1.2.1 Metanol Para el caso de dosificación de metanol como fuente de carbono externa, se tiene, que la reacción resultante de la acción de los microorganismos teniendo el NO3- como aceptor de electrones es: OHCONNOHCHOHCHNO 22227533 44.276.047.0065.008.1       3 3 3 3 3 3 3 356.0 62 1 1 32 08.1 NOg OHCHg NOg NOmol OHCHmol OHCHg NOmol OHCHmol cantidad de metanol eliminada estequiométricamente por nitrato eliminado.               3 3 3 3 3 35.2 14 62 56.0 NONg OHCHg NONg NOg NOg OHCHg cantidad de metanol eliminada estequiométricamente por nitrógeno como nitrato eliminado.         h OHCHkg h NOkg NOkg OHCHkg 33 3 367.0200.156.0 caudal másico de metanol eliminado estequiométricamente del sistema Cantidad de metanol consumida por los microorganismos por gramo de nitrato eliminado del sistema = 0.56 g CH3OH/g NO3-. PFC: Reducción de nitratos en agua prepotable Página 54 de 106 5.1.2.2 Ácido acético Para el caso de dosificación de ácido acético, tenemos que la reacción resultante de la acción de los microorganismos teniendo el NO3- como aceptor de electrones es: 2227533 45.01.21.085.0 NOHNOHCHNOCOOHCH    (Desnitrification of groundwater using acetic as a carbon source. A.Mohseni-Bandpi, D.J. Elliott and A. Momeny-Mazdeh) Teniendo en cuenta la reacción global del proceso, se calculan los gramos de ácido acético consumidos por los microorganismos por gramo de nitrato eliminado.    3 3 3 3 3 3 3 382.0 62 1 1 60 1 85.0 NOg COOHCHg NOg NOmol COOHCHmol COOHCHg NOmol COOHCHmol Cantidad de ácido acético eliminada estequiométricamente por nitrato eliminado.               3 3 3 3 3 363.3 14 62 82.0 NONg COOHCHg NONg NOg NOg COOHCHg Cantidad de ácido acético eliminada estequiométricamente por nitrógeno como nitrato eliminado. h COOHCHkg h NOkg NOkg COOHCHkg 33 3 398.020.182.0    caudal másico de ácido acético eliminado estequiométricamente en el sistema Cantidad de ácido acético consumida por los microorgansimos por gramo de nitrato eliminado del sistema =0.82 g CH3COOH/g NO3-. La energía obtenida de este proceso será utilizada por los microorganismos para su crecimiento bacteriano. No obstante, hace falta tener en cuenta que, en ausencia de amonio en cantidades suficientes, una parte de nitrato será utilizada como fuente de nitrógeno estructural (asimilación del nitrato). En el caso de disponer de amonio, este es elegido preferentemente como fuente de nitrógeno para estructura. PFC: Reducción de nitratos en agua prepotable Página 55 de 106 5.1.3 Relación DQO frente a la fuente de carbono externa Teniendo en cuenta que la fuente de carbono añadida al sistema confiere una Demanda Química de Oxígeno (DQO) al agua a tratar, se deberá calcular que cantidad de DQO, expresada como kilos de oxígeno es eliminada estequiométricamente por kilo de nitrato eliminado. La DQO o Demanda Química de Oxígeno es la cantidad de oxígeno necesaria para oxidar toda la materia orgánica y oxidable presente en un agua residual. Es por tanto una medida representativa de la contaminación orgánica de un efluente siendo un parámetro a controlar dentro de las distintas normativas de vertidos y que nos da una idea muy real del grado de toxicidad del vertido. Existen distintas formas de disminuir la DQO como los tratamientos físico-químicos, la electrocoagulación y el ozono. A continuación se describen las reacciones que tienen lugar en el caso de utilizar metanol o ácido acético, como fuente de carbono externa: 5.1.3.1 Relación DQO/CH3OH La reacción producida entre el metanol y el oxígeno es la siguiente, se toman los gramos de O2 como gramos de DQO: OHCOOOHCH 2223 2 2 3 (Metcalf and Eddy) 2 2 2 3 2 3 3 35.1 1 32 1 5.1 32 1 1Og Omol Og OHCHmol Omol OHCHg OHCHmol OHCHg   1.5 g DQO/g CH3OH NOTA: Se considera que los Kg O2 son equivalentes a los Kg de DQO. DQO (Kg O2) eliminada estequiométricamente:        h Okg OHCHkg Okg h OHCHkg 2 3 2 301.1 1 5.1 67.0 Kg de DQO eliminados estequiométricamente del sistema por hora                3 2 3 2084.015062.12 m Omg dia m dia Okg PFC: Reducción de nitratos en agua prepotable Página 56 de 106   3 2 3 2 84.0 08.15 62.12 NOkg kgO dia NOkg dia Okg Kg de DQO eliminados por cada Kg de nitrato introducido en el sistema 5.1.3.2 Relación DQO/CH3COOH La reacción producida entre el ácido acético y el oxígeno es la siguiente: OHCOOCOOHCH 2223 222    (Metcalf and Eddy) 2 2 2 3 2 3 3 306.1 1 32 1 2 60 1 1Og Omol Og COOHCHmol Omol COOHCHg COOHCHmol COOHCHg   1.06 g DQO/g CH3COOH DQO (Kg O2) eliminada estequiométricamente: h Okg COOHCHkg Okg h COOHCHkg 2 3 2 304.1 1 06.1 98.0  Kg de DQO eliminados estequiométricamente del sistema por hora                3 2 3087.015000.13 m Omg dia m dia Okg   3 2 3 2 86.0 08.15 00.13 NOkg Okg dia NOkg dia Okg Kg de DQO eliminados por cada Kg de nitrato introducido en el sistema En la siguiente tabla se exponen lo resultados obtenidos de los Kg de DQO a eliminar del sistema según si la fuente de carbono es metanol o ácido acético. Tabla 11: Cantidad de DQO eliminada en función de la fuente de carbono externa Fuente de carbono Kg DQO eliminada por Kg de nitrato eliminado CH3OH (Metanol) 0.84 CH3COOH (Äcido acético) 0.86 PFC: Reducción de nitratos en agua prepotable Página 63 de 106 La carga másica (Cm), se define como la relación de kilogramos de nitratos introducidos por día en el sistema y por metro cúbico de agua aportada. 3 3 m díaNOdekg Cm   La carga hidráulica (Ch) es el volumen de agua aplicado por unidad de superficie en un determinado período de tiempo (también es denominada velocidad de filtración). 2 3 m díam Cm 5.1.4.1 Cálculo en base a la carga másica El parámetro de carga másica, según el Metcalf & Eddy (Tabla 9-20) para un “upflow reactor” (biofilter), varia entre 0.8 (10ºC) a 1.8 (20ºC) KgN / m3·d. Carga de nitratos aplicada para el cálculo (dada por UFBAF®), es de 1.8 Kg NO3-/m3día o lo que es lo mismo 0.4 Kg N/m3día (suponiendo un funcionamiento de 12.5 h/día). El valor de carga másica aplicado es un valor conservador lo que implica un dimensionado mayor del filtro.  Altura de lecho filtrante adoptada: 2.5 m (parámetro fijado) hm NOkg dia h diam NOkg     33 33 144.0 5.12 8.1 Volumen de filtración necesario:  3 3 33 33.8144.020.1 m hm NOkg h kgNO    8.33 m3 / 2 unidades = 4.16 m3/unidad de filtración Área del filtro: 4.16 m3 / 2.5 m = 1.66 m2 Volumen TOTAL de filtración: 8.33 m3 PFC: Reducción de nitratos en agua prepotable Página 64 de 106 5.1.4.2 En base a la carga hidráulica El parámetro de carga hidráulica, según el Metcalf & Eddy (Tabla 9-20) para un “upflow reactor” (biofilter), varia entre: 30 (10ºC) a 120 (20ºC) m3/ m2·d.  Altura de lecho filtrante adoptada: 2.5 m (parámetro fijado)  Carga hidráulica aplicada para el cálculo (velocidad de filtración): 1,91 m3/h·m2  2 3 2 328.61291.1 m h m hm m  área total de filtración Volumen TOTAL de filtración: 6.28 m2 * 2.5m = [15.70 m3]. Como el dimensionado de la instalación debe hacerse en las condiciones menos favorables se tomará el diseño de los biofiltros en base a la carga hidráulica, que da un volumen total necesario de filtración de 15.7 m3 Teniendo en cuenta lo anteriormente comentado se dispondrá de dos unidades de biofiltración, cada de las cuales funcionará con un caudal de entrada, la mitad del caudal necesarios a tratar, es decir 6 m3/h. En la tabla siguiente se presenta un resumen del dimensionado adoptado. Tabla 14: Resumen de los parámetros de dimensionado de los biofiltros DN Dimensionado BIOFILTROS DN En base a la carga de N-NO3-: Altura del filtro 2,50 m Volumen de filtración 8,33 m3 Área del Biofiltro 3,33 m2 En base a la carga hidráulica: Altura del filtro 2,50 m Volumen de filtración 15,70 m3 Área del Biofiltro 6,28 m2 Área de Biofiltro resultante unitario 3,14 m2/ut Diámetro de Biofiltro adoptado 2m Altura del biofiltro resultante 2,50 m Número de Biofiltros necesarios 2,00 ut Volumen TOTAL de Biofiltre adoptado 15,70 m3 PFC: Reducción de nitratos en agua prepotable Página 65 de 106 A continuación se calculan los parámetros funcionales que resultan del diseño adoptado y que pueden diferir de los cogidos inicialmente. Carga hidráulica o Velocidad de filtración resultante:        hm m m h m 2 3 2 391.13.612 Carga másica resultante: hm inareakgNO m h inareakgNO    3 3 3 3lim 607.070.15 lim 20.1 Tiempo de retención resultante:  min5.78 1 min60 31.11270.15 33  h hhmm Porcentaje de agua de lavado resultante:  %17100 150 13.25 3 3              dia m dia m Seguidamente en la tabla 15, se muestran, a modo de resumen, los parámetros funcionales de diseño anteriormente calculados: Tabla 15: Resumen de los parámetros funcionales resultantes del diseño adoptado Parámetros funcionales resultantes Velocidad de filtración resultante 1,91 m3/(m2·h) 23,87 m3/(m2·d) Carga másica a eliminar resultante 0,08 Kg/(m3·h) 0,95 Kg/(m3·d) Tiempo de retención resultante 1,31 h 78,5 min Porcentaje de agua de lavado resultante 17% Debido a que el sistema de eliminación de nitratos puede no tener el rendimiento esperado, bien sea por posibles motivos de ineficiencia puntuales del proceso biológico, bien por falta de suministro eléctrico, o bien por otras causas, se propone disponer de un circuito de recirculación para retornar el agua al depósito de entrada. PFC: Reducción de nitratos en agua prepotable Página 66 de 106 Posterior a los filtros de desnitrificación, se dispone de un medidor de nitratos en continuo, con el fin de controlar la concentración de nitratos resultante y así poder detectar el correcto funcionamiento del sistema. Si la concentración de nitratos medida en el agua esta por encima del valor consigna (30 mg/l) se iniciará una recirculación del agua tratada hacia el depósito inicial. Previamente al inicio de la recirculación se parará la bomba de extracción del pozo y se iniciará la recirculación del agua al depósito de entrada, por gravedad, sin necesidad de bomba de impulsión. Una vez la medida de la concentración de nitratos en el agua tratada esté por debajo del valor de consigna, se parará la recirculación y se retomará la extracción del agua del pozo, y retornará a su régimen de funcionamiento normal. 5.1.5 Filtro de eliminación de materia orgánica (BIOFILTRO C) La DBO o Demanda Biológica de Oxígeno es la cantidad de oxígeno que necesitan los microorganismos para degradar la materia orgánica biodegradable existente en un agua residual. Es por tanto una medida del componente orgánico que puede ser degradado mediante procesos biológicos. Se puede decir por tanto que la DBO representa la cantidad de materia orgánica biodegradable y la DQO representa tanto la materia orgánica biodegradable como la no biodegradable. En el caso de Sant Climent se hablará de DQO como la cantidad de materia orgánica presente en el agua. Debido a la adición de metanol como fuente de carbono externa, se adiciona al agua una carga de DQO a razón de 1.5 miligramos de DQO por miligramo de CH3OH (ver apartado 5.1.3.1.). Esta DQO puede comportar el no cumplimiento de la calidad del agua de consumo humano requerida por el Real Decreto 140/2003, por lo que se ha previsto incorporar un biofiltro por la eliminación de dicha materia orgánica. Como se ha comentado anteriormente, el rol de los microorganismos en procesos aerobios es oxidar la materia orgánica carbonosa disuelta en productos simples y en nuevas células denominadas biomasa, como se representa en la siguiente ecuación. Se puede observar que la presencia de oxígeno, como aceptor de electrones, necesaria para realizar la eliminación biológica del sustrato, lo que concluye que la eliminación de materia orgánica es un proceso aerobio. PFC: Reducción de nitratos en agua prepotable Página 67 de 106 Esta necesidad de aportar oxígeno al agua, se consigue mediante un depósito abierto previo a la alimentación del biofiltro C y que dispondrá de un sistema aireación mediante difusores de membrana para favorecer la oxigenación del agua y la agitación. Con esto se conseguirá disponer de una concentración de O2 disuelto suficiente como para que se pueda dar una mínima actividad bacteriana heterótrofa aeróbica en el filtro que permita eliminar los posibles restos de CH3OH que puedan permanecer en el agua. El funcionamiento habitual de este biofiltro será con flujo descendente, haciendo el lavado con flujo ascendente (a contra corriente). Tabla 16: Características técnicas del depósito de aireación Reactor de contacto O2 Volumen útil 15 m3 Diámetro 2,00 m3 Superficie 3,14 m2 Altura útil (m.c.a.) 4,77 m Altura total 5 m Volumen total 15,7 m3 Tiempo de contacto 75 min. A continuación se presentan los cálculos de kilogramos de DQO aportados al sistema mediante la adición del metanol como la fuente de carbono externa, así como los kilogramos de DQO que deben eliminarse del sistema: DQO aportada estequiométricamente:        h kgO h kgDQO OHCHkg kgDQO h OHCHkg 2 3 3024.3024.3 5.1 016.2 DQO eliminada estequiométricamente: A la hora de calcular la DQO consumida estequiométricamente, la relación que se deberá utilizar es:  3 3 56.0 NOg OHCHg lo que da un consumo de oxígeno de: PFC: Reducción de nitratos en agua prepotable Página 68 de 106 h OHCHkg h NOkg NOkg OHCHkg 33 3 3672.020.156.0           h kgO h kgDQO OHCHkg kgDQO h OHCHkg 2 3 3008.1008.1 5.1 672.0 DQO a eliminar mediante biofiltros de eliminación de DQO (Biofiltros C):        h kgO h kgDQO h kgDQO h kgDQO 2 016.2016.2008.1024.3 En la siguiente tabla se muestra el resumen de los datos obtenidos en los cálculos de DQO aportada al sistema, DQO eliminada estequiométricamente y DQO a eliminar mediante los biofiltros C. Tabla 17: Resumen de los cálculos de DQO Eliminación de DQO Relación DQO/CH3OH 1,50 Kg DQO/Kg metanol DQO aportada 3,02 Kg DQO/h 2,52 Kg DQO/Kg NO3- a eliminar DQO eliminada estequiométricamente 1.01 Kg DQO/h DQO resultante a eliminar 2.02 Kg DQO/h A continuación se detallan los criterios básicos para el dimensionado de las unidades de biofiltración C. del mismo modo, y siguiendo el mismo criterio que con los biofiltros DN, el cálculo se realiza en base a la carga másica o a la carga hidráulica. El cálculo se realizará de las dos formas adoptando aquella que nos de un volumen mayor de biofiltración. Consultando el Metcalf and Eddy (4ª edición, pag. 958) los valores de carga hidráulica y carga másica, se encuentran entre los rangos de:  Carga másica: 3.5 a 4.5 Kg DBO5/m3.d  Carga hidráulica: 2.4 a 4.8 m3/m2.d PFC: Reducción de nitratos en agua prepotable Página 69 de 106 Tabla 18: Descripción de los parámetros operacionales iniciales Parámetros Operacionales Iniciales Parámetros de diseño Velocidad de filtración o Carga hidráulica 2,4 a 4,8 m3/(m2·h) Carga hidráulica adoptada 3,5 m3/(m2·h) Carga másica 3,5 a 4,5 Kg DQO(m3·d) Carga másica adoptada 4,5 Kg DQO(m3·d) Carga hidráulica de lavado 20 m3/(m2·h) En la tabla 18 se muestran los parámetros de diseño adoptados: 5.1.5.1 Cálculo en base a la carga másica  Altura del lecho filtrante adoptada: 2 m (parámetro fijado)  Carga de DQO aplicada para cálculo (dada por UFBAF): 4.5 Kg DQO/m3.día  Relación DBO5/DQO estimada = 0.64 se considera que prácticamente es al máxima posible (0.66 con glucosa), ya que el metanol es muy biodegradable. Volumen de filtración necesario: 3 3 5 2 59.3 5.125,4 64.002.2 m dia h díam kgDQO DQO DBO x h kgO   Altura del filtro: 3.59 m3 / 2 m = [1.79 m2] Volumen TOTAL filtración: 3.59 m3 5.1.5.2 Cálculo en base a la carga hidráulica  Altura del lecho filtrante adoptada: 2 m (parámetro fijado)  Carga hidráulica aplicada para el cálculo (velocidad de filtración) (dada por UFBAF): 3,5 m3/h·m2  2 2 33 43.3 · 5,312 m hm m h m Volumen de filtración necesario: 3.43 m2 * 2m = [6.85 m3] Volumen TOTAL filtración: 6.85 m3 PFC: Reducción de nitratos en agua prepotable Página 70 de 106 Como el dimensionado de la instalación debe hacerse en las condiciones menos favorables se tomará el diseño de los biofiltros en base a la carga hidráulica, lo que da un volumen necesario de 6.85 m3 Si fijamos la altura en 2 metros da un diámetro de filtro de 1.49 m, como es más fácil variar la altura que el diámetro se fija un diámetro de 1 metro y se calcula la altura del lecho filtrante. Tabla 19: Resumen de los parámetros de dimensionado de los biofiltros C Dimensionado biofiltro C En base a la carga de N-NO3-: Altura del filtro 2,00 m Volumen de filtración necesario 3,58 m3 Área del biofiltro 1,79 m2 En base a la carga hidráulica: Altura del filtro 2,00 m Volumen de filtro 6,85 m3 Área del biofiltro necesaria 3,43 m2 Área de biofiltro resultante unitaria 1,71 m2/ut Diámetro de biofiltro adoptado 1,00 m Altura del filtro resultante 4,37 m Número de de biofiltros adoptado 2,00 ut Volumen TOTAL de biofiltro 6,85 m3 En la tabla 19 de muestran los parámetros utilizados y calculados para el dimensionado de los filtros. A continuación se calculan los parámetros funcionales que resultan del diseño adoptado y que pueden diferir de los cogidos inicialmente. Velocidad de filtración resultante:        hm m m h m 2 3 2 350.343.312 Carga másica resultante: hm inareakgNO m h inareakgNO    3 3 3 3lim 29.085.6 lim 02.2 PFC: Reducción de nitratos en agua prepotable Página 71 de 106 Tiempo de retención resultante:  min2.34 1 min60 57.01285.6 33  h hhmm Porcentaje de agua de lavado resultante:  %11100 150 0.16 3 3              dia m dia m Seguidamente en la tabla 20, se muestran, a modo de resumen, los parámetros funcionales de diseño anteriormente calculados: Tabla 20: Resumen de los parámetros funcionales resultantes del diseño adoptado Parámetros funcionales resultantes Velocidad de filtración resultante 3,50 m3/(m2·h) 43,75 m3/(m2·d) Carga másica a eliminar resultante 0,29 Kg/(m3·h) 3,62 Kg/(m3·d) Tiempo de retención resultante 0,57 h 34,29 min Porcentaje de agua de lavado resultante 11% A la salida del filtro de eliminación de DQO se dispone de un analizador de Carbono Orgánico Total (TOC) en continuo. Una vez la planta esté en funcionamiento se deberá realizar la curva que relacionará la medida de TOC con los miligramos de O2 por litro de oxidabilidad al permanganato (valor especificado en el RD 140/2003), para asegurar la calidad del agua de consumo humano. 5.1.6 Post-tratamiento: filtración de afino El agua a la salida de los filtros de eliminación de DQO se someterá a una filtración mediante un filtro dual (sílex, antracita) con la finalidad de eliminar todos los coloides y partículas en suspensión presente en el agua. El objetivo de este filtro es reducir la turbidez del agua y la retención de microalgas y partículas de medida bacteriana o superior. El agua, circulará a través del filtro dual sílex/antracita de Poliéster Reforzado con Fibra de Vidrio (P.R.F.V.) de forma descendente. PFC: Reducción de nitratos en agua prepotable Página 72 de 106 En la figura 20 se muestra un esquema del funcionamiento de un filtro de arena. Figura 20: Esquema del funcionamiento de un filtro de arena 5.1.6.1 Sílice La arena silícea (sílex) es un compuesto resultante de la combinación de la sílice con el oxígeno. Su composición molecular es SiO2. Sus usos industriales derivan de sus importantes propiedades físicas y químicas especialmente de su dureza, resistencia química, alto punto de fusión, y transparencia. Sus arenas son comúnmente utilizadas como lecho filtrante para depuración y potabilización de las aguas (para la retención de los flóculos de tamaños muy pequeños que no son separados por decantación). SILICE 0,2 mm SILICE 0,2 - 0,4mm SILICE 0,3 -0,6 mm SILICE 0,7 mm SILICE 0,6 - 1,5 mm SILICE 1 - 2 mm SILICE 2 - 3 mm SILICE 3 - 5 mm SILICE 4 - 8 mm Figura 21: Fotografías de las diferentes granulometrías de la sílice PFC: Reducción de nitratos en agua prepotable Página 79 de 106 En este caso se considera que todo el excedente de metanol que sale del biofiltro DN debe ser eliminado posteriormente en un filtro previa oxigenación del agua. Considerando que la productividad con metanol como fuente de carbono orgánico se aprecia en 0,243 Kg de biomasa/ Kg de CH3OH consumido, a continuación, se calculan los kilogramos de biomasa producida por hora: OHCONNOHCHOHCHNO 22227533 44.276.047.0065.008.1    (Metcalf and Eddy) OHCHg OHCHmol OHCHg OHCHmol 3 3 3 324.30 1 28 08.1  NOHCg NOHCmol NOHCg NOHCmol 275 275 275 275 34.7 1 113 065.10  (biomasa)  243.0 24.30 34.7 3 275  OHCHg NOHCg h biomasakg h OHCHkg OHCHkg biomasaNOHCkg 163.067.0 )( 243.0 3 3 275  La biomasa se puede expresar también como sólidos en suspensión volátiles (SSV) y teniendo en cuenta que la relación entre los SSV y los sólidos en suspensión totales (SST), en el caso que nos aplica se considera de 0.85 (en base a la experiencia se sabe que la relación está entre el 80 y el 90%), se obtiene que trabajando 15 horas al día la planta genera 2.445 Kg de SST. Los cálculos que se muestran a continuación justifican el dato dado anteriormente. h SSTkg h SSVkg 192.0 85.0 1 163.0  PFC: Reducción de nitratos en agua prepotable Página 80 de 106 Trabajando 15 h/día: día SSTkg día h h SSTkg 876.215192.0  Suponiendo que SST equivalen a la materia en suspensión (MES), se calcula la concentración en el agua de lavado: Volumen necesario de agua de lavado = 25.13 m3 Trabajando 15 h/día: MESppmx día m día MESkg 51.1141000 12.25 87.2 3 En términos de DQO se realiza el cálculo tomando la relación 1.42 Kg O2/Kg biomasa (entendiendo como biomasa: C5H7NO2) y se supone que la totalidad de la biomasa es MES. biomasag Og NOHCg Og Omoles NOHCmol OHNHCOONOHC 2 275 2 2 275 2322275 42.1 113 32 5 1 255   Trabajando 12.5 h/día: )(23.1621000 12.25 42.1 87.2 2 3 2 DQOOppmx día m MESkg Okg x día MESkg  5.2.1.2 Biofiltros C La cantidad de DQO a eliminar del sistema es de 2.02 Kg O2/h. La relación calculada anteriormente (ver apartado 5.2.1.1.) entre biomasa y metanol es de 0.243 Kg biomasa/Kg CH3OH y teniendo en cuenta la relación de 1.5 Kg DQO/Kg CH3OH DQOkg biomasakg OHCHkg DQOkg OHCHkg biomasaNOHCkg 162.0 5.1 )( 243.0 3 3 275  PFC: Reducción de nitratos en agua prepotable Página 81 de 106 h kgSST SSV SST h SSVbiomasakg h DQOkg DQOkg biomasaNOHCkg 38.085.0: )( 327.002.2 )( 162.0 275  Trabajando 15 h/día: día SSTkg día h h SSTkg 70.51538.0  Adoptando los mismos criterios que para los filtros de desnitrificación. Volumen necesario de agua de lavado = 16.00 m3 Trabajando 15 h/día: ppmMESx día m día MESkg 37.1791000 00.16 87.2 3 En términos de DQO se realiza el cálculo tomando la relación 1.42 Kg O2/Kg biomasa (entendiendo como biomasa: C5H7NO2) y se supone que la totalidad de la biomasa es MES. Trabajando 15 h/día: )(71.2541000 00.16 42.1 87.2 2 3 2 DQOOppmx día m MESkg Okg x día MESkg  Seguidamente se presenta una tabla resumen con los resultados obtenidos de los cálculos anteriores para la producción de fangos: Tabla 26: Resultados de la estimación de producción de fangos de los biofiltros DN y biofiltros C Biofiltros DN Biofiltros C (DQO) Funcionamiento h/día 15 15 Caudal de agua de lavado m3/d 25.12 16.00 Concentración de MES (ppm SS) en el agua de lavado 114.51 179.37 Concentración de DQO (ppm O2) en el agua de lavado 162.23 254.71 PFC: Reducción de nitratos en agua prepotable Página 82 de 106 Tabla 27: Resultados de la producción de fangos al día Trabajo MES DQO 15 h/dia 276.74 ppm SS 434.08 ppm O2 Como se ha visto en el apartado de vertido, el agua residual procedente del sistema cumple con los límites establecidos por la Ordenanza Municipal sobre el uso de la Red de alcantarillado sanitario del Núcleo Urbano de Mahón, donde se definen los siguientes límites de vertido:  DBO5: 500 ppm  Sólidos suspendidos: 400 ppm  DQO: 800 ppm Figura 23: Gráfica de los parámetros de vertido 5.2.2 Recirculación Para prever aquellos casos en los que, bien por motivos puntuales de ineficiencia del proceso biológico, bien por carencia de suministro eléctrico, etc., el sistema de eliminación de nitrógeno no tiene el rendimiento esperado, se propone disponer de un circuito de recirculación. El agua tratada irá al depósito final de suministro a la población que tiene un volumen de 300 m3 de agua. A la salida de los biofiltros DN se realizará una medida en continuo de la concentración de nitratos. En el caso de que la concentración medida esté por encima del valor consigna (43 mg/l), se iniciará una recirculación que irá desde la salida de estos biofiltros hasta el vertido vertido límite límite vertido 434 276,4 límite 800 400 DQO MES PFC: Reducción de nitratos en agua prepotable Página 83 de 106 depósito anterior a ellos. Previamente al inicio de la recirculación se parará la bomba de extracción del pozo. Una vez que la concentración de nitratos en el agua tratada esté por debajo del valor de consigna, se parará la recirculación y se retomará la extracción del agua del pozo, y el funcionamiento normal de la instalación. 5.2.3 Bombeo a distribución En el depósito de agua tratada se instalaran dos bombas (1+1, una en funcionamiento y otra en reserva) con una capacidad de 50.00 m3/h cada una, para impulsar el agua a la red de distribución. La altura manométrica de estas bombas dependerá de la configuración de la red, de las cotas y de las presiones de suministro, aspecto que queda fuera del alcance de este proyecto. 5.2.4 Control del proceso El control del proceso se realizará mediante PLC (Programable Logic Controller) a partir del que se actuará sobre los variadores de frecuencia, arrancadas y paradas de las bombas, válvulas motoritzadas, etc. No es objeto de este proyecto final de carrera definir la lógica de funcionamiento de la planta, parte que se definirá en la ingeniería de detalle. 5.3 COSTES DE INVERSIÓN En este apartado se detallan los costes de inversión para la construcción de la planta de tratamiento del agua para la eliminación de nitratos mediante biofiltración. El coste de inversión de la planta esta constituido por la suma de las cotizaciones de las diferentes partidas en las que se divide el proyecto. Esta división es totalmente arbitraria y susceptible de modificación. - Equipos electromecánicos: contempla todos los equipos mecánicos de la planta (bombas, filtros,…), valvulería, instrumentación (medidor de nitratos, medidos de TOC, presostatos,…) incluido el transporte y medios de descarga y la automatización PFC: Reducción de nitratos en agua prepotable Página 84 de 106 - Montaje mecánico: incluye el montaje mecánicos de los equipos, juntamente con todas las tuberías, codos,… y las horas, dietas y desplazamientos del personal especializado. - Montaje eléctrico: incluye el montaje eléctrico de los equipos, juntamente con todo el cableado y cuadro eléctrico, además de las horas, dietas y desplazamientos del personal especializado. - Ingeniería: Este apartado contempla la redacción de toda la ingeniería básica y de detalle, la elaboración de los planos necesarios (P&ID, implantación, isométricos,…), la dirección de obra, horas de personal, dietas y desplazamientos del personal especializado. - Seguridad y salud: incluye la elaboración del plan de seguridad y salud necesario a la hora de ejecutar la obra. En la tabla 28 se muestran las diferentes partidas con sus correspondientes costes y los trabajos que contempla cada una de ellas. Dentro de los equipos electromecánicos se han contado todos y cada uno de los elementos que componen la planta, desde los equipos principales hasta la valvulería e instrumentación que compone misma. Tabla 28: Desglose del presupuesto de la planta de biofiltración para Sant Climent Descripción de los trabajos Coste Equipos electromecánicos (incluye: equipos mecánicos, calderería, valvulería, instrumentación, transporte y medios de descarga de los equipos y automatización) 179.200,00 € Montaje mecánico (incluye: montaje mecánico de los equipos, tuberías, codos y personal, dietas y desplazamientos) 20.000,00 € Montaje eléctrico (incluye: cableado, cuadro eléctrico, montaje eléctrico y personal, dietas y desplazamientos) 15.000,00 € Ingeniería (incluye: ingeniería básica y de detalle, planos, dirección de obra, personal, dietas y desplazamientos) 18.150,00 € Seguridad y salud 3.000,00 € TOTAL (PEM)* 235.350,00 € * precio ejecución material Hay que tener en cuenta que en cualquier proyecto se deben repercutir a la hora de poner el precio final de venta (P.V.P.) los costes de estructura (GE) de la empresa y el beneficio industrial que se quiere obtener (BI), del mismo modo que siempre se debe incluir una partida de imprevistos que esta alrededor del 2-3% del total de la obra, dependiendo su magnitud. PFC: Reducción de nitratos en agua prepotable Página 85 de 106 5.4 COSTES DE EXPLOTACIÓN Se entiende por costes de explotación aquellos costes derivados de tener la planta en funcionamiento, sin tener en cuenta las horas del personal para operar la planta ni analíticas necesarias a realizar para un correcto seguimiento de los parámetros analíticos. En el caso de la biofiltración se ha tenido en cuenta el consumo energético de la instalación y los consumibles, considerando en este caso, los reactivos químicos necesarios para su correcto funcionamiento. El relleno de los biofiltros DN no se considera un consumible ya que, según Air Water Treatment (proveedor de la tecnología UFBAF®) su sustitución es cada 20 años. Del mismo modo no se considera un consumible la sílice y antracita. 5.4.1 Consumo energético En la tabla 29 se muestran las potencias, tanto la potencia instalada y como la absorbida de cada uno de los equipos que componen la planta, el coeficiente de empleo del equipo (% de empelo del equipo durante el funcionamiento de la planta) y las horas de funcionamiento de cada equipo. En el caso de Sant Climent se ha considerado un funcionamiento de todos los equipos de 15 horas al día (12.5 horas de funcionamiento normal y 2.5 horas para los lavados), excepto de las bombas de lavado que funcionarán 2.5 horas al día). Tabla 29: Tabla de potencias DESIGNACION Unid. Kw. Kw. Coeficiente Funcionam. Consumo Inst. Abs. de empleo horas/día Kwh/día Bomba pozo bombeo 1 10 7,5 1 15 112,5 Dosificadora de metanol 1 0,12 0,09 1 15 1,35 Dosificadora de acido fosfórico 1 0,12 0,09 1 15 1,35 Bomba alimentacion a BIOFILTROS DN 1 0,75 0,56 1 15 8,4 Compresor biofiltros desnitrificación 1 1,47 1,18 1 15 17,7 Aireación reactor de oxidación 1 4 3 1 15 45 Bomba centrifuga horizontal a BIOFILTROS C 1 0,75 0,56 1 15 8,4 Compresor biofiltros eliminación DQO 1 1,47 1,18 1 15 17,7 Bomba de lavado 2 4 3 0,75 2,5 11,25 TOTAL 223,65 Si se considera que el kwh de energía tiene un precio de 0.08 euros, esto da un coste energético de: díakWhdía kWh € 60.24 € 11.065.223  PFC: Reducción de nitratos en agua prepotable Página 86 de 106 5.4.2 Consumo de reactivos químicos y consumibles En el apartado de consumo de reactivos químicos se han contado los diferentes productos necesarios para la aportación de los nutrientes esenciales, metanol y ácido fosfórico. Tabla 30: Resumen del consumo de los reactivos químicos de la planta y costes. consumos de reactivos químicos concentración comercial dosis unidades dosis consumo Kg/h funcionamiento h/día consumo Kg/día consumo producto ccial l/h consumo producto ccial l/día precio €/Kg precio €/h precio €/día metanol 95% 1,68 mg metanol/mg de NO3- 2,02 12,50 25,20 2,65 33,08 0,54 1,09 13,61 ácido fosfórico 75% 0,61 mg ácido fosfórico/mg de NO3-0,73 12,50 9,15 0,62 7,75 0,96 0,70 8,78 TOTAL €/día 22,39 € Todas las dosificaciones, como en el caso del sistema de biofiltración, deberán ajustarse en fase de puesta en funcionamiento de la instalación. PFC: Reducción de nitratos en agua prepotable Página 87 de 106 Teniendo en cuenta que la planta produce 150 m3/día el coste de un metro cúbico de agua producida por biofiltración, se muestra en la siguiente tabla, 31. Tabla 31: Coste explotación por metro cúbico de agua producida cálculo €/m3 de agua tratada energía 24,60 €/día reactivos químicos 22,39 €/día 46,99 €/día coste €/m3 energía 0,14 €/m3 coste €/m3 reactivos químicos 0,15 €/m3 coste por m3 de agua tratada 0,29 €/m3 PFC: Reducción de nitratos en agua prepotable Página 88 de 106 6 ESTUDIO Y DISEÑO DE LA PLANTA DE TRATAMIENTO MEDIANTE ÓSMOSIS INVERSA 6.1 DESCRIPCIÓN DEL PROCESO DE TRATAMIENTO Las plantas de tratamiento del agua cuyo principal proceso es la filtración por ósmosis inversa, están constituidas por diferentes elementos que definen varios niveles de actuación para el tratamiento del agua. Cabe destacar la importancia del proceso de ósmosis inversa dentro del tratamiento de potabilización del agua, debido a que éste es el proceso donde se eliminan la mayor parte de los virus y bacterias que pueden afectar a la salud humana, además de la eliminación de los metales pesados y átomos radioactivos. También es importante destacar la capacidad de las membranas, puesto que va a ser el factor limitante de la planta. Un mal dimensionado de las membranas puede, en situaciones, no dar la producción esperada o determinada. Estas situaciones pueden corresponder a una muy mala calidad del agua de entrada a la planta o a un ineficaz sistema de pretratamiento del agua antes de su entrada en las membranas de ósmosis (sistemas de prefiltración previos). La ventaja de efectuar este tratamiento es la gran reducción de nitratos del agua tratada que se produce, y el mayor inconveniente es el hecho de que no solo se reduce la concentración de nitratos sino también la de los otros minerales en el agua. De ahí que debamos estudiar la posibilidad de mezclar el agua de permeado con agua directa de pozo y así poder tener los parámetros analíticos dentro de la normativa del Real Decreto 140/20003. A continuación se detallan estos niveles de actuación que constituyen las diferentes etapas de la planta de tratamiento. 6.1.1 Pretratamiento El pretratamiento del agua de abastecimiento para las instalaciones de ósmosis inversa influye mucho en la eficacia de la instalación. La forma de pretratamiento requerida depende PFC: Reducción de nitratos en agua prepotable Página 95 de 106 La segunda etapa estará formada por un solo módulo de cuatro membranas, el permeado de esta etapa irá a parar al depósito final con el permeado de la primera etapa, y el rechazo resultante irá a un depósito de 20 m3 a la espera de verificar cual será el tratamiento que se le da. A este depósito irá a parar también el agua de lavado del filtro de sílex i antracita. La presión necesaria a la entrada de la primera etapa es de 6 bares. Se instalará la bomba de alta presión que dará 7 bar a 12 m3/h. En el anejo VIII se adjunta la simulación del proceso de ósmosis inversa realizada con el programa HIDRANAUTICS (proyección de las membranas). Características y configuración de la planta de ósmosis inversa: Nº de etapas 2 Nº de módulos 3 (2+1) Nº membranas por módulo 4 Nº total de membranas 12 Fabricante membranas HYDRANAUTICS Limites de SDI 3-5 Temperatura diseño 18 º C Conversión de diseño 70 % Calidad del agua producto TDS 250,00 mg/l Conductividad 418,90 µS/cm El la figura 24 se presenta un esquema de funcionamiento de la planta de ósmosis inversa, así como la disposición de sus tubos de presión, conteniendo cada uno de ellos 6 membranas por tubo. Figura 24: Configuración de la planta de ósmosis inversa PFC: Reducción de nitratos en agua prepotable Página 96 de 106 6.1.3 Lavado membranas La planta dispondrá de un mecanismo de lavado o flushing de las membranas, que se efectúa automáticamente con agua permeada, cada vez que pare la planta, desplazando el agua del concentrado en el interior, a fin de evitar incrustaciones. La planta dispondrá de un sistema para la realización de las limpiezas químicas (CIP: clearing in place) de las membranas compuesto por una depósito donde se realiza la mezcla de reactivos, una microfiltración y una bomba de baja presión. El sistema de limpieza química se utilizará con una periodicidad semestral o cuando la diferencia de presión entre la primera etapa y la segunda o entre la entrada y la salida de la ósmosis sea elevada (según especificaciones del fabricante). 6.2 VERTIDO El caudal de rechazo del sistema es de 3 m3/h que para un funcionamiento de 17 h/día supone un volumen de 51 m3 al día, y el lavado del filtro genera un caudal de lavado de 4.16 m3 al día, lo que hace un total de 55.16 m3. El rechazo resultante de la planta de ósmosis inversa es altamente contaminante por su elevado contenido en sales, lo que hace no que sea posible su vertido a la red de alcantarillado y deba pensarse en una solución. 6.3 COSTES DE INVERSIÓN En este apartado se detallan los costes de inversión para la construcción de la planta de tratamiento del agua para la eliminación de nitratos mediante ósmosis inversa. El coste de inversión de la planta esta constituido por la suma de las cotizaciones de las diferentes partidas en las que se divide el proyecto. Esta división es totalmente arbitraria y susceptible de modificación. (ver apartado 5.3.) En la tabla 34 se muestran las diferentes partidas con sus correspondientes costes y los trabajos que contempla cada una de ellas. Dentro de los equipos electromecánicos se han contado todos y cada uno de los elementos que componen la planta, desde los equipos principales hasta la valvulería e instrumentación que compone misma. PFC: Reducción de nitratos en agua prepotable Página 97 de 106 Tabla 34: Desglose del presupuesto de la planta de ósmosis inversa para Sant Climent Descripción de loa trabajos coste Equipos electromecánicos (incluye: equipos mecánicos, calderería, valvulería, instrumentación, transporte y medios de descarga de los equipos y automatización) 288.352,00 € Montaje mecánico (incluye: montaje mecánico de los equipos, tuberías, codos y personal, dietas y desplazamientos) 20.000,00 € Montaje eléctrico (incluye: cableado, cuadro eléctrico, montaje eléctrico y personal, dietas y desplazamientos) 15.000,00 € Ingeniería (incluye: ingeniería básica y de detalle, planos, dirección de obra, personal, dietas y desplazamientos) 18.150,00 € Seguridad y salud 3.000,00 € TOTAL (PEM) 344.502,00 € Hay que tener en cuenta que en cualquier proyecto se deben repercutir a la hora de poner el precio final de venta (P.V.P.) los costes de estructura (GE) de la empresa y el beneficio industrial que se quiere obtener (BI), del mismo modo que siempre se debe incluir una partida de imprevistos que esta alrededor del 2-3% del total de la obra, dependiendo su magnitud. 6.4 COSTES DE EXPLOTACIÓN Se entiende por costes de explotación aquellos costes derivados de tener la planta en funcionamiento, sin tener en cuenta las horas del personal para operar la planta ni analíticas necesarias a realizar para un correcto seguimiento de los parámetros analíticos. En el caso de la ósmosis inversa se ha tenido en cuenta el consumo energético de la planta y los consumibles, considerando en este caso, los reactivos químicos necesarios para su correcto funcionamiento y el recambio tanto de los cartuchos filtrantes de microfiltración, como las propias membranas de ósmosis inversa. No se considera un consumible la sílice y antracita del filtro dual previo. 6.4.1 Consumo energético En la tabla 35 se muestran las potencias, tanto la potencia instalada y como la absorbida de cada uno de los equipos que componen la planta, el coeficiente de empleo del equipo y las horas de funcionamiento de cada equipos, en el caso de Sant Climent se ha considerado un funcionamiento de los equipos de 17 horas al día (16.6 horas de funcionamiento normal y 0.4 horas para los lavados). PFC: Reducción de nitratos en agua prepotable Página 98 de 106 Tabla 35: Tabla de potencias DESIGNACION UNID. Kw. Kw. COEFICIENTE FUNCIONAM. CONSUMO Inst. Abs. DE EMPLEO HORAS/DIA KWH/DIA Bomba pozo bombeo 1 10,00 7,50 1 17 127,50 Bomba by-pass del agua 2 m3/h 1 0,25 0,19 1 17 3,19 Bomba de alta presión 1 4,00 3,00 1 17 51,00 Dosificadora de acido 1 0,15 0,11 1 17 1,91 Dosificadora de bisulfito sódico 1 0,15 0,11 1 17 1,91 Dosificadora de antiincrustante 1 0,15 0,11 1 17 1,91 Compresor accionamiento válvulas 1 2,00 1,50 1 17 25,50 Bomba depósito de rechazo 2 0,60 0,45 1 17 15,30 Bomba de lavado de membranas 1 0,75 1,18 1 0,4 0,47 TOTAL 228,70 Si se considera que el kwh de energía tiene un precio de 0.075 euros, esto da un coste energético de: díakWhdía kWh € 15.25 € 11.070.228  PFC: Reducción de nitratos en agua prepotable Página 99 de 106 6.4.2 Consumo de reactivos químicos y consumibles En este apartado se puede ver la tabla 36 donde se muestra el coste en reactivos químicos (antiincrustante, bisulfito sódico y ácido sulfúrico) que tiene la planta por día, contando el. Además en las tablas 36 y 37 se exponen los costes de los fungibles de la misma, cartuchos filtrantes de microfiltración y membranas de ósmosis inversa. Tabla 36: Resumen del consumo de los reactivos químicos de la planta y costes. Consumos de reactivos químicos concentración comercial dosis unidades dosis consumo Kg/h funcionamiento h/día consumo Kg/día precio €/Kg precio €/h precio €/día Antiincrustante 4,00 g/m3 de agua 0,04 17,00 0,68 2,90 0,12 1,97 Bisulfito sódico 40% 10,00 g/m3 de agua 0,10 17,00 1,70 0,45 0,05 0,77 Ácido sulfúrico 15% 3,00 g/m3 de agua 0,03 17,00 0,51 0,33 0,010 0,17 TOTAL €/día 2,91 € Todas las dosificaciones, como en el caso del sistema de biofiltración, deberán ajustarse en fase de puesta en funcionamiento de la instalación. PFC: Reducción de nitratos en agua prepotable Página 100 de 106 Tabla 37: Coste recambios cartuchos filtrantes de microfiltración Cartuchos filtrantes Cantidad 5 Reposición 6 veces/año €/filtro 10 precio/filtro TOTAL €/año 300,00 € TOTAL €/día 0,82 € Tabla 38: Coste cambio membranas de ósmosis Membranas de ósmosis inversa (ESPA 2 Hydranautics) cantidad reposición 1 vez cada 5 años €/membrana €/año €/día 12 0,2 700 1680 4,603 Para calcular el coste de un metro cúbico de agua tratada por ósmosis inversa se considera tanto el coste energético como el coste en reactivos químicos y consumibles. En el caso de Sant Climent se debe tener en cuenta que la planta produce 7 m3/h con esta tecnología, pero que hay 2 m3/h que mediante el by pass van directamente al depósito de distribución, y por lo tanto estos solo tienen el coste del bombeo, ya incluido en la tabla de potencias. Tabla 39: Coste explotación por metro cúbico de agua producida cálculo €/m3 de agua tratada energía 25,15 €/día reactivos químicos 2,91 €/día cartuchos filtrantes 0,82 €/día membranas 4,60 €/día 33,49 €/día coste €/m3 energía 0,21 €/m3 coste €/m3 consumibles 0,07 €/m3 coste por m3 de agua tratada 0,28 €/m3 Por lo tanto, se obtiene que hay 10 m3/h con un coste de 0,28 €/m3 y 2 m3/h con un coste de 0,0 €/m3 lo que hace un coste medio de 0,23 €/m3. PFC: Reducción de nitratos en agua prepotable Página 101 de 106 7 CONCLUSIONES Y ESTUDIO COMPARATIVO A continuación, se exponen las conclusiones extraídas del estudio para la reducción de nitratos en el agua de abastecimiento del núcleo urbano de Sant Climent con la tecnología de biofiltración. Posteriormente se hace un análisis comparativo del mismo caso pero con la tecnología de ósmosis inversa. Las limitaciones del proceso de desnitrificación biológica por biofiltración son, en esencia, las siguientes:  El proceso requiere de un tiempo de arranque de tal manera que el crecimiento de bacterias heterótrofas desnitrificantes sobre la matriz sólida del biofiltro sea suficiente para obtener un rendimiento en la desnitrificación biológica aceptable.  Concentración de O2 ha de ser suficientemente baja para poder llevar a término el proceso (condiciones anóxicas). Hace falta tener en cuenta que las bacterias heterótrofas con capacidad por tomar el NO3- como aceptores de electrones, son en general facultativas y para ellas, es prioritario la respiración con O2 disuelto si hay disponible.  Pese a que la dependencia del pH es menos fuerte que en otros procesos biológicos, se demuestra que a pH entre 7 y 9 la actividad reductora del NO3- es más elevada. Hace falta destacar que a pH inferiores a 7 se observa un incremento en la presencia de óxido nitroso.  La dependencia directa de la temperatura. Así, parece que conforme aumenta la temperatura el proceso es más eficiente. La temperatura de trabajo mínima y máxima puede llegar a ser de entre 10 y 25 ºC. No obstante, con una fuente externa de carbono orgánico la tasa de desnitrificación es más alta que para fuentes internas.  En general, una fuente de carbono orgánico externa genera una productividad más elevada debido a que son fuentes fácilmente biodegradables.  El material apoyo del biofiltro debe presentar unas características de densidad y morfología que favorezcan la difusión del N2 hacia la atmósfera, el acceso de los nutrientes a la película bacteriana y que proporcione una gran superficie específica para el desarrollo eficiente de las bacterias. PFC: Reducción de nitratos en agua prepotable Página 102 de 106  El proceso se debe dar siempre previamente a cualquier tipo de cloración o proceso de desinfección que mantenga dosis residuales de cloro libre. Si se comparan los datos obtenidos en los estudios realizados con las tecnologías de biofiltración y osmosis inversa, para el caso de Sant Climent, se obtienen las observaciones que se exponen en la tabla 40. Tabla 40: Tabla resumen tecnología biofiltración y ósmosis inversa Biofiltración Ósmosis inversa Fundamento Biológico Físico-químico Proceso Desnitrificación Filtración Arranque del proceso Necesario un tiempo de arranque del proceso Inmediato Continuidad del proceso Proceso continuo (no es aconsejable parar el sistema pro un período de tiempo prolongado) Proceso discontinuo (existe la posibilidad de para el proceso en cualquier momento) Subproductos Generación de fango “inerte” Generación de una corriente de rechazo con elevada concentración de nitratos Caudal de entrada al sistema 12 m3/h 12 m3/h Caudal tratado con la tecnología 12 m3/h 10 m3/h Caudal de by-pass 0 m3/h 2 m3/h Cantidad de fango/rechazo 45,03 m3/día 55,16 m3/día Concentración de nitratos a la salida 43 mg/l 43 mg/l Dependencia del pH Fuerte Débil Dependencia de la temperatura Fuerte Débil Estabilidad del proceso Crítica Robusta Consumo energético 223,65 Kwh/día 228,70 Kwh/día Aspecto medio ambiental Sostenible No sostenible Aspecto social Malo Bueno Coste inversión 235.350,00 € 344.502,00 € Coste explotación 0,28 €/m3 0,23 €/m3 De este proyecto final de carrera se concluye que ambas tecnologías son aplicables para la reducción de los nitratos en el agua de abastecimiento del núcleo urbano de Sant Climent. Elegir una u otra dependerá de los criterios que se consideren prioritarios. El sistema de biofiltración es un sistema novedoso y medioambientalmente más sostenible que la ósmosis inversa, debido a que genera menos residuos y éstos, además, son inertes. Otro gran atractivo de este sistema, es su menor coste de inversión y su “bajo” consumo energético. PFC: Reducción de nitratos en agua prepotable Página 103 de 106 El coste de explotación, en el caso de la biofiltración, es superior al coste de explotación de la osmosis, resultado nada habitual si se tiene en cuenta los principios de funcionamiento de ambas tecnologías. Si bien, cabe destacar, que la tecnología de ósmosis inversa tiene un coste energético superior al de la biofiltración, resultado que encaja perfectamente con los principio general de funcionamiento de dicha tecnología. En el caso de Sant Climent, el aporte de nutrientes en el caso de la biofiltración es tan elevado que encarece considerablemente el coste de explotación con este sistema, lo que hace que supere al valor de la ósmosis inversa. Además se ha de tener en cuenta que en el caso de la ósmosis el caudal tratado es de 10 m3/h mientras que en el de la biofiltración es de 12 m3/h. Por el contrario el proceso de ósmosis inversa es un proceso de mejor control, ya que la dependencia con la temperatura, el pH y las condiciones de contorno es menor. La amplia experiencia en esta tecnología, hace que sea un sistema de gran fiabilidad y robustez. Además su gran aplicación como sistema para la producción de agua “potable” hace que tenga una muy buena prensa entre las administraciones y la población en general. PFC: Reducción de nitratos en agua prepotable Página 104 de 106 8 BIBLIOGRAFIA LIBROS - Metcalf and Eddy (2004) “Wastewater Engineering. Treatment and reuse” Mc Graw Hill - Degrémont (1979) “Manual técnico del agua” - R.S. Ármalo “Tratamiento de aguas residuales” Ed. Reverté, S.A. - Joan Pigem “Microscopia de la depuració biològica” SEARSA - José Ferrer. Polo Aurora Seco Torrecillas “Tratamientos biológicos de aguas residuales” Universidad Politécnica de Valencia - Edward E. Braun “Water treatment plants design” AWWA Mc Graw Hill WEB’s - Google Earth - www.e-ciencia.com - www.hydranautics.com - www.codeline.com - www.sedelam.es - Universidad de Navarra LIBROS WEB - Ingeniería de aguas residuales - Luís Felipe del Castillo. “El fenómeno mágico de la ósmosis” - Procesos biológicos ARTÍCULOS - A. Mohseni-Bandpi, D.J. Elliott and A. Moneny-Mazdeh “Desnitrification of groundwater using acetic as a carbon source”. - A. Mohseni-Bandpi, D.J. Elliott “Groundwater desnitrification with alternative carbon sources”.