La eliminación del ensuciamiento biológico (biofouling) es uno de los desafíos más comunes en las operaciones de los sistemas de ósmosis inversa (OI). En la mayoría de los casos se caracteriza por la proliferación de biopelícula (biofilm), en la superficie de las membranas y en el espaciador (figura 1), lo que conduce a problemas operativos, que en la planta se observará como reducción de producción, aumento de presión de alimentación y principalmente en aumento de la presión diferencial.

Figura 1. Fotografías de membranas con evidente ensuciamiento biológico.

Realizando estudios estadísticos de más de 500 autopsias de membranas de OI, realizadas en los laboratorios de H₂O Innovation, se concluyó que existe ensuciamiento de tipo biológico en una tercera parte de los casos estudiados (figura 2).

* N. Peña, S. Gallego, F. del Vigo, S.P. Chesters. Evaluating impact of fouling on reverse osmosis membrane performance.
Desalination and Water Treatment 1-11 2012.

Figura 2. Distribución porcentual de tipos de ensuciamiento detectado en 500 membranas de OI.

Este hecho muestra la importancia de la optimización del pretratamiento y la selección adecuada de productos químicos para minimizar los problemas de rendimiento de las membranas y aumentar la eficiencia del proceso.

¿Cuáles son las causas de la formación de biopelículas?

• En sistemas de membranas, tanto en casos de agua de mar y salobre hay casos de formación de biopelícula como resultado de operación con alta carga de nutrientes y/o temperaturas, siendo el resultado final, un desarrollo de bacterias y otros microorganismos en la superficie de las membranas. Esta biopelícula es una mezcla viscosa de microbios y células incrustadas dentro de sustancias poliméricas extracelulares (EPS – extracelular polymeric substances). Los EPS son polímeros de alto peso molecular segregados por los propios microorganismos.
• La abundancia de nutrientes en los sistemas de OI crea condiciones ideales para la acumulación de bacterias, su crecimiento exponencial y la consiguiente formación de la biopelícula.
• La capa de biopelícula adherida a la membrana y al espaciador actúa como una barrera hidráulica, aumentando el diferencial de presión (ΔP) y reduciendo la permeabilidad de la membrana (figura 3).

Figura 3. Fotografía de la superficie de una membrana cubierta por biopelícula.

¿Cuáles son las consecuencias de formación de biopelículas sobre las membranas?

• Reducción de la producción y un consiguiente aumento en la presión diferencial (DP).
• Posibilidad de desplazamiento del material espaciador por exceder la presión diferencial.
• Aumento de costos energéticos (necesidad de mayor presión de alimentación).
• Degradación/daño de las membranas y posterior aumento del paso de sales.
• Necesidad de lavados periódicos de membranas y menor tiempo de vida de las mismas.

¿Cómo se previene y/o elimina el ensuciamiento biológico?

La prevención puede llevarse a cabo optimizando los sistemas de pretratamiento, reduciendo en lo posible la cantidad de nutrientes del agua de entrada y haciendo limpiezas proactivas del sistema de membranas mediante CIP (cleaning in place). En las plantas con presencia de biopelícula, es especialmente importante aplicar limpiezas preventivas que maximicen la efectividad de los limpiadores antes que valores elevados de pérdida de carga provoquen daños irreversibles y que la eliminación de la biopelícula sea aún más complicada.

La eliminación de la biopelícula, una vez ya formada, puede llevarse a cabo utilizando productos detergentes, o mediante el uso de biocidas, o incluso combinando el uso de ambos productos. H₂O Innovation ha desarrollado el Genesol 80 que tiene como objetivo la eliminación de biopelículas formadas sobre la superficie de las membranas y que además de usarse para OI, también se puede utilizar en aplicaciones de nanofiltración (NF) y ultrafiltración (UF). Este producto logra erradicar no solo las células y microorganismos, sino los EPS que son los compuestos más complicados de eliminar.

¿Cuáles son las ventajas del Genesol 80?

La tabla 1 muestra algunos aspectos que demuestran los beneficios del Genesol 80.

Tabla 1. Comparativa del Genesol 80 frente a biocidas oxidantes y no oxidantes.

• Todos los productos son capaces de eliminar bacterias y microorganismos.
• Los biocidas no oxidantes no son muy efectivos penetrando en las capas de EPS formadas y, por lo tanto, eliminar completamente la biopelícula.
• Los biocidas no oxidantes son muy costosos. Los casos de estudios con el Genesol 80 ponen en evidencia un mejor rendimiento y un costo menor. Además, con el uso de este producto en el pretratamiento evitamos la dosificación tanto de hipoclorito como de bisulfito sódico, que supone un importantísimo ahorro en los costes de explotación y eliminación de uso de productos peligrosos, así como el potencial riesgo de oxidación de membranas.
• Los biocidas no oxidantes son mucho más corrosivos y complejos de gestionar por lo que existe mayor riesgo para los trabajadores; también son menos respetuosos con el medio ambiente.
• Los biocidas oxidantes producen subproductos en las reacciones de desinfección, los cuales son en ocasiones, más dañinos para la salud humana que el producto original.
• Los biocidas oxidantes están limitados al pretratamiento ya que pueden causar daño irreversible a las membranas de OI. Al contrario, estudios realizados con el Genesol 80 han demostrado su total compatibilidad con membranas de OI de poliamida (ver siguiente apartado).
• El producto Genesol 80 tiene la certificación NSF para ser usado tanto para limpiezas CIP como para uso en línea en aplicaciones de agua potable (valor máximo de 80 ppm). Ningún biocida oxidante puede ser dosificado en continuo ni en choque para aplicaciones de agua potable. Los biocidas no oxidantes pueden utilizarse fuera de línea, si bien las nuevas regulaciones están comenzando a restringir su uso.

¿Cómo sabemos si una membrana ha sido dañada por un producto químico?

El análisis por espectroscopía de infrarrojo proporciona información sobre sustancias químicas o grupos funcionales de diferentes productos, como por ejemplo los enlaces de poliamida de una membrana de OI. Si después de estar en contacto con una sustancia determinada, se siguen detectando las bandas de poliamida sin cambios significativos, se puede determinar que la membrana no ha sido dañada por oxidación.

La figura 4 muestra los espectros IR de 2 membranas de OI de poliamida, tratadas durante 7 días con Genesol 80 al 6% y con Hipoclorito de Sodio al 1%; estos espectros fueron comparados con el de una membrana nueva como referencia.

Figura 4. Espectros obtenidos después de tratar membranas de poliamida con Genesol y NaOCl.

Se puede observar que las bandas identificativas de poliamida (señaladas por las flechas rojas) aparecen en la membrana tratada con Genesol 80 (línea azul) idénticas a las de la membrana de referencia. Sin embargo, en la membrana tratada con NaOCl (línea gris), estas bandas desaparecieron, demostrando el daño directo del hipoclorito sobre la integridad de la membrana.

¿Qué dosis se requiere de Genesol 80 y para qué aplicaciones?

El Genesol 80 puede usarse tanto dosificado en continuo, como en choque y también en modo CIP con las dosis y frecuencia que se detallan en la tabla 2.

Tabla 2. Dosis y frecuencia de adición del Genesol 80 operando en continuo, modo de choque y CIP.

Caso de éxito del uso del Genesol 80

Se realizó un estudio comparativo del Genesol 80 y un biocida en base a DBNPA, en una planta de OI de Dubai (figura 5), que trata agua proveniente de un tratamiento terciario de depuradora. La capacidad de la planta es de 200 m³/d y trabaja a un 70% de tasa de conversión.

Figura 5. Planta de OI, Dubai, en la que se realizaron las pruebas con Genesol 80.

Los resultados más destacados fueron los siguientes:

• El caudal de permeado objetivo se mantuvo al usar Genesol 80, sin embargo, para el biocida en base a DBNPA, el caudal de producción se redujo un 14.5% durante los primeros 30 días del ensayo.
• La máxima ΔP en la primera etapa en el ensayo con Genesol 80 fue de 1.8 bares, mientras que con DBNPA llegó hasta 2.6 bares.
• La dosificación del Genesol 80 fue en choque (3.2 kg/d), frente al uso en continuo del DBNPA (2.5 kg/d); en términos de costo total de producto, la aplicación de Genesol 80 resultó ser un 40% más económico.

CONCLUSIONES

• El producto Genesol 80 ha sido diseñado y probado para eliminar biopelículas formadas en la superficie de las membranas de OI, NF y UF.
• Se ha demostrado su total compatibilidad con membranas OI, NF y UF mediante análisis de IR y experiencias reales en planta.
• El Genesol 80 tiene certificación NSF para ser utilizado como limpiador, y para su dosificación en continuo con hasta 80 ppm de producto.
• El producto Genesol 80 es un sustituto perfecto tanto para biocidas dosificados en continuo o en choque como sustitución de instalaciones convencionales con agentes oxidantes, donde se puede eliminar las dosificaciones de hipoclorito y bisulfito.
• Los resultados en plantas reales demuestran un mejor rendimiento y menor costo comparado con otros biocidas tanto oxidantes como no oxidantes.

Liuba Dominguez Chabalina
E-mail: liuba.chabalina@h2oinnovation.com