uf4 tractament d'aigües

UF 4:

TRACTAMENT D'AIGÜES 4.1.- Característiques i paràmetres de l’aigua. 4.2.- Operacions de tractament d’aigua 4.3.- Regulació i control d’equips de tractament d’aigua

N.A.1. L’AIGÜA I ELS SEUS PARÀMETRES

2

Continguts 1) L’aigua: Cicle de l’aigua i importància a la indústria.

Paràmetres que en determinen la qualitat 2) Criteris de qualitat utilitzats a les indústries

farmacèutiques i afins

Cicle hidrològic de l’aigua • Cicle continu. • Aigua + substàncies (matèria en suspensió, col·loides i

dissoltes). • Diferents factors afecten a la quantitat d’aigua aprofitable i

a la seva qualitat.

3

L’aigua a la indústria • Dissolvent més utilitzat, menor o major quantitat, en estèrils com no

estèrils. • Pot provocar problemes d’inestabilitat (tipus físic, químic i microbiològic)

de les formes farmacèutiques. • S’utilitza en neteja d’envasos i equips de preparació (la neteja final s’ha

de realitzar amb aigua de la mateixa qualitat que la utilitzada en la fabricació).

• L’aigua potable és la matèria prima per totes les formes d’aigua d’ús en la ind. farm. (aigua purificada i aigua per a injectables).

• El control del proveïment d’aigua potable com a mesura de salut pública competeix als municipis.

• La composició de l’aigua de subministrament no satisfà les necessitats de qualitat químic-microbiològiques. S’han d’establir els mètodes d’obtenció més aconsellables. 4

1. L’aigua: Paràmetres que en determinen la qualitat

• Paràmetres físics: • Paràmetres biològics:

5

Terbolesa Matèries sedimentables (MS) Conductivitat/resistivitat/sals solubles (SOL) Absorbància UV a 254 nm Matèria en suspensió (MES o TSS) Temperatura Total sòlids dissolts (TDS) Color

Indicadors microbians Bacteris aerobis totals Legionel·la Determinació de pirògens

6

• Paràmetres químics: Títol Hidrotimètric o

duresa total (TH) Títol Alcalinimètric simple (TA).

Demanda Bioquímica d’Oxigen (DBO5).

Nitrits (NO2-) Oxigen dissolt

(O2). Biotoxicitat / Matèries Inhibidores (MI).

Títol Hidrotimètric Càlcic total (THCa total)

Títol Alcalinimètric Complet (TAC).

Demanda Química d’Oxigen (DQO).

Nitrogen (combinat)

Hidrazina (N2H4).

Crom hexavalent (Cr VI)

Títol Hidrotimètric Magnèsic total (THMg total)

Títol en Àcids Forts lliures (TAF).

Demanda Química d’Oxigen decantada (DQOd).

Amoni (NH4+ ó

NH3). Olis i Greixos. Metalls.

Títol Hidrotimètric permanent (TH permanent)

Sals d’Àcids Forts (SAF).

Matèries Oxidables (MO).

Fòsfor Total (P). Fenols. Halògens orgànics (AOX).

Títol Hidrotimètric Càlcic permanent (THCapermanent).

pH. Oxidabilitat. Fosfats (P2O5 ó PO4

3-). Detergents / Tensioactius aniònics (LSS).

Bromurs (Br-).

Títol Hidrotimètric Magnèsic permanent (THMg permanent).

pH de saturació (pHs).

Clorurs (Cl-). Sílice soluble (SiO2).

Detergents / Tensioactius catiònics.

Fluorurs (F-).

Duresa temporal. Índex de Saturació (Is).

Sulfats (SO42+). Ferro (Fe). Detergents /

Tensioactius no iònics.

Compostos Orgànics Volàtils (VOC’s).

Duresa temporal càlcica.

Índex d’estabilitat ó de Ryznar.

Sulfits (SO32+). Clor lliure (Cl2). Cianur total

(CN-). Compostos Orgànics Semivolàtils.

Duresa temporal magnèsica.

Carboni Orgànic Total (TOC).

Nitrats (NO3-). Anhídrid

Carbònic lliure (CO2).

Sulfurs (S=). Biodegradablilitat.

Paràmetres físics • CARÁCTERÍSTIQUES ORGANOLÈPTIQUES: olor, sabor i

color - L’olor i sabor estan relacionats i són característics de

determinades substàncies: amoníac, anhídrid sulfúric, fenols, algues, metalls....

- Color: Es distingeix entre color aparent (color de la mostra original) i vertader (color de l’aigua un cop s’ha eliminat la terbolesa)

7

Paràmetres físics • Terbolesa : - Està provocada per les matèries en suspensió (argiles,

materials orgànics i inorgànics en suspensió, compostos orgànics acolorits, dispersions col·loïdals...)

- Es mesura amb TURBIDÍMETRES ÒPTICS i les unitats són les FNU (Unitats nefelomètriques de formazina)

- També UNT (Unitats nefelomètriques de terbolesa) - Les interferències per mesurar la terbolesa poden ser:

sediments gruixuts, vidre brut, bombolles d’aires, vibracions, etc.)

8

Paràmetres físics

• SÒLIDS EN SUSPENSIÓ: - Sòlids totals: obtinguts al evaporar una mostra i pesar el

residu sòlid resultant. Es distingeixen sòlids dissolts (travessen els filtres quan es pren una mostra d’aigua) i sòlids en suspensió (queden retinguts al filtre).

- Sòlids sedimentables: fracció de sòlids en suspensió capaç de separar-se per sedimentació

- Sòlids no sedimentables: no se separen per sedimentació

9

Paràmetres físics • TEMPERATURA: - Influeix molt notablement en la qualitat de l’aigua perquè

afecta a la quantitat d’oxigen dissolt, a la solubilitat dels gasos i sals i al desplaçament d’equilibris químics

10

• CONDUCTIVITAT: - Facilitat amb que el corrent elèctric passa a través de l’aigua - Es un valor indicatiu de la concentració d’ions presents

(impureses) donat que l’aigua pura és mala conductora del corrent elèctric.

- Es mesura en siemens/cm

Paràmetres químics • MATÈRIA ORGÀNICA - Pot ser d’origen vegetal o animal - Els paràmetres que mesuren el contingut en matèria

orgànica són: a) Demanda química d’oxigen (DQO) b) Demanda bioquímica d’oxigen (DBO) c) Carboni orgànic total (COT)

11

a) DEMANDA QUÍMICA D’OXIGEN (DQO) ‐ És la quantitat d’oxigen necessari per oxidar químicament

la matèria orgànica continguda en l’aigua, especialment la major part dels compostos orgànics, solubles o en suspensió, biodegradables o no i a més a més compostos minerals oxidables.

‐ És mesura amb el mètode del permanganat (KMnO4) o pel mètode del dicromat (K2Cr2O7)

12

b) DEMANDA BIOQUÍMICA D’OXIGEN (DBO) ‐ Quantitat d’oxigen necessari per a oxidar la matèria

orgànica de l’aigua, mitjançant processos biològics aerobis i també els compostos inorgànics oxidables.

‐ Es refereix a l'oxigen consumit en 5 dies (DBO5) en unes condicions determinades (20ºC i foscor) i es mesura en mg/l d’O2. La relació DQO/DBO d’una mostra indica el grau de biodegradabilitat de l’aigua.

‐ També es mesura la DBO total: dies que fan falta per a que es consumeixi tot l’oxigen de l’aigua

‐ La diferència entre DQO i DBO és que la primera mesura tota la matèria orgànica degradada per via química i la segona només la biològica

13

c) CARBONI ORGÀNIC TOTAL (COT)

‐ És un paràmetre globalitzador del contingut orgànic. És de gran rapidesa analítica però es necessita primer eliminar-se la matèria insoluble.

‐ El mètode consisteix en fer una combustió catalitzada a 680ºC i una quantificació amb un infraroig no dispersiu. Es mesura en mg/l de C.

14

Paràmetres químics • pH ‒El pH és la concentració d’ions hidrogen ‒Mesura el caràcter àcid o bàsic d’un aigua ‒Aigües naturals: en general PH entre 6.5-8 ‒ALCALINITAT: es refereix al caràcter bàsic de l’aigua

(presència de carbonats i hidrogencarbonats). Important per tendència a la incrustació

‒ACIDESA: indica disminució del PH de l’aigua (efectes de corrosió, dissolució de sals metàl·liques insolubles...)

‒Es mesura per titulació (potenciomètrica o amb indicadors) o mitjançant paper indicador

15

Paràmetres químics: DURESA • DURESA TOTAL • DURESA PERMANENT

• DURESA TEMPORAL

16

DURESA TOTAL (TH) ‐ També TÍTOL HIDROMÈTRIC (TH) ‐ Contingut total de sals alcalinotèrries que té un aigua:

principalment de calci i magnesi ‐ Mètodes d’anàlisi: - Mètode “Boutron i Boudet” (amb licor hidromètric) - Mètode complexomètric: Fonament: Els alcalinoterris presents a láigua formen un

complex tipus quelat amb la sal disòdica de l´àcid etilendiaminotetraacètic (EDTANa2·2H2O).

Amb nET (negre dÉriocrom T) com a indicador. El mètode permet determinar amb precisió la suma díons Ca2+ i Mg2+

- Cromatografia iònica: suma de Ca i Mg

17

CALCI TOTAL (TH Ca total) ‐ Contingut de sals càlciques d’un aigua ‐ Mètodes d’anàlisi: - Mètode complexomètric: amb EDTA i Murexida - Cromatografia iònica: concentració de Ca

18

MAGNESI TOTAL (TH Mg total) ‐ Contingut en sals magnèsiques de l’aigua ‐ Mètodes d’anàlisi: - Precipitar sals càlciques amb 5ml d’oxalat amònic al 2%,

filtrat i valoració amb EDTA i nET - Diferència entre TH i THCa total - Cromatografia iònica

DURESA PERMANENT (TH permanent)

‐ Contingut de sals alcalinotèrries no carbonatades (no precipiten per ebullició)

‐ Sals de clorurs i sulfats ‐ Mètode d’anàlisi: - Bullir durant ½ hora l’aigua, refredar, reposar el volum

d’aigua amb aigua destil·lada i filtrar. Seguidament valorar amb EDTA i nET.

19

Ca PERMANENT (TH Ca permanent) ‐ Contingut de sals càlciques no carbonatades ‐ Mètode d’anàlisi: - Bullir durant ½ hora l’aigua, refredar, reposar el volum

d’aigua amb aigua destil·lada i filtrar. Seguidament valorar amb EDTA i murexida.

20

Mg PERMANENT (TH Mg permanent) ‐ Contingut de sals magnèsiques no carbonatades en aigua ‐ Mètode d’anàlisi: - Bullir durant ½ hora l’aigua, refredar, reposar el volum

d’aigua amb aigua destil·lada i filtrar. Precipitar sals càlciques i valorar amb EDTA i nET

DURESA TEMPORAL ‐ Contingut de sals alcalino-tèrries bicarbonatades presents a

l’aigua. ‐ TH temporal = TH total – TH permanent

21

DURESA TEMPORAL CÀLCICA ‐ Bicarbonats càlcics en aigua ‐ TH Ca temporal = TH Ca total – TH Ca permanent

DURESA TEMPORAL MAGNÈSICA ‐ Contingut de bicarbonats magnèsics a un aigua ‐ TH Mg temporal = TH Mg total – TH Mg permanent

Com s’expressa la duresa?

• Graus francesos (ºTH) 1 ºTH = 0.01 g CaCO3/ L H20 o 1 ºTH = 1 g CaCO3/ 100 L H2O • Graus alemanys (ºdH) 1ºdH = 0.01 g CaO / L H20 o 1 ºdH = 1 g CaO / 100 L H2O • mEq de CaCO3 = miliequivalents de CaCO3 / L H2O 1ºTH = 0.56 ºdH = 0.2 mEqCaCO3

22

Paràmetres químics: TÍTOL ALCALINIMÈTRIC • TÍTOL ALCALINIMÈTRIC SIMPLE (TA) - Alcalinitat a la fenolftaleïna o alcalinitat simple - Contingut total de l’aigua en hidròxids alcalins i la

meitat del seu contingut en carbonats - ºTH o meq/L (en aquest cas s’anomena valor p) - Per a aigües de caldera - Mètodes d’anàlisi: - Volumetria (valoració amb HCl i fenolftaleïna) - Potenciometria (amb H2SO4 0.1 N fins pH 8.3)

23

Paràmetres químics: TÍTOL ALCALINIMÈTRIC • TÍTOL ALCALINIMÈTRIC COMPLET (TAC) - Alcalinitat a l’ataronjat de metil - Contingut total en hidròxids, carbonats i bicarbonats - ºHT o meq/L (en aquest cas s’anomena valor m) - Mètodes d’anàlisi: - Volumetria: amb HCl i ataronjat de metil - Potenciometria: amb H2SO4 0.1 N fins pH 4.5

24

Paràmetres químics: Nitrogen • Nitrogen Kjeldahl (NTK): contingut en nitrogen orgànic i amoniacal.

Resultat en mg/L de N. S’analitza mitjançant volumetria (descomposició per reducció d’amoni en bloc calefactor a 390ºC)

• Nitrogen total: suma del nitrogen Kjeldahl i de nitrits i nitrats. S’expressa en mg N2/L

• Nitrogen orgànic tota: (NOT): Diferència entre el NTK i el nitrogen amoniacal.

• Nitrogen amoniacal (NH3 o NH4+): Amoni generat per la hidròlisi de la urea, la descomposició de les proteïnes i processos industrials. S’expressa en mg/l de NH3, NH4+ o N2. Els mètodes d'anàlisi són:

─ Colorimetria i volumetria amb reactiu Nessler ─ Espectrofotometria de absorció molecular ─ Volumetria: després de destil·lació, titulació amb HCl amb

roig de metil i blau de metilè com a indicador 25

Paràmetres microbiològics • Coliforms totals: bacteris fecals i no fecals • Legionel·la: - Bacteri ambiental capaç de sobreviure en un ampli rang de

condicions fisicoquímiques (es destrueix a 70ºC) - Mètodes d’anàlisi: cultiu en un medi específic o filtració i

tècnica ELISA • Bacteris aerobis totals: - Comprèn la flora bacteriana pròpia de l’aigua. - Mètode d’anàlisi: cultiu en un medi específic.

26

27

Exemples d’anàlisi d’aigües

N.A.2. CRITERIS DE QUALITAT UTILITZATS EN INDÚSTRIES

FARMACÈUTIQUES

28

Introducció • Gran diversitat d’aplicacions de l’aigua a la indústria

farmacèutica » Diversitat de Qualitats requerides • Cada ús requereix unes especificacions químic-

microbiològiques determinades. • Les especificacions estan recollides a les farmacopees

29

Qualitats d’aigua a la IF • Per a què s’utilitza l’aigua a la indústria farmacèutica: - Vehicle per a un gran nombre de preparats farmacèutics - Líquid de rentat per a la maquinària i utensilis - Medi de transferència tèrmica: vapor per escalfar, aigua per

refredar.....

Qualitats d’aigua a la IF • SEGONS FARMACOPEA EUROPEA 1997 I USP (United States

Pharmaceutical) 23 • Tipus d’aigua usats a la indústria farmacèutica: AIGUA POTABLE (AIGUA TOVA) (amb poc contingut en

sals) AIGUA PURIFICADA (s'obté per tractament de l’aigua tova) AIGUA PER A INJECTABLES (obtinguda per tractament de

l’aigua purificada)

30

Qualitats d’aigua a la IF • Els diferents tipus d’aigua es diferencien pels diferents graus de

puresa, en funció dels paràmetres bàsics: QUÍMICS: concentració soluts i materials en suspensió MICROBIOLÒGICS: unitats formadores de colònies i micro-

organismes BIOLÒGICS: pirògens i toxines

31

AIGUA POTABLE • L’aigua potable té característiques adients pel consum

humà. • Segons el seu origen pot tenir quantitats variables de

substàncies dissoltes i impureses que no poden superar els límits establerts

• Per aconseguir les exigències mínimes, des de la seva captació fins que va a la xarxa de subministrament rep una sèrie de tractaments: sedimentació, carbó actiu, ozonització i cloració

• A partir de l’aigua potable s’obtenen els diferents tipus d’aigua utilitzats a la indústria farmacèutica

32

AIGUA POTABLE • Normatives: detallades al Títol IV, article 23, RD 1138/1990.

BOE nº 226 del 20 de setembre 1990 • LÍMITS QUÍMICS (Annexes A, B, C i D del RD): • L’anàlisi normal inclou les següents determinacions: - Característiques organolèptiques: olor, sabor i terbolesa - Característiques fisicoquímiques: T, pH i conductivitat - Substàncies no desitjables: nitrits, nitrats, amoníac i

oxidabilitat - Agents desinfectants: clor residual (o d’altre agent

desinfectant autoritzat)

33

• Límits que la Societat General d'Aigües de Barcelona manté per a l'abastament d’aigua potable, segons l’establert a la Reglamentació tècnic-sanitària per a l'abastament i control de qualitat de les aigües potables de consum públic

34

AIGUA POTABLE • LÍMITS MICROBIOLÒGICS:

(Annex E RD): • S’aconsella també l’anàlisi

dels gèrmens patògens: salmonel·les, estafilococs patògens, bacteriòfags fecals i enterovirus.

• USOS: oMatèria primera per la

resta de qualitats d’aigua oHigiene

35

AIGUA PURIFICADA • DEFINICIONS:

36

AIGUA PURIFICADA

• ÚS: oCom a excipient a les formes farmacèutiques sòlides

(solucions i dispersions orals), cremes, coliris, etc... I en la preparació de la majoria de les preparacions sòlides

oPel rentat d’equipaments: per homogeneïtzar oCom a base per a l’obtenció d’altres tipus d’aigua de

major qualitat oEn la preparació d’alguns productes químics d’ús a la

indústria farmacèutica.

37

AIGUA PURIFICADA • NORMATIVES:

38

AIGUA PER A INJECTABLES • DEFINICIONS:

39

AIGUA PER A INJECTABLES

• ÚS: • Excipient per a preparats estèrils destinats a

l’administració via parenteral • Rentat d’equipaments d’ús per a preparats estèrils • Preparació d’alguns productes químics d’utilització a la

indústria farmacèutica (BPQ)

40

AIGUA PER A INJECTABLES • S'obté a partir de l’aigua potable o d’aigua purificada per

destil·lació amb columna de farcit de vidre de borosilicat (vidre neutre), de quars o metall per evitar problemes de migració

• L’equipament ha de subministrar aigua exempta de pirògens

• La primera fracció del destil·lat ha de ser rebutjada • El destil·lat s’ha de emmagatzemar i recollir de forma

que s’eviti la contaminació microbiològica o qualsevol tipus de contaminació

41

AIGUA PER A INJECTABLES • NORMATIVES

42

Introducció • Farmacopea Europea: L’aigua purificada es preparada ja sigui

per destil·lació o per acció de bescanvi d’ions o per qualsevol altre procediment adient, a partir de l’aigua destinada al consum humà.

• USP: L’aigua purificada es preparada a partir de l’aigua potable mitjançant unitats de tractament com poden ser la desionització, la destil·lació, bescanvi iònic, osmosi inversa, filtració o d’altres mètodes adients.

• L’únic mètode que garanteix l’obtenció d’un aigua que compleixi amb els requeriments microbiològics i químics és la destil·lació

43

N.A.3. OBTENCIÓ D’AIGUA PURIFICADA

INTRODUCCIÓ • Existeixen mètodes més adients per complir amb els

requeriments químic i d’altres per complir amb els microbiològics

• L’osmosi inversa és, desprès de la destil·lació, el mètode més adient per a l’obtenció d’aigua purificada.

• La floculació, prefiltració, microfiltració, ultrafiltració, radiació UV i ozonització son adients per a un tractament microbiològic però no químic

• El bescanvi iònic, l'osmosi inversa i la destil·lació són els tractaments adients per obtenir la qualitat química de l’aigua purificada

44

INTRODUCCIÓ

45

Mètodes d’obtenció d’aigua purificada • Destil·lació • Filtració • Bescanvi iònic • Osmosi inversa • Ultrafiltració

46

DESTIL·LACIÓ

• Procés fonamental en la producció d’aigua d’ús farmacèutic

• DESTIL·LACIÓ: Separació dels components d’una mescla líquida per vaporització i posterior condensació

• Un líquid comença a destil·lar quan la pressió dels seus vapors és igual a la pressió atmosfèrica

47

DESTIL·LACIÓ • Sistemes de destil·lació utilitzats a nivell industrial: - Destil·lador d’efecte simple - Destil·lador de doble efecte - Destil·lador per termocompressió

• Els destil·ladors s’alimenten generalment amb aigua

desmineralitzada obtinguda per bescanvi catiònic per evitar la formació de dipòsits calcaris.

48

Bescanvi iònic • 1850: Thomas Way: descobreix que hi ha certs

minerals (zeolites) que són capaces de perdre els seus àtoms de sodi quan es posen amb una solució càlcica sense perdre la seva estructura cristal·lina (el calci desplaça el sodi i es produeix un bescanvi d’ions). Aquest procés és reversible

• 1906: Gans sintetitza silico-aluminats alcalins hidratats (permutites) per estovar l'aigua.

• Actualitat: reïnes bescanviadores d’ions que poden eliminar cations i anions de les dissolucions

49

Bescanvi iònic TIPUS DE RESINES

• Inorgàniques. Com són les zeolites (silicats), argiles i similars, òxids hidratats i sals d’àcids Insolubles.

• Orgàniques. Com ara els productes orgànics naturals, determinats líquids, cel·lulosa modificada, carbons sulfonats i polímers sintètics (aquests són els més emprats).

• Mixtes. Com ara silicats als quals hem fixat cadenes d’alquil-fenil substituïts per grups sulfones o amonis quaternaris.

El conjunt de bescanviadors es poden agrupar des del punt de vista químic en:

• substàncies aniòniques • substàncies catiòniques • substàncies amfòteres 50

Bescanvi iònic • LES REÏNES SINTÈTIQUES POLIMÈRIQUES: Compostos

sintètics insolubles que tenen un esquelet macromolecular, amb estructura reticular tridimensional, dotada d’un cert nombre de grups polars. Els ions estan units als grups polars i constitueixen els grups actius.

51

a. Reïnes catiòniques • Canvien, generalment, protons per cations. • R – H+ + M+ R – M+ + H+

b. Reïnes aniòniques • S’anomenen així a aquelles per les quals s’intercanvien grups

generalment hidroxil (OH–) per anions (X–). • R – OH– + X– R – X– + OH–

Bescanvi iònic

52

Bescanvi iònic

53

Bescanvi iònic Estovament de l’aigua: S’utilitzen les permutites i zeolites naturals En una primera etapa l'aigua rica en sals de calci (aigua

dura) passa per un llit de permutites sòdiques fins esgotar el poder de bescanvi d’aquestes. En una segona etapa la permutita es regenera amb una solució de clorur sòdic.

S'obté aigua tova (per a calderes) segons les reaccions:

54

Bescanvi iònic • Obtenció aigua desmineralitzada: Desmineralització per bipermutació. L’aigua passa successivament per bescanviadors de

cations i d’anions. Es pot afegir una tercera columna que reguli el pH de

sortida de l’aigua a un valor pH=7±0.1 El pas continu a través de reïnes fa que aquestes

esgotin la seva capacitat bescanviadora: s’han de regenerar periòdicament (en funció dels valors de resistivitat). Es regeneren amb àcids forts per a les reïnes

catiòniques i bases fortes per a les reïnes aniòniques

55

Bescanvi iònic

56

Desmineralitzador industrial

57

Desmineralitzador industrial

58

Bescanvi iònic • També hi ha bescanviadors de llit mixt: columnes en que les

dues reïnes estan mesclades. • La bipermutació sobre llits mixtos dona lloc a aigua

perfectament desmineralitzada • La regeneració és més complexa. • L’aigua desmineralitzada es fa circular a través d’una columna

de desgasificació per eliminar el diòxid de carboni. • El bon funcionament de les instal·lacions es verifica

mitjançant mesuradors de cabal i controls de resistivitat de l’aigua

• La bipermutació és una tècnica econòmicament acceptable: grans volums d’aigua per unitat de temps

59

Bescanvi iònic • La regeneració mai és absoluta • No està autoritzat utilitzar aquest tipus de purificació

d’aigua per a preparacions injectables • Alguns microorganismes es poden desenvolupar sobre

les reïnes bescanviadores de ions desprès de la retenció d’àcids orgànics. Després d’un període de repòs hi ha risc de que l’aigua que surt de la instal·lació estigui contaminada.

• La columna de desgasificació pot també ser una font de contaminació.

60

Osmosi inversa • Quan es posen en contacte dos solucions salines de

diferent concentració separades per una membrana semipermeable que només permet el pas al seu través, l’aigua passarà de la solució menys concentrada a la més concentrada fins assolir l’equilibri.

• Si s’aplica sobre el compartiment de la solució salina concentrada una pressió superior a l’osmòtica (la que s’assoleix a l’equilibri) s’aconsegueix un flux continu d’aigua pura en sentint invers: OSMOSI INVERSA

• Aquest sistema permet obtenir aigua desionitzada

61

Osmosi inversa

62

Tipus de membranes

63

Osmosi inversa

• Producció de 40 l/h; P=200 psi i T=251ºC

64

Osmosi inversa • L’aigua posterior a l’osmosi inversa es pot sotmetre a altres

tractaments, depenent de la qualitat desitjada: desgasificació, destil·lació, segona d’osmosi inversa, bescanvi d’ions, etc.

• El tractament per osmosi inversa no condueix a una total desmineralització

• Avantatge: proporcionar un aigua de mineralització feble a un baix cost, útil per a moltes preparacions farmacèutiques

• L’aigua obtinguda és en principi estèril, apirògena i sense partícules.

• Es pot utilitzar per la darrera neteja de vials de solucions injectables, però no està permès l’ús per a la fabricació d’injectables

• S’ha de controlar la possible contaminació de les membranes, la seva neteja i integritat i la integritat de l’hermeticitat

65

ULTRAFILTRACIÓ • La ultrafiltració o filtració molecular consisteix en la filtració

per mitjà de la pressió a través d’una membrana semipermeable.

• La diferència amb l’osmosi inversa és la diferència de permeabilitat de les membranes

• Les membranes d’ultrafiltració són més obertes que les d’osmosi inversa i retenen molècules majors: proteïnes, microorganismes i endotoxines.

• Es necessari una prefiltració adient per evitar el taponat de les membranes filtrants

66

TRACTAMENT UV • Desinfectant superficial, eliminar l’ozó, el clor i cloramines de

l’aigua i per disminuir el carbònic orgànic total (TOC) • Les làmpades de vapor de mercuri són les més usades. • La longitud d’ona més efectiva per eliminar l’ozó, el clor i les

cloramines és la de 254 nm; per disminuir el TOC és la de 185 nm

• L’efectivitat de les làmpades decreix quan major és la concentració de substàncies dissoltes a l’aigua (efecte ombra). Pretractament necessari

• La radiació UV només elimina el 90% dels microorganismes que entren a la unitat

68

TRACTAMENT AMB CALOR • Usat per controlar el creixement microbià • L’aigua s’escalfa a 80ºC als dipòsits i es distribueix a

aquesta temperatura. Amb això s'assegura qualitat microbiològica de l’aigua (és més car que la radiació UV)

69

Resum mètodes purificació

70

N.A.3. TRACTAMENT I DEPURACIÓ D’AIGÜES

71

TRACTAMENT D’AIGÜES • Els sistemes de tractament es poden classificar en funció

del fonament en que es basen: TRACTAMENTS FÍSICS TRACTAMENTS QUÍMICS TRACTAMENTS BIOLÒGICS TRACTAMENTS MIXTES

• En funció de la missió que tenen: TRACTAMENTS PREVIS TRACTAMENTS PRIMARIS TRACTAMENTS SECUNDARIS O BIOLÒGICS TRACTAMENTS TERICARIS O D’AFINAMENT TRACTAMENTS ESPECIALS

72

1. TRACTAMENTS PREVIS • Objectiu: separar la major quantitat possible de les

matèries que, per la seva natura o mida, crearien problemes als tractaments posteriors

• DESBAST: • Retenció dels sòlids més gruixuts, draps, plàstics, fustes,

etc, per protegir bombes i evitar obstruccions en conduccions i vàlvules

73

Desorrat • Separar de l’afluent sorra, grava, i partícules minerals

que estiguin en suspensió • Es tracta d’eliminar les matèries pesades de

granulometria superior a 0.2mm per evitar la seva sedimentació en canals i conduccions, per protegir bombes i d’altres equipaments contra l’abrasió

• Es basa en la separació per gravetat al disminuir la velocitat de l’aigua (sense disminuir la massa per evitar la precipitació de matèria orgànica-pudors, etc..)

75

DESARENADO

76

Separació d’olis i greixos • OBJECTIU: separació d’olis, greixos, escumes i matèria que

sura. Es necessària per evitar problemes a d’altres processos posteriors com la decantació i els fangs activats.

77

Homogeneïtzació • Si hi ha variacions puntuals de quantitat i/o qualitat de

l’abocament, es necessària la construcció d’un dipòsit d’homogeneïtzació que permeti alimentar la planta depuradora de forma continua i amb un efluent de qualitat constant

Neutralització • Operació necessària en alguns casos prèvia als tractaments

fisicoquímics, per mantenir el pH dins de l’interval de treball de coagulants i floculants utilitzats

2. TRACTAMENT PRIMARI • OBJECTIU: Reducció dels sòlids en suspensió de l’aigua

residual. També se separen matèries flotants (oli, escumes) que tenen una concentració inferior.

• Es redueix la DBO perquè part dels sòlids en suspensió estan formats per matèria orgànica

• Normalment consisteix en una decantació que sol estar complementada per processos de coagulació i floculació per augmentar el rendiment

78

2. TRACTAMENT PRIMARI • Els condicionants que influeixen en la decantació són:

tamany de partícules, pes específic de les partícules, concentració de sòlids en suspensió, temperatura, temps de retenció, velocitat ascensorial, velocitat de flux, etc….

• A major temperatura menor és la densitat del líquid i més ràpida la sedimentació

• Per calcular el rendiment del decantador s’ha de prendre una mostra del influent i una altra del efluent i analitzar els indicadors de qualitat de l’aigua

79

2. TRACTAMENT PRIMARI • Els rendiments típics dels decantadors són: Sòlids sedimentables (90-95%) Sòlids en suspensió (40-60%) DBO (25-35%) Bacteris (25-75%) Sòlids totals (10-15%)

80

3. TRACTAMENT SECUNDARI • Una part significativa de la matèria orgànica està

dissolta a l’aigua i per tant és indiferent al tractament de decantació primari, pel que s’ha d’eliminar en un procés biològic

• En un procés biològic la matèria orgànica es metabolitzada per una biomassa de microorganismes. Un cop assimilada la matèria orgànica se separen els microorganismes depurats amb decantació

• Els processos biològics convencionals, per tant, consten de dues fases: reactor biològic i decantador

81

3. TRACTAMENT SECUNDARI • TRACTAMENTS BIOLÒGICS que tracten d’imitar el procés

d’autodepuració que es produeix a la natura. • CONCEPTES PREVIS. Els organismes implicats en el procés

natural d’autodepuració d’un aigua es poden dividir, en funció del seu habitat, en: • Organismes fixes: colonitzen tota la superfície del curs de

l’aigua com pedres, plantes, etc. • Organismes en suspensió: flòculs bacterians, plàncton,

crustacis microscòpics, i diferents tipus de peixos. Així els llits bacterians imiten als organismes fixes i els fangs activats als organismes en suspensió

83

• BIODEGRADABILITAT: La biodegradabilitat d’un aigua residual es determina com la relació de la DBO a la DQO.

• Aquest índex orienta sobre el sistema de depuració més adient: oDBO/DQO > 0.4: biodegradable (es poden utilitzar sistemes

biològics per fangs activats o llits bacterians) o0.2 < DBO/DQO < 0.4: biodegradable (aconsellable llits

bacterians) oDBO/DQO < 0.2: poc o gens biodegradable (cal recórrer a

processos químics) • Pel desenvolupament favorable de l’activitat dels

microorganismes la relació entre DBO i nutrients ha de ser: DBO: N : P========= 100: 5: 1

84

TÈCNIQUES BIOLÒGIQUES • Hi ha tres grans tipus de tècniques biològiques de

depuració amb múltiples variants, segons el cultiu biològic estigui: en suspensió (fangs activats) fixat a una superfície immòbil (llits bacterians) fixat a una superfície que gira (biodiscs)

85

FANGS ACTIVATS • És el sistema més utilitzat en tractaments d’aigües residuals i

consisteix en provocar el desenvolupament d’un cultiu bacterià dispers en forma de flòculs (fangs activats) en un dipòsit agitat i airejat alimentat amb l’efluent a depurar

• L’agitació té com a missió evitar sediments i homogeneïtzar la mescla de flòculs bacterians i l’afluent

• L’aireació es pot fer amb aire o amb oxigen pur i té com a objectiu fer front a les necessitats d’oxigen dels bacteris depuradors aerobis

• La concentració de nutrients a les aigües residuals urbanes es suficient per desenvolupar aquest procés biològic, però les aigües industrials poden tenir un balanç nutritiu inapropiat pel metabolisme microbià i pot ser sigui necessària l’addició de nutrients suplementaris 86

LLITS BACTERIANS

• Es basen en la biopel·lícula aeròbia que es fixa en un medi suport (farcit) que està en contacte amb l’aigua, deixant aire en els intersticis o forats que queden entre els suports, permetent l’oxigenació de la biopel·lícula

• Existeixen dos sistemes de distribució de l’aigua d’alimentació: • Sistema fix: constituït per canonades i aspersors, utilitzat

fonamentalment en llits bacterians de planta quadrada o rectangular

• Sistema mòbil: constituït per una columna vertical central giratòria de la que parteixen braços horitzontal radials en els que van instal·lades les boquilles

87

BIODISCS • Constituïts per un conjunt de

discs de plàstic en posició vertical a un eix central accionat per un motor que gira molt lentament. Aquest conjunt es munta en un dipòsit i es deixa submergit al 40%. Quan l’estructura giratòria és un cilindre porós es denomina biodisc

89

FONAMENT BIOQUÍMIC DEL TRACTAMENT BIOLÒGIC

• El fonament bioquímic en que es basa el tractament biològic és:

90

• La quasi totalitat de la matèria orgànica que entra al reactor biològic és de naturalesa carbonatada i es metabolitzada majoritàriament per microorganismes aerobis heteròtrofs segons la reacció:

C6H12O6 + O2 ==== 6 H2O + 6 CO2

• Una 2a reacció la realitzen dos grups de microorganismes quimiòtrofs (nitrosomes i nitrobacter). Oxiden l’amoni a nitrat consumint també oxigen. Aquest procés s’anomena nitrificació.

91

• Per que la primera i més important reacció tingui lloc, des del punt de vista depurador, a més a més de l’aportament d’oxigen es necessari: • Facilitar al màxim el contacte entre la matèria orgànica

(el substrat) i els microorganismes (la biomassa) per potenciar la reactivitat

• Donar el suficient temps de contacte per que tingui lloc la metabolització de la matèria orgànica (DBO5), així com per permetre l’estructuració dels microorganismes en una biomassa floculada que possibiliti la seva recuperació de la biomassa i obtenció de l’afluent depurat en la clarificació posterior

• Que no es produeixen efectes inhibidors del metabolisme microbià per acció de tòxics presents en concentracions excessives

92

CONTROL DEL PROCÉS BIOLÒGIC • Control microscòpic: ràpid i directe • Consisteix a qualificar la biomassa en funció de la

naturalesa del flòcul, de l’abundància i tipologia dels microorganismes filamentosos i dels microorganismes bioindicadors.

• Es du a terme amb un microscòpic òptic de 100 augments

93

CONTROL DEL PROCÉS BIOLÒGIC • FLÒCUL: control del diàmetre, morfologia, textura i

estructura

94

PARÀMETRES DE CONTROL • OXIGEN DISSOLT: És indispensable per l’oxidació de la

matèria orgànica. Ha de ser aproximadament d’1 a 2 mg/l. Si el valor és <0.5 mg/L s’incrementa el risc de creixement d’organismes filamentosos i si és alt (>3-4 mg/L) hi ha una despesa d’energia elèctrica alta. Els processos de nitrificació s’inhibeixen a[ ] <1 mg/L

• SÒLIDS EN SUSPENSIÓ DE LICOR DE MESCLA (SSLM):

Mesuren la quantitat de microorganismes presents al reactor. Es determina per retenció al filtrar el licor de mescla amb una membrana porosa i per quantificació posterior amb gravimetria. Valors entre 1000 i 6000 mg/L. Es controla purgant més o menys quantitat de fangs del sistema.

96

PARÀMETRES DE CONTROL • EDAT DELS FANGS: Representa el nombre de dies que, per

terme mig, els fangs biològics es mantenen al sistema abans d’esser eliminats. Es defineix com la relació entre els sòlids presents al sistema i els sòlids purgats del sistema. L’edat mínima per a que els flòculs puguin estructurar-se és de 2 o 3 dies. Els processos d’oxidació de l’amoni tenen lloc a partir dels 7-8 dies. Els fangs estabilitzats tenen edats superiors als 25 dies.

• CÀRREGA MÀSSICA (Cm): Paràmetre que relaciona el contingut orgànic d’entrada amb la quantitat de microorganismes disponibles per a la seva depuració

97

ELIMINACIÓ DE NUTRIENTS • Processos convencionals dissenyats per eliminar compostos de

carboni (DQO, DBO, TOC) però ineficients per eliminar N i P. • Aquests elements provoquen el creixement descontrolat de

biomassa i poden provocar pertorbacions mediambientals greus. Aquest fenomen es coneix com eutrofització.

• La depuració de N i P s’aconsegueix principalment creant diferents condicions ambientals als reactors biològics convencionals.

• CONCEPTES PREVIS: aerobi: oxigen dissolt superior a 0.5 mg/L Anòxic: oxigen molecular en forma de nitrat però sense oxigen

dissolt o en baixes concentracions Anaerobi: no conté oxigen dissolt ni nitrats però sí matèria

orgànica biodegradable

98

• El nitrogen se sol trobar a les aigües residuals com a nitrogen orgànic o amoniacal i com a nitrits o nitrats com a formes minoritàries

• Per eliminar el nitrogen es necessari passar-ho tot a nitrat

• El fòsfor també es pot trobar com a polifosfat, com a fòsfor orgànic u ortofosfat però només aquest darrer es pot depurar eficientment, per tant la resta s’ha de convertir biològicament a d’altres formes d’ortofosfat.

99

ELIMINACIÓ BIOLÒGICA DEL NITROGEN • PRIMERA ETAPA: NITRIFICACIÓ • Conversió en dues etapes d’amoni a nitrit i de nitrit a nitrat amb els

microorganismes autòtrofs • NH3 + O2 + nitrosomes ====NO2

- + 3 H+

• NO2- + 0.5 O2 ======NO3-

• SEGONA ETAPA: DESNITRIFICACIÓ • En absència d’oxigen dissolt els bacteris heteròtrofs utilitzen

l’oxigen dels nitrats i dels nitrits. REACCIÓ:

100

• Per a potenciar els dos processos descrits es necessita: • Una zona anòxica completament homogeneïtzada per produir la

desnitrificació • Una zona aeròbia on es nitrifiqui el nitrogen amoniacal a més amés

de l’eliminació de la matèria orgànica biodegradable

101

ELIMINACIÓ BIOQUÍMICA DEL FÒSFOR • Biomassa d’uns fangs activats: en torn al 2% del seu pes sec (part

del fòsfor s’elimina així) • Per depurar el fòsfor se sol aprofitar aquest fet incrementant el

contingut de biomassa purgada

CONSIDERACIONS GENERALS DE L’ELIMINACIÓ DE NUTRIENTS • OXIGEN: El rendiment dels processos està directament relacionat

amb que cada zona contingui els nivells d’O2 que necessita. La pèrdua d’anòxia o de les característiques aeròbies o anaeròbies de les zones habilitades per això poden impedir els tractaments.

• TEMPERATURA: Tot i que els bacteris encarregats d’eliminar el fòsfor tenen un ampli rang de treball, entre els 5 i 25ºC mantenen un nivell metabòlic acceptable, el procés de nitrificació es veu molt afectat negativament a baixes temperatures

• AGITACIÓ: Es necessari mantenir totes les zones homogeneïtzades • pH: els protons produïts per la nitrificació i els hidròxids generats a

la desnitrificació poden ocasionar grans variacions de pH que poden afectar a la biomassa del procés de depuració, especialment en aigües amb poca capacitat tampó

102

TRACTAMENT TERCIARI • Desinfecció i filtració • Consisteix en processos destinats a aconseguir una

qualitat de l’efluent superior a la del tractament secundari convencional

• La finalitat es poder utilitzar l’aigua per la pròpia industria o per a tercer (recs, agricultura..)

• Aquests tractaments consisteixen en desinfecció amb clor o amb sistemes UV i la filtració amb carboni actiu o membranes

103

TRACTAMENT DE FANGS • CARACTERITZACIÓ PRÈVIA: fonamental per escollir el tractament

corresponent • La composició del fang depèn de la naturalesa de la contaminació

inicial de l’aigua i dels processos de depuració

104

CLASSIFICACIÓ DELS FANGS • CLASSE ORGÀNICA HIDRÒFILA: fracció important de col·loides

hidròfils. Resultants del tractament biològic. Pot haver-hi present hidròxids de ferro o alumini provinents

d’altres processos de depuració. Es requereix condicionament previ abans de la deshidratació mecànica

• CLASSE MINERAL HIDRÒFILA: Contenen hidròxids metàl·lics formats per precipitació de l’aigua a tractar o per la utilització de floculants.

• CLASSE OLIOSA: Presència als efluents de quantitats d’olis o greixos. Estan en emulsió o adsorbits per partícules fangoses hidròfiles o hidròfobes. Poden contenir una fracció de fang biològic.

• CLASSE MINERAL HIDRÒFOBA: Tenen gran proporció de matèria amb un contingut d’aigua lligada.

• CLASSE FIBROSA: Fàcils de deshidratar

105

Paràmetres del fang • CONCENTRACIÓ EN MATÈRIA SECA (MS): en mg/l o en % en pes es determina per assecat a 105ºC fins pes constant per a fangs líquids s’aproxima al contingut en suspensió

(filtració o centrifugació) • CONTINGUT DE MATÈRIES VOLÀTILS (MV): en % en pes de matèries seques es determina per calcinació

106

ETAPES DE TRACTAMENT DELS FANGS • Espessiment • Estabilització • Condicionament • Deshidratació

107

ESPESSIMENT • Els subproductes de la planta depuradora són conduits

a una línia de tractament per reduir el seu contingut en aigua

• Fangs primaris (decantació primària) • Fangs secundaris (purga biomassa) • OBJECTIUS:

Reduir les necessitats de tractaments posteriors Minimitzar la capacitat d’emmagatzematge Estalvi costos transport Disminuir reactius a afegir

108

PROCEDIMENTS D’ESPESSIMENT • ESPESSIMENT PER GRAVETAT: Amb un tanc circular (similar decantador) S’utilitza bàsicament per a fangs primaris Paràmetres de control: - Càrrega de sòlids -Temps de retenció • ESPESSIMENT PER FLOTACIÓ Per fangs de difícil sedimentabilitat Per aeroflotació

109

ESTABILITZACIÓ • Aquest tractament tracta d’aturar els problemes derivats dels

microorganismes, matèria viva, i elements orgànics • ESTABILITZACIÓ QUÍMICA: Aportació de reactius que actuen com a bactericides Per fangs líquids s’aconsegueix elevant el pH amb cal • DIGESTIÓ AERÒBIA: Eliminació de la part fermentada dels fangs. Fangs es

sotmeten a aireació durant 10-15 minuts per mineralització de la matèria orgànica

• DIGESTIÓ ANAERÒBIA: S’escalfa el fang a uns 30ºC: es produeixen processos de

liqüefacció, gasificació i mineralització. S’obté un producte final inert amb alliberació de gasos

112

CONDCIONAMENT • Tractament tèrmic: disminució humitat fangs

113

DESHIDRATACIÓ • Se separa bona part de l’aigua que porten els fangs que

provenen del espessidor • CENTRÍFUGUES • FILTRE PREMSA • FILTRE BANDA • “ERAS” D’ASSECAT • ASSECAT AMB APORTACIO DE CALOR

REUTILITZACIO DELS FANGS • APLICACIO AL TERRENY Us agrícola: es necessari que el fang estigui estabilitzat Restauració d’espais degradats • UTILITZACIO EN EL SECTOR DE LA CONSTRUCCIO Fabricació de material ceràmic Construccions bases, subbases i elements prefabricats

118

REUTILITZACIO AIGUES

DEPURADES

119

uf4 tractament d'aigües

Education