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¿Cuál es la diferencia entre tratamiento de agua por Membranas vs Filtración convencional?

17/06/2025

¿Cuál es la diferencia entre tratamiento de agua por Membranas vs Filtración convencional?

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Autor: Gratt

Blog: www.gratt.com.br

 
En este post, el ingeniero Demetrio R. de Souza, Gerente de Procesos en GRATT, presenta un análisis comparativo —tanto cualitativo como cuantitativo— entre ambos métodos de tratamiento.
 
Demetrio es responsable técnico del departamento de Tratamiento de Aguas y con el apoyo del Gerente Comercial Ing. Felipe Masiero Fogaça, están trabajando para que GRATT pueda garantizar el tratamiento de agua a cada vez más ciudades y empresas de Europa.
 
Con décadas de experiencia en el diseño e implementación de sistemas de tratamiento de aguas (potables y residuales), GRATT posee el know-how necesario para abordar este tema con rigor técnico, como también liderar en varios países y mercados el suministro de sistemas con alta fiabilidad.
 
Este post destaca los principales puntos relacionados con los diferentes tipos de tratamiento del agua y algunas comparativas entre las diferentes tecnologías.
 

Principales fuentes de agua utilizadas:
 
  • Agua superficial (lagos, represas, embalses y ríos).
     
  • Agua subterránea (pozos).
     
  • Agua de mar.
     
  • Aguas residuales tratadas de origen municipal o industrial.
 
Composición fisicoquímica y contaminantes más comunes:
 
  • Parámetros fisicoquímicos: pH, temperatura, turbidez.
     
  • Contaminantes: sólidos disueltos, sólidos suspendidos, metales, coloides, gases disueltos, aceites y grasas, surfactantes, proteínas.
     
  • Indicadores de carga orgánica: DBO, DQO, COT.
     
  • Subproductos de la desinfección: trihalometanos (THM).
     
  • Microbiológicos: coliformes, bacterias, virus, algas, entre otros.
 

Tipos de filtración convencional

 
Los sistemas de filtración convencional comprenden una variedad de tecnologías diseñadas para remover partículas suspendidas, coloides, microorganismos y ciertos contaminantes disueltos, a través de una combinación sinérgica de procesos físicos y químicos.
 
Entre los tipos más comunes de unidades de tratamiento convencional se encuentran:
 
  • Flotadores (por aire disuelto o por cavitación): utilizados especialmente cuando se requiere separar sólidos ligeros, grasas y algas.
     
  • Plantas de Tratamiento de Agua Potable (PTAP) convencionales (en canal abierto) o presurizadas: combinan procesos múltiples en un solo tren de tratamiento.
     
  • Filtros de arena: eficaces para la remoción de sólidos suspendidos y turbidez.
     
  • Filtros de carbón activado: utilizados para la adsorción de materia orgánica, cloro libre, compuestos volátiles y pesticidas.
     
  • Ablandadores (intercambio iónico): orientados a la reducción de dureza (calcio y magnesio).
     
  • Filtros con zeolita: aplicables tanto para la remoción de amoníaco como para retención de partículas finas y ciertos metales.
 
Todos estos procesos operan con base en principios fisicoquímicos. El tratamiento químico, por su parte, implica la selección adecuada de coagulantes, floculantes, agentes oxidantes y correctores de pH, siendo crítica la determinación precisa de las dosis, así como el control operacional (tiempos de contacto, velocidades de mezcla, gradientes de velocidad, etc.,).
 
En una PTAP clásica, las etapas más representativas del tratamiento incluyen:
 
 
1. Dosificación de productos químicos (coagulantes, alcalinizantes, oxidantes, etc.,).
 
2. Coagulación: desestabilización de coloides y partículas finas.
 
3. Floculación: aglomeración de partículas para formar flóculos.
 
4. Decantación o sedimentación: separación de sólidos por gravedad.
 
5. Filtración: paso del agua a través de medios granulares (arena, antracita, etc.,).
 
6. Desinfección: eliminación de microorganismos patógenos mediante cloro, dióxido de cloro, ozono o radiación UV.
 

Este tipo de tratamiento se caracteriza por ser robusto y adaptable, aunque su eficiencia puede verse afectada por variaciones abruptas en la calidad del agua bruta, requiriendo constante monitoreo y ajustes operativos.
 

Tipos de tratamiento con membranas

 
Los procesos de separación por membranas se basan en el uso de membranas sintéticas, porosas o semipermeables, para remover partículas sólidas de pequeño diámetro, macromoléculas e incluso compuestos iónicos disueltos en el agua. Para que ocurra esta separación, se requiere la aplicación de una fuerza motriz, generalmente un gradiente de presión hidráulica o un campo eléctrico.
 
De forma general, los procesos de separación por membranas se clasifican en cinco categorías principales:
 
  • Microfiltración (MF)
  • Ultrafiltración (UF)
  • Nanofiltración (NF)
  • Ósmosis Inversa (RO)
  • Electrodiálisis (ED)
 
La principal diferencia entre estos procesos radica en el tamaño de poro de la membrana y en la naturaleza e intensidad de la fuerza motriz que impulsa la separación de los contaminantes.
 
En cuanto a la capacidad de exclusión, las membranas de ósmosis inversa son las más restrictivas, mientras que las de microfiltración permiten el paso de partículas de mayor tamaño, como se observa habitualmente en el espectro de separación por membranas (Figura 1).
 
Aunque superficialmente podrían compararse con los procesos de filtración convencional, la tecnología de membranas presenta diferencias sustanciales, entre las cuales destacan:
 
  • El flujo del agua es tangencial o paralelo a la superficie de la membrana, lo que evita la obstrucción inmediata del medio filtrante.
     
  • Es posible remover no solo partículas en suspensión, sino también contaminantes disueltos tanto orgánicos como inorgánicos.
     
  • Los sistemas de membranas operan a presiones significativamente más altas que los procesos de filtración tradicionales.
 
El desarrollo de estas tecnologías ha representado un avance significativo en el tratamiento de efluentes, ya que permiten alcanzar niveles de remoción de contaminantes antes posibles únicamente mediante técnicas de alto costo, complejidad y limitada aplicabilidad.
 
Una característica inherente a los sistemas de membranas es la generación de dos corrientes distintas:
 
  • Permeado: fracción del efluente que atraviesa la membrana, libre de la mayoría de los contaminantes.
     
  • Concentrado (o rechazo): corriente residual que contiene la mayoría de los contaminantes retenidos.
 
Por norma, los procesos de separación por membranas deben ser precedidos por sistemas de pretratamiento (típicamente filtración convencional), con el objetivo de reducir la carga de sólidos suspendidos y así mejorar el desempeño y la vida útil de las membranas.
 

Microfiltración (MF)
 
Las membranas de microfiltración se consideran filtros absolutos, con tamaños de poro típicamente en el rango de 0,1 a 3 micrómetros. Se fabrican en materiales poliméricos, metálicos o cerámicos, y operan bajo diferenciales de presión de 0,3 a 1,7 bar.
 
Además de su aplicación en la remoción de coloides y microorganismos, la microfiltración puede emplearse en la retención de metales disueltos cuando se utiliza en conjunto con agentes quelantes de alto peso molecular.
 
En condiciones operativas adecuadas, el volumen del concentrado generado por un sistema de microfiltración puede representar menos del 5% del caudal de alimentación, alcanzando concentraciones de hasta 70% de sólidos en solución.
 
Ventajas principales:
 
  • Permite la eliminación selectiva de metales pesados y otros contaminantes específicos.
     
  • Se integra fácilmente a sistemas de tratamiento existentes (como pretratamiento o tratamiento terciario).
     
  • Bajo consumo energético en comparación con otros métodos de separación avanzada.
     
  • Inversión inicial relativamente baja en sistemas de microfiltración y ultrafiltración.
     
  • Operación modular y escalable, adecuada para diferentes capacidades de tratamiento.

Desventajas:
 
 
  • Los efluentes a tratar deben presentar baja carga de sólidos suspendidos, requiriendo pretratamiento eficiente.
     
  • Muchas membranas pueden sufrir degradación por ataque químico (especialmente por oxidantes y solventes).
     
  • La corriente de rechazo (concentrado) puede generar problemas ambientales y operativos en su disposición final.
     
  • Algunas sustancias iónicas y gases disueltos no son retenidos por tecnologías como MF o UF.
 
 
Ultrafiltración (UF) es una variedad de filtración por membrana en la que fuerzas como la presión o los gradientes de concentración conducen a una separación a través de una membrana semipermeable. Los sólidos en suspensión y los solutos de alto peso molecular se retienen en el llamado retenido, mientras que el agua y los solutos de bajo peso molecular atraviesan la membrana en el permeado (filtrado). Además del tratamiento del agua para beber o reutilizar, este proceso de separación se utiliza en la industria y la investigación para la purificación y concentración de soluciones macromoleculares (103-106 Da), especialmente soluciones de proteínas.        
                                           
Ampliamente utilizado en el tratamiento de aguas para abastecimiento, con porosidad entre 100 y 10 nanómetros, este proceso elimina todos los patógenos y contaminantes en este rango de tamaño y peso molecular, como quistes de Giardia lamblia, ooquistes de Cryptosporidium, protozoos, bacterias y virus. Su uso en el tratamiento de abastecimientos de agua es una técnica reciente.
 
Las ventajas potenciales sobre el tratamiento convencional son:
 
  • Producción de agua de calidad superior.
  • Adición de muchos menos productos químicos.
  • Requiere menos energía para la operación y el mantenimiento.
  • Proporciona un diseño y construcción de sistemas compactos y fáciles de implementar.
  • Menos espacio requerido para la implementación.
  • Sistema totalmente automatizado.

Excelentes como pretratamiento de ósmosis inversa o desalinizadores de agua de mar, aumentando la durabilidad de las membranas.

Nanofiltración es el proceso de separación de membranas, impulsado por la diferencia de presión, que ha experimentado un mayor desarrollo en los últimos años. Las membranas de estos procesos se denominaron así porque tienen cortes correspondientes a poros de aproximadamente 1 nanómetro. Sin embargo, el rechazo de moléculas cargadas de iones simples  está influenciado por la carga de la membrana.
 
Tamaño de poro 0,05-1 micrómetro, tamaño de partícula 300-100 ºDA se utiliza con altas presiones y bajo caudal.

 
Ósmosis inversa. Entre los procesos presentados hasta ahora, el proceso de ósmosis inversa es quizás el más discutido en la actualidad.
 
La tecnología de ósmosis inversa tuvo aplicación práctica como operación unitaria a finales de los años 50 y principios de los 60, principalmente para la desalinización de agua de mar y agua salobre, para luego ser aplicada en industrias, con el objetivo de reducir el consumo de agua y energía, control de la contaminación y recuperación de materiales útiles.
 
El principio de funcionamiento de los sistemas de ósmosis inversa es significativamente diferente de los procesos de separación presentados hasta ahora y se basa en el fenómeno natural de la ósmosis, que consiste en el paso de agua pura de una solución salina diluida a una más concentrada, a través de una membrana semipermeable, que separa las dos soluciones. El flujo de agua se produce hasta que se alcanza un equilibrio, que está representado por la presión osmótica de equilibrio. Cuando se aplica una presión hidráulica, superior a la presión osmótica de equilibrio, en el lado de la solución más concentrada, el flujo de agua pasa de la solución más concentrada a la más diluida, de ahí el término ósmosis inversa.
 
La figura siguiente muestra un esquema del proceso de ósmosis.
 
 
 
Es importante tener en cuenta que el proceso de ósmosis inversa es adecuado para el tratamiento de efluentes que contienen especies disueltas, que solo podrían tratarse mediante procesos de intercambio iónico o evaporación.
 
El proceso de ósmosis inversa se aplica al tratamiento de efluentes con una concentración de sales disueltas que oscila entre 5,0 mg/L y 34.000 mg/L, por lo tanto, es apto para la desalinización de aguas salobres o marinas, y se puede obtener una recuperación de agua superior al 90% en relación con el volumen de efluente alimentado al sistema.
 
La tasa de rechazo de sal es superior al 99,5% para muchos iones, mientras que la recuperación de agua por módulo de ósmosis es tan alta como el 82,5% y la presión de funcionamiento del sistema puede oscilar entre 3,4 y 75 bar.

Ventajas:
 
  • No requiere grandes cantidades de energía, ya que no hay cambio de fase de la solución procesada, sin embargo, existen economizadores de energía que convierten la presión de los relaves en energía eléctrica para alimentar el sistema;
     
  • Bajo costo de inversión y operación;
     
  • No requiere operadores altamente calificados;
     
  • Es adecuado para el tratamiento de efluentes que tienen iones disueltos como principales contaminantes.
 
Desventajas:
 
 
  • No apto para el tratamiento de efluentes con material en suspensión;
     
  • La membrana puede sufrir un ataque químico por algunos materiales presentes en la solución a tratar;
     
  • Las sustancias con baja solubilidad pueden precipitar en la superficie de las membranas;
     
  • Algunos compuestos orgánicos, especialmente los de muy bajo peso molecular y gases disueltos, no se eliminan;
     
  • El concentrado generado puede causar problemas en relación a su destino final.
 
Electrodiálisis: Similar al proceso de ósmosis inversa, el proceso de electrodiálisis purifica y concentra una solución dada, a través de un flujo preferencial a través de una membrana semipermeable.
Sin embargo, la transferencia de masa a través de la membrana que separa las soluciones se debe a una diferencia de potencial eléctrico, aplicada entre las membranas y siguen siendo las especies iónicas, presentes en las soluciones, las que penetran a través de la membrana.
 
Es importante destacar que el proceso de electrodiálisis, debido a que utiliza una diferencia de potencial eléctrico, aplicada entre un conjunto de membranas de iones selectivos, solo es adecuado para promover la separación de compuestos iónicos, y no está indicado para efluentes que contengan, como contaminantes, compuestos moleculares y sustancias en suspensión. La figura 3 muestra una representación esquemática del proceso de electrodiálisis.
 
 
 
 
 
Ventajas:
 
  • Funcionamiento a presión atmosférica;
     
  • Se pueden obtener soluciones concentradas con hasta un 20% de sales.
 
Desventajas:
 
  • Los sólidos en suspensión y los compuestos orgánicos pueden bloquear las membranas;
     
  • Los agentes oxidantes, o la presencia de iones ferrosos o manganosos, en concentraciones superiores a 0,3 mg/L pueden dañar las membranas;
     
  • Puede producirse electrólisis del agua con la generación de hidrógeno y oxígeno, que son altamente reactivos;
     
  • Pocos sistemas instalados y pocos fabricantes de membranas, lo que aumenta el CAPEX de la tecnología.
 
Comparación de eficacia entre métodos de tratamiento
 
 
 
Comparación entre ETA convencional y ultrafiltración
 
En este caso, comparamos PTAP con UF, una vez que la PTAP no elimina sales disueltos, esto por si imposibilita la comparación con NF o OR. Enfocamos las ventajas de cada una, una vez que las desventajas es el inverso.
 
 
 
Uso combinado de filtración convencional + Ultrafiltración
 
Cuando la turbidez del agua cruda excede regularmente los 120 NTU, los procesos convencionales (coagulación, floculación, decantación) pueden utilizarse como pretratamiento para proteger las membranas de UF, reduciendo el ensuciamiento y la necesidad de limpiezas frecuentes, así como el área de membranas requerida.
 

Resistencia y durabilidad de las membranas frente a métodos convencionales
 
Las membranas de UF están disponibles en distintos polímeros y configuraciones, lo que permite una personalización precisa para cada aplicación. Algunas membranas de PVDF, por ejemplo, cuentan con garantías de hasta 10 años frente a ruptura. Además, la tecnología MIT (Membrane Integrity Test) permite identificar fallas sin comprometer el sistema completo.
 
Importante: A diferencia de las membranas de RO, las de UF no son intercambiables entre fabricantes. Cada proveedor tiene especificaciones propias (dimensiones, porosidad, conexiones, tipo de filtración, etc.). La elección de un fabricante debe considerar su permanencia y reputación en el mercado, ya que una discontinuidad puede comprometer la reposición de módulos y poner en riesgo toda la planta.
 


Estado actual y perspectivas futuras

 
A pesar de las ventajas tecnológicas de los sistemas de membranas, su adopción aún es limitada frente a los métodos convencionales. Persisten mitos relacionados al alto CAPEX y a la necesidad de operadores altamente capacitados, lo cual ha sido desacreditado por casos exitosos en los últimos años.
 
Tendencias claras del mercado:
 
  • Las compañías de saneamiento están adoptando progresivamente tecnologías de membranas, gracias a su eficiencia, confiabilidad y automatización.
     
  • El aumento global de fabricantes está reduciendo el costo de las membranas, lo que mejora la viabilidad económica.
     
  • La legislación se está endureciendo, exigiendo niveles de calidad que los métodos convencionales no siempre pueden garantizar por sí solos.
 
 
 
Lo mas importante de todo es que nosotros en GRATT, estamos siempre buscando las mejores soluciones y tecnologías disponibles en el mercado para que los diferentes retos de nuestros clientes, sean resueltos y con la máxima cantidad de agua y por supuesto, con la calidad requerida.
 
 
 
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