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Se estudió el comportamiento de membranas de ósmosis inversa y nanofiltración a utilizar en el pretratamiento del agua para la alimentación de calderas.Se analizó la velocidad de permeado y la selectividad de las membranas respecto de la presión, temperatura y concentración del agua de alimentación.Se estudiaron siete membranas; dos de nanofiltración y cinco de ósmosis inversa. Los mejores análisis de la retención fueron para las membranas ESPA1, CPA2 y PAC, con retenciones mínimas del 99.3%, cuando las concentraciones son del 0.1 %, NaCl.La modelización se desarrolló con base en los principios de solución-difusión, solución-difusión-imperfección, poros finos y termodinámica irreversible, y se determinó un modelo con cada uno de ellos, utilizando para el efecto correlaciones lineales y no lineales. Se definió expresiones para la velocidad de permeación, velocidad de permeación del soluto y la retención, identificando en cada caso los valores de los coeficientes.El proceso de modelización se optimizó por el criterio de los mínimos cuadrados y una función objetivo, que establece una calificación de las predicciones de los modelos, para los errores por defecto o por exceso a los valores reales de la experimentación.Los modelos fueron evaluados conforme a la función objetivo, de donde se determinó aplicar el modelo de poros finos, por sus mayores aproximaciones en las predicciones al comportamiento de las membranas ESPA1, CPA2 y PAC, además de brindar mayores opciones de calibración y ajuste.Se elaboró un diseño con cada una de las membranas seleccionadas, de un sistema de acondicionamiento de aguas para una caldera, con aguas de dureza alta, media y baja, los cuales se compararon con el diseño obtenido mediante software comercial. Para cada uno de ellos se hizo su evaluación económica, y se comparó el coste del metro cúbico de agua tratada con el de otros tratamientos como el intercambio iónico.

En los últimos años la desalación se ha convertido en uno de los recursos de agua no convencionales más importantes por todo el mundo, con especial relevancia en lugares con escasez de agua. España es uno de los 5 países con mayor capacidad instalada a nivel mundial y cuenta con un número importante de grandes desaladoras de agua de mar, junto con otras instalaciones para la mejora de la calidad de las aguas continentales. Junto a los grandes beneficios de la desalación (incremento del recurso y de la calidad del agua), todavía hay campo para la investigación y la mejora, sobre todo en aspectos relacionados con la reducción del consumo de energía y el impacto ambiental. Una de las cuestiones que ha generado más preocupación ambiental en el ámbito de la desalación es la gestión y solución al concentrado o rechazo procedente del sistema, que se conoce popularmente como "salmuera". Las salmueras de desalación son corrientes concentradas en las sales que han sido extraídas del agua, y pueden tener propiedades muy diferentes dependiendo de la tecnología de desalación utilizada, el origen y características físico-químicas del agua a desalar y la conversión de la desaladora (cantidad de agua dulce producida respecto al agua total aportada), que determina la concentración de esta corriente. En la actualidad, gran parte de las investigaciones sobre la gestión de salmueras se centran en la búsqueda de posibles aplicaciones para su valorización, bien para la extracción de productos químicos contenidos en la propia salmuera o que puedan servir de materia prima para la producción de otros, o bien por la vía de la producción de energía y la mejora de la eficiencia energética en el proceso de desalación. La presente tesis doctoral se presenta por compilación de publicaciones, una selección de trabajos y artículos que tratan sobre las alternativas para la gestión y tratamiento de las salmueras, basados en una serie de proyectos de investigación sobre esta temática que se han desarrollado a lo largo de la tesis. Dichos proyectos han cubierto muchos de los aspectos relacionados con la gestión de las salmueras de desalación: estudio de alternativas, cultivo de microalgas para la eliminación de nutrientes en salmueras, posibles usos de las salmueras y sus subproductos, estudio de la viabilidad de la evaporación-cristalización para la descarga líquida cero, modelización matemática de la dilución de salmueras, comparación de distintas tecnologías de desalación, uso de tecnologías emergentes, inyección de salmueras en acuíferos profundos, uso de la energía residual de las salmueras para la reducción del consumo energético, uso directo de la energía solar para alimentar una planta desaladora de membranas, y extracción de sales procedentes de salmueras con disolventes orgánicos. Como resultados de los trabajos de investigación se describen también varias comunicaciones a congresos nacionales e internacionales, así como varios casos de estudio en plantas reales, y se relacionan las patentes obtenidas.

La falta de recursos hídricos en las últimas décadas en varias regiones del planeta ha propiciado el desarrollo de distintas técnicas de desalinización. Para satisfacer la demanda de agua potable en la Cuenca Mediterránea, el proceso que se ha implantado mayoritariamente ha sido la desalinización mediante ósmosis inversa debido a la reducción en el consumo energético y en el tamaño de las instalaciones con respecto a otras tecnologías. La salmuera o agua de rechazo proveniente de las plantas desalinizadoras de ósmosis inversa se caracteriza principalmente por su alta salinidad y densidad. Normalmente es vertida directamente al mar, dispersándose sobre el fondo marino y formando una pluma de salmuera que se desplaza a favor de la batimetría de la zona receptora a lo largo de varios centenares de metros, lo que puede producir efectos negativos sobre las comunidades bentónicas. Para minimizar estos efectos se utilizan distintos métodos de descarga como los emisarios submarinos, que favorecen la mezcla del vertido con el agua de mar. El desarrollo de modelos de mezcla como herramientas predictivas que permiten realizar simulaciones matemáticas del comportamiento del vertido de salmuera ha permitido avanzar en el estudio hidrodinámico de los vertidos hipersalinos y así diseñar configuraciones óptimas de descarga a la hora de construir emisarios submarinos para favorecer el proceso de mezcla de la pluma de salmuera. Además, existen elementos que aumentan la eficiencia del proceso de dilución de los vertidos de salmuera como son los difusores. Algunos autores han comprobado mediante estudios de campo que los efectos negativos de los vertidos sobre ciertas comunidades marinas se han visto reducidos cuando se han utilizado estos elementos. El estudio hidrodinámico de la salmuera vertida a través de un emisario submarino se realiza en dos regiones muy diferenciadas conocidas como campo cercano y campo lejano. Los procesos de mezcla de las dos regiones son totalmente distintos y se estudian a diferentes escalas, tanto es así que se utilizan modelos de mezcla específicos para cada una de ellas. Los modelos normalmente son validados con experimentos de laboratorio en los que las condiciones ambientales están controladas, aunque en algunos estudios también se han comparado las simulaciones de los modelos con datos obtenidos directamente de mediciones en el campo.

El presente trabajo consistió en explorar y encontrar una opción energéticamente y económicamente más eficiente que el proceso de destilación simple para la producción de agua ultra pura en el laboratorio de manufactura de la PUCP. La opción alternativa elegida fue una máquina de ósmosis inversa y deionización de agua suministrada por la red de agua potable. Esta tesis desarrolló el diseño mecánico de una máquina que utilice los procesos de purificación del agua mediante una membrana de ósmosis inversa y cartuchos de resina iónica, la selección de componentes, la elaboración de los planos necesarios y la estimación de los costos de fabricación, armado y funcionamiento de la máquina. Para realizar el diseño, primero se definió el caudal y calidad de agua requeridas por el laboratorio y también la calidad y propiedades físicas del agua suministrada por la red. Con esos datos, se procedió a seleccionar una membrana de ósmosis inversa que pudiera producir dicho caudal con una alta tasa de purificación del agua. El siguiente paso fue aplicar la teoría de mecánica de fluidos para calcular las pérdidas de energía del fluido en tuberías y accesorios para el caudal requerido. Una vez conocido el caudal necesario y las pérdidas en el sistema, se procedió a seleccionar una bomba que pudiera cumplir con los requerimientos necesarios de presión y caudal, y que también use la energía eléctrica y el agua potable con la mayor eficiencia posible. A continuación, se aplicaron conceptos químicos de soluciones iónicas, para calcular la vida útil y la composición necesaria de una cama de resina desionizadora mixta que produjera agua ultra pura con un pH neutro, a partir de la composición aproximada del agua producida por la ósmosis inversa. Una vez dimensionados y seleccionados los componentes, se procedió a desarrollar los planos y calcular los costos de adquisición, armado y operación de la máquina. La bomba seleccionada fue una bomba de desplazamiento positivo tipo diafragma y la membrana de ósmosis inversa una membrana en espiral de poliamidas. El costo total de adquisición de componentes, diseño y ensamblaje asciende a S/.6500.

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El mango como fruto fresco con alta composición de agua es muy susceptible a los procesos que se realizan para su conservación, en el mundo se han desarrollado técnicas para la conservación como la deshidratación del fruto en varias versiones. En el Perú actualmente solo se conoce su producción por deshidratado solar. En el presente trabajo de investigación, se realiza el rediseño de un sistema de secado combinado para mejorar la técnica de deshidratado de pulpa de mango y aplicar correctamente los factores de calidad mediante el diseño mecánico de una cámara, cuyo objetivo es reducir el tiempo de secado a temperatura constante, manteniendo sus grados °BRIX y evitando la formación de actividad bacteriana. Los criterios para el diseño de la cámara se basan en los procesos: la selección adecuada de materia prima; el lavado, pelado y cortado, luego en la cámara de ósmosis, se calentó la solución sacarosa de 70° BRIX a 80°C durante 1 hora aproximadamente mediante un baño maría, para lograr su solubilización y así ingresar las rodajas de mango al tratamiento, al mismo tiempo los sulfitos agregados a la solución se encargarán de evitar el obscurecimiento de la fruta y el crecimiento de hongos o bacterias. La totalidad del sistema de secado se cubre con la selección de un secador que trabaja con aire sobrecalentado y la selección de los equipos auxiliares. Se concluye que este rediseño constituye una herramienta apropiada para aumentar la producción de fruta fresca deshidratada en el norte del Perú.

Los países en desarrollo aún presentan ciertas privaciones en sus sistemas sanitarios, principalmente el Agua Potable, encargado de satisfacer las necesidades básicas del hombre y sin el cual no existiríamos. La escazes se debe a diversos factores, uno es que el agua apta para consumo humano es agua dulce, cuyo 99% de esta proviene de fuentes subterráneas y este tipo presenta un porcentaje muy bajo respecto al agua salada, 3% frente a 97% respectivamente del total de agua en el planeta. El aumento poblacional y las actividades del hombre, especialmente las industriales, han generado mucha demanda y contaminación de este recurso. Las fuentes naturales que abastecen una población pueden tener ciertos contaminantes presentes como sales; cloruros o sulfatos; o metales pesados como el mercurio, plomo, cadmio, arsénico, cromo, manganeso; en grandes concentraciones son perjudiciales para la salud humana. Esta problemática mundial causa la necesidad de implementar tecnologías nuevas y sencillas para potabilización, cómo es el caso de la Ósmosis Inversa, en la cual mediante un sistema de membranas logra desalinizar y remover los contaminantes a fin de poder emplear el agua tratada para abastecer a la población. Se busca brindar una alternativa de tratamiento en sistemas de captación subterráneos contaminados en la costa peruana, dado que esta región presenta considerables cantidades de sales y metales pesados y es requerible. Esta investigación consideró artículos científicos, tesis y webs que van desde los años 2010 hasta el 2022, provenientes de bases de datos como Scopus, Proquest, Google académico, Scielo, Redalyc, Alicia, Sciencedirect.

El presente trabajo de investigación se centra en un parque industrial proyectado en el distrito de Puerto Eten, el cual para el desarrollo de sus operaciones no presenta algún tipo de abastecimiento de agua y actualmente, en el lugar no se encuentra alguna entidad para abastecerla, por esa razón, se propone como objetivo general la instalación de una planta desalinizadora de agua para abastecer de agua potable al proyecto. Para determinar la demanda, se analizó el consumo promedio mensual de las principales actividades económicas del país y se halló la cantidad de lotes que podrían establecerse en el parque industrial, el resultado fue de 14 600 metros cúbicos por día cuando el parque esté operando al 100% de capacidad. También se evaluaron distintos métodos de desalinización, ósmosis inversa fue el método más conveniente. La capacidad de diseño de la planta fue de 16 060 metros cúbicos diarios por esta razón los equipos fueron seleccionados para esta capacidad. Por último, se realizó un análisis financiero, obteniendo como resultados un TIR de 30% y VAN de S/8 025 423,81. Además, el beneficio obtenido es del 22% y el periodo de recuperación para este proyecto es de 3 años y 10 meses aproximadamente.

ABSTRACT: Title: "FORWARD OSMOSIS APPLIED IN PROCESSES OF SEPARATION AND CONCENTRATION OF WASTEWATER TREATMENT SLUDGE" Forward osmosis is a membrane technique that allows the concentration of solutions or dilution of other solutions, simultaneously. As this technique has the advantage of working without applying pressure (the driving force is the osmotic pressure difference between both sides of the membrane) and also new membranes that works at higher flux are been developing, nowadays researchers are looking for new applications for forward osmosis. On the other hand, the management of wastewater sludge from municipal wastewater treatment plants could represent environmental risk as well as a great economic impact, as the cost of this sludge treatment is estimated at 60% of the total cost of wastewater treatment. This doctoral thesis has taken into account effluents of the sludge treatment and the activated sludge itself in order to be concentrated/separated by forward osmosis. In this doctoral thesis, tests have been performed in a lab-scale forward osmosis pilot plant in order to evaluate the feasibility of applying forward osmosis to the concentration of secondary sludge as well as nutrient concentration of digester centrate. To accomplish this, several wastewaters have been tested as draw solutions: fermentation brine from table olive processing, hide salting wastewater, brine from seawater desalination by reverse osmosis, and ammonium sulfate from ammonia absorption with sulfuric acid. On the other side, osmotic membrane bioreactors are being tested as an alternative to conventional membrane bioreactor that use ultra or microfiltration in torder to separate the biomass from the purified waster. Thus, in this doctoral thesis tests have been performed in a lab-scale osmotic membrane bioreactor in order to treat municipal wastewater. In the tests, two types of commercial available membranes (HTI CTA NW and HTI CTA ES) and other membranes still in development stage (Aquaporin In-side). The results show that: 1) "Aquaporin Inside" membrane is the most suitable membrane for nutrient concentration of digester centrate in terms of reverse salt flux and permeate of water flux. 2) HTI CTA ES membrane is fouled in a greater extent than HTI CTA NW membrane when digester centrate is used as feed solution. 3) Hide salting wastewater fouls the membrane to a greater extent than fermentation brine of table olives. 4) When used as draw solution, ammonia sulfate wastewater produces more water flux than brine from reverse osmosis desalination. 5) The volume of the activated sludge was reduced by a factor of 4.32. 6) Osmotic membrane bioreactor could achieve high COD removal efficiencies (70-100%) attaining the aimed wastewater purification. / RESUMEN: Título: "APLICACIÓN DE LA ÓSMOSIS DIRECTA EN PROCESOS DE SEPARACIÓN Y CONCENTRACIÓN DE FANGOS DE DEPURACIÓN" La ósmosis directa es una técnica de membrana que permite concentrar unas disoluciones o diluir otras y que, además, permite hacerlo simultáneamente. Dado que esta técnica presenta las ventajas de operar sin necesidad de aplicar presión (la fuerza impulsora es la diferencia de presión osmótica entre ambos lados de la membrana) y se están desarrollando nuevas membranas que permiten operar a una mayor densidad de flujo de permeado, actualmente se están buscando nuevas aplicaciones para esta técnica, es decir, se están considerando nuevas disoluciones de alimento que concentrar y nuevas disoluciones de arrastre que diluir. Por otra parte, la gestión de fangos de depuración procedentes de estaciones depuradoras de aguas residuales urbanas supone un reto medioambiental así como un gran impacto económico, pues se considera que el 60% del coste total de tratamiento de aguas residuales se corresponde con la gestión de estos fangos. En la presente Tesis Doctoral se han tenido en consideración corrientes de la línea de fangos o el fango activo en sí para su concentración/separación mediante ósmosis directa. En la presente Tesis Doctoral se han realizado ensayos con una planta de ósmosis directa a escala de laboratorio para evaluar la viabilidad de la aplicación de la ósmosis directa a la concentración de fangos secundarios y también a la concentración de nutrientes en el escurrido de centrífuga. Para ello se han utilizado como disoluciones de arrastre varias corrientes residuales industriales reales: salmuera de fermentación del procesado de la oliva de mesa, residuo de conservación de pieles no curtidas, salmuera procedente de un proceso de desalación de agua de mar mediante ósmosis inversa y un residuo con sulfato amónico procedente de un proceso de absorción de amoniaco con ácido sulfúrico. Por otro lado, los biorreactores osmóticos de membrana se están probando como alternativa en determinadas aplicaciones de depuración a los biorreactores de membrana tradicionales existentes en depuradoras de aguas residuales urbanas, los cuales utilizan ultrafiltración o la microfiltración para separar la biomasa del agua depurada. Por ello, en la presente Tesis Doctoral también se ha experimentado con un biorreactor osmótico de membrana, a escala de laboratorio, con el fin de depurar agua residual urbana. En los ensayos se ha utilizado dos membranas de ósmosis directa existentes en el mercado (HTI CTA NW y HTI CTA ES) y otra aún en fase de desarrollo (Aquaporin Inside). Los resultados obtenidos indican: 1) Que a la vista de la caracterización de las membranas, la membrana tipo "Aquaporin Inside" es la más adecuada de las tres ensayadas para la concentración de nutrientes en el escurrido de centrífuga teniendo en cuenta su bajo paso inverso de sales y la densidad de flujo de permeado que produce. 2) Que la membrana tipo HTI CTA ES se ensucia más que la HTI CTA NW cuando se utiliza escurrido de centrífuga como disolución de alimento. 3) Que el residuo de conservación de pieles no curtidas provoca más ensuciamiento sobre la membrana que la salmuera de fermentación del procesado de la oliva. 4) Que, como disolución de arrastre, el residuo de sulfato amónico produce una densidad de flujo de permeado similar a la de la salmuera de rechazo de proceso de ósmosis inversa, a pesar de la mayor conductividad eléctrica del primero. 5) Que el volumen del fango secundario se consiguió reducir en un factor de 4.32 veces. 6) Que el biorreactor osmótico alcanzó rendimientos de eliminación de DQO elevados (70-100%) logrando así la correcta depuración del agua residual. / RESUM: Títol: "APLICACIÓ DE L'OSMOSI DIRECTA A PROCESSOS DE SEPARACIÓ I CONCENTRACIÓ DE FANGS DE DEPURACIÓ" L'osmosi directa és una tècnica que permet concentrar unes dissolucions o diluir-ne unes altres i que, a més, permet fer-ho simultàniament. Atès que aquesta tècnica presenta l'avantatge d'operar sense necessitat d'aplicar pressió (la força impulsora és la diferència de pressió osmòtica entre ambdós costats de la membrana) i s'estan desenvolupant noves membranes que permeten operar a una major densitat de flux de permeat, actualment s'estan cercant noves aplicacions per a aquesta tècnica, es a dir, s'hi estan considerant noves dissolucions d'aliment per concentrar i noves dissolucions d'arrossegament que diluir. Per altra part, la gestió de fangs de depuració procedents d'estacions depuradores d'aigües residuals urbanes suposa un repte mediambiental així com un gran impacte econòmic, ja que es considera que el 60% del cost total del trac-tament d'aigües residuals es correspon amb la gestió d'aquests fangs. En la present Tesi Doctoral s'han tingut en compte corrents de la línia de fangs o el fang actiu en sí per a la seua concentració/separació mitjançant osmosi directa. En la present Tesi Doctoral s'han fet assajos amb una planta d'osmosi directa a escala laboratori per a avaluar la viabilitat de la aplicació de l'osmosi directa a la concentració de fangs secundaris i també a la concentració de nutrients en l'escorreguda de la centrífugació. Per això s'han utilitzat com a dissolucions d'arrossegament diversos corrents residuals industrials reals: salmorra de la fermentació del processament de l'oliva de taula, residu de conservació de pells no adobades, salmorra procedent d'un procés de dessalatge d'aigua de mar mitjançant osmosi inversa i un residu amb sulfat amònic procedent d'un procés d'absorció d'amoníac amb àcid sulfúric. Per altra part, els bioreactors osmòtics de membrana s'estan provant com alternativa en determinades aplicacions de depuració als bioreactors de membrana tradicionals existents en depuradores d'aigües residuals urbanes, les quals utilitzen ultrafiltració o la microfiltració per a separar la biomassa de l'aigua depurada. Per tant, en la present Tesis Doctoral també s'ha experimentat amb un bioreactor osmòtic de membrana, a escala de laboratori, amb la finalitat de depurar l'aigua residual urbana. Als assajos han emprat dues membranes d'osmosi directa existents en el mercat (HTI CTA NW y HTI CTA ES) i una altra en fase de desenvolupament (Aquaporin Inside). Els resultats obtinguts indiquen que: 1) En vista de la caracterització de les membranes, la membrana tipus "Aquaporin Inside" és la més adequada de les tres assajades per la concentració de nutrients en l'escorreguda de la centrífugació tenint en compte el baix pas invers de sals i la densitat de flux de permeat que produeix. 2) La membrana tipus "HTI CTA ES" s'embruta més que la "HTI CTA NW" quan s'utilitza escorreguda de centrífugació com a dissolució d'aliment. 3) El residu de conservació de pells no adobades produeix més embrutiment sobre la membrana que la salmorra de fermentació del processament de l'oliva. 4) Com a dissolució d'arrossegament, el residu de sulfat amònic produeix una densitat de flux de permeat similar a la salmorra de rebuig de procés d'osmosi inversa, a pesar de la major conductivitat elèctrica del primer. 5) El volum de fang secundari es va aconseguir reduir en un factor de 4.32 voltes. 6) El biorreactor osmòtic va assolir rendiments d'eliminació de DQO elevats (70-100%) i va aconseguir la correcta depuració de l'aigua residual. / Soler Cabezas, JL. (2017). Aplicación de la ósmosis directa en procesos de separación y concentración de fangos de depuración [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/86173