Estudio del proceso de concentración de agua residual urbana mediante membranas de ósmosis directa

Abstract

The global challenges of water pollution and scarcity due to industrial demands and population growth, have generated alarming concern. The sixth sustainable development goal of the 2030 agenda highlights the need for availability and sustainable management of water and sanitation. To address these critical concerns, efficient water resource management is essential, and wastewater treatment plants (WWTPs) play a critical role. Municipal WWTPs are designed not only to mitigate pollution but also to protect environmental quality and human health and to take advantage of valuable resources such as water, nutrients and energy. As urban populations increase, WWTPs must adapt to changing environmental constraints and transition toward more sustainable and resilient treatment systems that prioritize low environmental impact and energy efficiency. Conventional wastewater treatment encompasses various physical, chemical and biological processes to remove solids, organic matter and occasionally nutrients from wastewater. While effective on conventional contaminants, it struggles removing emerging contaminants such as pharmaceuticals and hormones. Consequently, great efforts have been directed to the development of advanced wastewater treatment technologies, such as membrane filtration, adsorption and advanced oxidation processes, to improve the removal efficiency of contaminants and nutrients. Membrane technology, in particular, has emerged as a preferred manner of recovering water from various wastewater streams, which holds promise for resource recovery and environmental sustainability. In this context, this thesis delves into the utilization of Forward Osmosis (FO) technology for the treatment of municipal wastewater. This technology makes possible to use the osmotic pressure of a salt solution as the driving force, instead of a mechanical pressure gradient as would be done in a Reverse Osmosis (RO) process. This results in considerable energy savings in favor of RO. Our study investigates the performance of different FO membranes and focuses on the remotion of emerging contaminants from wastewater, shedding light on the potential and challenges of this innovative technology.

Los desafíos globales de la escasez de agua y su contaminación, debido a las demandas industriales y el crecimiento demográfico, han generado una preocupación alarmante. El sexto objetivo de desarrollo sostenible de la agenda 2030 destaca la necesidad de disponibilidad y gestión sostenible del agua y el saneamiento. Para abordar estas preocupaciones críticas, es esencial una gestión eficiente de los recursos hídricos, y las plantas de tratamiento de aguas residuales (EDAR) desempeñan un papel fundamental. Las EDAR municipales están diseñadas no sólo para mitigar la contaminación sino también para salvaguardar la calidad ambiental, la salud humana y aprovechar recursos valiosos como el agua, los nutrientes y la energía. A medida que aumentan las poblaciones urbanas, las EDAR deben adaptarse a las cambiantes limitaciones ambientales y hacer la transición hacia sistemas de tratamiento más sostenibles y resilientes que prioricen el bajo impacto ambiental y la eficiencia energética. El tratamiento convencional de aguas residuales abarca diversos procesos físicos, químicos y biológicos para eliminar sólidos, materia orgánica y ocasionalmente nutrientes de las aguas residuales. Si bien es eficaz con los contaminantes convencionales, tiene dificultades para eliminar los contaminantes emergentes, como los productos farmacéuticos y las hormonas. En consecuencia, se han dirigido grandes esfuerzos al desarrollo de tecnologías avanzadas de tratamiento de aguas residuales, como filtración por membrana, adsorción y procesos avanzados de oxidación, para mejorar la eficiencia de eliminación de contaminantes y nutrientes. La tecnología de membranas, en particular, ha surgido como alternativa prometedora para depurar agua de diversas corrientes de aguas residuales, lo que resulta prometedor para la recuperación de recursos y la sostenibilidad ambiental. En este contexto, esta tesis profundiza en la utilización de la tecnología de Ósmosis Directa (FO, de su término en inglés Foward Osmosis) para el tratamiento de aguas residuales municipales. Esta tecnología permite usar la presión osmótica de una disolución salina como fuerza impulsora, en vez de un gradiente de presión mecánica como se haría en un proceso de Ósmosis Inversa (RO, de su término en inglés Reverse Osmosis). Esto supone un considerable ahorro energético a favor de la FO. El estudio el rendimiento de diferentes membranas de FO y se centra en eliminar los contaminantes emergentes de las aguas residuales, arrojando luz sobre el potencial y los desafíos de esta tecnología innovadora.