Escalamiento-de-un-sistema-de-tratamiento-de-agua-con-membrana-de-nanofiltracion-para-la-remocion-de-microcontaminantes-en-agua-residual-de-la-Ciudad-de-Mexico

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UNIVERSIDAD NACIONAL 
AUTÓNOMA DE MÉXICO 
 
FACULTAD DE QUÍMICA 
 
 
 
ESCALAMIENTO DE UN SISTEMA DE 
TRATAMIENTO DE AGUA CON MEMBRANA DE 
NANOFILTRACIÓN PARA LA REMOCIÓN DE 
MICROCONTAMINANTES EN AGUA RESIDUAL DE 
LA CIUDAD DE MÉXICO 
 
 
 
TESIS 
 
QUE PARA OBTENER EL TÍTULO DE 
 
INGENIERO QUÍMICO 
 
 
 
 
 
PRESENTA 
 
CARLOS ISAAC BARRIOS ALVARADO 
 
 
MÉXICO, D.F. 2014 
 
 
UNAM – Dirección General de Bibliotecas 
Tesis Digitales 
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reproducción, edición o modificación, será perseguido y sancionado por el 
respectivo titular de los Derechos de Autor. 
 
 
 
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JURADO ASIGNADO: 
 
 
PRESIDENTE: DR. VÍCTOR MANUEL LUNA PABELLO 
VOCAL: MA. RAFAELA GUTIÉRREZ LARA 
SECRETARIO: DRA. ALMA CONCEPCIÓN CHÁVEZ MEJÍA 
1ER. SUPLENTE: DR. NÉSTOR NOÉ LÓPEZ CASTILLO 
2° SUPLENTE: DR. ALFONSO DURAN MORENO 
 
 
SITIO DONDE SE DESARROLLÓ EL TEMA: 
 
LABORATORIO DE INGENIERÍA AMBIENTAL Y BIOPROCESOS, INSTITUTO DE 
INGENIERÍA, UNAM 
 
 
_____________________________ 
ASESOR DEL TEMA: DRA. ALMA CONCEPCIÓN CHÁVEZ MEJÍA 
 
 
 
_____________________________ 
SUPERVISOR TÉCNICO: DR. FRANCISCO JOSÉ TORNER MORALES 
 
 
 
_____________________________ 
SUSTENTANTE: CARLOS ISAAC BARRIOS ALVARADO 
 
http://mx.linkedin.com/pub/ma-rafaela-guti%C3%A9rrez-lara/37/3a/751
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AGRADECIMIENTOS 
 
 
A LA UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE MÉXICO Y A LA FACULTAD DE QUÍMICA POR LA 
FORMACIÓN TAN COMPLETA Y LA OPORTUNIDAD DE CRECIMIENTO PERSONAL QUE ME HA 
BRINDADO DURANTE ESTOS AÑOS. 
 
 
 
AL INSTITUTO DE INGENIERÍA POR DARME LA OPORTUNIDAD DE INVOLUCRARME EN UNA 
COMUNIDAD ACADÉMICA QUE SE ESMERA EN LA FORMACIÓN DE SUS ALUMNOS Y DE LA CUAL HE 
APRENDIDO MUCHO. 
 
 
 
AL INSTITUTO DE CIENCIA Y TECNOLOGÍA DEL DISTRITO FEDERAL HOY SECRETARIA DE CIENCIA, 
TECNOLOGÍA E INNOVACIÓN DEL DISTRITO FEDERAL POR LOS FONDOS OTORGADOS A LA 
REALIZACIÓN DEL PROYECTO Y LA BECA OTORGADA. 
 
 
 
AL GRUPO DE TRATAMIENTO Y REÚSO. EN ESPECIAL, A LA DR. ALMA CHÁVEZ MEJÍA POR 
BRINDARME SU APOYO Y SOBRE TODO CONFIANZA Y POR PROCURAR EL ÓPTIMO DESARROLLO 
DEL PROYECTO Y DE MI FORMACIÓN. AL DR. FRANCISCO TORNER MORALES POR EL TIEMPO 
DEDICADO A GUIAR Y COMPLEMENTAR MI TRABAJO ASÍ COMO POR COMPARTIR CONMIGO 
ENSEÑANZAS Y CONSEJOS QUE HAN SIDO TAN ÚTILES COMO LA MISMA INGENIERÍA. 
 
 
 
AL JURADO ASIGNADO, DR. VÍCTOR MANUEL LUNA PABELLO, MA. RAFAELA GUTIÉRREZ 
LARA, DR. NÉSTOR NOÉ LÓPEZ CASTILLO, DR. ALFONSO DURAN MORENO QUE ADEMÁS DE 
REVISAR ESTE TRABAJO FUERON EXCELENTES PROFESORES QUE CONTRIBUYERON A MI 
FORMACIÓN EN LA INGENIERÍA AMBIENTAL. 
 
 
 
A MIS ESTIMADOS PROFESORES DE LA FACULTAD DE QUÍMICA, VALORO MUY ESPECIALMENTE LO 
MUCHO QUE HICIERON POR MÍ EN LAS AULAS DE ESTE MARAVILLOSO LUGAR. 
http://www.icyt.df.gob.mx/
http://mx.linkedin.com/pub/ma-rafaela-guti%C3%A9rrez-lara/37/3a/751
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DEDICATORIAS 
 
A MIS PADRES, ESTE LOGRO MÁS QUE MÍO ES SUYO, PORQUE ES SU TRABAJO EL QUE LO HIZO 
POSIBLE. SEPAN QUE AGRADEZCO PROFUNDAMENTE SU ENORME ESFUERZO. 
VIENEN A MI MENTE TODOS ESOS MOMENTOS EN LOS QUE SE SENTARON A MI LADO PARA 
AYUDARME CON MIS PROYECTOS E IMPULSARME A MEJORAR, MUCHAS GRACIAS POR CONFIAR EN 
MÍ. ADMIRO MUCHO SU AMOR, FE, PERSEVERANCIA, PACIENCIA Y SABIDURÍA Y ESPERO ALGÚN DÍA 
SER COMO USTEDES. SON LOS MEJORES PADRES QUE PUEDEN EXISTIR. LOS AMO. 
 
A MIS ABUELOS, GRACIAS NEY POR HABERME ENSEÑADO LO MÁS FUNDAMENTAL DE ESTE 
TRABAJO “LEER Y ESCRIBIR”, TU ENTUSIASMO Y EJEMPLO ME ACOMPAÑARÁN TODOS LOS DÍAS DE 
MI VIDA. GRACIAS DORA Y ERNESTO POR QUE CONFIARON EN MÍ Y ME APOYARON EN TODO ESTE 
CAMINO, SU EJEMPLO DE HUMILDAD HA DEJADO EN MÍ UNA HUELLA IMBORRABLE. ABUELITO NO 
OLVIDO TUS PALABRAS, SÉ QUE ESTARÁS ORGULLOSO DE MÍ. A LOS TRES LOS AMO. 
 
A MIS HERMANOS, PORQUE SI ALGUIEN HA VIVIDO JUNTO A MÍ ESTE CAMINO SON USTEDES, 
GRACIAS LUPITA, DANIEL Y ANDRÉS PORQUE SU CARIÑO Y AMISTAD HAN HECHO QUE VIVIR SEA 
UNA EXPERIENCIA MARAVILLOSA. QUE ENORME BENDICIÓN TENERLOS. SIEMPRE ESTAREMOS 
UNIDOS. LOS AMO. 
 
A MIS TÍOS NIDIA, TOMÁS, JAVIER Y TAMARA, PORQUE HAN LLENADO DE ALEGRÍA Y ENTUSIASMO 
MI VIDA, AGRADEZCO LOS GRANDES MOMENTOS QUE HAN COMPARTIDO CONMIGO. JAVIER Y 
NIDIA GRACIAS POR SU EJEMPLO Y APOYO, TAMBIÉN USTEDES CUENTAN CONMIGO. 
 
A MIS TÍOS ARTURO, GABY, FERNANDO E ISABEL PORQUE MUCHAS COSAS DE LA VIDA LAS 
APRENDÍ DE USTEDES. GRACIAS POR SU AMISTAD, LA VALORO MUCHO. ORO PARA QUE DIOS LOS 
BENDIGA. 
 
A MIS QUERIDOS PRIMOS, ANA, ALEXIS, IRIS, CESAR, TOMÁS, NIDIA, FERNANDA, JAVIER Y 
CARLOS. USTEDES SON UN GRAN MOTOR PARA MÍ. HEMOS CRECIDO JUNTOS Y SÉ QUE 
SEGUIREMOS ASÍ, CUENTAN CONMIGO. 
 
A MI FAMILIA ENTERA POR QUÉ TENER LA BENDICIÓN DE SU AMOR Y SU EJEMPLO HA SIDO SIN 
DUDA LA MÁS IMPORTANTE COSA QUE DIOS ME REGALO. SEPAN QUE LOS ADMIRO MUCHO Y QUE 
ME ESFORZARE EN PRESERVAR LOS VALORES QUE DE USTEDES RECIBÍ. LOS AMO. 
 
A UNA PERSONA MUY ESPECIAL, CARLA, ERES PARA MÍ UN EJEMPLO DE TRABAJO Y CONSTANCIA, 
TE ADMIRO MUCHO. GRACIAS POR TODO EL APOYO DURANTE ESTE CAMINO, VER EN QUE NOS HA 
CONVERTIDO LA VIDA ME LLENA DE GUSTO. HA SIDO UNA AVENTURA MARAVILLOSA COMPARTIR 
CONTIGO TODAS ESTAS EXPERIENCIAS. TE AMO. POR CIERTO, GRACIAS TAMBIÉN POR LOS PCPS. 
 
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A MIS AMIGOS DE LA FACULTAD, MONCH, FLOR, ALE, CELENE, MAGGIE, CUAU, EFRÉN, VÍCTOR, 
DANIEL. APRENDÍ MUCHO DE USTEDES. CONFIÓ EN QUE A TODOS NOS HABRÁ DE IR MUY BIEN EN 
NUESTRA VIDA PROFESIONAL, SON EXCELENTES PERSONAS, GRACIAS POR SU AMISTAD. 
 
A MIS GRANDES AMIGOS CHRISTOPHER, CONSUELO Y AMPARO. SU AMISTAD, EJEMPLO Y 
CONSEJOS HA CONTRIBUIDO MUCHO A MI FORMACIÓN. SÉ QUE LA AMISTAD NOS UNIRÁ TODOS 
LOS DÍAS DE NUESTRAS VIDAS. 
 
A MIS AMIGOS DE LA PREPARATORIA, ROGELIO, FERNANDO Y EDGAR. GRACIAS POR SU SINCERA 
AMISTAD Y GRANDES MOMENTOS COMPARTIDOS, DESEO PARA USTEDES MUCHO ÉXITO EN SU 
VIDA PROFESIONAL. 
 
A MIS AMIGOS DEL INSTITUTO DE INGENIERÍA, DIANA, FRANCISCO, JUAN, CLAUDIA, MARU, 
NIDYA, GÉNESIS, MEMO, EDECIO, VITOR, GUSTAVO, RODRIGO, ABRAHAM, AMARANTA, VÍCTOR, 
DANIEL. PORQUÉ HACER LA TESIS JUNTO A USTEDES HIZO MUCHO MÁS LIGERO EL TRABAJO, SU 
AMISTAD ES DE GRAN VALOR PARA MÍ, SÉ QUE NOS HABREMOS DE ENCONTRAR EN UN FUTURO. 
 
A MIS AMIGOS DE REENCUENTRO, PORQUE HAN SIDO PARA MÍ UNA SEGUNDA ESCUELA Y 
FAMILIA, GRACIAS EN ESPECIAL A LUZ, PEPE, ANA, HABACUC, LYO, MARYLÚ, PAOLA, BERE, 
DIEGO, ANDREA, KIKE, MARIO, ANDRÉS, CHEMBER, LUISA, JESSICA, SALVA, KAREN, LILI, 
OSCAR, PATY, BLADIMIR, BERENICE, BRENDA, EDSON, MICHELLE Y ÁNGEL. LA OPORTUNIDAD DE 
CONOCERLOS ES UN DON DE DIOS, TENGO FE EN QUE VIVIREMOS MUCHAS COSAS MÁS JUNTOS. 
 
A LA COMUNIDAD MISIONERA SHALOM DE OAXACA, PORQUE AHÍ ENCONTRÉ A MUCHAS 
PERSONAS QUE ME AYUDARON A DEFINIR EL RUMBO DE MI VIDA. ESTARÉ ETERNAMENTE 
AGRADECIDO Y COMPROMETIDO CON EL VALOR DE LA HUMILDAD QUE USTEDES ME 
COMPARTIERON. 
 
A QUIEN ME HA GUIADO MÍ VIDA. QUIEN CREE EN MÍ Y ME AMA DE UNA FORMA PLENA. A QUIEN LE 
DEBO TODO. TUS PALABRAS HAN SIDO PARA MÍ FUENTE DE ESPERANZA. ME HAS TRAÍDO HASTA 
AQUÍ, Y CONFÍO EN TI MI SIGUIENTE RUTA. GRACIAS DIOS. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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Índice 
 
Índice ........................................................................................................................................ 6 
Índice de Tablas ....................................................................................................................... 8Índice de Figuras ..................................................................................................................... 9 
Resumen ..................................................................................................................................11 
1. INTRODUCCIÓN ...............................................................................................................13 
1.1 Acuíferos ...................................................................................................................13 
1.2 Tratamiento de agua .................................................................................................16 
1.3 Presentación de capítulos ........................................................................................18 
2 ANTECEDENTES ..............................................................................................................20 
2.1 PTAR de Cerro de la Estrella....................................................................................20 
2.2 Parámetros de calidad ..............................................................................................20 
2.2.1 Parámetros fisicoquímicos.......................................................................................... 20 
2.2.2 Parámetros biológicos ................................................................................................ 22 
2.3 Membranas de filtración ...........................................................................................25 
2.3.1 Materiales ................................................................................................................. 26 
2.3.2 Ensuciamiento ........................................................................................................... 27 
2.3.3 Parámetros de operación y su determinación ............................................................. 29 
2.3.4 Mantenimiento .......................................................................................................... 31 
2.4 Membranas en el tratamiento de agua ....................................................................33 
2.4.1 Reactores MBR .......................................................................................................... 35 
2.5 Microcontaminantes orgánicos ...............................................................................38 
2.5.1 Grupos de microcontaminantes orgánicos .................................................................. 40 
2.5.2 Introducción al ambiente y degradación ..................................................................... 44 
2.6 Cromatografía de gases-Espectroscopia de masas (GC-ME) ................................49 
2.7 Biorreactores previos ...............................................................................................49 
3 PLANTEAMIENTO ............................................................................................................52 
3.1 Hipótesis ...................................................................................................................52 
3.2 Objetivo general ........................................................................................................52 
3.3 Objetivos particulares ..............................................................................................52 
4 METODOLOGÍA ................................................................................................................53 
4.1 Escalamiento del sistema de nanofiltración ...........................................................53 
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4.1.1 Etapa 1: Pruebas hidrodinámicas ................................................................................ 54 
4.1.2 Etapa 2: Módulos de laboratorio MBR y ASP-NF .......................................................... 56 
4.1.3 Etapa 3: Planta piloto ................................................................................................ 60 
4.2 Análisis Fisicoquímicos ...........................................................................................63 
4.3 Análisis Microbiológicos ..........................................................................................65 
4.4 Cuantificación de microcontaminantes ..................................................................67 
4.4.1 Extracción .................................................................................................................. 68 
4.4.2 Preparación de la fase de fármacos ............................................................................ 69 
4.4.3 Preparación de fase de nonilfenoles y DE. ................................................................... 69 
4.4.4 Cuantificación de microcontaminantes ....................................................................... 70 
4.4.5 Factor de corrección ................................................................................................... 71 
5 RESULTADOS ..................................................................................................................72 
5.1 Pruebas hidrodinámicas ..........................................................................................72 
5.1.1 Determinación de flux crítico ...................................................................................... 72 
5.1.2 Determinación de flux sostenible ................................................................................ 73 
5.2 MBR y ASP-NF en laboratorio ..................................................................................75 
5.3 Criterio de escalamiento ..........................................................................................79 
5.3.1 Determinación de la configuración ............................................................................. 79 
5.3.2 Parámetros de escalamiento ...................................................................................... 80 
5.4 Planta piloto ASP-NF ................................................................................................83 
5.4.1 Hidrodinámica del proceso ASP-NF ............................................................................. 83 
5.4.2 Parámetros fisicoquímicos.......................................................................................... 85 
5.4.1 Rechazo de nanofiltración .......................................................................................... 95 
5.4.2 Microbiología ............................................................................................................ 98 
5.4.3 Microcontaminantes orgánicos ................................................................................ 101 
5.4.4 Balance de materia para microcontaminantes orgánicos .......................................... 109 
5.5 Análisis económico ................................................................................................ 121 
6 CONCLUSIONES ............................................................................................................ 125 
7 REFERENCIAS ............................................................................................................... 128 
8 Anexo I Microcontaminantes ........................................................................................ 136 
 
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Índice de Tablas 
 
Tabla 1.1 Parámetros de calidad de agua residual tratada para recarga a acuíferos ________________________ 16 
Tabla 1.2 Situación del tratamiento de agua en México al 2008. (CONAGUA, 2012b) _______________________ 17 
Tabla 2.1 Microorganismos que transmiten enfermedades por agua. (Metcalf & Eddy, 2007) ________________ 23 
Tabla 2.2 Remoción de microorganismos en distintos tratamientos de agua reportadas en unidades Log (Metcalf & 
Eddy, 2007) __________________________________________________________________________________ 25 
Tabla 2.3 Agentes de limpieza química (Adaptadode Shammas 2008) ___________________________________ 33 
Tabla 2.8 Concentración de microcontaminantes reportados en la literatura DS=Desv. Estandar n=Numero de datos 
(Deblonde, 2011) ______________________________________________________________________________ 48 
Tabla 2.9 Porcentaje promedio de remoción de microcontaminantes orgánicos en un biorreactor batch a distintos 
tiempos de ciclo. (López, 2012) ___________________________________________________________________ 50 
Tabla 4.1 Corrientes y Equipos para las pruebas hidrodinámicas ________________________________________ 55 
Tabla 4.2 Corrientes y Equipos para el reactor MBR __________________________________________________ 57 
Tabla 4.3 Corrientes y Equipos para la operación en configuración ASP-NF ________________________________ 59 
Tabla 4.4 Corrientes y Equipos para la operación de la planta piloto ASP-NF ______________________________ 62 
Tabla 4.5 Determinación de parámetros fisicoquímicos _______________________________________________ 64 
Tabla 4.6 Técnicas empleadas en la cuantificación de microorganismos. _________________________________ 66 
Tabla 4.7 Microcontaminantes y su clasificación en la técnica reportada por Gibson et al. (2007). _____________ 68 
Tabla 4.8Estándares de recuperación _____________________________________________________________ 69 
Tabla 4.9Estándares internos fase de nonilfenoles y DE _______________________________________________ 70 
Tabla 4.10 Estándar de fármacos _________________________________________________________________ 70 
Tabla 4.11Estándar de nonilfenoles y DE ___________________________________________________________ 71 
Tabla 5.1 Bases de diseño de la planta piloto ASP-NF en Cerro de la Estrella ______________________________ 82 
Tabla 5.2 Seguimiento a la remoción de materia (COT y DQO) a lo largo de la operación ____________________ 88 
Tabla 5.3 Remoción de ión amonio y nitrógeno total durante la operación del proceso. _____________________ 91 
Tabla 5.4 Comparación de los resultados obtenidos según los que reporta la literatura para el caso de un MBR de 
Ultrafiltración y los que solicita la NOM mexicana. ___________________________________________________ 93 
Tabla 5.6 Condiciones operativas de permeado/rechazo en función del tiempo en operación, litros permeados y % 
de recuperación de permeado. ___________________________________________________________________ 98 
Tabla 5.7 Seguimiento a la remoción de microorganismos en el proceso ASP-NF __________________________ 99 
Tabla 5.8 Comparación de los resultados de remoción de microcontaminantes orgánicos obtenidos en este estudio 
y la literatura en la que se reportan revisiones de diversos artículos científicos. ___________________________ 104 
Tabla 5.9 Remoción comparativa de microcontaminantes fenólicos y disruptores endócrinos en los últimos 3 
muestreos del proceso ASP. ND=No detectado _____________________________________________________ 106 
Tabla 5.11 Remoción de microcontaminantes por lodos adsorción/desorción en la biomasa para el proceso ASP.
 ___________________________________________________________________________________________ 113 
Tabla 5.12 Balance de materia en el proceso de nanofiltración después de 11 horas de operación ____________ 116 
Tabla 5.13 Análisis de la capacidad de rechazo de la membrana de nanofiltración por características fisicoquímicas 
de los microcontaminantes estudiados. ___________________________________________________________ 118 
Tabla 5.14 Balance de materia global para la sexta fecha de muestreo, remoción por biodegradación, adsorción en 
lodo, retención en el rechazo, cantidad permeada y adsorción en biopelícula/membrana ___________________ 120 
Tabla 5.15 Análisis económico de la producción de 1 m
3
/s de agua por el proceso ASP-NF __________________ 123 
 
 
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Índice de Figuras 
 
Figura 1.1 Distribución de los acuíferos sobreexplotados en México. (CONAGUA, 2011) ........................................... 14 
Figura 1.2 Zonas de Veda en el país para la extracción de agua subterránea ............................................................ 15 
Figura 1.3 Grado de presión sobre los recursos hídricos en el país (CONAGUA, 2011) ............................................... 16 
Figura 1.4 Evolución del tratamiento de aguas municipales en el país (CONAGUA, 2011) ......................................... 16 
Figura 1.5 Procesos de tratamiento de agua (CONAGUA, 2011) ................................................................................. 17 
Figura 2.2.1 Planta de tratamiento de Cerro de la Estrella ......................................................................................... 20 
Figura 2.2 Diagrama de los procesos de filtración con membrana ............................................................................. 25 
Figura 2.3 Espectro de separación de diversos componentes por tipo de membrana (adaptado de: Nath, 2008) ..... 26 
Figura 2.4 Diferencia de presión en la operación de los sistemas de separación con membrana (Adaptado de Al-
Juboori, 2012) .............................................................................................................................................................. 26 
Figura 2.5 Materiales usados en membranas de Nanofiltración y Ósmosis (Adaptado de Micale, 2009) .................. 27 
Figura 2.6Mecanismo de ensuciamiento y limpieza de membranas en sistemas MBR, Adaptado de Meng (2009) .. 28 
Figura 2.7 Clasificación del ensuciamiento en membranas por a) Contaminante b) Reversibilidad de remoción ...... 29 
Figura 2.8 Determinación del punto crítico por el método Presión-Flux ..................................................................... 30 
Figura 2.9 Metodología de determinación de flux crítico por escalones de presión (Adaptado de Espinasse et al., 
2002) ............................................................................................................................................................................ 30 
Figura 2.10 Criterio de sostenibilidad de flujo (Guglielmi et al., 2007) ........................................................................ 31 
Figura 2.11 Comparación del rendimiento de una membrana con distintos protocolos de limpieza física (Adaptado 
de Psoch et al. 2006) .................................................................................................................................................... 32 
Figura 2.12 Evolución del uso de sistemas de membrana en el tratamiento de agua. (Fane, 2011) ......................... 35 
Figura 2.13 Ventajas y desventajas de los sistemas de tratamiento con membrana respecto a los ASP .................... 35 
Figura 2.14 Principales configuraciones de membrana en sistemas de tratamiento de aguas residuales ................. 36 
Figura 2.15 Remoción de carbamazepina en procesos de tratamiento biológico. (Zhang 2008) ................................ 44 
Figura 2.16 Destino de los microcontaminantes orgánicos en el ambiente, procesos de degradación y receptores 
finales. (Adaptado de Stuart, 2012) ............................................................................................................................. 45 
Figura 2.17 Rendimientos en remoción de contaminantes emergentes reportados en la literatura para sistemas de 
tratamiento de lodos activados (Adaptado de Deblond, 2011) ................................................................................... 47 
Figura 2.18 Concentración de fármacos (A) y compuestos fenólicos (B) en influente (azul) y efluente (rojo) del 
sistema de lodos activados en continuo con un TRH de 8 horas al día 28 de operación y % de remoción. (López, 
2012) ........................................................................................................................................................... 51 
Figura 4.1 Esquema general de procedimiento de escalamientode la planta piloto .................................................. 53 
Figura 4.2 Módulo de membrana plana OSMONICS (Adaptado de GE Osmonics, 2013) ............................................ 54 
Figura 4.3 DFP para los ensayos hidrodinámicos ........................................................................................................ 55 
Figura 4.4 Diseño experimental para las pruebas de flux crítico. ........................................................................... 56 
Figura 4.5 DFP para la operación del módulo MBR de laboratorio ............................................................................. 57 
Figura 4.6 Operación en configuración de MBR con membrana externa de nanofiltración ....................................... 58 
Figura 4.7 DFP para la operación del módulo ASP-NF de laboratorio ......................................................................... 59 
Figura 4.8 Sistema de tratamiento ASP-NF de laboratorio .......................................................................................... 60 
Figura 4.9 Alimentación de agua residual a la planta piloto en los canales del influente ........................................... 61 
Figura 4.10 DFP para la planta piloto de tratamiento de agua ASP-NF ...................................................................... 61 
Figura 4.11 Instalación de la Planta piloto ASP-NF en la PTAR Cerro de la Estrella .................................................... 62 
Figura 4.12 Planta Piloto de tratamiento con membranas de nanofiltración en la PTAR Cerro de la Estrella ............ 63 
Figura 4.13 Determinación por colorimetría en tubos HACH de parámetros fisicoquímicos....................................... 65 
file:///C:/Users/FBA/Desktop/H2O%2014.1%20FINAL.docx%23_Toc372551071
file:///C:/Users/FBA/Desktop/H2O%2014.1%20FINAL.docx%23_Toc372551074
file:///C:/Users/FBA/Desktop/H2O%2014.1%20FINAL.docx%23_Toc372551075
file:///C:/Users/FBA/Desktop/H2O%2014.1%20FINAL.docx%23_Toc372551080
file:///C:/Users/FBA/Desktop/H2O%2014.1%20FINAL.docx%23_Toc372551083
file:///C:/Users/FBA/Desktop/H2O%2014.1%20FINAL.docx%23_Toc372551086
file:///C:/Users/FBA/Desktop/H2O%2014.1%20FINAL.docx%23_Toc372551086
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Figura 4.14 Esquema de la técnica de determinación de contaminantes emergentes (Adaptado de Gibson et al. 
2007). ........................................................................................................................................................................... 67 
Figura 5.1 Resultados de la prueba de flux crítico por la metodología de Espinasse et al., 2002 ............................... 72 
Figura 5.2 Ensayos de pérdida de flux a lo largo de la operación a distintas condiciones de flux inicial (A, B, C y D). 74 
Figura 5.3 Seguimiento a los parámetros hidrodinámicos de la operación del módulo de laboratorio en 
configuración MBR ...................................................................................................................................................... 76 
Figura 5.4 Hidrodinámica del sistema ASP-NF de laboratorio ..................................................................................... 78 
Figura 5.5 Comparación de los parámetros hidrodinámicos en los sistemas MBR y ASP-NF ...................................... 79 
Figura 5.6 Criterio de escalamiento para la operación del módulo en la planta de tratamiento de Cerro de la Estrella 
según los resultados del sistema ASP-NF de laboratorio. ............................................................................................ 81 
Figura 5.7 Procedimiento de cálculo para el escalamiento del proceso. ..................................................................... 83 
Figura 5.8 Hidrodinámica de operación de los módulos de NF en la planta piloto de Cerro de la Estrella ................. 84 
Figura 5.9 Parámetros ópticos durante la operación de la planta de tratamiento. Color se reporta en UPC y 
turbiedad en UTN. ....................................................................................................................................................... 89 
Figura 5.10 Seguimiento a la concentración de compuestos con nitrógeno amoniacal, nitratos, nitritos y nitrógeno 
total. ............................................................................................................................................................................ 90 
Figura 5.11 Seguimiento del pH y Conductividad durante la operación de la planta piloto. ....................................... 92 
Figura 5.12 Remociones globales durante la operación de los parámetros fisicoquímicos......................................... 94 
Figura 5.13 Seguimiento a COT, DQO y conductividad en el estudio de concentración de rechazo. ........................... 96 
Figura 5.14 Efecto de la concentración del rechazo en la calidad del permeado de nanofiltración. .......................... 97 
Figura 5.15 Remoción de bacterias y virus en el proceso de tratamiento ASP .......................................................... 100 
Figura 5.16 Remoción de protozoos y helmintos en el proceso de tratamiento ASP ................................................. 101 
Figura 5.17 Remoción global de contaminantes emergentes de la fase acida y de fármacos. NOTA: Las desviaciones 
estándar que no se muestran en el lado inferior corresponden a valores que están por encima del promedio y por lo 
tanto no se grafican. .................................................................................................................................................. 103 
Figura 5.18 Remoción global de contaminantes emergentes de la fase fenólica y disruptores endócrinos. NOTA: Las 
desviaciones estándar que no se muestran en el lado inferior corresponden a valores que están por encima del 
promedio y por lo tanto no se gráfican. .................................................................................................................... 106 
Figura 5.19 Seguimiento a la concentración de los microcontaminantes en la biomasa durante la operación. A) 
Fármacos B) Nonilfenoles y disruptores endócrinos .................................................................................................. 110 
Figura 5.20 Relación de la cantidad de microcontaminante en el rechazo y permeado entre los puntos de la cinética 
y las condiciones iniciales .......................................................................................................................................... 115 
Figura 5.21 Costos de operación para la producción de 1 m3/s con el proceso ASP-NF. .......................................... 124 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
P á g i n a | 11 
 
Resumen 
 
En los últimos años se ha detectado la presencia de compuestos xenobióticos en aguas 
residuales, algunos de ellos son fármacos, hormonas y productos de uso común y son 
llamados microcontaminantes orgánicos por encontrarse en c
por la capacidad de algunos de afectar la fisiología de diversas especies. Los estudios de 
seguimiento para un grupo de ellos en sistemas de tratamiento de Lodos Activados 
Convencional (ASP por sus siglas en inglés) reportan que su remoción en algunos compuestos 
es deficiente, lo que conlleva su persistencia en aguas tratadas utilizadas para riego de 
cosechas y su posible infiltración en suelo y acuíferos. 
 
El presente trabajo acopló un sistema de membrana de nanofiltración (NF) al efluente 
secundario de una planta piloto de tratamiento de agua residual con lodos activados para 
evaluar su remoción en el proceso de filtración así como los aspectos operacionales del 
mismo. Se ha propuesto la NF buscando evaluar su eficiencia en la separación de 
microcontaminantes orgánicos y evitar la desionización del agua propia de los sistemas de 
ósmosis inversa así como sus elevados costos. La operación continua de la planta piloto fue de 
43 días en los que se utilizóuna membrana Dow Filmtec NF270-4040. Se siguió el 
ensuciamiento de la membrana y se probaron protocolos de aspersión de aire como 
mecanismo de limpieza física teniendo como resultado un flux más estable y un ensuciamiento 
menor. 
 
Se estudió un grupo de compuestos integrado por fármacos: Ibuprofeno, Ácido salicílico, 
Gemfibrozil, Naproxeno, Diclofenaco y Carbamazepina, obteniendo remociones de 75%±37 en 
el ASP y de 90%±12 después de NF con excepción del diclofenaco que presentó 82%±11. 
También se estudiaron dos ftalatos: ButilBencilFtalato (BuBeF) y DiEtilHexilFtalato (DEHF), 
alcanzando remociones de 75%±32 y 95%±4 en ASP y NF respectivamente. 
Los compuestos de productos de uso común: Triclosán, Nonilfenoles y Bisfenol A alcanzaron 
remociones del 65%±21 en ASP y 94%±10 en NF. Para las hormonas: Estrona, Estradiol y 
Etinilestradiol, se determinaron remociones de 80%±12 y 95%±1.3 en ASP y NF 
respectivamente. Para todos los compuestos se analizó también la concentración en el rechazo 
de NF. Los microcontaminantes orgánicos se determinaron mediante cromatografía de gases 
acoplada a detector de masas. El seguimiento de la materia orgánica y otros parámetros 
fisicoquímicos convencionales también se llevó a cabo. Se concluyó que el proceso ASP-NF 
P á g i n a | 12 
 
produce agua que presenta parámetros de calidad aceptables para ser considerada candidata 
a recarga directa del acuífero o que con algún otro tratamiento adicional pueda ser reinyectada 
a la red de abastecimiento publica, y que el proceso de membrana permite aumentar la 
capacidad de remoción de los microcontaminantes para los que el proceso biológico es 
deficiente. 
 
Un estudio de los aspectos económicos relacionados con el tratamiento por este proceso 
permite concluir que su implementación aunque requiere de una importante inversión es 
económicamente viable a largo plazo. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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1. INTRODUCCIÓN 
 
El crecimiento demográfico, principalmente en las economías emergentes, y el cambio 
climático que ha variado los periodos de lluvias y condiciones meteorológicas, agravan el 
problema de abasto de agua a los sectores productivos y a la población. Se calcula que el 
cuerpo humano está compuesto de 60% en peso de este líquido, no podemos imaginar la vida 
sin la molécula de H2O y aunque paradójicamente el planeta está casi cubierto de ella existen 
personas que no tienen acceso a este recurso (World Health Organization, 2012). México y el 
mundo experimentarán una gran cantidad de cambios de tipo social y ambiental, debido a la 
escasez de recursos como el agua (Jiménez, 2007). Garantizar el abasto a toda la humanidad 
es un requisito indispensable para el desarrollo. 
La escasez y la mala calidad parecen ser los principales retos a resolver, que convergen en la 
necesidad de realizar estudios que permitan la sustentabilidad evitando su sobreexplotación y 
contaminación. Según la Figura 1.1 México ha presentado en los últimos años sequias en gran 
parte de su territorio, lo que revela lo importante e impostergable que resulta abordar el tema 
del agua y proponer soluciones que nos permitan asegurar el acceso a ella. 
 
 
Figura 1.1 Situación de la sequía en el territorio nacional. (CONAGUA Servicio meteorológico 
nacional, 2012) 
1.1 Acuíferos 
 
El decremento en el caudal y aumento en la contaminación de cuerpos de agua superficiales 
en algunas cuencas hidrológicas ha tenido como consecuencia una crisis de abasto de agua en 
algunas zonas urbanas del país. Este problema ha orillado a las autoridades del agua a 
P á g i n a | 14 
 
encontrar en el subsuelo la fuente principal 
del recurso hídrico lo que ha puesto en 
riesgo la sustentabilidad de estas reservas, 
el caso más citado el de la cuenca del Valle 
de México. 
 
Se estima que cerca de 40 millones de 
habitantes, aproximadamente el 35% de la 
población del país, depende de agua 
extraída de acuíferos sobreexplotados. La 
situación más crítica se encuentra en la 
zona centro del país que es la de mayor 
densidad poblacional (Figura 1.2). 
Actualmente se carece de perspectivas de cuidado a este recurso principalmente la escasa, 
nula o arbitraria medición de su extracción y la falta de programas prácticos para evitar su 
sobreexplotación (Moreno et al., 2010). 
 
El impacto ambiental de la sobreexplotación de los mantos acuíferos se hace evidente en la 
desaparición de humedales, ríos, lagos, y disminución en su gasto; se reduce la calidad y se 
hace más costosa la extracción (Marin, 2003). En la estructura de la tierra se generan 
agrietamientos en el suelo y daño a construcciones. Los reportes más frecuentes se presentan 
en la zona oriente de Zona Metropolitana de Ciudad de México. 
 
La CONAGUA ha declarado zonas de veda para la extracción de agua subterránea en algunas 
zonas del país con el fin de evitar el agravamiento de la crisis o llegar a ella. Las zonas de veda 
se clasifican según lo muestra la Figura 1.3. Sin embargo, la dependencia a estas fuentes es 
tan fuerte en algunas zonas que la veda no es respetada, principalmente en el Distrito Federal. 
 
A nivel mundial se ha vuelto muy importante promover la recarga de acuíferos, garantizando 
siempre que los recursos con los que se hace dicha labor cuenten con la calidad y condiciones 
adecuadas (Dillon, 2002). En México la NOM-014-CONAGUA-2003 “Requisitos para la recarga 
artificial de acuíferos con agua residual tratada” es la legislación que regula estas prácticas, y 
menciona lo siguiente acerca de la recarga de acuíferos: 
Figura 1.1 Distribución de los acuíferos 
sobreexplotados en México. (CONAGUA, 2011) 
P á g i n a | 15 
 
“La recarga artificial es una tecnología que se aplica con diferentes objetivos; los más comunes 
son: atenuar efectos de sobreexplotación, como abatimiento de los niveles del agua, asentamientos 
del terreno o intrusión salina; dar tratamiento natural al agua en el subsuelo; manejar los acuíferos como 
vasos de almacenamiento y regulación, y utilizar el subsuelo como una red natural de acueductos”. 
 
TIPOS DE VEDA 
Tipo I. No es posible extraer más 
agua sin peligro de agotar el 
acuífero. 
Tipo II. La capacidad de estos 
mantos solo permite extracción 
para usos domésticos. 
Tipo III. Extracción limitada del 
recurso para usos domésticos, 
industrial y riego. 
 
 
 
 
Figura 1.2 Zonas de Veda en el país 
para la extracción de agua 
subterránea 
 
LA NOM-014-CONAGUA-2003 establece parámetros de calidad de agua para recarga al 
acuífero (Tabla 1.1), se clasifica la metodología de esta recarga en 3 tipos: 
1. Superficial, recarga desde la superficie por infiltración a través de estanques o piletas 
de infiltración, inundación, zanjas, sobrerriego o una combinación de ellas. 
2. Subsuperficial, consiste en la introducción del agua mediante pozos secos, zanjas o 
estanques profundos. 
3. Directo, consiste en la introducción directa del agua al acuífero por medio de pozos 
cuya sección abierta lo penetran parcial o totalmente. 
 
Se establece en la norma un factor adicional que es el tiempo de residencia del agua en el 
interior del acuífero, para el tipo superficial/subsuperficial el tiempo establecido es de 6 meses y 
de 12 meses para recarga directa. 
 
La situación de los acuíferos y la disponibilidad de aguas superficiales determinan el grado de 
presión hídrico, este es el porcentaje de recurso que se explota respecto a la capacidad 
renovable del medio. Como lo muestra la Figura 1.4 el grado de presión hídrico más alto en el 
país está localizado principalmente en la zona del Valle de México, donde se concesionan 
P á g i n a | 16 
 
aproximadamente 4660 millones de m3 y la capacidad del agua renovable es de 3500 millones 
de m3, generando un grado de presión de 113.2% (Conagua, 2011). 
 
Tabla 1.1Parámetros de calidad de agua residual tratada para recarga a acuíferosTipo de 
Contaminante 
Tipos de Sistemas de 
Recarga 
Superficial/Subsuperficial Directo 
Microorganismos 
Patógenos 
Remoción o inactivación de 
microorganismos entero patógenos 
Remoción o inactivación total de 
microorganismos enteropatógenos 
Contaminantes 
Regulados por norma 
Límites permisibles NOM-127-
SSA1-1994(ANEXO 1) 
Límites permisibles NOM-127-SSA1-
1994 
(ANEXO 1) 
Contaminantes no 
regulados por norma 
DBO5  30 mg/l, COT = 16 mg/l COT  1 mg/l 
 
Bajo el contexto anterior, es de suma importancia garantizar la sustentabilidad de los mantos 
acuíferos mediante acciones que permitan la recarga artificial de estos, en un plan integral del 
agua el recurso puede provenir de plantas de tratamiento de agua residual. 
 
Figura 1.3 Grado de presión sobre los recursos hídricos en el país (CONAGUA, 2011) 
1.2 Tratamiento de agua 
El desarrollo de tecnologías de tratamiento 
de agua cada vez más eficientes y a 
menores costos ha permitido proponer 
soluciones que contribuyen a disminuir el 
grado de crisis que enfrentamos. En 
México la implementación de estas 
tecnologías ha ido en aumento, la Figura 
1.5 muestra que en un periodo de 15 años 
el tratamiento de aguas casi se triplicó. 
Figura 1.4 Evolución del tratamiento de aguas 
municipales en el país (CONAGUA, 2011) 
P á g i n a | 17 
 
En la actualidad el tratamiento de agua residual se emplea para minimizar el impacto ambiental 
de la descarga de aguas residuales en los cuerpos de agua o en su reúso en riego agrícola. 
El agua residual contiene elevadas concentraciones de contaminantes que de no ser 
dispuestos de forma adecuada pueden generar un severo daño ambiental (Jiménez, 2010). 
 
En la Tabla 1.2 se presenta una recopilación de datos de la CONAGUA sobre la situación del 
tratamiento de agua en el país. A nivel local, existen entidades que han alcanzado cobertura 
total para el tratamiento del agua residual como Nuevo León, Baja California y Aguascalientes. 
Las más rezagadas en este sentido son Hidalgo, Distrito Federal, Campeche y Yucatán. Según 
datos actualizados, en el país se trata el 47% de aguas residuales municipales, las previsiones 
que proyecta la CONAGUA es que al 2014 se logre el tratamiento del 60% del agua residual 
generada en el país (Conagua, 2012). 
 
Tabla 1.2 Situación del tratamiento de agua en México al 2008. (CONAGUA, 2012b) 
Año 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 
Incremento del 
caudal 
4.1 4.3 7.3 2.6 4.9 4.3 4.5 5.5 4 
Caudal tratado 60.2 64.5 71.8 74.4 79.3 83.6 88.1 93.6 97.6 
Caudal recolectado 203 205 205 206 207 208 209.1 209.1 210.1 
Porcentaje 
cobertura 
tratamiento 
29.70 31.50 35.00 36.10 38.30 40.20 42.10 44.80 45.60 
 
Al 2009 existían en la zona centro 85 plantas de 
tratamiento con capacidad para tratar 6.35 m3/s 
(CONAGUA, 2011). La mayor parte de estas lo hace con 
un sistema convencional de lodos activados (Figura 
1.6).Procesos más complejos como el tratamiento con 
membranas y la oxidación avanzada aun no tienen 
impacto en el país. 
Dentro del porcentaje tratado, un gran avance significa la 
construcción de la planta de tratamiento “Atotonilco” en el 
estado de Hidalgo. La cual podrá tratar en el 2014 un 
caudal de 33 m3/s usando procesos biológicos y 
químicos. 
Figura 1.5 Procesos de tratamiento 
de agua (CONAGUA, 2011) 
P á g i n a | 18 
 
Los tratamientos con lodos activados (ASP, por sus siglas en inglés) son los más empleados a 
nivel mundial para tratar agua residual municipal, en este proceso un conjunto de 
microorganismos principalmente bacterias del género pseudomonas (Glynn y Heinke, 1999) 
degradan la materia orgánica presente. Otro género de bacterias importante en el proceso de 
lodos activados es el de las Nitrosomas que realizan el proceso de nitrificación en el sistema 
aerobio, convirtiendo nitrógeno amoniacal a iones nitrato. 
El conjunto total de microorganismos en flóculos se mantienen en suspensión con el agua a 
tratar en un tanque de aireación con un tiempo de residencia hidráulico (TRH) que puede variar 
entre las 4 y las 12 horas. El contenido del tanque de aireación se conoce como licor mezclado 
que contiene la biomasa en suspensión (en concentraciones definidas de sólidos suspendidos 
volátiles) en contacto continuo con el agua a tratar. 
1.3 Presentación de capítulos 
 
En el presente trabajo de tesis se estudia el acoplamiento de la nanofiltración con membranas 
poliméricas en los procesos de tratamiento de agua convencionales, con la finalidad de evaluar 
su alcance en la producción de agua con la calidad suficiente para ser reinyectada 
directamente al acuífero o considerarse candidata a reutilizarse en la red de agua potable. 
Se hace especial énfasis en un grupo de compuestos presentes en el agua residual a nivel de 
ng/L llamados microcontaminantes orgánicos o contaminantes emergentes, que la comunidad 
científica ha reportado recientemente como potencialmente peligrosos para la salud humana y 
el medio ambiente (US Geological Survey, 2008). 
 
En la sección de antecedentes (Capítulo 2) se describen los fundamentos de los procesos de 
tratamiento de agua convencionales y los parámetros que se evalúan para determinar su 
calidad y/o contaminación. También se presenta la teoría acerca de las membranas de filtración 
especialmente y su aplicación en la ingeniería sanitaria y ambiental. En este mismo capítulo se 
describe a detalle qué son los microcontaminantes orgánicos, fuentes, tratamiento y disposición 
en el ambiente. Se hace también una retrospectiva al trabajo que se ha realizado en el Instituto 
de Ingeniería de la UNAM acerca de estos compuestos y que es punto de partida para este 
estudio. 
La hipótesis y objetivos generales y particulares para este trabajo de tesis son presentados en 
el Capítulo 3. 
P á g i n a | 19 
 
En el capítulo de metodología (Capítulo 4) se describe detenidamente el procedimiento que se 
realizó para diseñar y construir la planta piloto de tratamiento de agua con un proceso de 
nanofiltración a partir de los datos obtenidos previamente en los estudios de laboratorio 
respecto al rendimiento de la membrana NF270. Se da detalle además de los procedimientos 
para el análisis de parámetros fisicoquímicos convencionales, tomados principalmente del 
Standard Methods (APHA,AWWA,WEF, 2005). Se describe la técnica de análisis de 
microcontaminantes orgánicos desde su extracción en fase solida hasta el análisis en la 
cromatografía de gases acoplada a un detector de espectrometría de masas. 
En el Capítulo 5 quedan plasmados los resultados obtenidos en el procedimiento de 
escalamiento y operación de la planta piloto de tratamiento de agua, desde el estudio 
hidrodinámico de la membrana a nivel de laboratorio, los criterios de diseño y escalamiento, la 
operación de la planta piloto de tratamiento de agua, el seguimiento a los parámetros de 
calidad fisicoquímica y microbiológica y el análisis de la eficiencia en la remoción de 
microcontaminantes orgánicos. Se hace también un análisis económico al proceso escalado en 
planta piloto. 
Finalmente en el Capítulo 6 se exponen las conclusiones a las que llega este trabajo y las 
recomendaciones que se proponen para futuros estudios de este tipo. 
Las referencias consultadas son presentadas en el Capítulo 7 y posteriormente se incluye un 
Anexo en el que se da más detalle de los datos de concentración de microcontaminantes 
orgánicos evaluados durante toda la operación. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
P á g i n a | 20 
 
2 ANTECEDENTES 
2.1 PTAR de Cerro de la Estrella 
La planta de tratamiento de aguas residuales (PTAR) de Cerro de la Estrella en Iztapalapa 
recibe aguas residuales municipales que se colectan en el cárcamo de Aculco en el oriente de 
la Ciudad de México. Está diseñada para tratar 4 m3/s aunque actualmente opera a 2 m3/s. Lo 
hace por medio de un tren de tratamiento convencional de lodos activados, seguidode una 
desinfección con cloro. El tiempo de retención hidráulica total (TRHT) es de 12 horas con 6 
horas en el biorreactor, el agua que es tratada se envía a los canales de Tlahuac y Xochimilco. 
La Figura 2.1 muestra un diagrama de flujo de los procesos que se operan en la planta. 
 
 
Figura 2.2.1 Planta de tratamiento de Cerro de la Estrella 
Las características del agua residual que llega a la planta son similares a las que se encuentran 
en el sistema de drenaje profundo de la Ciudad de México que descargaba en el año 2006 43 
m³/s de agua residual que tiene como destino principal el Valle del Mezquital en el estado de 
Hidalgo. Actualmente, este sitio recibe en promedio un caudal de agua residual de 52 m3/s 
(Jiménez y Chávez, 2011) que son reutilizados sin tratamiento previo para el riego agrícola de 
alrededor de 84,500 hectáreas, esta zona está considerada como la más grande zona agrícola 
en el mundo con riego de agua residual (Jiménez et al., 2010). 
Por lo antes mencionado se seleccionó la PTAR Cerro de la Estrella para la instalación del 
sistema piloto de tratamiento. 
2.2 Parámetros de calidad 
2.2.1 Parámetros fisicoquímicos 
 
P á g i n a | 21 
 
Los principales contaminantes presentes en el agua residual según Sans y Ribas (1989) se 
enlistan y describen a continuación. 
 
Sólidos en suspensión, pueden ser de tipo inorgánico (arcillas, arenas, suelos) y orgánicos 
(fibras de plantas, microorganismos, desechos orgánicos como proteínas y lípidos). Aumentan 
las condiciones anaerobias de los cuerpos en los que son vertidos. Pueden ser determinados 
por gravimetría como Sólidos Suspendidos Volátiles (SSV), los cuales están relacionados con 
la presencia de biomasa y materia coloidal de origen orgánico, y como Sólidos Suspendidos 
Totales (SST). La determinación de la turbidez, medida de la propiedad de transmisión de la luz 
en agua, es otro parámetro usado para determinar la calidad de agua respecto a este tipo de 
contaminación (EPA, 2012). 
 
Sólidos disueltos, constituidos por partículas coloidales (inferiores a 1 μm), moléculas e iones 
diluidos en el agua. Su presencia se debe al contenido de minerales, productos de 
descomposición de materia orgánica, metales y compuestos químicos orgánicos que dan color, 
olor y sabor. Su alta concentración afecta el sabor del agua y aumenta la conductividad (EPA, 
2012) 
 
Materia orgánica, medida en términos de Carbono Orgánico Total (COT), Demanda Química 
de Oxígeno (DQO) y Demanda Biológica de Oxígeno (DBO para la materia orgánica de tipo 
biodegradable). En las aguas residuales domésticas representa el 75% de los sólidos 
suspendidos y 40% de los sólidos filtrables (Jiménez, 2005). 
La materia orgánica biodegradable es alimento para los microorganismos y puede estar 
presente en forma de carbohidratos, ácidos grasos, aminoácidos, proteínas, alcoholes y ácidos 
carboxílicos. Existe también materia orgánica no biodegradable, como la celulosa o algunos 
microcontaminantes orgánicos que se describen más adelante; este tipo de materia orgánica se 
cuantifica también dentro de la medida del COT y la DQO. 
La presencia de materia orgánica está asociada con el agotamiento de oxígeno del medio, y 
por lo tanto su alta concentración representa un riesgo al equilibrio ecológico en los cuerpos de 
agua superficiales y subterráneos. 
 
Nutrientes, principalmente nitrógeno, fósforo y carbono (Glynn y Heinke, 1999). El nitrógeno 
presente en el agua residual procede principalmente de la urea desechada por los seres 
humanos, esta es rápidamente metabolizada por enzimas a nitrógeno amoniacal, este es 
P á g i n a | 22 
 
transformado en un proceso de tratamiento aerobio en nitratos y nitritos. Estos últimos no son 
muy relevantes en la determinación de calidad de agua pues suelen ser inestables y 
rápidamente oxidados a nitrato. 
El agua residual vertida con alto contenido de estos compuestos puede favorecer la 
eutrofización, fenómeno en el que se presenta un aumento de vida acuática no deseada 
agotando el oxígeno que requieren las especies acuáticas endémicas. 
 
Metales pesados, provenientes generalmente de aguas residuales comerciales e industriales. 
Algunos de ellos pueden ser necesarios para los organismos, sin embrago, las altas 
concentraciones pueden interferir en los procesos de tratamiento, y su vertido puede generar 
toxicidad en las fuentes de agua potable. 
2.2.2 Parámetros biológicos 
 
Los microorganismos de origen entérico como bacterias, protozoos, virus, y huevos de 
helmintos representan un riesgo biológico-infeccioso y por lo tanto se debe evitar su presencia 
en el agua utilizada para reúso y agua residual tratada (Metcalf & Eddy, 2007), su persistencia 
en el ambiente puede generar daños ecológicos y a la salud de humanos y animales que 
entren en contacto con ellas. En la Tabla 2.1 se muestra un listado con algunos de los 
microorganismos de los se han reportado infecciones transmitidas por contacto con agua. 
 
Los principales organismos patógenos presentes en agua residual son bacterias coliformes; se 
estima que cada persona evacua de 100 000 a 400 000 millones de ellas al día (Metcalf & 
Eddy, 1993). Las bacterias coliformes presentes en el agua residual pueden tener origen 
entérico o de alguna otra fuente, para diferenciar unos de otros a las primeras se les ha 
llamado coliformes fecales. Los coliformes totales cuantifican el total de bacterias de este tipo 
sin diferenciar su origen. 
 
Los Enterococos fecales son otro indicador de contaminación de origen fecal, y su 
cuantificación permite identificar el origen de la contaminación entérica entre humana y animal. 
Estos sobreviven menos tiempo que los coliformes fecales por lo que también son indicadores 
de contaminación reciente. 
 
P á g i n a | 23 
 
En el grupo de los protozoos uno de los organismos que más representa un riesgo a la salud es 
Giardialamblia, este parásito cuenta con una capa exterior que le permite sobrevivir largos 
periodos de tiempo y ser resistente a los procesos de tratamiento convencionales como la 
cloración, por lo que se requiere de un tratamiento avanzado para asegurar su remoción. Los 
protozoos son comúnmente eliminados en el proceso de sedimentación y filtración de los 
tratamientos convencionales. La presencia de protozoos en el efluente del sistema biológico 
permite eliminar remanentes de bacterias disueltas en el agua por lo que juegan un papel 
importante en el tratamiento. 
 
Tabla 2.1 Microorganismos que transmiten enfermedades por agua. (Metcalf & Eddy, 2007) 
Grupo Patógeno Enfermedades y síntomas 
Bacterias Salmonella Tifoidea y diarrea 
Campylobacter Diarrea 
Shigella Diarrea 
Escherichia coli Diarrea 
Legionella 
pneumophila 
Neumonía y otras enfermedades respiratorias 
Clostridium 
perfringens 
Gangrena gaseosa 
Protozoos Naegleria Meningoencefalitis 
Entamoeba 
histolytica 
Disentería 
Giardia lamblia Diarrea crónica 
Cryptosporidium 
parvum 
Diarrea aguda 
Cyclospora Diarrea 
Algas Microcystis Diarrea por su ingestión y toxinas producidas 
Helmintos Ascaris 
lumbricoides 
Ascariasis 
Schistosoma 
mansoni 
Esquistosomiasis 
Trichuris trichiora Tricuriasis 
Virus Enteroviruses Meningitis, parálisis, erupción cutánea, fiebre, miocarditis, 
enfermedades respiratorias y diarrea 
Hepatitis A and E Hepatitis 
Rotavirus Diarrea/Gastroenteritis 
Adenovirus Diarrea, infecciones oculares y respiratorias 
Reovirus Infecciones entéricas y respiratorias 
 
Un caso de referencia sobre los efectos de la contaminación del agua sobre la salud de la 
población se presentó en Milwaukee, Estados Unidos en 1993, por Cryptosporidium, un 
P á g i n a | 24 
 
protozoo que infectó a aproximadamente 400 000 personas. Este organismo ha presentado 
resistencia a los tratamientos con luz UV y cloración por lo que se sugirió la filtración como 
principal proceso adicional para su remoción (Rochelle etal., 2004), actualmente no se dispone 
de un agente antibiótico que permita la eficaz eliminación del organismo infectado. 
Otros contaminantes importantes en agua residual y tratada son los virus, especies resistentes 
debido a la estructura proteica que protege su material genético. Los más comunes son 
Enterovirus, Reovirus, Rotavirus y Adenovirus (Marin, 2003). 
Los servicios de salubridad han asociado algunos casos de contagio del virus de la Hepatitis A 
a la contaminación de fuentes de agua potable (Metcalf & Eddy, 2007), esta enfermedad afecta 
principalmente al hígado, los síntomas asociados a esta infección son fiebre, náuseas y diarrea. 
 
Analizar rutinariamente la presencia de todos los grupos de microorganismos presentes en el 
agua residual y tratada sería difícil, costoso y poco práctico. Se ha propuesto el análisis de 
cierto grupo de microorganismos que puedan servir como indicadores de contaminación. Los 
criterios para determinar cuáles microorganismos pueden cumplir con la función de indicadores 
de contaminación son los siguientes según Glynn y Heinke, (1999): 
 
1. Su ausencia implica la inexistencia de microorganismos patógenos entéricos 
2. La densidad de los organismos indicadores está relacionada con la probabilidad de la 
presencia de patógenos 
3. En el medio los organismos indicadores sobreviven más que los patógenos. 
 
Actualmente los más usados como indicadores son los coliformes fecales y totales, 
estreptococos fecales y Clostridium perfringens. 
 
Los procesos de tratamiento convencionales alcanzan remoción de estos microorganismos. En 
la Tabla 2.2 se hace una recopilación de la remoción de un grupo de ellos en unidades 
logarítmicas alcanzadas en procesos de tratamiento de agua. Durante la etapa primaria, 
principalmente en la sedimentación, las remociones se dan mayormente en protozoos y huevos 
de helmintos, esto contrasta con los procesos secundarios donde se presentan menores 
remociones para estos organismos, y más altas para bacterias y virus debido al proceso de 
degradación de materia orgánica al que son más susceptibles estas especies. En los 
tratamientos terciarios y de Ósmosis Inversa nuevamente los parásitos y huevos de helmintos 
son más susceptibles a la remoción. 
P á g i n a | 25 
 
Tabla 2.2 Remoción de microorganismos en distintos tratamientos de agua reportadas en 
unidades logarítmicas (Metcalf & Eddy, 2007) 
 Primario Secundario Terciario Avanzado 
Organismo Sedimentación Lodos 
Activados 
Filtros 
percoladores 
Filtración Microfiltración Ósmosis 
Inversa 
Coliformes fecales <0.1–0.3 0–2 0.8–2 0–1 1–4 4–7 
Salmonella spp. <0.1–2 0.5–2 0.8–2 0–1 1–4 4–7 
Mycobacterium 
tuberculosis 
0.2–0.4 0–1 0.5–2 0–1 1–4 4–7 
Cryptosporidium 
parbum 
0.1–1 1 0–3 1–4 4–7 
Entamoeba histolytica 0–0.3 <0.1 <0.1 0–3 2–6 >7 
Giardia lamblia <1 2 0–3 2–6 >7 
Huevos de helmintos 0.3–1.7 <0.1 1 0–4 2–6 >7 
Virus entéricos <0.1 0.6–2 0–0.8 0–1 0–2 4–7 
2.3 Membranas de filtración 
 
Según la American Water Works Association (AWWA) una membrana se puede definir como 
una película delgada que separa en dos fases una corriente de alimentación y que actúa como 
barrera selectiva al transporte de materia. Un esquema general de proceso se muestra en la 
Figura 2.2. 
 
Figura 2.2 Diagrama de los procesos de filtración con membrana 
 
El uso de membranas de filtración ha contribuido en la necesidad de encontrar nuevas 
tecnologías que complementen los procesos convencionales de tratamiento de agua. La 
membrana es un material que está estructurado de tal modo que permite obtener un permeado 
libre de sustancias presentes en la muestra de alimentación, y su capacidad para rechazarlos 
dependerá del tamaño de poro que tenga dicha membrana (Figura 2.3). Al disminuir el tamaño 
de poro también se requiere mayor diferencia de presión para lograr vencer la barrera 
energética asociada a la separación de los componentes, teniendo así que las membranas de 
http://www.awwa.org/
P á g i n a | 26 
 
microfiltración requieren menor diferencia de presión y las de ósmosis inversa las que más lo 
demandan (Figura 2.4). 
 
 
Figura 2.3 Espectro de separación de diversos componentes por tipo de membrana (adaptado de: 
Nath, 2008) 
 
El uso de membranas en el tratamiento de agua es una tecnología que permite producir 
efluentes con mejor calidad respecto a los tratamientos convencionales (filtros, sedimentadores 
primarios y secundarios). La calidad final dependerá de la membrana que se use (Judd, 2011). 
 
Figura 2.4 Diferencia de presión en la operación de los sistemas de separación con membrana 
(Adaptado de Al-Juboori, 2012) 
2.3.1 Materiales 
 
El tamaño de poro de la membrana de filtración viene dado principalmente por el material del 
que está compuesta y la técnica de su fabricación; los materiales más usados en membranas 
de microfiltración son: Politetrafluoroetileno (PTFE), Polipropileno (PP), Policarbonato (PCA), 
para las membranas de ultrafiltración: Polisulfona (PS), Polietersulfona (PES), Poliacrilonitrilo 
(PAN) (Micale, 2009). 
P á g i n a | 27 
 
Las membranas usadas en nanofiltración y ósmosis inversa son de tipo asimétrico, es decir, 
contienen una densa capa de polímero muy delgada (250 a 2000 Å) que actúa como barrera 
selectiva que puede o no estar formada por poros, por lo que la separación se da por 
fenómenos de transporte difusor al interior de esta; este tipo de membranas están soportadas 
en otras capas menos densas del mismo material o de polisulfona, que tienen la función de dar 
estabilidad mecánica (Micale, 2009), el material que se emplea en estas es un polímero de 
acetato de celulosa o poliamida aromática, según se observa en la Figura 2.5. 
Las membranas de nanofiltración alcanzan 
rechazos del 95% para sales divalentes y 
del 40% para las monovalentes. Respecto 
al rechazo de compuestos orgánicos 
oscilan alrededor de 300 MWCO (“Peso 
molecular de corte” por sus siglas en 
inglés) que es el parámetro que reporta la 
literatura para referirse al peso molecular al 
que los compuestos orgánicos son 
rechazados en un 90% por la membrana de 
filtración (Chen et al.,2008). 
2.3.2 Ensuciamiento 
 
El principal obstáculo que encuentra el uso de membranas en el tratamiento de agua es el 
ensuciamiento de las mismas. Se conoce como ensuciamiento (fouling en inglés) al proceso 
por el cual las sustancias que contiene el medio a filtrar se depositan en los poros de la 
membrana y que pueden ser exopolímeros (EPS), sustancias orgánicas, biomoléculas, coloides 
y material celular. Al conjunto de estas sustancias en una biopelícula sobre la membrana se le 
conoce como “torta” (cake en inglés). Una mezcla tan diversa como esta representa un serio 
problema para la operación de la membrana filtrante formada por una estructura altamente 
porosa, pues cualquiera de los componentes citados puede acumularse en su interior y reducir 
con ello el rendimiento de filtración e incrementar el gasto energético requerido para hacer 
filtrar una cantidad equivalente de agua (incremento en la presión transmembranal). Meng et 
al.(2009) propone el mecanismo de ensuciamiento que se ilustra en la Figura 2.6: 
1. Adsorción de solutos o coloides en la superficie o dentro de la membrana 
2. Deposición de flocs de lodo en la superficie de la membrana 
Figura 2.5 Materiales usados en membranas de 
Nanofiltración y Ósmosis (Adaptado de Micale, 
2009) 
P á g i n a | 28 
 
3. Formación de la torta sobre la membrana 
 
 
Figura 2.6Mecanismo de ensuciamiento y limpieza de membranas en sistemas MBR, Adaptado de 
Meng (2009) 
Según Meng (2009) puede clasificarse el ensuciamiento por el tipo de contaminante que lo 
genera o por la reversibilidad de este en la membrana (Figura 2.7).En la primera categoría se 
identifican como ensuciantes a biomoléculas, lodos biológicos y compuestos de tipo inorgánico 
que precipitan en la estructura de la membrana. En lasegunda categoría, por reversibilidad, los 
contaminantes de tipo reversible son aquellos que por medio de un procedimiento de limpieza 
física logran ser removidos; los contaminantes irremovibles requieren un procedimiento químico 
y los irreversibles son aquellos que el procedimiento químico no logra eliminar. 
La formación de biopelículas en la membrana es el principal causante de pérdida de flux según 
reporta la literatura, la adhesión de biopolímeros y lodos del reactor forma una fuerte barrera al 
flujo del líquido. Ramesh et al.(2007) elaboraron un estudio sobre los factores que oponen 
resistencia al proceso de filtración, ellos concluyen que para un sistema aerobio el 95% de la 
resistencia recae en la capa de torta formada sobre la superficie de la membrana en un 
experimento con dirección de flujo a muerte sobre la membrana. En contraste, el ensuciamiento 
irreversible constituye únicamente el 4% de la resistencia y la membrana el 1% restante. Lee et 
al.(2001) para un experimento en membrana sumergible reportan la resistencia reversible por 
torta en un 80%, la resistencia de la membrana en un 12% y el restante 8% para el 
ensuciamiento irreversible. 
 
P á g i n a | 29 
 
 
Figura 2.7 Clasificación del ensuciamiento en membranas por a) Contaminante b) Reversibilidad 
de remoción 
2.3.3 Parámetros de operación y su determinación 
 
En la operación con membranas es necesaria una previa evaluación de parámetros 
hidrodinámicos que permitan mantenerla en funcionamiento el mayor tiempo posible, la 
literatura reporta dos criterios, el flux crítico y el flux sostenible (Bacchin et al., 2006). El 
primero se refiere al valor de flux por encima del cual la presión transmembranal se comporta 
creciente con respecto al tiempo de operación (Judd, 2011), una manera más de definirlo es en 
términos del ensuciamiento, se dice que el flux crítico corresponde al valor de flux en el cual las 
incrustaciones (ensuciamiento irreversible) se hacen más evidentes (Bacchinet al., 2006). 
El flux sostenible es un concepto que inicialmente planteó Howell (1995). Se refiere al valor de 
flux en el cual el ensuciamiento se reduce al mínimo para evitar la limpieza frecuente de la 
membrana (Bacchin, 2006). Ambos se presentan en unidades de volumen de agua permeada 
por área de membrana por unidad de tiempo (L/m2h, comúnmente). 
2.3.3.1 Flux Crítico 
 
Perfil presión-flux. Esta metodología consiste en evaluar el desempeño en la filtración de la 
membrana a lo largo de un tiempo de operación al aumentar la presión transmembranal (TMP). 
El flux crítico corresponde al valor a partir del cual la relación entre las dos variables se aleja de 
un comportamiento lineal, esto se ilustra en la Figura 2.8, se observa que a cierto valor de flux, 
dependiente de la presión, el incremento no es lineal debido al ensuciamiento ocasionado 
(Field et al., 1995). 
 
 
a) Contaminante 
Biomoleculas 
Principalmente 
proteinas y 
polisacaridos, 
forman el 
cimiento de la 
torta 
Biofouling 
Generado por 
celulas o flocs 
de lodo 
(Adherencia, 
metabolismo y 
reproduccion) 
Inorganico 
Compuestos 
precipitados 
sobre la 
estructura 
de la 
membrana 
como CaCO3 
b) Reversibilidad 
Removible: 
Puede ser 
removido 
con metodos 
fisicos 
Irremovible: 
Solo un 
tratamiento 
quimico 
puede 
retirarlo de 
la 
membrana 
Irreversible: 
Sustancias que 
han quedado 
unidas 
quimicamente 
a la estructura 
o muy atoradas 
en los poros 
P á g i n a | 30 
 
Pasos de flux. 
La determinación de flux crítico por este 
procedimiento se realiza comparando el resultado 
obtenido al aumentar o disminuirla presión a 
distintos valores, según se muestra en la Figura 
2.9a, el flux crítico corresponde al valor que 
provoca una diferencia en el dúo de ensayos 
evaluados a una presión inferior, esto se ilustra 
en la Figura 2.9b donde los puntos 1 y 4 se 
realizan a la misma presión y se observa una 
diferencia entre ellos (a-b). Se identifica que el 
punto 3 corresponde al flux crítico de operación 
de la membrana. (Espinasse et al., 2002). Para 
estudios con agua residual esta es la metodología más recomendada pues considera la alta 
presión osmótica que puede tener la matriz. 
 
Figura 2.9 Metodología de determinación de flux crítico por escalones de presión (Adaptado de 
Espinasse et al., 2002) 
2.3.3.2 Flux sostenible 
 
Para sistemas MBR este criterio se define como el valor de flux que puede mantenerse 
constante y que a ciertas condiciones de funcionamiento y limpieza logra preservarse sin 
ensuciamiento (Guglielmiet al., 2010). Este criterio orienta la filosofía de operación hacia rangos 
que permitan prolongar la vida útil de la membrana. En la Figura 2.10 se observa un estudio en 
el que se realiza una serie de ensayos de estabilidad a distintos rangos de flux. Para los 
primeros cuatro experimentos puede observarse una tendencia a aumentar la presión requerida 
para permear la misma cantidad de líquido, el primero de ellos incluso corresponde a la 
definición de flux crítico. El último ensayo, que presenta sostenibilidad logra extender su tiempo 
en operación gracias al menor uso de la membrana (10 L/m2h). La sostenibilidad depende en 
gran medida de los protocolos de relajación y de limpieza a los que se someta durante la 
Figura 2.8Determinación del punto crítico 
por el método Presión-Flux 
 
P á g i n a | 31 
 
operación. Una operación con esta filosofía incurrirá en un aumento en los costos variables, sin 
embargo, se puede preservar por mayor tiempo la membrana. 
 
 
Figura 2.10 Criterio de sostenibilidad de flujo (Guglielmi et al., 2007) 
2.3.4 Mantenimiento 
2.3.4.1 Limpieza física 
Los mantenimientos físicos permiten remover la cantidad de materia orgánica (torta) que se ha 
quedado estancada en el área de filtración por métodos mecánicos. 
El protocolo de limpieza tanto física como química más recomendable depende directamente 
de cuál es la configuración de la membrana con la que se está trabajando. 
 
Aspersión de aire (air sparging) 
Este procedimiento consiste en hacer fluir una mezcla líquido-gas (en burbujas) que crea un 
flujo turbulento al interior de las tuberías y en la unidad de filtración (Bueret al., 2010), su 
principal finalidad es atacar la capa de torta que se ha depositado durante la operación y barrer 
partículas depositadas en la boca de los poros. Dependiendo de las condiciones del sistema se 
recomienda realizarlo periódicamente u operar el módulo de membrana con aireación 
permanente. 
 
Retrolavado (Backflushing) 
Su objetivo es remover la contaminación al interior de la membrana (en los poros) haciendo fluir 
agua limpia o permeado en sentido contrario a la operación normal, esto permite arrastrar 
sustancias depositadas en la estructura de filtración, la mayor parte de la contaminación se 
halla cerca de la superficie expuesta a la corriente de tratamiento. La Figura 2.10 muestra un 
P á g i n a | 32 
 
estudio en el que se compara la operación de un módulo de membranas de microfiltración con 
distintos protocolos de limpieza física, se hace evidente la necesidad de encontrar un esquema 
de operación que contemple este procedimiento. Se recomienda realizar un retrolavado a la 
presión de operación normal, la literatura sugiere hacerlo durante 45s por cada 600s de 
filtración (Judd, 2011). 
 
Relajación 
Consiste en detener la operación de la membrana por algún tiempo y hacer fluir burbujas de 
aire, esto permite destruir la torta depositada y arrastrarla al arrancar nuevamente la operación. 
 
Aireadores 
Otro tipo de mantenimiento físico 
que se sugiere para el caso de 
membranas sumergidas es el uso 
de aireadores, que ayudan a 
remover los contaminantes que 
pudieran estar comenzando a 
estancarse, el valor recomendado 
según la literatura es de 0.3 a 0.9 
m3/hA, donde A es el valor del área 
de la membrana (Judd, 2011). 
2.3.4.2 Limpieza química 
 
Estosprocedimientos se aplican como complemento a los lavados físicos, son mucho más 
intensos que estos, van dirigidos principalmente a los compuestos inorgánicos, irremovibles y 
biopelículas depositadas en la estructura del material que por su adhesión los mecanismos 
físicos no logran remover. Suelen usarse compuestos altamente reactivos para asegurar el 
adecuado mantenimiento, se emplean comúnmente oxidantes para eliminar materia orgánica y 
lograr disolverla y ácidos orgánicos e inorgánicos para remover hidróxidos metálicos (Judd, 
2008), la limpieza excesiva con este tipo de productos y fuera de las especificaciones 
establecidas por el fabricante puede generar daños irreversibles en el material de la membrana 
destruyendo su estructura porosa o taponándola, comúnmente es el fabricante el que sugiere la 
metodología más adecuada para la limpieza con el químico. Este tipo de limpieza comienza 
usualmente haciendo fluir la solución a través de la membrana como se hace en la operación 
Figura 2.11 Comparación del rendimiento de una 
membrana con distintos protocolos de limpieza física 
(Adaptado de Psoch et al. 2006) 
P á g i n a | 33 
 
normal, posteriormente se permite un tiempo de remojo de la membrana con el agente, por 
último el sistema se lava de los residuos del químico usado (Shammas et al.2008), en la Tabla 
2.3es posible encontrar los agentes de limpieza más empleados según la literatura, cuando la 
membrana está en contacto con una matriz que puede contener un amplio espectro de 
contaminantes los procedimientos de limpieza química deberán ser secuenciales con agentes 
distintos para asegurar la mayor remoción de contaminación. 
 
Tabla 2.3 Agentes de limpieza química (Adaptado de Shammas 2008) 
Categoría Agente químico Contaminante 
Acido Ácido cítrico Inorgánicos 
HCl 
Base NaOH Orgánicos 
Oxidantes/desinfectantes Hipoclorito de sodio (NaOCl) Orgánicos; biopelículas 
Cl2 gas 
Peróxido de hidrogeno 
Surfactantes Varios Orgánicos, partículas 
inertes 
 
2.4 Membranas en el tratamiento de agua 
La tecnología de membranas ha surgido como una herramienta muy útil en la ingeniería 
sanitaria al ofrecer la posibilidad de minimizar el contenido de sustancias contaminantes por 
medio de un proceso de separación eficiente y selectivo. 
Su aplicación en el tratamiento de agua residual puede ser del tipo in situ, mejor conocido como 
biorreactor con membrana (MBR por sus siglas en inglés) que consiste en poner en contacto 
el licor del sistema biológico con una membrana para lograr la producción de un efluente de 
mejor calidad al convencional, estos sistemas a su vez pueden ser de configuración externa o 
sumergida. 
Los tratamientos ex situ acoplan un sistema de membranas al efluente secundario de un 
sistema de lodos activados (ASP por sus siglas en inglés), es por eso que a este tipo de 
procesos se les conoce también como ASP-UF o ASP-NF según sea el caso; el agua producto 
tiene mejores parámetros de calidad respecto a los sistemas convencionales. El uso de este 
tipo de sistemas se ha presentado como una solución emergente a los problemas sanitarios y 
de escasez, la Figura 2.12 muestra el crecimiento tan rápido a nivel mundial que ha tenido esta 
tecnología, desde los últimos años del siglo pasado. En México el uso de estos tratamientos 
aún se encuentra incipiente, aunque se espera que la tendencia sea hacia su implementación; 
P á g i n a | 34 
 
actualmente la PTAR de Ciudad Universitaria de la UNAM ha acoplado a su proceso un 
sistema de ultrafiltración sumergible. 
La tecnología de membranas también ha sido empleada en la producción de agua potable, las 
fuentes de suministro son diversas desde las convencionales (superficiales y subterráneas) 
hasta alternativas emergentes como el agua de mar, agua residual y agua tratada. Estos 
buenos resultados se deben principalmente a la selectividad del proceso de separación 
alcanzado en los sistemas de Ósmosis Inversa y Nanofiltración, la Tabla 2.4 muestra las 
aplicaciones más comunes de las membranas para distintas matrices de agua, su interacción 
con otros procesos y el espectro de contaminación que son capaces de remover. En la Figura 
2.13 se presenta un listado de las ventajas de los sistemas de tratamiento de agua con 
membrana respecto a los procesos convencionales. 
 
Tabla 2.4 Principales aplicaciones de los sistemas de membrana en el tratamiento de agua 
(Adaptado de Fane, 2011) 
Aplicación Fuente Tratamient
o 
Pre 
tratamiento 
Post 
tratamiento 
Remociones 
Potabilización Superficial MF / UF Coagulación TOA, 
Desinfección, 
Carbón Activado 
NOM, turbiedad, 
microorganismos 
Superficial NF Filtración Desinfección NOM 
Superficial NF Coagulación 
+ filtración 
TOA Orgánicos traza, sabor / 
olor 
Acuífero NF Filtración Desinfección Dureza 
Desalinización Agua salobre OI Filtración Desinfección Salinidad 
Agua de mar OI MF / UF Adición de Ca Salinidad 
Recuperación Aguas 
tratadas 
OI MF / UF TOA Patógenos, compuestos 
orgánicos traza 
Aguas 
residuales 
OI MBR TOA Patógenos, compuestos 
orgánicos traza 
MBR Aguas 
residuales 
MF / UF Cribado Desinfección Turbidez, DBO, 
patógenos 
Tratamiento 
terciario 
ASP-UF 
ASP-NF 
Agua tratada MF/UF/NF/OI Lodos 
activados 
TOA, 
Desinfección 
Turbidez, DBO, 
patógenos, orgánicos 
traza 
 
P á g i n a | 35 
 
 
Figura 2.12 Evolución del uso de sistemas de membrana en el tratamiento de agua. (Fane, 2011) 
 
 
 
Figura 2.13 Ventajas y desventajas de los sistemas de tratamiento con membrana respecto a los 
ASP 
2.4.1 Reactores MBR 
 
Los reactores MBR (por sus siglas en inglés Membrane Biological Reactor), son sistemas que 
combinan el tratamiento convencional de lodos activados con la tecnología de membranas de 
filtración mejorando el rendimiento del tratamiento de agua (Judd, 2006).El acoplamiento de 
Desventajas Ventajas 
P á g i n a | 36 
 
membranas a los sistemas de lodos activados es un proceso sinérgico; el proceso biológico 
permite remover contaminación orgánica biodegradable. Las membranas de filtración realizan 
una función de transferencia de materia selectiva. Su conjunción permite rescatar lo más 
valioso de ambos sistemas y aplicarlo a una problemática que requiere soluciones innovadoras. 
 
Los procesos convencionales de tratamiento aerobios suelen dividirse en seis etapas. 
1. Pretratamiento Cribado. 
2. Sedimentación Separación de sólidos del agua residual por gravedad. 
3. Digestión Microorganismos degradan la materia orgánica presente por 
medio de una digestión aerobia o anaerobia. 
4. Sedimentación de lodos La biomasa asociada al tratamiento (lodos activados) debe 
ser separada por sedimentación al finalizar el proceso. 
5. Filtración Elimina parte de los sólidos suspendidos. 
6. Desinfección Elimina los microorganismos disueltos en el efluente. 
 
 
Un MBR agrupa la digestión, sedimentación secundaria y filtración en un solo proceso (Figura 
2.14), incluso la mayoría de las membranas tienen capacidad de realizar en algún grado la 
función de desinfección (Judd, 2008). 
 
 
Figura 2.14 Principales configuraciones de membrana en sistemas de tratamiento de aguas 
residuales 
Los sistemas MBR externos (MBRe) extraen el licor mezclado del Biorreactor y lo hacen pasar 
por la membrana, el rechazo es recirculado al reactor, los MBR sumergibles (MBRs) son la 
P á g i n a | 37 
 
configuración más usual en el tratamiento de agua residual con membranas, consisten en una 
membrana sumergida en el licor del tanque que por medio de presión negativa hace fluir agua 
a través de ella, para estos sistemas se sugiere el uso de aireadores como mecanismo de 
control del ensuciamiento de la membrana. 
 
Los sistemas ex situ ASP-MF,UF,NF son un complemento a los tratamientos convencionales 
de lodos activados, su función es incrementar la calidad del efluente producido en el 
tratamiento biológico con la finalidad de proveer