curso_desalacion_2009

PONENCIAS CURSO DESALACIÓN AEDyR 2009 1 al 5 de junio

DÍA 1 | Lunes 1 de junio RECURSOS Y DEMANDAS  Rubio Visiers, Manuel; [Director de desarrollo para África, ACCIONA Agua]

LOS SISTEMAS DE DESALACIÓN  Rubio Visiers, Manuel; [Director de desarrollo para África, ACCIONA Agua]

CARACTERÍSTICAS DEL AGUA A DESALAR  Prats Rico, Daniel; [Catedrático de Ingeniería Química, Dir.del Instituto del Agua y de las Ciencias Ambientales de la U. de Alicante]

DÍA 2 | Martes 2 de junio DESALACIÓN POR EVAPORACIÓN  Sánchez Sánchez, Juan María; [Consejero-Asesor, Ecoagua]

TECNOLOGÍA DE ELECTRODIÁLISIS REVERSIBLE  Pérez Talavera, José Luis; [Director Técnico de Explotaciones, SADYT]

DÍA 3 | Miércoles 3 de junio INTRODUCCIÓN A LA ÓSMOSIS INVERSA  Medina San Juan, Jose Antonio; [MED Desalación, S.L.]

LA CAPTACIÓN DEL AGUA DE MAR Y EL VERTIDO DE AGUA DE SALMUERA DE RECHAZO  Fariñas Iglesias, Manuel; [Director de Tecnología e I+D+i, Acciona]

DÍA 4 | Jueves 4 de junio TRATAMIENTOS QUÍMICOS  Zarzo Martínez, Antonio J.; [Technical Manager, Centro de Recursos Técnicos Europeo, Nalco Española]

PRETRATAMIENTOS FÍSICOS  Zarzo Martínez, Domingo; [Director Técnico y de I+D+i, Valoriza Agua]

DÍA 5 | Viernes 5 de junio ÓSMOSIS INVERSA Y NANOFILTRACIÓN  Talo Valls, Santiago ; [Sales Director Europe / África, Hydranautics - A Nitto Denko Company]

RO/NF SYSTEM DESIGN AND ROSA SOFTWARE  Casañas González, Antonio; [Dow Water & Process Solutions]

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Lunes 1 de junio de 2009

Recursos y demandas RUBIO VISIERS, MANUEL

La desalación como sistema de aporte no convencional al ciclo del agua: Recursos y demandas | Sistemas de desalación  RUBIO VISIERS, MANUEL; [Director de desarrollo para África, ACCIONA AGUA]

ÍNDICE 1. Introducción. 2. Recursos y demandas de agua. 3. La desalación en cifras. 4. Clasificación de los sistemas de desalación. 5. La producción de agua desalada: producción mundial y española. 6. Los costes de desalación. 7. Conclusiones finales.

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1. INTRODUCCIÓN Esta primera parte del curso de desalación organizado por AEDyR, pretende de una forma general dar una visión del ciclo del agua en el mundo, de forma que entendamos para qué trabajamos y cuál es el verdadero problema de escasez ad agua. Evidentemente, el desarrollo de un proyecto de desalación requiere un conocimiento profundo de la tecnología existente, pero por encima de todo requiere saber para qué sirve realmente esta tecnología. En este capítulo, y en el siguiente, vamos ver un panorama general de los recursos disponibles en el planeta, y de las formas de actuar sobre él para permitir que la población disfrute de nuevas dotaciones de agua de calidad, al mismo tiempo que respetamos el medio ambiente y fomentamos la sostenibilidad del proceso. En la primera sección, denominada en el programa «Recursos y Demandas», vamos a reflexionar sobre el ciclo del agua en el mundo, las masas de agua de las que disponemos, y la población mundial y su reparto. Finalmente, se van a analizar las cifras conocidas en lo que respecta a la cantidad de agua desalada producida actualmente. Queda claro que si bien las cifras pueden mostrar un peso específico de esta fuente de agua relativamente pequeño, es de gran importancia en las zonas de mayor demanda y escasez, en donde en ocasiones llega a ser de más del 50% de los recursos disponibles. En la segunda sección, se hablará de forma general de los sistemas de desalación utilizados, su evolución y la justificación de su uso. Tras ello, analizaremos los datos a nivel español, ahora mismo la cuarta potencia en desalación mundial en cuanto al volumen de agua producida, las perspectivas de futuro y los costes. De forma colateral, teniendo en cuenta que el desarrollo de la tecnología se desarrolla en los capítulos siguientes, queramos dejar claro que esta técnica respeta en todo momento los pilares básicos de la sostenibilidad: 1) la mejor técnica disponible a un coste asumible, 2) medioambientalmente controlado y soportable, y 3) socialmente positivo. Confiamos que tras el análisis de los conceptos de estas dos primeras unidades, los oyentes tengan la idea clara de que la desalación es un recurso no convencional, complementario con otras fuentes de agua y contemplado y desarrollado desde el punto de vista de la sostenibilidad.

2. RECURSOS Y DEMANDAS DE AGUA Analizamos a fondo el ciclo del agua en el mundo, de forma que lleguemos a confirmar en qué puntos del ciclo del agua podemos incidir para optimizarlo, y veremos que realmente podemos aportar «aguas nuevas» mediante tecnologías como la desalación, y también la reutilización. Ello es debido al desequilibrio que existe en el mundo unido a la distribución desigual de la población. Adicionalmente, si nos esforzamos en conservar la calidad de las masas de agua, llegaremos también a optimizar este ciclo. a. Si tomamos en cuenta datos globales, en nuestro planeta, cuyo 75% de la superficie está ocupada por el agua, hay un total de agua del orden de 1.400 x 106 km3. Cantidad esta de una calidad bastante uniforme en el caso del agua de mar, y de muy distintas calidades en el caso de aguas dulces. Pues bien, de esa cantidad solo es considerada agua dulce utilizable una cantidad del entorno de 200.000 km3, es decir tan solo el 0,6% del agua disponible. —3—

b. De esa cantidad de agua dulce disponible, y analizando el ciclo del agua que se presenta en la diapositiva, observamos que tan solo una cantidad del entorno de 45.000 km3 por año es considerada renovable, es decir utilizable y reutilizable para los usos normales en la sociedad moderna en la que vivimos. Y si profundizamos un poco más, vemos que dos tercios de esa cantidad corresponde a escorrentía no controlada y el otro tercio a los recursos hídricos realmente disponibles. c. Si finalmente dividimos esta cifra anual entre la población mundial actual, concepto que veremos seguidamente, obtenemos una dotación teórica por habitante de algo más de 2.000 m3 por año y habitante, lo cual debería ser suficiente si consideramos como cifra razonable para desarrollar una vida acorde con nuestra costumbre es de 1.800 m3 por año. Esta cifra, que evidentemente no se refiere al agua de consumo solamente sino a toda la necesaria en los procesos de fabricación de todo lo que usamos a diario (vestido, calzado, coche, vivienda, alimentos, etc.), puede ser menor del orden de 1.500 m3 por año, por debajo de la cual consideramos que esa población padece stress hídrico. Como ejemplo, podemos decir que hay países o zonas de ellos donde esa cifra se multiplica hasta por cinco, y zonas del planeta en las que no llega a 50 litros por día. Otro ejemplo clarificador es la cifra del norte de España, que puede estar próxima a los 3.000 m3, mientras que en el sudeste no sobrepasa los 1.100 m3. d. Como última reflexión sobre el consumo de agua, podemos decir que entre 1915 y 2015, es decir un siglo, la demanda de agua en el mundo se ha multiplicado casi por 10, y que en los últimos 20 años lo ha hecho casi por dos. e. Analizada la cantidad de recurso y teniendo en cuenta su reparto no homogéneo, vamos a considerar ahora la población mundial, que es actualmente del orden de los 7.300 millones de habitantes, con una previsión media de crecimiento hasta el 2030 que eleva esta cifra a los 9.000 millones de personas. Si pensamos que el coeficiente de stress calculado anteriormente se ha hecho con la población al día de hoy, y con la distribución de la población en el mundo tan desigual podemos hacer un mapa de stress hídrico que nos indica que alrededor de un 40% de la población mundial lo padece, y que cerca del 20% lo padece de forma muy acentuada. f. Como última reflexión sobre el ciclo del agua, debemos pensar en los usos a los que ésta se destina y su proyección en los próximos años. De forma general un 80% de los recursos se utilizan para agricultura, quedando el resto repartido entre la industria con alrededor de un 12% y el consumo humano directo cercano al 8%. Si añadimos que en zonas como Asia donde se encuentran las mayores extensiones de regadío en donde se consume el 70% del agua retirada, que a su vez es el 57% del agua dulce mundial, observamos de nuevo un reparto desigual que distorsiona localmente las cifras medias que manejamos.

3. LA DESALACIÓN EN CIFRAS Sin embargo, y tras analizar esas cifras, debemos detectar los puntos en los que realmente el desequilibrio entre el recurso y la demanda es realmente importante, y especialmente si consideramos los cambios en el clima que se están produciendo y los desarrollos sociales por regiones. Como consecuencia de ello, podemos concluir que está en nuestra mano incidir sobre el ciclo del agua de forma concreta y puntual, proporcionando nuevos recursos no convencionales de un agua de alta calidad, y que para ello disponemos de la tecnología necesaria en un muy alto grado de desarrollo. —4—

A título ilustrativo de las afirmaciones anteriores, y basándonos en las estadísticas a nivel mundial, podemos decir que en el año 2006 la producción mundial de agua desalada era de 48 millones de metros cúbicos por año (capaz de abastecer de agua potable ella sola a una población aproximada de 240 millones de personas). Para el año 2011 se prevé una producción mundial de agua desalada del entorno de los 95 millones de metros cúbicos por día (para abastecer totalmente de agua potable a una población de 470 millones de personas). Actualmente según el inventario de plantas existentes estamos produciendo del orden de 65 millones de metros cúbicos diarios. Las cifras dadas anteriormente pueden parecer excesivas, pero realmente es una contribución de gran importancia en el agua de consumo humano, y no significa que pueda completar la escasez de agua para otros usos como el agrícola y el industrial. En todo caso, si somos capaces de llegar a abastecer de agua potable a la población, reutilizamos esa agua hasta conseguir altos niveles de calidad para los otros usos a un precio actualmente bajo, y añadimos otros recursos de calidad suficiente podemos incidir en el ciclo del agua acercando a un porcentaje importante de población a las cifras normales de consumo.

4. CLASIFICACIÓN DE LOS SISTEMAS DE DESALACIÓN De una forma general, y sin incidir en profundidad en sus fundamentos, dado que será objeto de estudio profundo en otras partes de este curso, vamos a repasar los sistemas que se han utilizado o se continúan utilizando en el mundo para producir agua desalada. La evolución de las tecnologías, materiales y procesos han llevado a desarrollar técnicas de desalación que se han ido optimizando y que, finalmente, han ido quedando obsoletas o solo aplicables a ciertos tratamientos debido a la aparición de otras más eficaces y sostenibles. Uno de los factores, y lo veremos al final de esta exposición, es el consumo energético, pues es el coste fundamental de producción de agua desalada. Como cifra ilustrativa, podemos decir que desalar un metro cúbico de agua de mar necesita, desde el punto de vista termodinámico, del orden de un kw.h/m3. Pues bien, la técnica actual de desalación por membrana está requiriendo un consumo en el proceso de desalación (excluido transporte del agua producida o bruta) del entorno de 2,8 kw.h/m3. Pensemos que hace 25 años este consumo era, cuando menos, tres veces superior. Clasificamos los sistemas de desalación en dos grandes grupos: los que separan el agua de la disolución salina (extraen el agua), y los que extraen las sales (las eliminan). A su vez, dentro de los primeros los hay que consumen energía eléctrica y térmica a la vez, como los procesos de evaporación MSF, MED, CTV, y otros; mientras que los hay que sólo consumen energía eléctrica como la ósmosis inversa. Dentro del segundo grupo, es decir los que eliminan las sales, podemos citar la migración iónica o electrodiálisis, el intercambio iónico por resinas y otros sistemas de extracción. Para orientarnos mejor, y especialmente encaminados a la producción de agua de buena calidad exclusivamente, en cantidad elevada, a coste mínimo y con tecnologías modernas, concluimos que la desalación por membranas de ósmosis inversa es el sistema más recomendable. En el caso general de que se precise la producción de agua y también de energía (caso de algunos países de Oriente Medio o África, la desalación por evaporación es recomendable en la medida de que aprovechemos el calos residual del proceso de energía eléctrica. Toda el agua adicional que necesitemos por encima del límite que nos fija el calor residual citado será más razonable, desde el punto de viste de coste energético, producirla por membranas. Plan—5—

tas de este tipo están siendo construidas en la actualidad. Cabe citar también, que el acceso a las tecnologías y repuestos y la calidad de agua de mar existente en la zona, pueden hacer que se produzcan excepciones a estas reglas. Para otro tipo de tratamientos, según su tamaño, necesidad de calidad de agua producida y sobre todo en el caso de aguas salobres, los demás tratamientos están perfectamente justificados a nivel de costes. Especialmente cabe mencionar le electrodiálisis reversible para tratamiento de agua salobre de mineralización media y de alto contenido en materia orgánica, y los sistemas de resinas o combinados con la EDS (electrodesionización reversible) para la producción de agua de uso industrial y agua ultrapura.

5. LA PRODUCCIÓN DE AGUA DESALADA: PRODUCCIÓN MUNDIAL Y ESPAÑOLA La oferta de agua desalada en el mundo, tal como hemos indicado antes, es creciente y podemos hacer una proyección hacia el año 2025 que supere los 150 millones de metros cúbicos diarios. La mayor parte de esta agua desalada provendrá del mar y se tratará por el proceso de ósmosis inversa. Repetimos el comentario en el sentido de que una vez producida el agua dulce, y utilizada directamente para consumo humano, parece lógico depurarla y aplicar tratamientos terciarios para su reutilización, ya que el gran coste de producción ya se ha producido, es un recurso de «agua nueva» que se añade al ciclo del agua, y además permite soportar el coste de reutilización gracias a aplicaciones industriales o agrícolas. Actualmente, y teniendo en cuenta las tecnologías que hemos citado, podemos decir que un 46% del agua desalada en el mundo se produce por el sistema de ósmosis inversa, un 36% por evaporación MSF y el resto se reparte entre el resto de las técnicas indicadas. En el caso español, cabe resaltar que se viene trabajando en desalación desde hace 30 años, y que amplias zonas del país tienen ya un aporte de agua de mar desalada de entre un 30 y un 50% de su consumo. De forma global, podemos decir que en los próximos dos años, y terminado el último programa de desalación que ha sido el más ambicioso en un corto período de tiempo, tendremos un aporte de este recurso del orden de 3,2 millones de metros cúbicos diarios, lo que supone alrededor del 3,5% de la desalación mundial (siendo nuestra población un 0,6% de la población mundial), con tres áreas de actuación bien definidas: Archipiélago Canario, Islas Baleares y zona levantina de la península. Como última cifra se puede añadir que las cifras que manejamos en cuanto a la producción de agua desalada en España, supondrá en los próximos dos años un 5,12% del consumo total de agua. Dada la evolución en los últimos años, es previsible un crecimiento anual superior al 7%, llegando en muy poco tiempo a superar el 0,08% del agua renovable del planeta. Si además consideramos que esta producción se realiza exactamente donde se necesita, podemos concluir que esta técnica es realmente un muy importante recurso a considerar. De forma indicativa, conviene citar que las áreas de mayor desarrollo en cuanto a la producción de agua desalada actualmente son Oriente Medio, Estados Unidos, Argelia, España y Australia con proyecciones de producción al año 2025 de 56,8; 15,5; 8,2; 7,5; y 6,6 millones de metros cúbicos por día.

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6. LOS COSTES DE DESALACIÓN Como ya hemos comentado, varios son los factores que influyen en los costes finales de desalación, y los podemos agrupar en: tipo de tecnología usada, tipo de agua a desalar, calidad del agua que queremos producir. En definitiva, qué tenemos, qué queremos y cómo podemos producirlo. De una forma general, y este aspecto también se ampliará en sesiones posteriores, los costes los podemos agrupar en tres bloques: debidos a la inversión, costes de operación fijos, y costes de operación variables. Ante cualquier estudio de viabilidad o proyecto financiado (BOT; EPC; BOO; etc.) deberemos aquilatar cada uno de ellos porque su incidencia en el precio final no es la misma. De forma general, podemos decir que en el caso del agua salobre la ósmosis inversa es claramente la más barata, aunque mediante otras tecnologías lo más que se llega es a duplicar el coste de por sí bajo. En cuanto al agua de mar, de coste generalmente tres veces superior al agua salobre, la diferencia entre las técnicas de membrana y las de evaporación son más sensibles en valor absoluto. Fijaremos a partir de este momento nuestra atención en la desalación de agua de mar por membranas. En un reparto de costes, podemos decir que el 40% aproximadamente de su coste, se debe a la energía. Le sigue la parte de amortización en el entorno del 25% seguido de personal, impuestos y beneficio industrial con un valor cercano al 5%; 8,5; y 6%. El resto hasta sumar el 100% son las membranas, productos químicos, mantenimiento y otros costes. Queda claro que la energía es el elemento más sobresaliente, con una connotación, además, de tipo medioambiental que también se desarrollará después. En el caso de la desalación de agua de mar, hemos pasado de un consumo energético del orden de 22 kw.h/m3 a principio de los años 70, hasta un consumo actual del orden de 3 kw.h/m3. Bien entendido que fue durante los años 90 cuando se produjeron los mayores avances. La repercusión de estos avances, se aprecia en el precio de producción del metro cúbico de agua desalada, que en los años 80 era del entorno de 2€, y en la actualidad está incluso por debajo de los 0,4€. Con lo anteriormente expuesto, y comparando estos costes con los de otras fuentes de agua, es decir con recursos convencionales, reciclado, y otros recursos marginales, la convergencia del precio del agua desalada con ellos es manifiesta, y en el entorno del 2010 totalmente competitiva con una calidad en muchos casos muy superior.

7. CONCLUSIONES FINALES A la vista de las reflexiones anteriores, es decir, pensando en el escenario mundial actual y futuro, considerando el ciclo del agua y su comportamiento desigual en nuestro planeta, y teniendo en cuenta que el cambio climático puede descompensar más las cifras, debemos pensar en el uso de recursos no convencionales y complementarios con los existentes. Existen tecnologías, una vez visto el desarrollo de las mismas en el tiempo, capaces de suministrar este recurso localmente en las zonas deficitarias, de alta calidad, y a un coste razonable. Es más, no solo en cuanto a la producción de agua de alta calidad, sino en cuanto a una reutilización posterior de la misma para otros usos, lo que duplica el agua renovable aportada. —7—

Una política de ahorro y control de pérdidas es necesaria dado el coste que tienen los distintos recursos de los que disponemos, y se hace referencia a todos, pues cualquier recurso, tal como hemos visto en la convergencia de precios, tiene un elevado coste, ya sea por producción, por transporte o por otro tipo de infraestructuras que, finalmente, el usuario en la Unión Europea debe pagar. La utilización de esta técnica tiene que aplicarse a las aguas superficiales marinas, pues al tratarse de grandes desaladoras, no suele ser posible la toma de pozo. Por este motivo, uno de los grandes retos es el desarrollo y aplicación de tecnologías de pretratamiento que permitan trabajar con seguridad en la membrana de ósmosis inversa. Promover tecnologías, actualmente bien desarrolladas, de generación de energías verdes en paralelo, de forma que compensemos los efectos indirectos de la desalación en la producción de CO2. Mantener un alto nivel en los proyectos desde el punto de vista ambiental, y seguir un control estricto de impactos no sólo durante la construcción, sino después en la fase de explotación.

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Recursos y demandas

¿DÓNDE PODEMOS INCIDIR PARA MEJORAR? •

Podemos incidir en el ciclo del agua proporcionando cantidades adicionales de “aguas nuevas” en los puntos donde se produce desequilibrio.

•

Debemos conservar las masas de agua.

EL CICLO DEL AGUA

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CONCLUSIONES •

Nuestro planeta es azul debido a la gran extensión del mismo ocupada por el agua. Ahora bien, de toda la cantidad de agua existente, sólo el 14% es utilizable.

•

Denominamos “agua renovable” a aquella que forma parte del ciclo del agua y al que tenemos acceso real. Sobre sus componentes podemos actuar mejorando su aprovechamiento. Esta cantidad es tan solo del 3% del agua existente en nuestro planeta.

•

Si consideramos una dotación de agua renovable por habitante de 1.800 m3/año podemos deducir que la población mundial puede, en conjunto y como media, cubrir sus necesidades.

•

La realidad es que hay un gran desequilibrio entre zonas debido a la irregularidad de las precipitaciones y, en general , a la distribución de las masas de agua renovable y las áreas con altas densidades de población en nuestro planeta.

•

Podemos actuar de forma sostenible sobre el ciclo del agua.

•

La sostenibilidad se fundamente sobre tres bases: a) Técnicas disponibles existentes con costes optimizados; b) soluciones socialmente positivas; c) soluciones medioambientalmente soportables. — 10 —

EL AGUA EN EL MUNDO Estimación del crecimiento de la población mundial

•

El crecimiento estimado de la población (9.000 millones de personas en 2030) hará que se dispare el consumo doméstico, agrario e industrial.

•

En 2050, el 75% de la población mundial vivirá a menos de 100 Km del mar en grandes ciudades.

Estimación del crecimiento de la población mundial •

Entre 1915 y 2015 la demanda de agua se multiplicará por seis.

•

Actualmente, el 60% del consumo corresponde al sector agrario.

— 11 —

Evolución previsible de las demandas de agua para los diversos usos

— 12 —

Disminución porcentual media de la disponibilidad de agua renovable entre 1950-2025 para los países desarrollados y en desarrollo

Distribución de recursos de agua renovables por cuencas hidrográficas en el mundo (1995)

— 13 —

Población por encima o por debajo del umbral de 0,4 de estrés hídrico relativo

Cambios previstos en el caudal fluvial anual de Europa para el año 2070 en comparación con el año 2000

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LA DESALACIÓN EN CIFRAS Algunas cifras sobre desalación en el mundo: •

En el año 2006 la producción mundial de agua desalada era de alrededor de 48 millones de metros cúbicos diarios.

•

Se prevé que en el año 2011 la producción mundial de agua desalada será de 95 millones de metros cúbicos diarios.

•

El año 2008 el inventario de plantas arroja una cifra total de producción de agua desalada a partir de agua de mar de 65 millones de metros cúbicos diarios.

CONCLUSIONES •

La población mundial está en aumento e independientemente del modelo que se tenga en cuente, en los próximos 40 años sobrepasará los 9.000 millones de personas.

•

La distribución de las personas y la disponibilidad de agua va a provocar grandes migraciones.

•

Se han desarrollado índices cuantitativos que nos permiten evaluar la accesibilidad al agua en función de ciertas premisas. Según estos índices, podemos confirmar que más de un 40% de la población mundial padece estrés hídrico.

•

La forma más versátil de aportar caudales al ciclo del agua y de adaptarlos a las diversas áreas geográficas es la desalación.

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Lunes 1 de junio de 2009

Los sistemas de desalación RUBIO VISIERS, MANUEL

Los sistemas de desalación  RUBIO VISIERS, MANUEL; [Director de desarrollo para África, ACCIONA AGUA]

ÍNDICE B. LOS SISTEMAS DE DESALACIÓN: 1. Clasificación de los sistemas de desalación: - Desalación térmica: MED; MSF; VC. - Desalación por membranas: ósmosis inversa, nanofiltración y electrodiálisis reversible. - Otros sistemas de desalación: resinas, congelación, etc. 2. La situación mundial y española: - La oferta mundial de agua desalada. - Distribución de los procesos de desalación. - La desalación en España. 3. Evolución y perspectivas de la desalación: - Evolución de la capacidad instalada mundial. - Los mercados de la desalación. 4. Costes de desalación: - Estructura de costes. - El coste energético. - Evolución de los costes de desalación. - Costes de las aguas según su origen.

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LOS SISTEMAS DE DESALACIÓN Separación

Energía

Proceso

Denominación Súbita Multietapa (MSF)

Evaporación Térmica + eléctrica Separando el agua

Compresión Térmica de Vapor (TVC) Solar (SD)

Cristalización

Congelación Formación de hidratos

Evaporación y filtración

Evaporación con membranas (MD)

Evaporación

Compresión Mecánica Vapor (MVC)

Filtración iónica

Ósmosis inversa (RO)

Eléctrica

Migración iónica

Electrodiálisis (ED)

Química

Otros

Eléctrica

Eliminando las sales

Multiefecto (MED)

Procesos de evaporación • DESTILACIÓN SOLAR (SE). • DESTILACIÓN EN TUBOS SUMERGIDOS (ST). • DESTILACIÓN SÚBITA (FLASH) DE SIMPLE ETAPA (F). • DESTILACIÓN SÚBITA MULTIETAPA (MSF). • DESTILACIÓN DE MÚLTIPLE EFECTO POR TUBOS HORIZONTALES (MED). • DESTILACION DE MÚLTIPLE EFECTO POR TUBOS VERTICALES (VTE). • COMPRESIÓN MECÁNICA DE VAPOR (VC). • TERMOCOMPRESIÓN DE VAPOR (VTC).

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Intercambio iónico (IE) Extracción

Esquema general de los procesoso de evaporación

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Procesos de membrana •

Microfiltración.

•

Ultrafiltración.

•

Nanofiltración.

•

Ósmosis inversa.

•

Electrodiálisis.

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SITUACIÓN MUNDIAL El incremento de la población mundial disparará el consumo de agua •

Entre 1915 y 2015 la demanda mundial de agua se multiplicará por seis.

•

Actualmente, el 60% del consumo corresponde al sector agrario.

La oferta de agua desalada se incrementará en los próximos años •

En 2025 se producirán entre 140 y 160 Mm3/diarios de agua desalada. CAPACIDAD LÍMITE DE LAS PLANTAS DESALADORAS PLANIFICADAS EN EL MUNDO

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Proyección de necesidades: Aguas desaladas y de reciclado

Necesidades mundiales de «nuevas aguas» • 50 veces la capacidad actualmente disponible

Distribución global de los procesos de desalinización

RO: Ósmosis Inversa. MSF: Destilación Súbita Multiefecto. ED: Electrodiálisis. VC: Compresión de Vapor.

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SITUACIÓN ESPAÑOLA

Crecimiento de la desalación en España

Programa A.G.U.A. EVOLUCIÓN DE LA CAPACIDAD DE DESALANIZACIÓN EN ESPAÑA

> 3,2 x 106 m3 / día

5,12% del consumo total de agua

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EVOLUCIÓN Y PERSPECTIVAS Evolución de la capacidad mundial (Enero de 2005)

Evolución de la capacidad mundial (Enero de 2005 - 2015)

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Los mercados actuales de desalación: tendencias

COSTES DE DESALACIÓN Factores que influyen en el coste •

Tecnología usada. – Vapor. – Membranas.

•

Tipo de agua a desalar. – Salobre. – Mar.

•

Tipo de agua necesaria. – Industria. – Agricultura. – Doméstica.

— 10 —

Estructura de costes Costes de inversión

Costes de operación

– Amortizaciones.

– Fijos.

•

Desarrollo del proyecto.

•

Personal.

•

Terrenos.

•

Mantenimiento Equipos.

•

Permisos.

•

Mantenimiento Obras.

•

Construcción.

•

Término fijo energía.

– Variables. •

Consumo eléctrico.

•

Reactivos químicos.

•

Cambio de Membranas.

•

Reposición cartuchos.

TABLA COMPARATIVA DE LOS COSTES DE PRODUCCIÓN DE AGUA DULCE A PARTIR DE AGUA DE MAR CON DISTINTAS TECNOLOGÍAS (€/m3) Agua de mar

MSF

MED

C.V.

O.I.

Combustible

0,445

0,288

0

0

Electricidad

0,16-0,18

0,086-0,094

0,56-0,61

0,25-0,3

Maño de obra

0,036-0,042

0,036-0,042

0,06-0,09

0,024-0,096

Productos químicos

0,036-0,048

0,03-0,042

0,024-0,042

0,024-0,06

0

0

0

0,012-0,042

0,0012-0,0024

0,0012-0,0024

0,0012-0,0024

0,0012-0,0024

Mantenimiento y otros

0,024-0,036

0,024-0,036

0,018-0,030

0,024-0,036

Total explotación

0,707-0,753

0,465-0,505

0,665-0,777

0,337-0,537

Amortización

0,384-0,396

0,384-0,396

0,403-0,420

0,168-0,252

1,09-1,15

0,85-0,90

1,07-1,20

0,51-0,79

Energía

Reposición Membranas Limpieza química

Coste Total

— 11 —

Costes de desalación

Evolución del consumo energético de las plantas desaladoras de agua de mar en España AÑO

Tecnología

Kw-h/m3

1970

MSF

22

1980

MSF

18

1985

VC

15

1988

VC

13

1990

RO

8,5

1994

RO

6,2

1996

RO

5,3

1998

RO

4,8

1999

RO

4,5

2000

RO

4,0

2001

RO

3,7

2002

RO

3,5

2005

RO

3

Actualmente

RO

5.000 La salinidad está directamente relacionada con la presión osmótica, que es una variable clave para el diseño de la presión de operación en los procesos de ósmosis inversa, Л. Aproximadamente: Л (bares) = k * CE (dS/m), con k función del tipo de sales (0,36 para NaCl y kCl, 0,28 para MgSO4). Para agua de mar Л es del orden de 23 – 26 bares. —4—

2. 5. Temperatura La temperatura del agua puede ser muy variada, ya no sólo en función de la zona en la que se encuentre el agua a tratar sino también del tipo y procedencia ya sean aguas subterráneas, superficiales, agua de mar o aguas. También influyen las estaciones del año. La temperatura es un dato importante para el diseño de las planta de ósmosis inversa. El paso tanto de agua como de sales depende de la temperatura del agua de alimento por lo que se debe tener en cuenta a la hora de realizar el diseño. Aproximadamente se produce un aumento de caudal de producto del 3% por cada aumento de un grado centígrado. Por tanto la presión de trabajo requerida será menor cuanto mayor sea la temperatura, aunque se producirá un mayor paso de sales.

3. PARÁMETROS QUÍMICOS DEL AGUA 3.1. pH Es una medida de la concentración de iones de hidrógeno presentes en el agua y se mide como el –log[H+]. Nos indica la naturaleza ácida o alcalina de la solución acuosa. La mayoría de las aguas naturales tienen un pH entre 6 y 8. Se mide con un pHmetro, y se debe referir a la temperatura de medida ya que varía con ella. Desde el punto de vista de la desalación con membranas, ejerce dos tipos de acciones: • Influye en la solubilidad de las sales y regula por tanto la posibilidad de que precipiten. • Limita el empleo de algunas membranas como las de acetato de celulosa, que a valores inferiores a 5 pueden experimentar hidrólisis. Para aguas potables, cuando el agua va a ser consumida para este fin, la reglamentación técnico-sanitaria vigente en la actualidad establece que el rango en el que se debe encontrar el agua debe ser entre 6,5 y 9,5. 3.2. Coloides La presencia de coloides es una medida del material en suspensión con pequeño tamaño, alrededor de 10-4 – 10-5 mm, que se comporta como si estuviera disuelto, permaneciendo en suspensión estable. Los coloides pueden ser de origen orgánico o inorgánico. Son responsables en parte de la turbidez del agua. Como ya se ha indicado debe eliminarse la materia coloidal presente en el agua a tratar debido al ensuciamiento que pueden ocasionar en los procesos de membrana. Para su eliminación se debe recurrir a la coagulación-floculación ya que una simple filtración puede no resultar efectiva. En algunos casos este tratamiento se sustituye por ultrafiltración. 3.3. Sólidos disueltos La cantidad total de sólidos disueltos, o salinidad total, es una medida de la cantidad de materia disuelta en el agua y se determina por evaporación a 180 ± 2 ºC de un volumen de agua previamente filtrada con un filtro de tamaño de poro estandarizado (2 µm o menor). —5—

En el agua de mar, para las condiciones del Mediterráneo o Atlántico, los sólidos disueltos totales, STD, oscilan entre 38 y 40 g/L. En aguas salobres la concentración es muy variable, recibiendo la denominación de aguas salobres aquellas que, precisamente por tener una elevada concentración de STD no son apropiadas para los usos habituales. Por otra parte, las aguas residuales tratadas que se someten a desalación son aquellas que presentan una concentración de STD superior a 2 g/L. Los STD son un parámetro fundamental para el diseño de los procesos de membranas. En ósmosis inversa determinan la presión de trabajo y la conversión. En electrodiálisis generalmente limita la aplicación de la técnica a aguas con más de 5 g STD/L, dado que el consumo energético está directamente relacionado con la concentración iónica y encarece mucho la operación. 3.4. Sólidos en suspensión Los sólidos en suspensión, SS, que contiene un agua se pueden determinar mediante filtración a través de un filtro de tamaño de poro estandarizado (2 µm o menor). Se determinan pesando el residuo que queda en el filtro, después de secarlo a 103-105 ºC. La presencia de SS es indeseable en todas las aguas que se someten a desalación, siendo más crítica en el caso de ósmosis inversa porque pueden causar el ensuciamiento de las membranas. Se pueden eliminar por procedimientos de filtración a través de lecho filtrante o mediante microfiltración a través de membranas. Habitualmente el último proceso del pretratamiento en una planta de ósmosis inversa consiste en uno microfiltración con tamaño de exclusión de 5 µm. 3.5. Sólidos totales La concentración de sólidos totales es la suma de los sólidos disueltos y de los sólidos en suspensión. 3.6. Cationes mayoritarios que influyen en procesos de desalación y en los usos del agua 3. 6.1. Sodio y potasio. El sodio es el metal alcalino más frecuente en la composición de las aguas y el único presente en cantidades significativas en las aguas naturales. Corresponde a sales de solubilidades muy elevadas y difíciles de precipitar. Suele estar asociado al ión cloruro aunque se puede asociar también a los carbonatos y bicarbonatos. El contenido en aguas dulces suele estar entre 1 y 150 ppm pero es posible encontrar valores de hasta varios miles de ppm. No contribuye a la dureza del agua, sin embargo las aguas subterráneas que contienen cantidades importantes de carbonato y bicarbonato sódico son alcalinas y pueden tener pH de 9 o superiores. Según la aplicación final que se le vaya a dar al agua (consumo como potable, agricultura), existen unos contenidos máximos que no deben rebasarse y que vienen determinados por la influencia del sodio en los problemas cardiovasculares, para el consumo humano, y su con—6—

tribución al deterioro e impermeabilidad de las estructuras del suelo, en el segundo. El reglamento sanitario fija el contenido máximo en sodio en 200 mg/L. En cuanto a la incidencia agrícola muchos de los cultivos son sensibles al sodio. Además existen diversos criterios que analizan el contenido en sodio en relación con otros iones que pueden estar presentes en el agua. Los compuestos de sodio no precipitan sobre las membranas ni en los procesos de evaporación. Por su parte, el potasio reacciona químicamente de forma similar al sodio, formando sales solubles. Se encuentra en el agua en concentraciones muy inferiores y tampoco presenta problemas de precipitaciones en las operaciones de desalación. 3.6.2. Calcio y magnesio Se encuentran en todas las aguas y son especialmente abundantes en las aguas subterráneas. Forman parte de numerosas sales por lo que su influencia en las características depende del tipo de sales en que estén presentes. Contribuyen conjuntamente a conferir la denominada dureza del agua, que mide la capacidad de un agua para producir incrustaciones debidas a la presencia de sales disueltas de calcio y magnesio. Es la principal fuente de depósitos e incrustaciones en calderas, intercambiadores de calor, tuberías generan problemas de incrustaciones tanto en las membranas de ósmosis inversa como en los intercambiadores de los procesos de evaporación. Existen diversas formas de dureza: • Dureza permanente o no carbonatada. Mide el contenido de iones Calcio y Magnesio asociados a nitratos, cloruros y sulfatos. • Dureza temporal o carbonatada. Mide la dureza asociada a iones HCO3. • Dureza total o título hidrotimétrico (TH). Mide el contenido total de iones Calcio y Magnesio. Se puede distinguir entre la dureza de Calcio (THCa) y la dureza de Magnesio (THMg). Es la suma de las durezas anteriormente citadas. Si la dureza es inferior a la alcalinidad toda la dureza es carbonatada, pero si la dureza es superior a la alcalinidad hay una parte de dureza no carbonatada, asociada a otros iones. Se expresa en meq/L o ppm de CO3Ca, o en grados hidrométricos. Las aguas de hasta 50 ppm se consideran blandas, hasta 100 ppm ligeramente duras, hasta 200 moderadamente duras y por encima de este valor muy duras. Tanto el calcio como el magnesio son los responsables en gran medida de las incrustaciones que se producen cuando el agua experimenta cambios en la temperatura, pH y presión. La precipitación de los mismos se produce generalmente en forma de carbonatos y sulfatos, por lo que la posibilidad de que precipiten también depende de la concentración de estos aniones en el agua así como de carbonatos y CO2. —7—

La presencia de estos cationes va a condicionar el pretratamiento de la instalación y en algunos casos la conversión en el caso de ósmosis inversa. 3.6.3. Hierro Prácticamente todas las aguas contienen hierro en una mayor o menor concentración. Concentraciones de 0,5 ppm pueden ser problemáticas y en algún proceso industrial pueden no tolerarse concentraciones de 0,1 ppm. El ión hierro se puede presentar como ión ferroso o ión férrico. La estabilidad de las distintas formas químicas depende del pH, condiciones oxidantes o reductoras del medio, composición de la solución, presencia de materia orgánica. El ión ferroso es más soluble en el agua pudiéndose encontrar disuelto en cantidades de hasta 50 ppm e incluso en cantidades mayores en aguas ligeramente ácidas. Por el contrario, el ión férrico es insoluble en aguas alcalinas y muy poco soluble en aguas ligeramente ácidas. El ión ferroso es inestable en presencia de aire oxidándose a estado de férrico. En las plantas de ósmosis inversa se pretende que el hierro que contenga el agua se encuentre en forma de ion ferroso impidiendo su paso a ion férrico ya que precipita rápidamente como hidróxido férrico en la superficie de las membranas. Las aguas con hierro también favorecen el crecimiento de las bacterias de hierro. Estas bacterias se desarrollan mejor en la oscuridad y se encuentran más frecuentemente en aguas con bajo contenido en oxígeno y una considerable cantidad de CO2 junto con hierro disuelto. En cualquier caso debe diseñarse el sistema para evitar su oxidación o llevar a cabo una precipitación controlada como parte del pretratamiento. En aguas subterráneas se pueden encontrar con frecuencia concentraciones de entre 1 y 5 ppm. El reglamento sanitario para aguas de abastecimiento fija el contenido máximo de manganeso en 200 µg/L. 3.6.4. Manganeso El ión manganeso tiene un comportamiento químico muy similar al del hierro y se presenta en las mismas condiciones que este. Además de con 2 y 3 cargas positivas actúa con la valencia +4 formando MnO2 que es insoluble. Las manchas causadas por el manganeso son más intensas y difíciles de eliminar que las ocasionadas por el hierro. El reglamento sanitario para aguas de abastecimiento fija el contenido máximo de manganeso en 50 µg/L. 3.6.5. Aluminio No se encuentra normalmente ni en aguas superficiales ni subterráneas a no ser que se haya producido una contaminación por un vertido. El hidróxido de aluminio tiene una solubilidad variable en función del pH, siendo menor a un pH de 5. Normalmente, a los pH de trabajo de las instalaciones no suponen ningún peligro. El reglamento sanitario para aguas de abastecimiento fija el contenido máximo de manganeso en 200 µg/L. —8—

3.7. Sílice La sílice (SiO2) se encuentra en el agua disuelta como ácido silícico (H4SiO4) y como materia coloidal. Contribuye ligeramente a la alcalinidad del agua. Las aguas naturales contienen entre 1 y 40 ppm pero se pueden encontrar algunas aguas subterráneas con cantidades de hasta 100 ppm. En la desalación por ósmosis inversa la sílice es rechazada en un porcentaje aproximado del 99% por las membranas, concentrándose en el rechazo, por lo que una elevada concentración de este parámetro limita la conversión de la instalación. La solubilidad de la sílice es de unos 110-125 mg/L, estando bastante relacionada con la temperatura del agua. Cuando se superan los productos de solubilidad se pueden producir precipitados de silicatos de calcio y magnesio que no son fácilmente disueltos por ácidos. No conviene superar concentraciones en el rechazo de más de 150 mg/L. 3.8. Metales tóxicos Los más comunes son el arsénico, cadmio, plomo, cromo, bario y selenio. Todos ellos deben ser controlados en el origen de la contaminación. El bario y el estroncio no son elementos abundantes pero se puede detectar su presencia en determinadas aguas subterránea. Los sulfatos de estos elementos son mucho menos solubles que los de calcio por lo que pueden precipitar en procesos de ósmosis inversa, lo que puede limitar la conversión de la instalación. El reglamento sanitario para aguas de abastecimiento establece límites reducidos para estos compuestos: • Arsênico: 10 µg/L. • Cádmio: 5,0 µg/L. • Cromo: 50 µg/L. • Plomo: 10 µg/L a partir de 01/01/2014 y 25 µg/L actualmente. • Selenio 10 µg/L.. 3.9. Aniones mayoritarios e influyentes en procesos de ósmosis inversa 3.9.1. Cloruros El ión cloruro es el más abundante. Forma sales muy solubles y suele ir asociado al ión sodio, especialmente en aguas muy salinas. Las aguas dulces contienen entre 10 a 250 ppm. El contenido de cloruros afecta a la potabilidad del agua y a su potencial uso agrícola. Según la reglamentación técnico-sanitaria no se puede superar los 250 ppm. A partir de 300 ppm el agua comienza a adquirir un sabor salado. —9—

Respecto al uso agrícola, los cloruros producen necrosis en las hojas de las plantas, por lo que los niveles que se consideran tolerables son muy distintos según el sistema de riego (si moja o no las hojas). 3.9.2. Sulfatos El ión sulfato corresponde a sales moderadamente solubles a muy solubles. Las aguas contienen de 2 a 250 ppm y el agua de mar cerca de 3.000 ppm. Aunque en agua pura se satura a unos 1.500 ppm como CaSO4, la presencia de otras sales aumenta su solubilidad. Los sulfatos proceden del yeso o anhidrita, siendo los más frecuentes el sulfato sódico y el magnésico. Para el consumo de agua potable el contenido no debe sobrepasar los 250 ppm. Los contenidos elevados provocan problemas intestinales. Para usos agrícolas, concentraciones superiores a 1.200 ppm se considera negativa. El principal problema de los sulfatos en las plantas de ósmosis inversa es la posibilidad de que precipite con calcio y magnesio o incluso con bario y estroncio sobre las membranas cuando se rebasan ciertos niveles. La presencia de este anión condiciona el pretratamiento y puede limitar la conversión. 3.9.3. Carbonatos y bicarbonatos Se encuentran en todas las aguas y a veces en concentraciones elevadas. La presencia de uno u otro compuesto depende del pH del agua. El riesgo fundamental que suponen es el de precipitación sobre las membranas. En el caso de trabajar con membranas de acetato de celulosa, la elevada concentración de bicarbonatos en las proximidades de la superficie puede elevar el pH hasta cerca de 10, favoreciendo la hidrólisis de las membranas. Los bicarbonatos presentan una solubilidad elevada pero los carbonatos pueden precipitar con facilidad sobre la superficie de la membrana. Mediante la acidificación se consigue evitar la precipitación. En algunos casos, cuando la concentración de estos aniones es muy elevada se puede ver limitada la conversión. 3.9.4. Nitratos El ión nitrato forma sales muy solubles y bastante estables aunque en medio reductor puede pasar a nitrito, nitrógeno o amoniaco. Las aguas normales contienen menos de 10 ppm y el agua de mar hasta 1 ppm. Pero puede darse el caso de encontrar aguas con concentraciones mucho más elevadas procedente de la contaminación. Generalmente un contenido elevado de nitratos en un agua subterránea tiene una relación directa con el agua superficial, que contamina por percolación del acuífero. Un alto contenido de nitratos puede indicar polución y ser considerado como un indicador y un aviso que debe ser tenido en cuenta para comprobar la presencia de bacterias peligrosas. — 10 —

Los nitratos en concentraciones mayores de 45 ppm son indeseables en aguas para usos domésticos por el efecto tóxico que producen sobre los niños. La legislación vigente establece valores máximos de 50 ppm. Los nitratos no generan problemas en los procesos de ósmosis pero deben ser tenidos en cuenta a la hora de seleccionar las membranas y establecer la conversión porque en general el porcentaje de rechazo de los mismos por parte de las membranas es bajo. 3.9.5. Fluoruros El ión fluoruro aparece tan sólo en aguas subterráneas en pequeñas concentraciones (no superiores a 1 ppm). Corresponde a sales de solubilidad en general muy limitada. El rechazo de este ión por las membranas depende de la composición global del agua. Es un componente muy problemático de los procesos de desalación ya que el rechazo por parte de las membranas es elevada y si se concentra en la salmuera en cantidades de 5 a 7 ppm puede ser peligroso. En la reglamentación técnico sanitaria se admiten contenidos de hasta 1,5 ppm. 3.9.6. Fosfatos El ión fosfato forma sales muy poco solubles que precipitan con facilidad como fosfato cálcico. Al corresponder a un ácido débil contribuye a la alcalinidad de las agua. En general se encuentra en más de 1 ppm, pero puede llegar a decenas debido al uso de fertilizante. 3.10. Gases disueltos Además de los iones disueltos, el agua puede contener gases que pueden influir en el proceso de ósmosis. Los gases disueltos que se pueden encontrar son: Oxígeno, sulfhídrico, dióxido de carbono, nitrógeno, anhídrido sulfuroso y amonio. Los que influyen fundamentalmente en el proceso son el oxígeno, el sulfhídrico y el dióxido de carbono. 3.10.1. Oxígeno disuelto El contenido en aguas subterráneas profundas suele ser bajo. Las aguas superficiales por el contrario contiene concentraciones mayores estando casi saturadas. El contenido de oxígeno del agua varía en función de la temperatura de forma inversa, es decir, a mayor temperatura menor concentración de gas disuelto. El oxígeno disuelto acelera el ataque corrosivo sobre el hierro, acero y otros metales El pH también influye en el grado de corrosión, a pH bajo se acelera la corrosión, sin embargo un agua con una conductividad elevada y oxígeno disuelto, será agresiva aunque el pH sea de 8. Por otra parte su presencia favorece el crecimiento de las bacterias aerobias y puede atacar a la estructura química de la membrana.

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3.10.2. Ácido sulfhídrico Proporciona un olor característico. En pequeñas cantidades (0,5 ppm) forma un ácido débil y el agua es corrosiva. Se puede encontrar en algunas aguas subterráneas y su exposición al aire produce precipitados de azufre que puede ocasionar importantes problemas en los procesos de ósmosis por el ensuciamiento de la membrana. Por tanto se debe evitar el contacto con el aire. También puede aparecer como resultado de la acción de bacterias sulfatoreductoras que ven favorecido su crecimiento en ausencia de oxígeno y cuando existe una elevada concentración de sulfatos. 3.10.3. Dióxido de carbono La concentración de este gas en el agua está relacionada con la presencia de materia orgánica, si existe una importante actividad biológica en el suelo, el contacto del agua con el aumenta la concentración de CO2 descendiendo a su vez el O2. Pero además es un gas que se libera en las aguas carbonatadas como consecuencia de la regulación del pH que se realiza en el pretratamiento. Al liberarse el CO2 se produce un descenso del pH del agua y la hace más corrosiva. Este gas atraviesa la membrana de OI por lo que aparece en le agua producto confiriéndole agresividad y ocasionando la necesidad de un postratamiento.

4. PARÁMETROS INDICATIVOS DE CONTAMINACIÓN ORGÁNICA Tanto la actividad natural como la humana contribuyen a la contaminación orgánica de las aguas. La descomposición natural de la materia animal y vegetal da lugar a múltiples sustancias. Los residuos domésticos que llegan a las aguas contienen materia orgánica en descomposición, detergentes y microorganismos. Los vertidos industriales contienen múltiples compuestos orgánicos como aceites y disolventes. De la actividad agrícola se producen residuos de herbicidas y pesticidas. Los parámetros de medida de la contaminación orgánica son: Demanda bioquímica de oxígeno, Demanda química de oxígeno y Carbono orgánico total. 4.1. Demanda bioquímica de oxígeno (DBO5) Mide la cantidad de oxígeno consumido en la eliminación de la materia orgánica del agua mediante procesos biológicos aerobios. En general se refiere al oxígeno consumido en 5 días y se mide en mg/L de O2. Las aguas subterráneas suelen contener menos de 1 ppm, en las aguas superficiales su contenido es muy variable, y en las aguas residuales domésticas se sitúa entre 100 y 350 mg/L.

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4.2. Demanda química de oxígeno (DQO) Mide la capacidad de consumo de un oxidante químico, dicromato potásico o permanganato potásico, por las materias oxidables contenidas en el agua, y también se expresan en ppm de O2. Indican el contenido en materias orgánicas oxidables y otras sustancias reductoras, tales como Fe, NH4, etc. Las aguas no contaminadas tienen valores de DQO 1 a 5 ppm o algo superiores y las residuales domésticas de 250 a 600 ppm. La relación entre la DBO y la DQO es un indicativo de la biodegradabilidad de la materia contaminante. En aguas residuales un valor de la relación DBO/DQO menor que 0,2 se interpreta como un vertido de tipo inorgánico y si es de 0,6 es orgánico. 4.3. Carbono orgánico total (COT) El COT es una medida del contenido en materia orgánica del agua, especialmente aplicable a pequeñas concentraciones. El carbono orgánico se oxida a CO2 en presencia de un catalizador y se mide en un analizador infrarrojo. Algunos compuestos orgánicos pueden resistir a la oxidación y dar valores ligeramente inferiores a los reales. El creciente uso de este parámetro se debe la rapidez de realización de los análisis.

5. PARÁMETROS MICROBIOLÓGICOS La presencia de microorganismos en el agua puede causar crecimiento bacteriano en la superficie de las membranas de ósmosis inversa, provocando una progresiva pérdida de rendimiento y representando un importante factor de ensuciamiento, originado en las sustancias poliméricas extracelulares, EPS. Las bacterias pueden llegar a colonizar la parte del permeado de las membranas, en cuyo caso pueden aparecer contaminaciones de EPS y bacterias en el permeado. La determinación analítica se realiza mediante ensayos microbiológicos que permiten cuantificar bacterias totales o grupos de organismos específicos. La bacteria E. Coli y el grupo coliforme en su conjunto, son los organismos más comunes utilizados como indicadores de contaminación fecal. Otros organismos utilizados como indicadores de contaminación son los estreptococos fecales y los clostridium sulfitoreductores. Su presencia puede ser significativa en aguas superficiales continentales, en agua de mar con toma abierta y sobre todo en aguas residuales. Para eliminar el riesgo asociado a los microorganismos se incluye la desinfección del agua a desalinizar, normalmente mediante cloración, o la ultrafiltración en el pretratamiento.

6. CARACTERÍSTICAS GENERALES DE LAS AGUAS SALOBRES 6.1. Aguas superficiales de río La calidad de las aguas que circulan por los ríos es muy variable aunque normalmente su concentración de sales es baja. No solo se observan diferencias entre distintos ríos sino que dentro

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de un mismo río se van produciendo modificaciones (va aumentando la concentración) a lo largo del trayecto debido a varias causas: • Debido al tipo de terreno que atraviesa. Se modifican los porcentajes de presencia de los diversos iones. No son raros los casos en que en los cursos altos y medio de un río predominan los carbonatos y posteriormente aumentan los sulfatos y cloruros. • La estacionalidad, las sales procedentes de una zona determinada quedan diluidas por arrastre de las agua de lluvia que se produce en determinados meses. • Vertidos industriales que en algunos tramos puntuales puede dar una elevación de la carga orgánica y de la salinidad. 6.2. Aguas superficiales de lagos, presas o depósitos Las aguas superficiales de lagos y embalses no suelen presentar salinidades elevadas salvo en casos muy puntuales. En estos casos lo más significativo suele ser la eutrofización incrementándose los contenidos en nitratos y fósforo. El aumento de la salinidad en estos casos puede ser debida a: • Fuertes evaporaciones • Filtraciones desde algunas zonas o riachuelos de elevada salinidad. 6.3. Aguas subterráneas La calidad de las aguas subterráneas es muy variada pudiéndose encontrar más concentración de las sales frecuentes en las aguas superficiales y la presencia de otros elemento infrecuentes en las mismas. La presencia de sales es esta agua es debida a procesos físico-químicos y biológicos de alteración o simple dilución de los materiales que forman el terreno. Además es posible una modificación de la calidad del agua a lo largo del tiempo por agentes externos: • Debido al bombeo excesivo en los casos en los que el pozo se encuentra cerca de la costa puede provocar intrusión marina. En estos casos se suele producir un aumento de sodio y cloruros fundamentalmente. • Cuando por sobreexplotación aumenta el nivel freático se produce un aumento de la salinidad en general, incrementándose los sulfatos, carbonatos, calcio y magnesio.

7. USOS DE LAS AGUAS DESALADAS Las aguas desaladas se pueden emplear prácticamente para cualquier uso, tanto urbano como agrícola o industrial. En la figura 3 se muestra la distribución de usos a escala mundial que había a finales de 2006. — 14 —

Figura 3. Usos de las aguas desaladas a escala mundial (finales 2006)

Se aprecia que predomina claramente el uso municipal seguido del industrial. En España el porcentaje de aguas desaladas para regadío es sustancialmente mayor (aproximadamente un 15% en 2005), superando al uso industrial. Para cada uno de los usos el agua debe tener la calidad apropiada. 7.1. Abastecimiento En el Real Decreto 140/2003 (B.O.E. 45/2003, de 21 de febrero) se establecen los criterios sanitarios de la calidad del agua de consumo humano que se han de cumplir en el punto donde se pone a disposición del consumidor. Se puede afirmar que las aguas desaladas por ósmosis inversa, debido al efecto barrera de las membranas, cumplen con los criterios relativos a los contaminantes y microcontaminantes químicos y biológicos. Cabe considerar dos aspectos que deben tenerse en cuenta en el postratamiento. pH y agresividad El agua desalada a la salida de membranas presenta un pH ligeramente ácido y una agresividad elevada. El RD 140/2003 establece que el pH del agua debe estar comprendido entre 6,5 y 9,5 y que el agua en ningún momento podrá ser ni agresiva ni incrustante. Para ello el índice de Langelier (LSI) debe estar comprendido entre ± 0,5. El LSI se calcula como la diferencia entre el pH del agua y el pH de saturación del carbonato, o sea LSI = pH - pHS Si el pH < pHS el agua es corrosiva, si pH = pHs se obtiene el equilibrio y si pH > pHS el agua es incrustante. — 15 —

Para calcularlo hay que tener en cuenta las ecuaciones de disociación de los carbonatos:

Combinando las dos ecuaciones se obtiene la concentración de protones de saturación:

Tomando logaritmos se podrá calcular el pH de saturación del agua:

En la práctica el cálculo del LSI se realiza empleando el diagrama de Langelier que se muestra en la figura 4. A partir del análisis del agua se calcula la concentración de bicarbonatos y calcio como mg/L de CaCO3 y con la gráfica se obtiene el valor de pCa y palc (-log Ca y -log HCO3-). A continuación, conociendo los sólidos totales del agua y la temperatura se busca en el diagrama el valor de C. La suma de pCa, palc y C da como resultado el valor de total del pHS. Restando al pH real el pHS se obtiene el índice de Langelier.

Figura 4: Diagrama de Langelier para la determinación del LSI.

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Concentración de boro Como ya se ha indicado la normativa establece un límite de 1 mg/L para aguas de abastecimiento. El boro se encuentra en el agua del mar en concentraciones medias estimadas en 4,6 mg/L. En las desaladoras de un paso mediante ósmosis inversa, una vez llevada a cabo la desalación estos valores se reducen en torno a 0,8 –1,5 ppm dependiendo de las condiciones de trabajo y de las membranas empleadas en la desalación. En el caso de aguas salobres también se pueden producir situaciones similares si las aguas a tratar contienen elevadas concentraciones de boro. En las aguas naturales el boro se encuentra básicamente en forma de dos especies mayoritarias: ácido bórico, B(OH)3, y ión borato en su forma tetraédrica, B(OH)-4. El pH del medio influye de forma decisiva en la distribución relativa [ácido bórico] - [ión borato] (favoreciéndose la presencia de ión borato a valores de pH elevados). El comportamiento de las membranas de OI es muy distinto frente a estas especies, con una permeabilidad relativa del 40 – 60% para el ácido bórico y un rechazo casi total para el ión borato). Por tanto una operación de ósmosis inversa a un pH elevado, 9,5 a 10 unidades, puede conducir a un permeado con muy baja concentración de boro. En la práctica esta operación se realiza con un segundo paso de OI sobre el agua ya desalada, para evitar precipitaciones si se opera a pH elevado con el agua de mar o salobre. También es posible la reducción de boro mediante resinas específicas de intercambio iónico. Una forma habitual de ajustar las características del agua desalada es la mezcla con aguas de otra procedencia. Si esto no es posible, hay que realizar el postratamiento a la salida de la desaladora para acondicionar el LSI y la concentración de boro. 7.2. Regadío Como ya se ha indicado se está extendiendo en España el usos de aguas desaladas, procedentes de aguas salobres o de mar, para regadío. Ello está siendo posible debido fundamentalmente a tres factores: calidad, garantía de suministro y reducción de costes. Las aplicaciones más generales son a cultivos de invernadero u otros de alto valor añadido, aplicando riego localizado. Existen múltiples criterios o normas de calidad agronómica para evaluar la idoneidad de las aguas empleadas, que utilizan uno o varios parámetros y que idealmente deben tener en cuenta también el tipo de suelos. A efectos ilustrativos se presenta a continuación una comparación de la aplicación de algunos de estos criterios a una serie de aguas naturales y aguas desaladas. Se considerarán las siguientes aguas, todas ellas en la provincia de Alicante. • Dos tipos de aguas subterráneas, las procedentes de los acuíferos «Mediodía», de excelente calidad, y «Cabezón de Oro», sobreexplotado. • Dos aguas procedentes de embalses, las del embalse de Tibi, salinizado y eutrofizado pero que se usa para regadío cuando no hay otros recursos, y la del embalse de Guadalest, que abastece de agua potable a Benidorm.

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• Las aguas del río segura a su paso por Orihuela, en la Comarca de la Vega Baja. • Las del Canal del Taibilla a la altura de La Murada, representativas de las aguas del trasvase Tajo-Segura. • Las del agua desalada remineralizada de la primera desaladora de Alicante, perteneciente al Canal del Taibilla. 7.2.1. Salinidad La salinidad del agua se suele valorar a partir de la medida de la conductividad eléctrica, que está directamente relacionada con la concentración de las sales disueltas. Para valorar la conductividad del agua de riego se debe tener en cuenta el tipo de suelos, aunque en general se podrá indicar que si la conductividad. a 25ºC es de 0 – 1000 µS/cm el agua es excelente, de 1000 – 3000 µS/cm será buena a marginal y > 3000 µS/cm inaceptable La comparación entre las distintas aguas se muestra en la tabla 1. Tabla 1. Conductividad eléctrica de distintas aguas. Conductividad (µS/cm)

Valoración

385

Excelente

1.790

Mediocre

380

Excelente

2.470

Marginal

Río Segura antes de su paso por Orihuela

3.330

Inaceptable

Canal del Taibilla a la altura de La Murada

1.420

Buena

500-600

Excelente

Agua procedente de Acuífero

Embalse

Mediodía Cabezón de Oro Guadalest Tibi

Agua desalada procedente de agua de mar y remineralizada (valores típicos)

7.2.2. Coeficiente alcalimétrico. Índice de Scott (K) El índice de Scout, K, equivaldría a la altura de agua, expresada en pulgadas, que al evaporarse dejaría en un terreno vegetal de cuatro pies de espesor, álcali suficiente para imposibilitar el desarrollo normal de las especies vegetales más sensibles. Para el cálculo, expresando las concentraciones de los distintos iones en mg/L:, se emplean las siguientes expresiones: • Si (Na+ - 0,65 Cl-) ≤ 0 entonces K = 2049/Cl • Si 0 < (Na+ - 0,65 Cl-) < (0,48 SO42-) entonces K = 6620/(Na+ + 2,6Cl-) • Si (Na+ - 0,65 Cl-) > (0,48 SO42-) entonces K = 662/(Na+ - 0,32Cl- - 0,48 SO42-). Si K > 18 se considera el agua buena, de 6 a 18 tolerable, de 1,2 a 6 mediocre (sólo para suelos con muy buen drenaje) y < 1,2 mala (no utilizable). — 18 —

La comparación entre las distintas aguas se muestra en la tabla 2. Tabla 2. Índice de Scott de distintas aguas. Agua procedente de Acuífero

Embalse

Índice de Scott

Valoración

Mediodía

36,2

Buena

Cabezón de Oro

227

Buena

Guadalest

128

Buena

Tibi

4,9

Mediocre

Río Segura antes de su paso por Orihuela

3,9

Mediocre

Canal del Taibilla a la altura de La Murada

15,0

Tolerable

12-14

Tolerable

Agua desalada procedente de agua de mar y remineralizada (valores típicos)

7.2.3. Relación de Adsorción de Sodio (SAR) La Relación de Adsorción del Sodio (SAR), nos da idea del riesgo de sodificación del complejo de cambio del suelo agrícola, o sea del riesgo de degradación de la estructura del suelo. Este índice valora la proporción relativa en que se encuentran el ion sodio y los iones calcio y magnesio y se calcula mediante la expresión: donde las concentraciones se expresan en meq/L.

Según este parámetro se considera SAR < 10 bajo riesgo para la degradación del suelo y a partir de 10 riesgo creciente, siendo alto a partir de 18. La comparación entre las distintas aguas se muestra en la tabla 3. Tabla 3. Relación de adsorción de sodio de distintas aguas Agua procedente de

Índice SAR

Valoración

Mediodía

0,14

Bajo riesgo

Cabezón de Oro

0,57

Bajo riesgo

Guadalest

0,33

Bajo riesgo

Tibi

4,58

Bajo riesgo

Río Segura antes de su paso por Orihuela

4,79

Bajo riesgo

Canal del Taibilla a la altura de La Murada

3,07

Bajo riesgo

Agua desalada procedente de agua de mar y remineralizada (valores típicos)

7-8

Bajo riesgo

Acuífero

Embalse

— 19 —

7.2.4. Normas Riverside Las normas Riverside son muy utilizadas y establecen una relación entre la conductividad eléctrica y el índice que nos da la relación de adsorción de sodio, SAR, combinando ambos índices en el denominado diagrama Riverside, que se muestra en la figura 5.

Figura 5. Diagrama de Riverside.

Según estos dos índices combinados, se establecen categorías o clases de aguas que se designan con las letras C y S (para conductividad y SAR) que vienen afectadas de un subíndice numérico tanto mayor cuanto mayor es el riesgo. La comparación entre las distintas aguas se muestra en la tabla 4. Tabla 4. Relación de adsorción de sodio de distintas aguas. Agua procedente de

CE (µS/cm)

SAR

Calificación

385

0,14

C2-S1

1.790

0,57

C3-S1

380

0,33

C2-S1

Tibi

2.470

4,58

C4-S2

Río segura antes de su paso por Orihuela

3.330

4,79

C4-S2

Canal del Taibilla a la altura de La Murada

1.420

3,07

C3-S1

500-600

7-8

C2-S1

Acuífero

Embalse

Mediodía Cabezón de Oro Guadalest

Agua desalada procedente de agua de mar y remineralizada (valores típicos)

— 20 —

7.2.5. Criterios de fitotoxicidad en cuanto a sodio, cloruros y boro Para evaluar el riesgo de inducir toxicidad de un agua de riego, se puede usar con carácter general la clasificación de la F.A.O. en cuanto a sodio, cloruros y boro, que se resume en la tabla 5. Tabla 5. Criterios de fitotoxicidad de la FAO. Valoración de la fitotoxicidad

Ión

Inexistente

Problema creciente

Problema grave

Na+ (meq/L)

9

Cl(meq/L)

10

B (mg/L)

< 0,7

0,7 – 2,0

> 2,0

Las aguas desaladas, con 5 a 6 meq/L de Na+ y 5 a 6 meq/L de Cl-, presentan un riesgo medio de fototoxicidad para estos elementos, lo que lleva a tener precaución con cultivos sensibles. Respectos al boro, en la tabla 6 se muestra la comparación para las distintas aguas. Tabla 6. Relación de adsorción de sodio de distintas aguas. Agua procedente de Acuífero

Embalse

Boro (mg/L)

Mediodía

< 0,1

Cabezón de Oro

0,21

Guadalest

< 0,1

Tibi

1,12

Río segura antes de su paso por Orihuela

0,70

Canal del Taibilla a la altura de La Murada

0,14

Agua desalada procedente de agua de mar y remineralizada (valores típicos)

1-1,5 (desaladoras antiguas) < 0,5 (desaladoras nuevas)

Cabe por tanto calificar de un riesgo medio para las aguas desaladas procedentes de las instalaciones antiguas, que no estaban diseñadas para alcanzar bajas concentraciones de boro. Las desaladoras construidas dentro del plan AGUA, conducen a un agua desalada con menos de 0,5 mg/L, por lo que no existe riesgo para ningún cultivo. 7.2.6 Resumen de criterios agronómicos En la tabla 7 se presenta un resumen de la valoración agronómica de un agua desalada remineralizada procedente de agua de mar.

— 21 —

Tabla 7. Valoración agronómica de aguas procedentes de agua del mar desaladas por ósmosis inversa. Criterio o norma

Valoración

Salinidad

Excelente

Índice de Scott

Tolerable, bajo riesgo de alcalinización del suelo

Relación de Adsorción de Sodio

Bajo riesgo de sodificación del suelo

Riverside

C2-S1

Ión Sodio

Riesgo de fitotoxicidad medio: precaución con plantas sensibles

Ión Clururo

Riesgo de fitotoxicidad medio: precaución con plantas sensibles

Boro

Riesgo de fitotoxicidad medio y precaución con plantas sensibles para aguas desaladas procedentes de instalaciones antiguas. Ningún riesgo para aguas procedentes de instalaciones nuevas.

7.3. Reutilización de aguas residuales En muchas regiones de España con déficit hídrico es cada vez más necesario incluir la reutilización de las aguas residuales tratadas en la planificación hidrológica. A finales de 2007 en España se depuraban aproximadamente 3.400 hm3/año de aguas residuales urbanas en 2.514 estaciones depuradoras que tratan caudales correspondientes a cargas mayores de 2.000 habitantes equivalentes. De todas estas depuradoras, 488 tratan caudales mayores de 1 hm3/año, alcanzando un caudal anual depurado de 2.819 hm3/año. De los caudales tratados de estas depuradoras 357 hm3/ año están concesionados o en trámites de concesión para su reutilización directa en diferentes usos (Si se tienen en cuenta la totalidad de las depuradoras que tratan cargas correspondientes a más de 2.000 habitantes la reutilización alcanza los 440 hm3/año). La distribución por cuenca hidrográficas se muestra en la figura 61. La distribución geográfica de los caudales concesionados responde al nivel de déficit hídrico en el que se encuentra cada zona de la geografía española. Las C.H. Júcar y Segura en primer lugar, mientras que las demarcaciones que se encuentran en el norte de España no tienen registradas concesiones administrativas para la reutilización de agua.

1

Fuente: Dirección General del Agua. Ministerio de Medio Ambiente, Medio Rural y Marino

— 22 —

Figura 6. Distribución por cuencas de los caudales de aguas residuales urbanas concesionados o en trámite de concesión para su reutilización.

Respecto a los usos, en la figura 7 se muestra su distribución.

Figura 7. Distribución de usos en los que se reutilizan las aguas residuales urbanas concesionados o en trámite de concesión.

Como se observa de los distintos usos contemplados en las concesiones para la reutilización directa de aguas residuales depuradas el regadío es el uso con mayor peso con respecto a los demás, seguido muy de lejos por el riego de los campos de golf, los usos urbanos, ambientales e industriales. — 23 —

Los usos posibles, calidades de agua requeridas en cada caso y los requisitos de las concesiones, están regulados en el R.D. 1620/2007, de 7 de diciembre, por el que se establece el régimen jurídico de la reutilización de las aguas depuradas. Cabe indicar que muchas de las aguas residuales tratadas en zonas con déficit hídrico y por tanto potencialmente reutilizables, presentan un exceso de salinidad que limita su aplicación a múltiples usos. Esta circunstancia se produce sobre todo en zonas costeras, donde hay fuertes evaporaciones y, en muchos casos, intrusiones de aguas salobres a la red de saneamiento, que salinizan las aguas residuales. Para estos casos hay que aplicar tecnologías de desalación. Si la tecnología a aplicar es la ósmosis inversa se requiere un pretratamiento que elimine la materia orgánica refractaria, y otras sustancias perjudiciales para el proceso, que contienen las aguas residuales tratadas. En los casos en los que actualmente se lleva a cabo tratamiento tercio que incluye ósmosis inversa (depuradoras de Rincón de León en Alicante y Benidorm), el pretratamiento incluye una etapa de ultrafiltración.

— 24 —

Lunes 1 de junio de 2009

Presentación PRATS RICO, DANIEL

Características del agua a desalar

 PRATS RICO, D.; [Catedrático de Ingeniería Química, Director del Instituto del Agua y de las Ciencias Ambientales de la UNIVERSIDAD DE ALICANTE]

ÍNDICE • Características del agua a desalar - Aguas salobres y agua de mar - Aguas depuradas • Usos de las aguas desaladas

—2—

PROCESO DE ÓSMOSIS INVERSA

PROCEDENCIA DE LAS AGUAS SOMETIDAS A DESALACIÓN

—3—

PARÁMETROS FÍSICOS DE LAS AGUAS Olor y sabor  Indicativos de la «calidad estética del agua» Provocan quejas frecuentes de consumidores.

La técnica más corriente para medir el olor es el «Ensayo del Umbral del Olor». Se determina a partir de las veces que ha sido necesario diluir el agua problema con agua destilada sin olor ni sabor para que no sea perceptible el olor. Se realiza con un panel de probadores. Las sustancias que comunican sabores y olores al agua más habituales son: •

El sulfhídrico, que comunica su característico sabor a huevos podridos.

•

Algunos compuestos inorgánicos como Fe+2 y Mn+2), que originan cierto sabor metálico.

•

Compuestos orgánicos, como los olores fenólicos o medicinales, originados por vertidos industriales a los cauces de agua o por fenómenos bioquímicos entre ciertos compuestos procedentes de las algas (como las algas verdesazules, las verdes, las diatomeas y los flagelados) y algunas levaduras y mohos que pueden encontrarse en la propia red de distribución.

Tratamiento de olores y sabores por oxidación, floculación o adsorción.

Color  Indica la presencia de ciertos contaminantes: •

Material vegetal en descomposición tipo ligninas, taninos, ácidos húmicos o fúlvicos, algas etc.

•

Compuestos de hierro o manganeso.

•

Vertidos industriales.

La unidad de color estándar es la de una solución de cloroplatinato de sodio con 1 mg/L de Pt. La escala va de 1 a 500 y se conoce como unidades Pt/Co (a las soluciones se les adiciona una pequeña cantidad de cloruro de cobalto para intensificar el color y brillo) Se mide visualmente (patrones) o con un fotómetro.

—4—

Turbidez  Presencia de partículas coloidales La turbidez mide la dificultad del agua para transmitir luz debido a materiales insolubles en suspensión o coloidales. Se mide en Unidades Nefelométricas de Turbidez, NTU. El instrumento usado es el nefelómetro o turbidímetro, que mide la intensidad de la luz dispersada a 90 grados cuando un rayo de luz pasa a través de una muestra de agua. En el caso de membranas de ósmosis inversa, si el agua de alimento contiene partículas suspendidas y partículas coloidales las membranas las separarían actuando al igual que un filtro. Las partículas se depositarían en la superficie de la membrana colmatándola y dificultando el transporte de agua a través de la misma. Las membranas de ósmosis no están diseñadas para actuar como simples filtros por lo que este tipo de partículas deben ser eliminadas en procesos previos al tratamiento por ósmosis inversa. En electrodiálisis también puede ser importante ya que la materia coloidal, debido a su carga eléctrica positiva o negativa, tiende a depositarse en las membranas, aumentando la resistencia a la transferencia iónica.

Conductividad (salinidad)  Relacionada con sales disueltas STD (mg/L) = CE (S/cm) * 0,64, si STD < 5.000. STD (mg/L) = CE (S/cm) * 0,80, si STD > 5.000. La salinidad determina la presión osmótica (para agua de mar unos 23-26 bares). Л (bares) = k * CE (dS / m), con k función del tipo de sales. (0,36 para NaCl y kCl, 0,28 para MgSO4).

—5—

ÓSMOSIS INVERSA. PRESIÓN OSMÓTICA

PARÁMETROS FÍSICOS DE LAS AGUAS Temperatura  Puede ser muy variada. Depende de la zona en la que se encuentre el agua a tratar y del tipo y procedencia (aguas subterráneas, superficiales, agua de mar o aguas residuales). También influyen las estaciones del año. La temperatura es un dato de gran interés para el diseño de las planta de ósmosis inversa. El paso a través de la membrana tanto de agua como de sales depende de la temperatura del agua de alimento, por lo que se debe tener en cuenta a la hora de realizar el diseño. Aproximadamente se produce un aumento de caudal de producto del 3% por cada aumento de un grado centígrado. Por tanto la presión de trabajo requerida será menor cuanto mayor sea la temperatura, aunque se producirá un mayor paso de sales. —6—

PARÁMETROS QUÍMICOS DE LAS AGUAS pH  Parámetro muy importante en procesos de desalación Es una medida de la concentración de iones de hidrógeno presentes en el agua y se mide como el -log[H+]. Nos indica la naturaleza ácida o alcalina de la solución acuosa. La mayoría de las aguas naturales tienen un pH entre 6 y 8. Se mide con un pHmetro, y se debe referir a la temperatura de medida ya que varía con ella. Desde el punto de vista de la desalación con membranas: • Influye en la solubilidad de las sales y regula por tanto la posibilidad de que precipiten. • Limita el empleo de algunas membranas como las de acetato de celulosa, que a valores inferiores a 5 pueden experimentar hidrólisis. La reglamentación técnico-sanitaria vigente en la actualidad establece que el rango en el que se debe encontrar el agua potable debe ser entre 6,5 y 9,5.

—7—

PRESENCIA DE MATERIA COLOIDAL •

Los coloides son arcillas, sílice, hidruros e hidróxidos metálicos y materia orgánica, en suspensión estable en el agua. En parte son responsables de la turbidez, que se mide en unidades nefelométricas.

•

Causan ensuciamiento en todos los procesos de filtración, que se origina al quedar atrapadas las macromoléculas los poros de las membranas. Un parámetro utilizado para medir su incidencia es el Indice de Ensuciamiento «SDI» (Silt Density Index) que es un ensayo que estima la disminución del flujo a través de una membrana de 0.45 micras de poro como efecto del ensuciamiento de la misma, a una presión constante de 30 psi.

•

La materia coloidal puede tener valores elevados en aguas superficiales continentales, en agua de mar con toma abierta y aguas residuales.

•

El pretratamiento debe alcanzar valores de SDI inferiores a 4 a 15 minutos y turbidez inferior a 1 NTU.

•

Para el pretratamiento se pueden emplear floculantes previos a la filtración, la micro y ultrafiltración y la cloración.

—8—

PRESENCIA DE SÓLIDOS EN SUSPENSIÓN Los sólidos en suspensión de un agua se determinan mediante un sencillo análisis basado en filtración a través de filtro de tamaño de poro estandarizado y posterior secado a 105 ºC. •

En aguas subterráneas salobres o agua de mar captada en pozos costeros su presencia es muy pequeña.

•

En aguas superficiales continentales, agua de mar de captación abierta o agua residual tratada, su presencia puede ser muy importante.

Se pueden eliminar por procedimientos de filtración a través de lecho filtrante o mediante microfiltración a través de membranas. Habitualmente el último proceso del pretratamiento en una planta de ósmosis inversa consiste en uno microfiltración con tamaño de exclusión de 5 μm.

SALES MAYORITARIAS •

Las sales mayoritarias tienen una influencia decisiva en los procesos de ósmosis inversa. Por una parte determinan el tipo de membrana y la presión de operación, que debe ser mayor que la presión osmótica. Por otra parte influyen en la conversión del proceso, que se selecciona, junto con otros parámetros de operación, para evitar precipitaciones. También determinan la salinidad de la salmuera, relacionada con su evacuación.

•

La salinidad del agua de mar en su conjunto oscila sobre los 35 g/kg, con ligeras variaciones de un océano a otro. En algunos mares interiores puede ser mayor (en el mar Rojo unos 40 g/kg) o menor (en el mar Báltico menos de 10 g/kg). En el Mediterráneo es del orden de 36 - 39 g/kg, dependiendo de la situación geográfica y profundidad. El agua de mar contiene muchísimos elementos disueltos, que se encuentran fundamentalmente en forma iónica.

•

Las aguas salobres tienen una composición muy variable. En general se consideran salobres las aguas que por su salinidad no son utilizables para algún o todos los usos. Un agua con 2 g/L de sales ya es salobre respecto a su potabilidad o ciertos usos agrícolas. El tipo de sales está relacionado con la solubilidad de los suelos (aguas subterráneas) y con la contaminación (superficiales y residuales). —9—

EFECTO DE IONES MAYORITARIOS Cationes •

Sodio y potasio. No contribuyen a posibles precipitaciones y deben ser eliminados hasta alcanzar los objetivos de calidad relativos al uso. Para aguas potables el cloruro no debe rebasar los 200 mg/L. Para regadío, según los cultivos, es tóxico a partir de ciertas concentraciones, midiéndose su riesgo potencial mediante el SAR.

•

Calcio y magnesio. Contribuyen a la dureza del agua y forman sales muy poco solubles, fundamentalmente sulfatos y carbonatos. La potencial formación de precipitados condiciona el pH, el uso de antiincrustantes en el pretratamiento y el factor de conversión del proceso. La incidencia se evalúa a partir del Índice de Saturación de Langelier, LSI, (para aguas salobres) o el Índice de Saturación de Sitff- Davis (agua de mar), que relacionan el pH del agua y el pH de saturación en función de la concentración de calcio y bicarbonatos. El agua potable debe tener un LSI de +/- 0,5.

Aniones •

Cloruros. Suelen ser los aniones más abundantes y no contribuyen a posibles precipitaciones. Deben ser eliminados hasta alcanzar los objetivos de calidad relativos al uso. Para aguas potables los cloruros no deben rebasar los 250 mg/L. Para regadío, según los cultivos, es tóxico a partir de ciertas concentraciones.

•

Sulfatos. Su presencia puede ser muy abundante. Forman sales de baja o media solubilidad con calcio, magnesio o bario. Pueden ser factores limitantes de la conversión. Para aguas potables los sulfatos no deben rebasar los 250 mg/L.

•

Carbonatos y bicarbonatos. Su presencia es variable según las aguas. La relación entre ellos depende del pH. Las sales bicarbonatadas son más solubles. Pueden condicionar el pH del agua, los antiincrustantes y la conversión.

— 10 —

EFECTO DE ELEMENTOS MINORITARIOS •

Hierro. Puede causar problemas de precipitación a partir de 0,5 ppm. En forma ferrosa es bastante soluble pero no así en forma férrica. También favorece la formación de cierto tipo de bacterias. En consecuencia, según el caso, se debe: reducir su concentración mediante precipitación en pretratamiento o evitar su oxidación en la etapa de ósmosis. Para aguas potables el hierro no debe rebasar los 200 μg/L

•

Manganeso. Comportamiento similar al hierro. Para aguas potables el manganeso no debe rebasar los 50 μg/L.

•

Sílice. La sílice (SiO2) se encuentra en el agua disuelta como ácido silícico (H4SiO4) y como materia coloidal. Son habituales concentraciones en agua naturales de 20 mg/L. El problema que presenta es que es fuertemente rechazada por las membranas (99%) y alcanza fácilmente concentraciones insolubles (110-130 mg/L en función temperatura y pH). Puede ser un limitante de la conversión.

•

Metales tóxicos. El arsénico, cadmio, plomo, cromo, bario y selenio suelen tener origen en la contaminación, aunque algunos pueden estar en agua subterráneas naturales. Los problemas vienen asociado a la muy baja solubilidad de algunas sales, fundamentalmente sulfatos, contribuyendo a posibles precipitaciones. Para aguas potables las concentraciones toleradas son muy bajas.

•

Nitratos. Su presencia elevada suele derivarse de contaminación. Forman sales solubles y no causan problemas en el funcionamiento de la ósmosis inversa. Muchas membranas tienen poco rechazo hacia para estas sales. Esto debe ser tenido en cuenta ya que para aguas potables la concentración tolerada es 50 mg/L.

•

Boro. Es un elemento que ha ganado recientemente mucho protagonismo. Para aguas potables su concentración se limita a 1 mg/L (con posibilidades de que se reduzca hasta 0,5 mg/L), y para regadío hay cultivos muy sensibles. El agua de mar contiene unos 3 mg/L y hay aguas salobres con concentraciones superiores. El problema surge de que las membranas rechazan habitualmente un 60 a 70% del boro a los pH de trabajo habituales (en que se encuentra en forma de ácido bórico), por lo que puede ser necesario una segunda etapa de ósmosis a pH básico o su eliminación mediante resinas selectivas.

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EFECTO DE LOS GASES DISUELTOS Los que pueden influir en el proceso son el oxígeno, el sulfhídrico y el dióxido de carbono. •

El oxígeno disuelto acelera el ataque corrosivo sobre el hierro, acero y otros metales estructurales. Además su presencia favorece el crecimiento de las bacterias aerobias y puede atacar a la estructura química de la membrana.

•

El sulfhídrico en pequeñas cantidades (0,5 ppm) forma un ácido débil y el agua es corrosiva. Se puede encontrar en algunas aguas subterráneas y residuales y su exposición al aire produce precipitados de azufre que pueden ensuciar la membrana. Por tanto se debe evitar el contacto con el aire. También puede aparecer como resultado de la acción de bacterias sulfatoreductoras que ven favorecido su crecimiento en ausencia de oxígeno y cuando existe una elevada concentración de sulfatos.

El dióxido de carbono se libera en las aguas carbonatadas como consecuencia de la regulación del pH que se realiza en el pretratamiento. Al liberarse el CO2 se produce un descenso del pH del agua y la hace más corrosiva. Este gas atraviesa la membrana de OI por lo que aparece en el agua producto confiriéndole agresividad y ocasionando la necesidad de un postratamiento específico.

RESUMEN INCIDENCIA COMPOSICIÓN

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PARÁMETROS INDICADORES DE CONTAMINACIÓN ORGÁNICA Tanto la actividad natural como la humana contribuyen a la contaminación orgánica de las aguas: •

La descomposición natural de la materia animal y vegetal da lugar a múltiples sustancias como las que determinan color y sabor.

•

Los residuos domésticos que llegan a las aguas contienen materia orgánica en descomposición, detergentes y microorganismos.

•

Los vertidos industriales contienen múltiples compuestos orgánicos como aceites y disolventes.

•

De la actividad agrícola se producen residuos de herbicidas y pesticidas.

Los parámetros de medida de la contaminación orgánica son: Demanda bioquímica de oxígeno, Demanda química de oxígeno y Carbono orgánico total.

Demanda bioquímica de oxígeno (DBO5) Mide la cantidad de oxígeno consumido en la eliminación de la materia orgánica del agua mediante procesos biológicos aerobios. En general se refiere al oxígeno consumido en 5 días y se mide en mg/L de O2. Las aguas subterráneas suelen contener menos de 1 ppm, en las aguas superficiales su contenido es muy variable, y en las aguas residuales domésticas se sitúa entre 100 y 350 mg/L. Las aguas residuales tratadas con tratamiento secundario contienen menos de 30 mg/L de DBO5, que con el tratamiento terciario se debe reducir a 1 - 5 mg/L de DBO5.

— 13 —

Demanda química de oxígeno (DQO) Mide la capacidad de consumo de un oxidante químico, dicromato potásico o permanganato potásico, por las materias oxidables contenidas en el agua, y también se expresan en ppm de O2. Indican el contenido en materias orgánicas oxidables y otras sustancias reductoras, tales como Fe, NH4, etc. Las aguas no contaminadas tienen valores de DQO 1 a 5 ppm o algo superiores y las residuales domésticas de 250 a 600 ppm. La relación entre la DBO y la DQO es un indicativo de la biodegradabilidad de la materia contaminante. En aguas residuales un valor de la relación DBO/DQO menor que 0,2 se interpreta como un vertido de tipo inorgánico o no biodegradable y si es de 0,6 es orgánico biodegradable.

Carbono orgánico total (COT) El COT es una medida del contenido en materia orgánica del agua, especialmente aplicable a pequeñas concentraciones. El carbono orgánico se oxida a CO2 en presencia de un catalizador y se mide en un analizador infrarrojo. Algunos compuestos orgánicos pueden resistir a la oxidación y dar valores ligeramente inferiores a los reales. El creciente uso de este parámetro se debe la rapidez de realización de los análisis.

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PRESENCIA DE MICROORGANISMOS •

La presencia de microorganismos en el agua puede causar crecimiento bacteriano en la superficie de las membranas, provocando una progresiva pérdida de rendimiento. Cuando las bacterias colonizan las membranas y se multiplican producen una mucosidad que supone un importante factor ensuciante. Las bacterias pueden llegar a colonizar la parte del permeado de la membranas en cuyo caso pueden aparecer contaminaciones de mucosa y bacterias en el permeado.

•

La determinación analítica se realiza mediante ensayos microbiológicos que permiten cuantificar bacterias totales o grupos de organismos específicos.

•

Su presencia puede ser significativa en aguas superficiales continentales, en agua de mar con toma abierta y sobre todo en aguas residuales.

•

Para eliminar el riesgo asociado a los microorganismos se incluye la desinfección del agua a desalinizar, normalmente mediante cloración, o la ultrafiltración en el pretratamiento.

CARACTERÍSTICAS GENERALES DE LAS AGUAS SALOBRES Aguas superficiales de río La calidad de las aguas que circulan por los ríos es muy variable aunque normalmente su concentración de sales es baja. No solo se observan diferencias entre distintos ríos sino que dentro de un mismo río se van produciendo modificaciones (va aumentando la concentración) a lo largo del trayecto debido a varias causas: •

Debido al tipo de terreno que atraviesa. Se modifican los porcentajes de presencia de los diversos iones. No son raros los casos en que en los cursos altos y medio de un río predominan los carbonatos y posteriormente aumentan los sulfatos y cloruros.

•

La estacionalidad, las sales procedentes de una zona determinada quedan diluidas por arrastre de las agua de lluvia que se produce en determinados meses.

•

Vertidos industriales, que en algunos tramos puntuales puede dar una elevación de la carga orgánica y de la salinidad.

— 15 —

Aguas superficiales de lagos, presas o depósitos Las aguas superficiales de lagos y embalses no suelen presentar salinidades elevadas salvo en casos muy puntuales. En estos casos lo más significativo suele ser la eutrofización, incrementándose los contenidos en nitratos y fósforo. El aumento de la salinidad en estos casos puede ser debida a: •

Fuertes evaporaciones.

•

Filtraciones desde algunas zonas o riachuelos de elevada salinidad.

Aguas subterráneas La calidad de las aguas subterráneas es muy variada pudiéndose encontrar más concentración de las sales frecuentes en las aguas superficiales. La presencia de sales es estas aguas es debida a procesos físico-químicos y biológicos de alteración o simple dilución de los materiales que forman el terreno. Además es posible una modificación de la calidad del agua a lo largo del tiempo por agentes externos: •

Debido al bombeo excesivo en los casos en los que el pozo se encuentra cerca de la costa puede provocar intrusión marina. En estos casos se suele producir un aumento de sodio y cloruros fundamentalmente.

•

Cuando por sobreexplotación aumenta el nivel freático se produce un aumento de la salinidad en general, incrementándose los sulfatos, carbonatos, calcio y magnesio.

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ESQUEMA GENERAL PRETRATAMIENTO El pretratamiento está directamente relacionado con la calidad del agua a desalinizar. Hay que procurar que a la etapa de ósmosis inversa llegue únicamente el agua con las sales disueltas. Se debe eliminar todo los otros componentes del agua. Las aguas subterráneas terrestres o las del mar captadas a través de pozos o drenes precisan mucho menos pretratamiento que las aguas superficiales, residuales, o las del mar captadas en toma directa.

— 17 —

USOS DE LAS AGUAS DESALADAS Las aguas desaladas se pueden emplear prácticamente para cualquier uso, tanto urbano como agrícola o industrial. En la figura se muestra la distribución de usos a escala mundial que había a finales de 2006.

CAPACIDAD INSTALADA EN ESPAÑA

En España el porcentaje de aguas desaladas para regadío es importante (aproximadamente un 15% en 2005), superando al uso industrial. — 18 —

USOS DE LAS AGUAS DESALADAS Abastecimiento En el Real Decreto 140/2003 (B.O.E. 45/2003, de 21 de febrero) se establecen los criterios sanitarios de la calidad del agua de consumo humano que se han de cumplir en el punto donde se pone a disposición del consumidor. Se puede afirmar que las aguas desaladas por ósmosis inversa, debido al efecto barrera de las membranas, cumplen con los criterios relativos a los contaminantes y microcontaminantes químicos y biológicos. Cabe considerar dos aspectos que deben tenerse en cuenta en el postratamiento. • pH y agresividad. • Concentración de boro.

Abastecimiento. pH y agresividad El agua desalada a la salida de membranas presenta un pH ligeramente ácido y una agresividad elevada. El RD 140/2003 establece que el pH del agua debe estar comprendido entre 6,5 y 9,5 y que el agua en ningún momento podrá ser ni agresiva ni incrustante. Para ello el índice de Langelier (LSI) debe estar comprendido entre ± 0,5. El LSI se calcula como la diferencia entre el pH del agua y el pH de saturación del carbonato, o sea LSI = pH - pHS. Si el pH < pHS el agua es corrosiva, si pH = pHs se obtiene el equilibrio y si pH > pHS el agua es incrustante. El pH y LSI se ajustan en el postratamiento mediante remineralización con hidróxido cálcico y dióxido de carbono, o directamente a llevando el permeado a través de lecho o suspensión de carbonato cálcico (calcita) completando con inyección de CO2.

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Abastecimiento. Concentración de boro La normativa establece un límite de 1 mg/L para aguas de abastecimiento. El boro se encuentra en el agua del mar en concentraciones medias estimadas en 4,6 mg/L. En las desaladoras de un paso mediante ósmosis inversa, una vez llevada a cabo la desalación estos valores se reducen en torno a 0,8 -1,5 ppm dependiendo de las condiciones de trabajo y de las membranas empleadas en la desalación. En el caso de aguas salobres también se pueden producir situaciones similares. En las aguas naturales el boro se encuentra básicamente en forma de dos especies mayoritarias: ácido bórico, B(OH)3, y ión borato en su forma tetraédrica, B(OH)-4, favoreciéndose la presencia de ión borato a valores de pH elevados, que es rechazado casi totalmente por las membranas. En la práctica la reducción de boro se realiza con un segundo paso de OI para el agua ya desalada, para evitar precipitaciones si se opera a pH elevado con el agua de mar o salobre. También es posible la reducción de boro mediante resinas específicas de intercambio iónico.

USOS PARA REGADÍO. CRITERIOS DE CALIDAD AGRONÓMICA Salinidad o contenido total de sales La salinidad del agua se suele valorar a partir de la medida de la conductividad eléctrica (CE), que está directamente relacionada con la concentración de las sales disueltas. Para valorar la conductividad del agua de riego se debe tener en cuenta el tipo de suelos, aunque en general se podrá indicar que si la C.E. a 25 ºC es de 0 - 1000 μS/cm el agua es excelente, de 1000 - 3000 μS/cm será buena a marginal y > 3000 μS/cm inaceptable.

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Coeficiente alcalimétrico. Índice de Scott (K) Este índice equivaldría a la altura de agua, expresada en pulgadas, que al evaporarse dejaría en un terreno vegetal de cuatro pies de espesor, álcali suficiente para imposibilitar el desarrollo normal de las especies vegetales más sensibles. Para el cálculo: •

Si (Na+ - 0,65 Cl-) ≤ 0 entonces K = 2049/Cl-

•

Si 0 < (Na+ - 0,65 Cl-) < (0,48 SO42-) entonces K = 6620/(Na+ + 2,6Cl-)

•

Si (Na+ - 0,65 Cl-) > (0,48 SO42-) entonces K = 662/(Na+ - 0,32Cl- - 0,48 SO42-) expresando los distintos iones en mg/L.

Si K > 18 se considera el agua buena, de 6 a 18 tolerable, de 1,2 a 6 mediocre (sólo para suelos con muy buen drenaje) y < 1,2 mala (no utilizable).

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Relación de Adsorción de Sodio (SAR) Nos da idea del riesgo de sodificación del complejo de cambio del suelo agrícola, o sea del riesgo de degradación de la estructura del suelo. Este índice valora la proporción relativa en que se encuentran el ion sodio y los iones calcio y magnesio. Se calcula mediante la expresión: donde las concentraciones se expresan en meq/L. Según este parámetro se considera SAR < 10 bajo riesgo para la degradación del suelo y a partir de 10 riesgo creciente, siendo alto a partir de 18.

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Normas Riverside Son muy utilizadas y establecen una relación entre la conductividad eléctrica y el índice SAR. Según estos dos índices, se establecen categorías o clases de aguas que se designan con las letras C y S vienen afectadas de un subíndice numérico tanto mayor cuanto mayor es el riesgo. Para determinar esta calificación se hace uso del diagrama Riverside:

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Criterios de fitoxicidad en cuanto a sodio, cloruros y boro Para evaluar el riesgo de inducir toxicidad de un agua de riego, puede valer de guía la clasificación de la F.A.O. en cuanto a sodio, cloruros y boro, que se resume en la tabla.

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RESUMEN DE CRITERIOS AGRONÓMICOS PARA LAS AGUAS DESALADAS

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SITUACIÓN ACTUAL DE LA DEPURACIÓN Y REUTILIZACIÓN EN ESPAÑA Caudales concesionados Actualmente en España se depuran aproximadamente 3.400 hm3/año de aguas residuales urbanas en 2.514 estaciones depuradoras que tratan caudales correspondientes a cargas mayores de 2.000 habitantes equivalentes. De todas estas depuradoras, 488 tratan caudales mayores de 1 hm3/año, alcanzando un caudal anual depurado de 2.819 hm3/año. De los caudales tratados de estas depuradoras 357 hm3/ año están concesionados o en trámites de concesión para su reutilización directa en diferentes usos. La distribución por cuenca hidrográficas es la siguiente: La distribución geográfica de los caudales concesionados responde al nivel de déficit hídrico en el que se encuentra cada zona de la geografía española. Las C.H. Júcar y Segura en primer lugar, mientras que las demarcaciones que se encuentran en el norte de España no tienen registradas concesiones administrativas para la reutilización de agua. Si se tienen en cuenta la totalidad de las depuradoras que tratan cargas correspondientes a más de 2.000 habitantes la reutilización alcanza los 440 hm3/año. Fuente: Dirección General del Agua. Ministerio de Medio Ambiente, Medio Rural y Marino.

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Usos

De los distintos usos contemplados en las concesiones para la reutilización directa de aguas residuales depuradas el regadío es el uso con mayor peso con respecto a los demás, seguido muy de lejos por el riego de los campos de golf, los usos urbanos, ambientales e industriales. Fuente: Dirección General del Agua. Ministerio de Medio Ambiente, Medio Rural y Marino.

APLICACIÓN DE LA DESALACIÓN A LAS AGUAS RESIDUALES Si la tecnología a aplicar es la ósmosis inversa se requiere un pretratamiento que elimine la materia orgánica refractaria, y otras sustancias perjudiciales para el proceso, que contienen las aguas residuales tratadas. En los casos en los que actualmente se lleva a cabo tratamiento terciario que incluye ósmosis inversa (depuradoras de Rincón de León en Alicante y Benidorm), el pretratamiento incluye una etapa de ultrafiltración. Muchas de las aguas residuales tratadas en zonas con déficit hídrico y por tanto potencialmente reutilizables, presentan un exceso de salinidad que limita su aplicación a múltiples usos. Esta circunstancia se produce sobre todo en zonas costeras, donde hay fuertes evaporaciones y, en muchos casos, intrusiones de aguas salobres a la red de saneamiento, que salinizan las aguas residuales. Para estos casos hay que aplicar tecnologías de desalación. Si la tecnología que se aplica es la electrodiálisis, los requerimientos del pretratamiento para las aguas residuales son mucho menores, teniendo en cuenta que la electrodiálisis únicamente eliminará sales disueltas, permaneciendo en el agua otros posibles contaminantes. — 27 —

TERCIARIO DE BENIDORM El proceso seleccionado para el tratamiento Terciario de la EDAR Benidorm consiste en: MF/UF + O.I. PRETRATAMIENTO: •

Obra llegada: Medida y regulación de caudal.

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Depósito de regulación V = 1.113 m3.

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Bombeo de agua a tratamiento.

•

Tamizado de agua bruta: 3 Tamices rotativos de 0,5 mm de paso.

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ULTRAFILTRACIÓN •

Seis (6) líneas Ultrafiltración ZENON de 5.000 m3/día de producción.

•

Cuatro (4) cassetes/línea, 48 Elementos/cassete At = 53.510 m2.

•

Conversión del 90% y Flujo neto filtración: 23,36 Lmh.

• Seis (6) bombas de permeado. • Sistema de aireación con soplantes. • Sistema de limpieza de membranas. • Sistema de almacenamiento y dosificación de reactivos. Depósito de agua ultrafiltrada V = 870 m3.

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ÓSMOSIS INVERSA • Tres (3) líneas de 6.500 m3/día de producción. •

Bombeo de alimentación.

•

Filtros de cartucho.

•

Bombeo de alta presión.

•

Bastidor de ÓSMOSIS INVERSA.

•

Configuración doble etapa 2:1 con bomba booster.

•

Conversión 78%.

•

Membrana ósmosis TRISEP 8040-X20I-TSA.

•

Configuración arrollamiento en espiral.

•

Poliamida.

•

Superficie 365 feet2.

Instalación de limpieza de membranas y desplazamiento.

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TERCIARIO DE BENIDORM

BOMBAS DE ALTA PRESIÓN.

BASTIDORES DE ÓSMOSIS INVERSA.

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TERCIARIO DE BENIDORM •

Puesta en marcha en mayo de 2006.

•

Funcionamiento continuado desde junio de 2006.

•

Parámetros de calidad de agua:

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Martes 2 de junio de 2009

Desalación por evaporación SÁNCHEZ SÁNCHEZ, JUAN MARÍA

Desalación por evaporación  SÁNCHEZ SÁNCHEZ, JUAN MARÍA; [Consejero-Asesor, ECOAGUA]

ÍNDICE 1. Descripción de los principales procesos de desalación por evaporación. 1.1. Evaporación instantánea multietapa (m.S.F.). 1.2. Evaporación multiefecto en tubos horizontales (h.T.M.E.). 1.3. Compresión de vapor. 1.4. Destilación solar. 2. Pretratamientos en los procesos de evaporación. 2.1. Pretratamientos habituales. 2.2. Prevención de las incrustaciones. 2.3. Desgasificación y eliminación de CO2. 2.4. Eliminación de espumas: antiespumantes. 3. Cálculos simplificados de los procesos de evaporación. 3.1. Proceso de evaporación instantanea multietapa. 3.2. Proceso de evaporación multiefecto en tubos horizontales. 3.3. Proceso de compresión mecánica de vapor. 3.4. Proceso de evaporación solar directa. 3.5. Consumo de energía por procesos. 4. Plantas duales. Cogeneración. 5. Bibliografía.

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1. DESCRIPCIÓN DE LOS PRINCIPALES PROCESOS DE DESALACIÓN POR EVAPORACIÓN En la actualidad existen diversos procesos de desalación de las aguas, todos ellos basados en la observación de fenómenos naturales de separación del agua y las sales. Así, tenemos que los procesos basados en la evaporación son el intento de imitar a la naturaleza cuando ésta, por medio del sol, evapora el agua del mar, se forman las nubes y finalmente se deshacen en forma de lluvia o nieve, permitiendo que tengamos agua dulce en ríos, lagos, pozos, etc. También, por la observación de la naturaleza, hizo su aparición el proceso basado en la congelación del agua de mar. En los polos, al congelarse el agua, el hielo no contiene sales quedando las mismas en el agua de mar circundante. Otro proceso apareció observando cómo las plantas absorben el agua de la tierra, o como las células de nuestro organismo absorben agua y eliminan toxinas. Esto dio como resultado la aparición de los procesos de desalación del agua mediante membranas semipermeables. Así pues, todos los procesos de desalación de las aguas están basados en alguno de estos principios elementales sacados de la naturaleza. Las diferencias entre los procesos comerciales provienen del intento de ser lo más eficaces y económicos posibles para llevar a cabo la separación del agua y las sales en las instalaciones. Sin tratar de ser exhaustivos, los procesos de evaporación, objeto de esta sesión, más importantes que han existido y existen en la actualidad son los siguientes: 1.1. Evaporación Instantánea Multietapa (M.S.F.) Este proceso es conocido también por sus siglas en inglés M.S.F. que corresponden al nombre de Multistage Flash Evaporation. La idea de este proceso es destilar agua de mar y condensar el vapor obtenido, recuperando el calor latente para calentar más agua de mar que, posteriormente, se evaporará. Si la transmisión de calor fuese con área infinita e infinito número de etapas y no hubiese pérdidas, una vez comenzado el proceso, no habría que aportar más calor y el proceso se auto-mantendría, pero como esto es termodinámicamente imposible, hay que disponer de una fuente externa de energía, que suministre el incremento de temperatura que falta para iniciar el ciclo. Fijándonos en el diagrama de flujo de la Figura 1, vamos a describir cómo ocurre el proceso. Se distinguen tres secciones, una es la sección de rechazo de calor, otra es la sección de recuperación de calor y finalmente está el recalentador.

Figura 1. Diagrama del proceso de evaporación instantánea multicapa.

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Para explicar este proceso vamos a partir del punto situado en el Reciclado a la salida del recalentador. En este punto, el Reciclado está a la temperatura máxima admisible del ciclo y se introduce en la primera etapa del evaporador por la parte inferior. Al entrar en dicha etapa, el Reciclado se encuentra con una presión inferior a la correspondiente a la de saturación a su temperatura, con lo cual, una parte se evapora de forma «instantánea», para tratar de equilibrarse y ajustar su temperatura a la presión reinante en la etapa. El vapor desprendido pasa a través de unas mallas separadoras de gotas (demisters), cuyo fin es eliminar las gotas de salmuera que hayan podido ser arrastradas por el vapor, en el proceso de evaporarse bruscamente. Posteriormente, el vapor se condensa en la superficie exterior de los tubos del condensador de la etapa, goteando a la bandeja que hay debajo del haz de tubos, donde se recoge. El Reciclado que queda en la parte inferior de la etapa sin evaporarse, pasa a la siguiente etapa, encontrándose de nuevo con una presión inferior a la de saturación con la temperatura que lleva, repitiéndose el ciclo ya explicado de evaporación y condensación, en ésta, y en el resto de las etapas siguientes hasta llegar a la última. Por el interior de los tubos de la sección de rechazo de calor, circula agua de mar procedente de la captación de agua de mar. A la salida de las etapas de rechazo de calor, el agua de mar ha aumentado su temperatura y una parte de la misma se devuelve al mar como agua de mar de rechazo y otra parte se aporta al ciclo después de haber sido desgasificada y tratada químicamente para evitar las corrosiones y las incrustaciones, es lo que se llama la aportación. El caudal de aportación, más una parte de la salmuera que queda en la última etapa se mezclan formando el reciclado, el cual es introducido, mediante la bomba de reciclado, por el interior de los tubos de las etapas de la sección de recuperación de calor, haciendo de fluido frío para condensar el vapor que se forma en cada etapa. Este reciclado irá calentándose conforme avanza hacia la primera etapa. A la salida de los tubos de esta primera etapa, ha alcanzado la mayor parte de la temperatura necesaria para iniciar el ciclo, gracias al calor recuperado, no obstante aún le falta un diferencial de temperatura que adquiere, hasta llegar a la temperatura máxima del ciclo, en el recalentador, siendo la condensación de un vapor externo la fuente calorífica para calentar el reciclado hasta dicha temperatura máxima. El condensado del recalentador es devuelto al ciclo térmico de donde procede el vapor. El agua de producto obtenido en cada etapa se pasa a la siguiente mediante un sistema de cierres hidráulicos. Este agua también debe ir equilibrándose con la presión reinante en cada etapa, evaporándose parcialmente y volviéndose a condensar en la superficie de los tubos de la etapa. Al llegar a la última etapa del evaporador el producto alcanza la temperatura mínima y ha cedido todo su calor sensible. De la bandeja de producto de esta última etapa se saca mediante una bomba de producto y se envía al tanque de almacenamiento. Para mantener el equilibrio salino del evaporador, ya que se está introduciendo continuamente una cantidad de agua con sales en el mismo a través de la Aportación de agua de mar, es necesario extraer la misma cantidad de sales para evitar su acumulación en el interior y que las corrientes se vayan concentrando. Para ello, hacemos una purga de salmuera en el punto de máxima concentración de sales, que es en la salmuera de la última etapa. Debido al contenido en aire y gases del agua de mar y a que éstos no son eliminados completamente en el pretratamiento a que se somete y, por otra parte, a que gran número de etapas trabajan en condiciones de vacío, por lo que normalmente hay entrada de aire desde el exterior por los poros, bridas, equipos, etc. Es necesario extraer dichos gases incondensables para evitar que se acumulen en el interior del evaporador haciéndole perder rendimiento. Para ello, se instala un equipo de vacío y una red de venteos de las etapas. Este equipo está formado normalmente por eyectores con condensadores del tipo barométricos o de superficie. —4—

1.1.1. Terminología del Proceso M.S.F. Vamos a dar la definición de alguno de los términos más importantes referentes a este proceso. Relación de Economía ó Economía ó Rendimiento ó Economy Ratio ó ER Se define por tal, a la relación entre la cantidad de producto obtenida por cada unidad de calor introducida en el evaporador. Dado que esta definición procede del mundo anglosajón y no es una unidad adimensional, sus unidades son lb-producto/1000 BTU. Estas unidades son difíciles de manejar, pero aproximadamente coinciden con kgproducto/kg-vapor, cuando este vapor está en condiciones de saturación y entre 95 y 120ºC, que suele ser habitual. Factor de concentración Se define así al cociente de dividir la concentración del Reciclado, entre la concentración del agua de mar, ambas expresadas en mg/L ó p.p.m. Evaporador Es el conjunto de cámaras o etapas donde tiene lugar las trasferencias de calor y el proceso de evaporación y condensación del vapor. Este a su vez se divide en dos secciones, la sección de rechazo de calor y la sección de recuperación de calor. La primera está formada por las últimas cámaras ó etapas del evaporador y es donde está el foco frío del ciclo térmico, es por donde se saca el calor introducido en el foco caliente. La sección de recuperación incluye varias cámaras o etapas, es donde se va evaporando el reciclado y recuperando el calor latente de condensación de dicho vapor, para calentar el reciclado que circula por el interior de los tubos y continuar el proceso. Recalentador de salmuera Es en realidad un Condensador, es el foco caliente del ciclo térmico y es donde se aporta la energía necesaria para mantenerlo. Agua de mar Es la corriente de agua procedente del mar que es introducida en la sección de rechazo de calor ó últimas etapas. Esta corriente una vez caliente y a la salida de la sección de rechazo de calor, se divide a su vez en dos corrientes que son el Rechazo y la Aportación. La primera es la de mayor caudal y es la parte de dicha corriente que es devuelta al mar. La segunda es la parte del agua de mar que es incorporada al ciclo, después del tratamiento químico adecuado. Reciclado Es la mezcla de la Aportación con parte de la salmuera procedente de la última etapa y que es introducido en el interior de los tubos de la Sección de Recuperación de calor, por el Recalentador y, luego, en el interior del evaporador para comenzar su evaporación y la producción de agua. Salmuera ó purga de salmuera Es la corriente extraída del evaporador para mantener el equilibrio salino, ya que estamos introduciendo constantemente un caudal de agua de mar, la Aportación, que aporta sales al —5—

evaporador, si no sacamos igual cantidad de sales que aportamos, las mismas se irían concentrado en el interior provocando su precipitación. Por ello se extrae una cantidad de salmuera del punto del evaporador donde está más concentrada, que es la última etapa en este caso. Producto Es la corriente de agua desalada que sacamos del evaporador, es el objeto de la planta desaladora. Vapor motriz ó vapor de baja ó vapor de calentamiento. Es el vapor procedente de una fuente externa de vapor que se utiliza como alimentación de energía en el foco caliente del ciclo térmico para mantenerlo. Es el trabajo externo que hay que dar al ciclo. Se introduce en el Recalentador de Salmuera. Condensado Es el resultado de condensar en el Recalentador el vapor motriz, ya que el calor que se aprovecha de este, es el calor latente de condensación. Este condensado es devuelto de nuevo al ciclo de vapor del que procede, mediante la Bomba de Condensado. Gases no condensables Mezcla de anhídrido carbónico y aire que se extrae del evaporador para evitar su acumulación en el interior del mismo y, por tanto, la perdida de rendimiento. Equipo de vacío Es el equipo que sirve para extraer los gases no condensables del evaporador. Puede ser mediante eyectores de vapor o mediante bomba de vacío de anillo líquido. Bombas de reciclado Son las bombas que introducen el Reciclado por el interior de los tubos de la Sección de Recuperación de calor y el Recalentador. Bomba de purga de salmuera Es la bomba que saca el caudal de purga de salmuera del evaporador para devolverlo al mar. Bomba de producto Es la Bomba que saca el caudal de agua de producto obtenido en el evaporador para enviarlo al tanque de almacenamiento de la planta. 1.2. Evaporación Multiefecto en Tubos Horizontales (H.T.M.E.) Este proceso es conocido también por sus siglas en inglés H.T.M.E. que corresponden al nombre de Horizontal Tube Multiefect Evaporation.

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Figura 2.- Ciclo del proceso de multiefecto en tubos horizontales.

La idea de este proceso, como todos los de destilación, es evaporar el agua de mar, condensar el vapor obtenido y recuperar el calor latente de condensación del vapor para calentar más agua de mar que volveremos a evaporar. Fijándonos en la Figura 2, vamos a describir cómo ocurre el proceso. El evaporador está dividido en dos secciones: el condensador, que es el punto más frío del evaporador y los efectos, siendo el primer efecto el foco caliente del ciclo térmico. Para explicar este proceso vamos a partir de dicho primer efecto: El vapor que se aporta como fuente energética, normalmente de bajo título, se condensa en el interior de los tubos mientras que, por el exterior, vamos rociando agua de mar que hace de fluido frío, el cual se calienta para alcanzar la temperatura máxima y se evapora en parte. El vapor producido en este primer efecto, pasa a través de unos separadores de gotas (demisters), para quitarle los arrastres de salmuera que pueda llevar y entra en el interior de los tubos del siguiente efecto donde se condensará, evaporando igualmente una parte del agua de mar que está siendo rociada por el exterior de los tubos. Esta agua que se rocía procede del agua de mar no evaporada del primer efecto y se llama alimentación. En el efecto se encuentra con unas condiciones de presión inferiores a las del efecto anterior, por lo que a su vez, sufre un proceso de evaporación instantánea al encontrarse con las condiciones reinantes en el efecto y además por la condensación del vapor en el interior de los tubos, que le cede su calor de condensación, evaporando una misma cantidad de agua. En conclusión, el vapor producido en cada efecto procede de la evaporación por desequilibrio térmico entre efectos y por la condensación de vapor en el interior de los tubos. Este proceso se va repitiendo de efecto en efecto, reduciéndose cada vez más la temperatura a la que tiene lugar y por tanto, disminuyendo así mismo la presión correspondiente en el interior de cada efecto, hasta llegar al último que es el condensador final. En este condensador se condensa el vapor producido en el efecto anterior, pero como la cantidad de agua de mar utilizada para condensarlo es muy grande, no se produce vapor, calentándose solamente el agua de mar; es el foco frío del ciclo térmico. A la salida de este efecto/condensador la corriente de agua de mar caliente se divide en dos, una que es la de rechazo y se devuelve al mar y otra, que es la de aportación y es la que se bombea a los efectos anteriores al condensador en sentido ascendente, desde el penúltimo efecto al primero. Esta agua de aportación se introduce en el interior de unos cambiadores de calor, que hay en cada efecto y que utilizan una parte del vapor producido para calentar este caudal de aportación, hasta llegar al primer efecto donde alcanza la temperatura máxima que le permite continuar el ciclo. Como ya se ha dicho al principio, en este primer efecto se rocía el agua de aportación caliente por el exterior de los —7—

tubos, incrementando su temperatura y evaporándose una parte. El agua de mar que no se ha evaporado y que queda en este efecto es la que se bombea a los efectos siguientes, rociando el exterior de los tubos. En el efecto anterior al condensador es donde el agua de mar está más concentrada, ya que anteriormente se ha ido evaporando parcialmente en las otras cámaras. Es aquí donde efectuaremos la purga de salmuera para mantener el equilibrio salino del evaporador. El vapor condensado en el primer efecto, se devuelve al ciclo externo del que procede, ya que es el condensado del vapor motriz. El condensado del segundo y siguientes es el producto, el cual se va haciendo circular de un efecto a otro poniéndose en contacto, cada vez, con una presión más baja, con lo que una parte de esta agua producto se evaporará para equilibrar las presiones y las temperaturas, este vapor se incorpora con el resto de los vapores producidos en el efecto y se condensan en el siguiente. De esta forma cuando la corriente de producto llega al condensador final, está a la temperatura más baja que es posible. De aquí se extrae mediante una bomba de producto enviándolo al tanque de almacenamiento de la planta. Como el agua de mar en el proceso de evaporación va desprendiendo los gases que pueden haberle quedado, y como el evaporador trabaja a vacío, siempre hay fugas y entradas de aire por poros, equipos e instrumentos, este aire se acumularía en el interior, dificultando la transferencia de calor y haciéndole perder rendimiento. Por ello, hay un sistema de venteos en cada efecto, siendo extraídos los incondensables por un equipo de vacío. El agua de Aportación, antes de introducirla en el evaporador, será tratada químicamente para evitar las incrustaciones. El tratamiento habitual es una desgasificación y la adición de un inhibidor de incrustaciones. 1.2.1. Terminología Del Proceso (H.T.M.E.) Vamos a dar la definición de alguno de los términos más importantes referentes a este proceso. Relación de Economía ó Economía ó Rendimiento ó Economy Ratio ó ER Se define por tal, a la relación entre la cantidad de producto obtenido por cada unidad de calor introducido en el evaporador. Dado que esta definición procede del mundo anglosajón y no es una unidad adimensional, sus unidades son lb-producto/1000 BTU. Estas unidades son difíciles de manejar, pero aproximadamente coinciden con kgproducto/kg-vapor, cuando este vapor está en condiciones de saturación y entre 80 y 120ºC, que suele ser habitual. Factor de concentración Se define como el cociente de dividir la concentración de la purga de salmuera entre la concentración del agua de mar. Ambas expresadas en mg/L ó p.p.m. Evaporador Es el conjunto de cámaras o efectos donde tiene lugar las trasferencias de calor y el proceso de evaporación y condensación del vapor. Este a su vez se divide en dos secciones la sección de rechazo de calor o Condensador y la sección de recuperación de calor. La primera es el último efecto ó cámara del evaporador y es donde está el foco frío del ciclo térmico, es por donde se saca el calor introducido en el foco caliente. La segunda incluye la primera cámara o efecto que es donde está el foco caliente del ciclo térmico y es donde se introduce el vapor motriz y —8—

el resto de cámaras ó efectos que es donde se va evaporando el agua de mar y recuperando el calor latente de condensación de dicho vapor, para calentar más agua de mar y continuar el proceso. Agua de mar Es la corriente de agua procedente del mar, que es introducida en el Condensador o último efecto. Esta corriente una vez condensado el vapor de este último efecto o Condensador, se calienta y es dividida a su vez en dos corrientes que son el Rechazo y la Alimentación. La primera es la de mayor caudal y es la parte de dicha corriente que es devuelta al mar. La segunda es la parte del agua de mar que es incorporada al ciclo, después de un tratamiento químico adecuado. Salmuera ó purga de salmuera Es la corriente extraída del evaporador para mantener el equilibrio salino, ya que estamos introduciendo constantemente un caudal de agua de mar, la Alimentación, que aporta sales al evaporador, si no sacamos igual cantidad de sales que aportamos, las mismas se irían concentrado en el interior provocando su precipitación. Por ello se extrae una cantidad de salmuera del punto del evaporador donde está más concentrada, que es el último efecto antes del condensador. Producto Es la corriente de agua desalada que sacamos del evaporador, es el objeto de la planta desaladora. Vapor motriz ó vapor de baja ó vapor de calentamiento. Es el vapor procedente de una fuente externa de vapor que se utiliza como alimentación de energía en el foco caliente del ciclo térmico para mantenerlo. Es el trabajo externo que hay que dar al ciclo Condensado Es el resultado de condensar en el primer efecto el vapor motriz, ya que el calor que se aprovecha de este, es el calor latente de condensación. Este condensado es devuelto de nuevo al ciclo de vapor del que procede, mediante la Bomba de Condensado. Gases no condensables Mezcla de anhídrido carbónico y aire que se extrae del evaporador para evitar su acumulación en el interior del mismo y, por tanto, la perdida de rendimiento. Equipo de vacío Es el equipo que sirve para extraer los gases no condensables del evaporador. Puede ser mediante eyectores de vapor o mediante bomba de vacío de anillo líquido.

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Bombas de alimentación Son las bombas que rocían el agua de mar sobre la superficie externa de los tubos. Bombeando el agua desde los efectos más calientes a los más fríos. Bomba de rechazo Es la bomba que extrae del Condensador el caudal de agua de mar de rechazo para devolverla al mar. Bomba de purga de salmuera Es la bomba que saca el caudal de purga de salmuera del evaporador para devolverla al mar. Bomba de producto Es la Bomba que saca el caudal de agua de producto obtenido en el evaporador para enviarlo al tanque de almacenamiento de la planta. Bomba de aportación Es la bomba que aporta el agua de mar al ciclo, extrayéndola del condensador y enviándola, a través de los cambiadores de los efectos, al primer efecto para comenzar a evaporarse. 1.3. Compresión de vapor Dentro de esta denominación existen dos tipos diferentes para comprimir el vapor: Uno comprime el vapor mediante la acción de un compresor mecánico accionado por un motor, es el conocido como COMPRESIÓN MECÁNICA DE VAPOR, o por sus siglas en inglés M.V.C. Mechanical Vapour Compression. El otro procedimiento de comprimir el vapor es mediante un ejecto-compresor, movido a su vez por un vapor de media presión, es el procedimiento conocido como EYECTOCOMPRESIÓN DE VAPOR, o por sus siglas en inglés T.V.C. que corresponde a Thermal Vapour Compression. 1.3.1. Compresión mecánica de vapor Vamos a empezar explicando el proceso de Compresión Mecánica de Vapor. Si nos fijamos en el diagrama de la Figura 3, vamos a explicar como es este proceso. En una planta de este tipo hay tres secciones importantes: un compresor movido por un motor; un Evaporador que puede ser de una o varias etapas; y un Intercambiador de calor líquido/líquido. El agua de mar procedente de la toma, se hace pasar por el intercambiador de calor donde se calienta. El agua de mar es aportada al ciclo en su totalidad, para ello se mezcla con una parte de la salmuera y forma la Alimentación, que es bombeada al interior del evaporador, siendo rociada, mediante unas toberas, sobre los tubos del condensador. Esta alimentación se calienta hasta alcanzar la temperatura de saturación correspondiente a la presión reinante en el interior del evaporador y, al seguir absorbiendo calor, una parte se evapora. El vapor formado pasa a través de unas mallas separadoras de gotas (demisters), entra en la aspiración del compresor, el cual lo comprime hasta alcanzar una presión más alta, convirtiéndose en un vapor recalentado. — 10 —

Figura 3. Ciclo del proceso de compresión mecánica de vapor.

Este vapor es introducido en el interior de los tubos del evaporador, donde primero pierde su calor sensible y después se condensa, cediendo el calor a la alimentación que está cayendo por el exterior de los tubos. El producto es extraído mediante una bomba de producto y dado que aún lleva calor sensible es enfriado en el intercambiador de placas, calentando el agua de mar que se incorpora al ciclo. La aportación que no se ha evaporado cae al fondo del evaporador desde donde se extrae mediante una bomba, dividiéndose en dos corrientes; una que es la que se mezcla con el agua de mar de aporte para formar la alimentación y, la otra, que es la Purga de salmuera necesaria para mantener el equilibrio salino. Como la purga aún tiene calor sensible es enfriada en el intercambiador de placas donde cede su calor al agua de mar que entra al evaporador. El agua de mar antes de ser introducida en el ciclo es desgasificada y tratada químicamente para evitar las incrustaciones y corrosiones. También existe un equipo de vacío formado por una bomba de vacío para extraer los inconfensables del interior del evaporador. 1.3.2. Eyecto compresión de vapor Lo descrito hasta ahora es el proceso de compresión mecánica de vapor. Si sustituimos el compresor por un eyector que funcione con vapor motriz externo, tendremos lo que se conoce como eyecto-compresión de vapor. La diferencia más importante es que en el Eyector de vapor se mezclan el vapor motriz externo y el vapor producido en el interior de la cámara, por ello, el agua de producto obtenida debe ser dividida en dos corrientes, una que tiene el mismo caudal en peso que el vapor motriz utilizado y que se devuelve a la caldera productora de vapor motriz, a esta corriente se le llama condensado. Y la otra parte que es el producto neto obtenido propiamente dicho.

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1.3.3. Terminología del proceso de compresión de vapor Vamos a dar la definición de alguno de los términos más importantes referentes a este proceso. Relación de compresión Se define por tal a la relación entre la presión de salida del compresor y la del interior del evaporador ó presión en la aspiración. En este tipo de plantas la relación de compresión suele ser baja de 1,25 a 1,35, aproximadamente. Factor de concentración Se define así al número resultante de dividir la concentración de la purga de salmuera entre la concentración del agua de mar. Ambas expresadas en mg/L ó p.p.m. Evaporador Es el conjunto de cámaras o etapas donde tiene lugar las trasferencias de calor y el proceso de evaporación y condensación del vapor. Agua de mar Es la corriente de agua procedente del mar y que es introducida en el calentador de placas líquido/líquido. El agua de mar es incorporada al ciclo, después de un tratamiento químico adecuado. Alimentación Es la mezcla del agua de mar con una parte de la salmuera procedente del evaporador y que es introducida en el interior del mismo, rociándola por el exterior de los tubos. Salmuera ó purga de salmuera Es la corriente extraída del evaporador para mantener el equilibrio salino, ya que estamos introduciendo constantemente un caudal de agua de mar, que aporta sales al evaporador, si no sacamos igual cantidad de sales que aportamos, las mismas se irían concentrado en el interior provocando su precipitación. Por ello se extrae una cantidad de salmuera del punto del evaporador donde está más concentrada, del fondo de la etapa en este caso. Producto Es la corriente de agua desalada que sacamos del evaporador, es el objeto de la planta desaladora. Gases no condensables Mezcla de anhídrido carbónico y aire que se extrae del evaporador para evitar su acumulación en el interior del mismo y, por tanto, la perdida de rendimiento.

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Equipo de vacío Es el equipo que sirve para extraer los gases no condensables del evaporador. Normalmente se trata de bomba de vacío de anillo líquido. Bombas de Alimentación Son las bombas que introducen la Alimentación en el interior del evaporador, rociándola por el exterior de los tubos. Bomba de purga de salmuera Es la bomba que saca el caudal de purga de salmuera del evaporador para devolverlo al mar. Bomba de producto Es la Bomba que saca el caudal de agua de producto obtenido en el evaporador para enviarlo al tanque de almacenamiento de la planta. 1.4. Destilación solar En la Figura 4 podemos ver un esquema básico de un módulo de destilación solar. Consiste en una «piscina» de poca de poca altura, totalmente cerrada, cuyo techo está formado por placas de cristal transparente; el suelo está formado por dos capas, una es un material aislante de calor y, sobre ella, una superficie negra que absorbe todas las radiaciones que le llegan.

Figura 4.

En este módulo se introduce el agua de mar en cantidad suficiente para que alcance una altura de 5 a 30 cm. La radiación solar atraviesa el cristal, reflejándose una pequeña parte en él, el resto llega hasta el agua de mar en donde se absorbe otra parte, captando el resto la superficie negra, la cual se calienta, calentando a su vez el agua de mar produciéndose vapor. La mezcla de vapor y aire caliente asciende por tener menor densidad y al llegar al cristal que está más frío se condensa, resbalando por el plano inclinado del cristal el agua condensada, — 13 —

recogiéndose en unos colectores situados en los laterales del módulo de donde se extrae. Una vez condensado el vapor en la superficie del cristal y enfriado el aire, éste desciende de nuevo al aumentar su densidad, calentándose en la superficie del agua y saturándose de humedad, volviendo a repetir el ciclo. Periódicamente se hace una purga con el fin de evitar la sedimentación de sal que haría perder rendimiento al sistema. Este proceso tiene gran variabilidad en la producción, dependiendo de la hora del día, de las estaciones y de las condiciones climatológicas, esto impide utilizarlo para solucionar grandes necesidades de agua. No obstante, puede ser adecuado cuando se trate de obtener agua potable en zonas donde no existe ninguna fuente de energía y donde, además, no haya personal adecuado para hacer funcionar una planta más complicada. Existen plantas experimentales de este tipo en la Isla Aldabra en el Océano Indico, en Chile, en la Isla de Patmos (Grecia), en Australia y en Islas del Pacífico.

2. PRETRATAMIENTOS EN LOS PROCESOS DE EVAPORACIÓN El objeto del pretratamiento en las plantas de desalación es adecuar las características físicoquímicas y biológicas del agua bruta captada a las necesidades del proceso de desalación, con el fin de evitar deterioros en los equipos, corrosiones e incrustaciones indeseadas. El pretratamiento es una parte fundamental del proceso de desalación, y su diseño condiciona de una manera muy importante el costo de mantenimiento y de explotación de la planta desaladora. El pretratamiento en una planta desaladora trata de: • Reducir o eliminar la actividad biológica del agua a desalar. En general este aspecto es poco relevante en los procesos de evaporación, salvo el caso de la compresión de vapor, ya que el crecimiento biológico en el interior de los intercambiadores de placas puede reducir la eficiencia del proceso y provocar atascamientos y perdidas de carga excesivas. • Eliminar los sólidos en suspensión. Si el agua bruta contiene muchos sólidos en suspensión estos pueden provocar erosiones en las superficies de intercambio de calor. • Eliminar los gases disueltos o formados • Evitar la precipitación de sales. Una consecuencia de la concentración que alcanzan algunas sales durante el proceso de desalación es la posibilidad de que precipiten si se dan determinadas circunstancias. • Evitar la formación de espumas que impiden la buena transferencia de calor. 2.1. Pretratamientos habituales El pretratamiento depende del tipo de agua y del tipo de proceso de desalación que vayamos a utilizar. una de las características del agua de mar, y de muchas de las aguas salobres, es que contienen sales con tendencia a precipitar tanto por efecto del calor, como de la concentración; ya que al iniciarse el proceso de desalación, la corriente de agua en la que las sales permanecen, se concentra en ellas, pudiendo superar el producto de solubilidad de algunas — 14 —

de las sales con lo cual precipitarían. Otro de los problemas del agua de mar son los gases disueltos, aire principalmente, ya que este tipo de gases se desprenden en los procesos de evaporación y se acumulan sobre las superficies de transferencia de calor, disminuyendo el coeficiente de transferencia y pudiendo llegar incluso a paralizar el proceso, por ello se hace necesario eliminarlos antes de introducir el agua en los evaporadores. Vamos a analizar en detalle cada uno de estos pretratamientos. 2.2. Prevención de las incrustaciones Las sales que pueden precipitar con el aumento de la temperatura son principalmente el sulfato cálcico y el carbonato de calcio. En la Figura 5 se pueden ver las curvas de solubilidad para el sulfato cálcico en agua de mar. La situada más a la izquierda corresponde al sulfato anhidro. Para que se puedan formar este tipo de cristales es preciso mucho tiempo y sin agitación del agua, para que se vayan encontrando los iones y formen la red cristalina. Estas condiciones no se dan en los procesos de desalación, donde las corrientes están continuamente agitadas y los procesos son muy dinámicos, por tanto, este tipo de cristales no llegan a formarse. Sí sucede en cambio con los del sulfato cálcico hemihidratado, cuya formación es prácticamente instantánea cuando se alcanzan las condiciones de concentración y temperatura de la curva. Debido a que los sulfatos son muy difíciles de eliminar por procedimientos químicos, esta curva nos marca los límites prácticos a los que se puede llegar en los procesos de destilación en cuanto a concentración de la corriente más caliente y la temperatura máxima que puede alcanzarse. Así, para un factor de concentración del orden de 2,0; la temperatura máxima teórica es de 126 ºC, pero en la práctica no se debe sobrepasar los 120 ºC, ni una concentración en Sólidos Totales Disueltos de esta corriente, por encima de los 60.000 mg/L.

Solubilidad del sulfato de calcio en agua de mar.

Los bicarbonatos pueden precipitar como carbonato cálcico por dos razones: una por efecto de la temperatura que provoca su descomposición y transformación en carbonatos insolubles, y otra por aumento del pH, ya que a partir de valores superiores a 8,2 se produce transformación a carbonatos insolubles. La precipitación de estas sales se puede evitar mediante la adición controlada de un ácido. Si por motivos económicos como suele ser habitual se utiliza el ácido sulfúrico, debe tenerse en cuenta que se incrementa el contenido de sulfatos del agua

— 15 —

inicial, a la hora de calcular el factor de concentración y la temperatura máxima de trabajo de un proceso de destilación. Ca(CO3H)2 + Calor  Ca(CO3H)2 + H 2 SO4 

Ca CO3 + CO2

Ca SO4 + 2CO2 + 2H 2O

Otra forma de evitar la precipitación de los carbonatos, sulfatos, sílice, sulfato de bario y sulfatos de estroncio, es mediante la adición de un anti-incrustante. Este tipo de sustancias actúa sobre la formación de los cristales, impidiendo la formación de los enlaces iónicos y manteniendo en sobresaturación los iones en el agua. Para calcular los límites de utilización de estos productos hay que consultar con el fabricante, quien nos dirá en cada caso hasta qué concentración y qué temperatura se pueden alcanzar. Hay que tener en cuenta que este tipo de sustancias se descompone con la temperatura, pues se hidrolizan dejando de ser activos, por este motivo, todos estos límites hay que conocerlos. En el mercado están apareciendo constantemente nuevos productos. 2.3. Desgasificación y eliminación de CO2 Como antes se ha comentado, la presencia de gases en el agua puede influir muy negativamente en los procesos de destilación, por ello se hace necesario su eliminación mediante un desgasificador térmico, donde en condiciones de máximo vacío y con un vapor en contracorriente, se produce el desprendimiento de los gases que serán evacuados mediante un sistema de vacío (eyectores o bombas de vacío) a la atmósfera. La eficacia de estos equipos es alta, llegando a extraer hasta el 98% de los gases contenidos en el agua. Si el tratamiento para la eliminación de los bicarbonatos ha sido de adición de ácido, se producirá una gran cantidad de CO2, que permanecerá en el agua de mar. Ocasionalmente, este gas se elimina previamente a la desgasificación para evitar la sobrecarga y el sobredimensionamiento del equipo de vacío, por medio de un desgasificador atmosférico llamado descarbonatador. El rendimiento de este tipo de equipos es alto, llegando a dejar en el agua con menos de 5 mg/L de CO2. 2.4. Eliminación de espumas: antiespumantes Los procesos de evaporación siempre se realizan con una intensa agitación del agua de mar en evaporación para facilitar el desprendimiento del vapor. Por ese motivo en el interior de los equipos se forman gran cantidad de espumas, ocasionando problemas. Un tratamiento habitual para evitar la aparición de las espumas, es la adición de un antiespumante en el agua de aportación. Estos antiespumantes son del mismo tipo de los utilizados en los lavavajillas y lavadoras. La proporción de dosificación suele ser de 1 a 2 mg/L en el agua de aportación, lo que representa entre 0,2 a 0,4 mg/L en el reciclado.

— 16 —

3. CÁLCULOS SIMPLIFICADOS DE LOS PROCESOS DE EVAPORACIÓN 3.1. Proceso de evaporación instantanea multietapa

BALANCES DE MASAS: AM = PR + PU + RZ Llamaremos agua de mar de aportación al ciclo de multietapa a AP, y tendremos: RZ = AM - AP AP = PR + PU BALANCES DE SALES: AM x Cam = RZ x Cam + PR x 0 + PU x Cpu de donde tenemos que: (AM - RZ) x Cam =PU x Cpu;

AP x Cam = PU x Cpu;

AP x Cam = (AP - PR) x Cpu;

AP x (Cpu - Cam) = PR x Cpu;

Si utilizamos el concepto de factor de concentración como la relación entre la concentración del Reciclado partido por la concentración del agua de mar:

y haciendo el balance salino en la mezcla de aportación y salmuera para formar el reciclado, tendremos:

: combinando todas las ecuaciones anteriores llegaremos a:

— 17 —

CÁLCULO DEL CAUDAL DE RECICLADO

R x HL(Tmax) – (R – PR) x HL(Tpu) = PR x HV[(Tmax + Tpu)/2] R x [HL(Tmax) – HL(Tpu)] = PR x HV[(Tmax + Tpu)/2] - PR x HL(Tpu)] R x Ce x (Tmax – Tpu) = PR x HV [(Tmax + Tpu)/2] - PR x HL(Tpu)] + PR x HL[(Tmax + Tpu)/2] PR x HL[(Tmax+Tpu)/2] R x Ce x (Tmax – Tpu) = PR x Hl + PR x Ce x ½ x (Tmax – Tpu)

— 18 —

CÁLCULO DE LA TEMPERATURA DE PURGA Hipótesis: Tpu = Tpr = Trz en cuyo caso: Q = AM x Ce x (Tpu – Tam) y como

; tendremos, según la ecuación del reciclado que:

y sustituyendo queda:

; como ER es un valor dimensional que tiene sentido en unidades Anglosajonas, en este sistema ocurre que: 1.000 ≈ Hl + 0,5 × Ce × (Tmax − Tpu), con lo que llegaríamos finalmente a la siguiente ecuación:

OTRAS ECUACIONES:

donde: Nr = Número de etapas de recuperación Nz = Número de etapas de rechazo Por otra parte tenemos que: Tmax – Tsr = T1 - Ter

y

Q = R x Ce x (Tmax - Tsr) = AM x Ce x (Trz –Tam)

R x Ce x (Tmax –T1) = P1 x Hl y AM x Ce x (Trz – Tam) = P2 x Hl

— 19 —

Despejando y sustituyendo queda: R x Ce x ΔTER x Nr = P1 x Hl AM x Ce x ΔTEZ x Nz = P2 x Hl y además: Q = AM x Ce x ΔTEZ x Nz sumando miembro a miembro las dos primeras igualdades y dividiendo por la terHcera, queda: ; si suponemos que: AM x Ce x ΔTEZ = R x Ce x ΔTER ; quedará:

3.2. Proceso de evaporación multiefecto en tubos horizontales

BALANCES DE MASAS: AM = PR + PU + RZ Llamaremos agua de mar de aportación al ciclo de multiefecto a AP, y tendremos: RZ = AM - AP AP = PR + PU BALANCES DE SALES: AM x Cam = RZ x Cam + PR x 0 + PU x Cpu de donde tenemosque: (AM - RZ) x Cam = PU x Cpu; AP x Cam = (AP - PR) x Cpu;

AP x Cam = PU x Cpu; AP x (Cpu - Cam) = PR x Cpu;

— 20 —

BALANCES DE ENERGÍA

Hipótesis: a) La cantidad de producto obtenido en cada efecto es la misma. b) La caída de temperatura entre efectos es la misma e igual a Δt. c) El vapor producido por la salmuera y el producto debido a la evaporación instantánea al haber caída de temperatura entre efectos, es igual al vapor consumido por la Aportación para calentarse. Q + AM x Ce x Tam = RZ x Ce x Trz + PR x Ce x Tpr + PU x Ce x Tpu Si adoptamos como bueno que:

; siendo: Mv = la cantidad de vapor introducida en el evaporador. La cantidad de calor que es necesario introducir en el primer efecto será igual a:

(1); siendo: Hl = El calor latente de condensación del vapor N = número de efectos, sin contar el Condensador Ce = el calor específico del agua de mar Δt1 = al incremento de temperatura que sufre la aportación en cada etapa = — 21 —

Y la cantidad de vapor necesaria será:

; con lo que

(2) Q = RZ × Ce × Trz + PR × Ce × (Trz + Δt2)+ PU × Ce ×(Trz + Δt2)− AM × Ce × Tam de donde: Q = AM × Ce × (Trz − Tam) + AP × Ce × Δt2, pero si sustituimos Q por el valor de la ecuación (1), queda:

; despejando:

Si la ecuación (2) la multiplicamos por N, queda:

; pero

: con lo que queda:

— 22 —

y despejando la temperatura de rechazo queda:

; y como

; trenderemos que

;

3.3. Proceso de compresión mecánica de vapor BALANCES DE MASAS: AM = PR + PU BALANCES DE SALES: AM x Cam = PU x Cpu; A x Ca = (A – PR) x Cpu; siendo: A = Alimentación Ca = Concentración en la alimentación; Resultando:

La Alimentación vendrá normalmente fijada por otros criterios como es el de disponer de caudal suficiente para asegurar que toda la superficie de los tubos está mojada, así como por criterios de reducción del consumo energético. BALANCES DE ENERGÍA: E + AM x Ce x Tam = PR x Ce x Tpr + PU x Ce x Tpu; siendo: E = La energía mecánica transmitida al vapor por el compresor, si hacemos la hipótesis de Tpr = Tpu, quedará: E = PR x (H2 –H1) = AM x Ce x (Tpu – Tam), donde: H2 = a la entalpía del vapor después de comprimirlo H1 = a la entalpía del vapor antes de la compresión. La ecuación de la compresión de un vapor es:

; donde:

— 23 —

R = Constante de los gases. Ts = Temperatura del vapor en la aspiración. n = Coeficiente politrópico. P1 = Presión del vapor en la aspiración del compresor. P2 = Presión del vapor en la descarga del compresor.

Pero:

, siendo:

ηp = Rendimiento politrópico que vale aprox.: 0,73 y K = Calor especifico a presión constante/Calor espec. a volumen constante = 1,32 para el vapor de agua saturado y T ≈ 70ºC. Introduciendo estos valores en la formula llegamos a la siguiente ecuación:

Si lo representamos para un rango de temperaturas de trabajo entre 60 y 80ºC y relaciones de compresión entre 1,2 y 1,35, tenemos el gráfico siguiente:

Compresión de vapor.

— 24 —

3.4. Proceso de evaporación solar directa Todo el proceso de evaporación solar directa está regido por un balance energético que consiste en ir restando a la energía recibida por radiación del sol, todas las pérdidas que no se utilizan en calentar el agua de mar. En la Figura 6 vemos cómo se verifica el paso de la radiación solar a través de un cristal. Además de las pérdidas indicadas en dicha figura, hay pérdidas por reflexión en la superficie negra (por no ser ideal), radiación térmica del agua y pérdidas de calor a través del suelo. Los materiales a utilizar y la disposición de los mismos han de ser de tal manera que tiendan a minimizar las pérdidas anteriores. El principal problema de este tipo de plantas, es que la radiación solar llega a la superficie de la tierra con poca densidad, es decir, la energía por metro cuadrado es baja y, en consecuencia, este tipo de proceso necesita de mucha superficie para obtener una cantidad significativa de agua.

Figura 6. Mecanismo de la transmisión solar a traves del vidrio.

— 25 —

En la Figura 7, se representa la variación de la intensidad de radiación solar que lega a la superficie, en función de la hora del día.

Figura 7. Radiación solar.

En la Figura 8 se representa la curva de los litros de agua potable obtenidos por metro cuadrado y día, dependiendo de la altura de agua de mar en la piscina y de la hora del día para una radiación solar de 4.090 Kcal/m2/día medida en el suelo. Éste es el valor de la radiación media en Almería. Entrando en el gráfico de la Figura 8, tendríamos 3,72 l/m2 y día para una altura de 15 cm. de agua de mar. Por tanto, para poder obtener 1 m3/día necesitaríamos una superficie de 269 m2.

Figura 8. Producción agua.

— 26 —

3.5. Consumo de energía por procesos Los procesos de destilación por Evaporación Instantánea Multietapa y por Evaporación Multiefecto en Tubos Horizontales, precisan de dos tipos de energía, una calorífica para poder calentar el agua de mar y otra eléctrica para mover los motores de las bombas involucradas en el proceso. El proceso de Compresión mecánica de vapor solo precisa de energía eléctrica para los motores tanto del compresor, como de las bombas. El proceso de Destilación Solar Directa, solo precisa de la energía que incide del sol sobre la superficie donde está instalada la planta, más alguna energía eléctrica para los bombeos de extracción del agua de mar, del agua de producto y de la salmuera. En los procesos de Evaporación Instantánea Multietapa y de Evaporación Multiefecto en Tubos Horizontales la energía calorífica viene determinada por la «Relación de Economía» que hayamos considerado en el diseño de la planta. En la actualidad, por problemas Medioambientales y de costo del agua producida, el consumo de energía tiene que ser el menor posible, por lo que el diseño casi en el 99% de los casos es para Relaciones de Economía ER = 11 lb / KBTU, que son lo más altas posibles con las técnicas actuales. En la Tabla a continuación se dan los consumos específicos de energía para cada proceso en al actualidad. TABLA DE CONSUMOS ENERGÉTICOS

PROCESO Evaporación instantánea multietapa (M.S.F.) Evaporación multiefecto en tubos horizontales (H.T.M.E.) Compresión mecánica de vapor

ER

CALORÍFICA

ELÉCTRICA

Lb/KBTU

Kcal/m3

Kwh/m3

8

69.456

5,3

11

50.513

6,5

8

69.456

1,2

11

50.513

1,8

N.A.

N.A.

8,7

Una primera conclusión que se puede sacar de esta Tabla, es que si hay que construir una planta desaladora por evaporación, lo lógico es hacerla por el proceso de Multiefecto en Tubos Horizontales, ya que consume la misma cantidad de calor que la de Evaporación Instantánea Multietapa, pero en cambio consume menos energía eléctrica para los bombeos. También se puede ver que en el Proceso de Evaporación Instantánea Multietapa solo el consumo eléctrico específico, es mayor que el consumo eléctrico específico de una planta de Osmosis Inversa actual. Todo ello explica porque el proceso de M.S.F. está en retroceso frente a otras alternativas. Solo razones de tipo político explican que aún se estén instalando plantas de M.S.F. en el Mundo.

4. PLANTAS DUALES. COGENERACIÓN Las plantas de desalación por evaporación, siempre utilizan como fuente calorífica, un vapor que ya ha realizado un trabajo, con el fin de abaratar su costo. Normalmente es un vapor de escape de una turbina de contrapresión o procedente de una extracción intermedia en una turbina de condensación. A esta producción conjunta de agua y energía eléctrica se le llama Cogeneración. Los diagramas típicos de una planta de cogeneración son los que se muestran a continuación. — 27 —

Diagrama con extracción intermedia de una turbina de condensación.

Diagrama con vapor procedente de una turbina de contrapresión.

— 28 —

Diagrama simple de producción de energía eléctrica con turbina de vapor.

En un ciclo eléctrico simple, tendremos: E = Q1 x (H1 - H3) xηtxηa En una turbina de extracción intermedia, tendremos: E = [(Q1 + Δq) x H1 - Q2 x H2 - Q3 x H3] x ηt x ηa Pero:

Q3 = Q1 + Δq - Q2; sustituyendo e igualando ambas expresiones, queda:

Q1 x (H1 - H3) = [(Q1 + Δq) x H1 - Q2 x H2 - (Q1 + Δq - Q2) x H3]; Q1 x H1 - Q1 x H3 = Q1 x H1 + Δq x H1 - Q2 x H2 - Q1 x H3 + Δq x H3 - Q2 x H3; simplificando: Q2 x (H2 - H3) = Δq x (H1 - H3); de donde:

En una turbina de contrapresión tendremos: E = (Q1 + Δq) x (H1 - H2) x ηt x ηa Igualando ambas expresiones tendremos: Q1 x (H1 - H3) x ηt x ηa = (Q1 + Δq) x (H1 - H2) x ηt x ηa Q1 x H1 - Q1 x H3 = Q1 x H1 + Δq x H1 - Q1 x H2 - Δq x H2; simplificando: Q1 x (H2 - H3) = Δq x (H1 - H2); de donde:

Esta fórmula explica que para tener una cantidad de vapor Q1 en la panta desaladora solo necesitamos una masa de vapor principal de Δq en la caldera, o lo que es lo mismo hay una reducción de la energía de combustible primario a consumir en la caldera.

— 29 —

Si aplicamos estos conceptos y calculamos que cantidad de combustible primario en Termias/ m3, es necesario consumir para producir un metro cúbico de agua por diferentes procesos, esto nos permite poder comparar procesos de desalación que consumen diferentes tipos de energía, así obtenemos la Tabla siguiente comparativa de procesos, obtenida para máximas Relaciones de Economía:

PROCESO

Evaporación Instantánea Multietapa

Evaporación Multiefecto en T.H. Compresión mecánica de vapor

TIPO DE CICLO DE VAPOR

CONSUMO DE ENERGÍA PRIMARIA Termias/m3

Ciclo convencional

24,45

Ciclo Combinado

18,70

Ciclo convencional

12,94

Ciclo combinado

9,39

N.A.

18,83

5. BIBLIOGRAFÍA - BAKISH, R. y otros, «Practice of Desalination». Noyes Data Corporation. New Jersey, 1973. - CALMON, C. y otros. «Principles of Desalination». Academic Press, Inc., London, Third Printing 1969. - HÖMIG, H.E. «Seawater and Seawater Distillation». Vulkan-Verlag, Essen, 1978. - OLTRA, F. y TROYANO F.. «La desalación y su situación en España». Publicaciones Científicas de la Junta de Energía Nuclear. Madrid, 1972. - SÁNCHEZ, J Mª y GARCÍA A. «Desalación del agua de mar». Ponencia «I CONGRESO ESPAÑOL DE INGENIERÍA INDUSTRIAL. HORIZONTE INDUSTRIAL 85». Asociación Española de Ingenieros Industriales de España. Valencia, 28 febrero-4 marzo 1977. - V.V.A.A. «La Desalación es España» Aguas de las Cuencas Mediterráneas, S. A. (Acuamed). Madrid 2008.

— 30 —

Martes 2 de junio de 2009

Presentación SÁNCHEZ SÁNCHEZ, JUAN MARÍA

Desalación por evaporación  SÁNCHEZ, J. M.; [Consejero-Asesor, ECOAGUA]

ÍNDICE 1. Introducción a la destilación 2. Descripción de los principales procesos de evaporación 3. Pretratamiento de los procesos de evaporación 4. Cálculos simplificados de los procesos de evaporación 5. Consumos energéticos de los procesos de evaporación 6. Plantas duales: cogeneración de electricidad y agua

—2—

INTRODUCCIÓN

PROCESOS DE DESTILACIÓN EXISTENTES •

Evaporación en tubos sumergidos ...................................................................................................(T.S.)

•

Evaporación multiefecto en tubos verticales ...............................................................................(V.T.)

•

Evaporación instantánea multietapa ...........................................................................................(M.S.F.)

•

Evaporación multiefecto en tubos horizontales .................................................................... (H.M.E.)

•

Compresión mecánica de vapor ...................................................................................................(M.V.C.)

•

Eyecto compresión de vapor .......................................................................................................... (T.V.C.)

•

Destilación solar ..................................................................................................................................... (S.D.) —3—

PROCESOS DE DESTILACIÓN EXISTENTES •

Evaporación en tubos sumergidos ...................................................................................................(T.S.)

•

Evaporación multiefecto en tubos verticales ...............................................................................(V.T.)

•

Evaporación instantánea multietapa ...........................................................................................(M.S.F.)

•

Evaporación multiefecto en tubos horizontales .................................................................... (H.M.E.)

•

Compresión mecánica de vapor ...................................................................................................(M.V.C.)

•

Eyecto compresión de vapor .......................................................................................................... (T.V.C.)

•

Destilación solar ..................................................................................................................................... (S.D.)

REPARTO POR PROCESOS

—4—

PROCESO DE EVAPORACIÓN INSTANTÁNEA MULTIETAPA (M.S.F.)

Figura 1.- Diagrama del proceso de evaporación instantánea multietapa.

PROCESO DE EVAPORACIÓN INSTANTÁNEA MULTIETAPA (M.S.F.)

—5—

PROCESO DE EVAPORACIÓN INSTANTÁNEA MULTIETAPA (M.S.F.)

PROCESO DE EVAPORACIÓN INSTANTÁNEA MULTIETAPA (M.S.F.)

—6—

PROCESO DE EVAPORACIÓN INSTANTÁNEA MULTIETAPA (M.S.F.)

PROCESO DE EVAPORACIÓN INSTANTÁNEA MULTIETAPA (M.S.F.)

—7—

PROCESO DE EVAPORACIÓN INSTANTANEA MULTIETAPA (M.S.F.)

PROCESO DE EVAPORACIÓN INSTANTÁNEA MULTIETAPA (M.S.F.)

—8—

PROCESO DE EVAPORACIÓN MULTIEFECTO EN TUBOS HORIZONTALES (H.T.M.E.)

Figura 2.- Proceso de multiefecto en tubos horizontales.

PROCESO DE EVAPORACIÓN MULTIEFECTO EN TUBOS HORIZONTALES (H.T.M.E.)

—9—

PROCESO DE EVAPORACIÓN MULTIEFECTO EN TUBOS HORIZONTALES (H.T.M.E.)

PROCESO DE EVAPORACIÓN MULTIEFECTO EN TUBOS HORIZONTALES (H.T.M.E.)

— 10 —

PROCESO DE EVAPORACIÓN MULTIEFECTO EN TUBOS HORIZONTALES (H.T.M.E.)

PROCESO DE EVAPORACIÓN MULTIEFECTO EN TUBOS HORIZONTALES (H.T.M.E.)

— 11 —

PROCESO DE COMPRESIÓN MECÁNICA DE VAPOR (M.V.C)

Figura 3.- Ciclo del proceso de compresión mecánica de vapor.

PROCESO DE EYECTO COMPRESIÓN DE VAPOR (T.V.C)

Figura 4.- Ciclo del proceso de eyecto-compresión de vapor.

— 12 —

PROCESO DE COMPRESIÓN MECÁNICA DE VAPOR MULTIETAPA (M.V.C)

Figura 3.- Ciclo del proceso de compresión mecánica de vapor (multietapa).

PROCESO DE COMPRESIÓN MECÁNICA DE VAPOR MULTIETAPA (M.V.C)

Cortesía de Israel Desalination Technologies (IDE).

— 13 —

PROCESO DE DESTILACIÓN SOLAR

Figura 4.- Esquema de planta de destilación solar directa.

PROCESO DE DESTILACIÓN SOLAR

— 14 —

PLANTA DESALADORA SOLAR «LAS SALINAS» (CHILE) 1872

OBJETIVOS DEL PRETRATAMIENTO: «Eliminación de aquellas sustancias que pueden ser perjudiciales al proceso». CÓMO SON: a) La actividad biológica del agua de mar. b) Los sólidos en suspensión. c) Las sales disueltas. d) Los gases disueltos y/o formados en el pretratamiento. e) La formación de espumas.

— 15 —

EFECTOS SOBRE EL PROCESO •

Reducción del área eficaz de transferencia de calor por: - Precipitación de sales.

•

Reducción del coeficiente de transmisión de calor por: - Existencia de gases incondensables. - Ensuciamiento biológico de las superficies.

•

Destrucción de las superficies de intercambio de calor por: - Erosión de las superficies. - Corrosión del material de las superficies y equipos.

•

Problemas en sellos hidráulicos y calidad del producto por: - Formación de espumas.

PRECIPITACIÓN DE SALES Las sales precipitan por varias razones: •

Aumentar su concentración en las corrientes dentro del proceso.

•

Aumento de la temperatura.

En el agua de mar, las sales que precipitan son: •

Carbonatos de cálcico y magnésico.

•

Sulfatos cálcico, de estroncio y de bario.

•

Fluoruro de calcio.

•

Óxidos metálicos (Fe+3; Al+3; Cd...).

— 16 —

CONTROL DE LOS BICARBONATOS POR TRATAMIENTO ÁCIDO REACCIONES: SO4H2 + 2CO3H-



SO4 = + 2CO2 + 2H2O

ClH + CO3H-



Cl- + CO2 + H2O

CONTROL DE LA PRECIPITACIÓN DEL SULFATO CÁLCICO, POR TEMPERATURA SOLUBILIDAD DEL SULFATO DE CALCIO EN AGUA DE MAR

— 17 —

CONTROL DE LAS PRECIPITACIONES POR PRODUCTOS ANTINCRUSTANTES •

Hexametafosfato sódico (PO3Na)6.

•

Compuestos formulados (normalmente basados en poliacrilatos, poliacrilamidas o aminoalcalifosfóricos).

FORMA DE ACTUAR Impiden la formación de cristales, debilitando las fuerzas de cohesión entre los iones que forman el cristal manteniéndolos en suspensión, por eso también se les conoce como productos dispersantes. La forma de medir su eficacia es cuantas veces puede superarse el producto de solubilidad de una determinada sustancia.

ELIMINACIÓN DE LOS GASES INCONDENSABLES El origen de los gases incondensables es: •

Aire disuelto en el agua de mar, se elimina mediante la desgasificación a vacío.

•

CO2 formado en el tratamiento por ácido de los bicarbonatos, se elimina mediante una descarbonatación a presión atmosférica y desgasificación a vacío posterior.

— 18 —

DESCARBONATADOR

DESGASIFICADOR

— 19 —

ELIMINACIÓN DE LAS ESPUMAS FORMADAS Adición de 1 ó 2 ppm de producto antiespumante, tipo siliconas.

— 20 —

CÁLCULOS DE M.S.F.

BALANCES DE MASAS: AM = PR + PU + RZ Llamaremos agua de mar de aportación al ciclo de multietapa a AP, y tendremos: AP = PR + PU RZ = AM - AP

BALANCES DE SALES: AM x Cam = RZ x Cam + PR x 0 + PU x Cpu de donde tenemos que: (AM - RZ) x Cam = PU x Cpu; AP x Cam = PU x Cpu; AP x Cam = (AP - PR) x Cpu; AP x (Cpu - Cam) = PR x Cpu;

— 21 —

y haciendo el balance salino en la mezcla de aportación y salmuera para formar el reciclado, tendremos:

combinando todas las ecuaciones anteriores llegaremos a:

DIAGRAMA TÉRMICO DE M.S.F.

— 22 —

CÁLCULOS DE M.S.F.

CÁLCULO DEL CAUDAL DE RECICLADO R x HL (Tmax) - (R - PR) x HL (Tpu) = PR x HV [(Tmax + Tpu) / 2] R x [HL (Tmax) - HL (Tpu)] = PR x HV [(Tmax + Tpu)/2] - PR x HL (Tpu)] R x Ce x (Tmax - Tpu) = PR x HV [(Tmax + Tpu) / 2] - PR x HL (Tpu)] + PR x HL [(Tmax + Tpu) / 2]- PR x HL [(Tmax + Tpu) / 2] R x Ce x (Tmax - Tpu) = PR x Hl + PR x Ce x ½ x (Tmax - Tpu)

— 23 —

CÁLCULO DE LA TEMPERATURA DE PURGA Hipótesis: Tpu = Tpr = Trz en cuyo caso: Q = AM x Ce x (Tpu - Tam) y como

tendremos, según la ecuación del reciclado que:

1.000 ≈ Hl + 0,5 × Ce × (Tmax − Tpu)

— 24 —

Otras ecuaciones:

Tmax -Tsr = T1-Ter y Q = R x Ce x (Tmax - Tsr) = AM x Ce x (Trz -Tam) R x Ce x (Tmax - T1) = P1 x Hl y AM x Ce x (Trz - Tam) = P2 x Hl Despejando y sustituyendo queda: R x Ce x DTER x Nr = P1 x Hl AM x Ce x DTEZ x Nz = P2 x Hl y además: Q = AM x Ce x DTEZ x Nz sumando miembro a miembro las dos primeras igualdades y dividiendo por la tercera, queda:

Haciendo la hipótesis que: AM x Ce x TEZ = R x Ce x TER

— 25 —

BALANCES DE MASAS: AM = PR + PU + RZ Llamaremos agua de mar de aportación al ciclo de multiefecto a AP, y tendremos: AP = PR + PU RZ = AM - AP

BALANCES DE SALES: AM x Cam = RZ x Cam + PR x 0 + PU x Cpu de donde tenemos que: (AM - RZ) x Cam = PU x Cpu;

AP x Cam = PU x Cpu;

CICLO TERMODINÁMICO

— 26 —

BALANCES DE ENERGÍA Hipótesis: a) La cantidad de producto obtenido en cada efecto es la misma. b) La caída de temperatura entre efectos es la misma e igual a Dt. c) El vapor producido por la salmuera y el producto debido a la evaporación instantánea al haber caída de temperatura entre efectos, es igual al vapor consumido por la Aportación para calentarse. Q + AM x Ce x Tam = RZ x Ce x Trz + PR x Ce x Tpr + PU x Ce x Tpu Si adoptamos como bueno que:

La cantidad de calor que es necesario introducir en el primer efecto será igual a:

Hl = El calor latente de condensación del vapor. N = número de efectos, sin contar el Condensador. Ce = el calor específico del agua de mar. Δt1 = al incremento de temperatura que sufre la aportación en cada etapa.

— 27 —

Y la cantidad de vapor necesaria será:

Y la temperatura de rechazo será:

CÁLCULOS DE M.V.C.

BALANCES DE MASAS: AM = PR + PU

BALANCES DE SALES: AM x Cam = PU x Cpu; A x Ca = (A - PR) x Cpu; siendo: A = Alimentación Ca = Concentración en la alimentación;

— 28 —

Resultando:

CICLO TERMODINÁMICO

BALANCES DE ENERGÍA E + AM x Ce x Tam = PR x Ce x Tpr + PU x Ce x Tpu; siendo: E = La energía mecánica transmitida al vapor por el compresor, si hacemos la hipótesis de Tpr = Tpu, quedará: E = PR x (H2 -H1) = AM x Ce x (Tpu - Tam), donde: H2 = a la entalpía del vapor después de comprimirlo. H1 = a la entalpía del vapor antes de la compresión. La ecuación de la compresión de un vapor es:

— 29 —

Donde: R = Constante de los gases. Ts = Temperatura del vapor en la aspiración. n = Coeficiente politrópico. P1 = Presión del vapor en la aspiración del compresor. P2 = Presión del vapor en la descarga del compresor.

Donde ηp = Rendimiento politrópico que vale aprox.: 0,73. y K= Calor especifico a presión constante/Calor espec. a volumen constante = 1,32 para el vapor de agua saturado y T  70 ºC. Introduciendo estos valores en la formula llegamos a la siguiente ecuación:

Si aplicamos esta ecuación para distintas temperaturas de trabajo (t) y distintas relaciones de compresión (P2 / P1) tenemos la figura mostrada a continuación:

— 30 —

COMPRESIÓN DE VAPOR

CÁLCULOS DE DESTILACIÓN SOLAR

Figura 6.- Mecanismo de la transmisión solar a través del vidrio.

— 31 —

Figura 7.- Radiación solar.

Figura 8.- Producción agua.

— 32 —

EJEMPLO DE CÁLCULOS DATOS DE PARTIDA: Caudal de producción:

10.000 m3/d = 416,67 m3/h

Relación de economia:

10 lb/KBTU

Concentración del agua de mar:

38.000 ppm.

Temperatura del agua de mar:

20 ºC

PARA EL PROCESO DE M.S.F.: Concentración del reciclado:

60.000 ppm.

Relación AM/R:

1

Temperatura máxima:

120 ºC

EJEMPLO DE CÁLCULOS Cálculos del proceso de M.S.F.: Temp. de purga = 20 + (120 - 20)/(1 x 10 + 1) = 29,09 ºC Temp. media del ciclo = (120 + 29,09)/2 = 74,5 ºC Calor latente de evaporación a 74,5 ºC = 554,55 Kcal/Kg Calor específico (T = 74,5; C = 60.000) = 0,9336 Kcal/Kg ºC Caudal de Reciclado = (554,55 / (0,9336 x (120 - 29,09)) + 0,5) x 416,67 = 7,03383 x 416,67 = 2.930,79 m3/h Caudal de Agua de mar = 1 x 2.930,79 = 2.930,79 m3/h Caudal de Aportación = (60.000 / 38.000) / (60.000 / 38.000 - 1 + 1 / 7,03383) x 416,67 = 912,33 m3/h Caudal de Rechazo al mar = 2.930,79 - 912,33 = 2.018,46 m3/h

— 33 —

Cálculos del proceso de M.S.F.: Caudal de purga = 912,33 - 416,67 = 495,66 m3/h Concentración de la purga = (60.000 / 38.000) / (1 - 1 / 7,03383) x 38.000 = 69.943,93 ppm. Calor al recalentador = 416,67 x 1000 x 2,2046 / 10 = 91.859,07 KBTU/h = 91.859.070 x 0,25194 = 23.142.974 kcal/h Calor latente del vapor (T = 120 + 5 ºC) = 522,1 Kcal/Kg Caudal de Vapor al recalentador = 23.142.974 / 522,1 = 44.327 Kg/h Calor específico (115 ºC; 60.000) = 0,942 Kcal/Kg ºC Salto de temp. del reciclado en el Recalentador = 23.142.974 / (2.930,79 x 1000 x 0,942) = 8,38 ºC Temp. Entrada a recalentador = 120 - 8,38 = 111,62 ºC

Cálculos del proceso de M.S.F.: Número de etapas de rechazo = 3 Número de etapas de recuperación = 3 x 10 - 3 = 27 Incremento de temperatura en etapas de recuperación = (120 - (29,09 + 8,38)) / 27 = 3,06 ºC Incremento de temperatura en etapas de rechazo = (29,09 -20) / 3 = 3,03 ºC

— 34 —

DATOS DE PARTIDA Caudal de producción:

10.000 m3/d = 416,67 m3/h

Relación de economia:

10 lb/KBTU

Concentración del agua de mar:

38.000 ppm.

Temperatura del agua de mar:

20 ºC

PARA EL PROCESO DE H.T.M.E. Concentración de la purga:

70.000 ppm.

Temperatura máxima:

80 ºC

Cálculos del proceso de H.T.M.E.: Temp media del ciclo = (80 + 20) / 2 = 50 ºC Concentración media del ciclo = (38.000 + 70.000) / 2 = 54.000 ppm Calor latente de evaporación a 50 ºC = 568,19 Kcal/Kg Calor específico (T = 50; C = 38.000) = 0,9544 Kcal/Kg ºC Calor al primer efecto = 416,67 x 1000 x 2,2046 / 10 = 91.859,07 KBTU/h = 91.859.070 x 0,25194 = 23.142.974 kcal/h Caudal de Aportación = 70.000 / (70.000 - 38.000) x 416,67 = 911,47 m3/h Caudal de purga = 911,47 - 416,67 = 494,8 m3/h

— 35 —

Cálculos del proceso de H.T.M.E.:

Nº DE EFECTOS

Trz

11

52,78

12

25,57

13

-1,65

Por tanto el Número de efectos a considerar será 12. Temperatura de purga = 80 - (80 - 25,57) / 12 x (12 - 1) = 30,11 ºC Caudal de agua de mar = 568,19 x 416,67 / (0,9544 x 12 x (25,57 - 20) = 3.711,24 m3/h

Cálculos del proceso de H.T.M.E.: Caudal de rechazo = 3.711,24 - 911,47 = 2.799,77 m3/h Calor latente de vaporización (85 ºC) = 548,11 Kcal/Kg Caudal de vapor al primer efecto = 23.142.974 / 548,11 = 4.223,56 Kg/h Salto de temperatura entre efectos = (80 - 25,57) / 12 = 4,54 ºC

— 36 —

DATOS DE PARTIDA: Caudal de producción:

10.000 m3/d = 416,67 m3/h

Relación de economia:

10 lb/KBTU

Concentración del agua de mar:

38.000 ppm.

Temperatura del agua de mar:

20 ºC

PARA EL PROCESO DE M.V.C.: Concentración de la purga:

70.000 ppm.

Temperatura máxima:

80 ºC

Número de efectos:

3

Cálculos del proceso de M.V.C.: Caudal de Purga = 38.000 / (70.000 - 38.000) x 416,67 = 494,8 m3/h Caudal de Agua de Mar = 494,8 x 70.000 / 38.000 = 911,47 m3/h Salto de temperatura entre efectos = 3,5 ºC Temperatura del 3er efecto = 80 - 3,5 x 3 = 69,5 ºC Presión de saturación a 80 ºC = 0,4737 bar Presión de saturación a 69,5 ºC = 0,3051 bar E = 0,406 x (80 + 273,15) x ((0,4737 / 0,3051) 0,332 - 1) x 416,67 / 3 = 3.131,73 KW Ce = 3.131,73 / 0,7 / 0,95 / 416,67 = 11,3 Kwh/m3 Temperatura de purga = 20 + 3.131,73 x 860 / (911,47 x 1000 x 0,935) = 23,2 ºC

— 37 —

Cálculos del proceso de Destilación solar: Superficie necesaria: 10.000 x 1000 / 0,15 = 66.666.667 m2 Concentración de la purga: 70.000 ppm. Caudal de purga: 38.000 / (70.000 - 38.000) x 416,67 = 494,8 m3/h Caudal de agua de mar = 494,8 + 416,67 = 911,47 m3/h

CONSUMO ENERGÉTICO POR PROCESO TIPO DE PROCESO Evaporación instantánea multietapa M.S.F. Destilación multiefecto en tubos horizontales H.T.M.E. Compresión mecánica de vapor M.V.C.

ER

CALORÍFICA

ELECTRICA

Lb/KBTU

Kcal/m

Kwh/m3

8

69.456

5,3

11

50.513

6,5

8

69.456

1,2

11

50.513

1,8

N.A.

********

8,7

— 38 —

3

COGENERACIÓN Los procesos de destilación excepto la Compresión mecánica de vapor y la destilación solar, precisan de una fuente de energía calorífica externa para calentar el ciclo, haciendo las veces de foco caliente del ciclo térmico. Como fuente de calor se utiliza un vapor de bajo título, que ya haya realizado un trabajo, con el fin de abaratar los costos. Normalmente procede de una extracción de una turbina de vapor. La producción conjunta de energía y agua se llama COGENERACIÓN.

— 39 —

En un Ciclo simple, tenemos la siguiente expresión: E = Q1 x (H1 - H3) x t x a

(1)

donde: E = Potencia en bornas del alternador. Q1 = Caudal de vapor entrando en la turbina. H1 = Entalpía del vapor vivo entrando en la turbina. H2 = Entalpía del vapor de baja presión a la salida de la turbina. t = Rendimiento de la turbina. a = Rendimiento del alternador.

— 40 —

En un Ciclo con extracción intermedia de vapor para la planta desaladora, tenemos la siguiente expresión: E = [(Q1 + Δq) x H1 - Q2 x H2 - Q3 x H3] x t x a

(2)

donde: E = Potencia en bornas del alternador. Q1 + Δq = Caudal de vapor entrando en la turbina. Q2 = Caudal de vapor a la planta desaladora. Q3 = Caudal de vapor al condensador. H1 = Entalpía del vapor vivo entrando en la turbina. H2 = Entalpía del vapor baja presión a la planta desaladora. H3 = Entalpía del vapor a la salida de la turbina. t = Rendimiento de la turbina. a = Rendimiento del alternador.

Por otra parte tenemos que Q3 = Q1 + Δq - Q2

(3)

Sustituyendo y simplificando entre las ecuaciones (1) (2) y (3), queda: Δq = Q2 x (H2 - H3) / (H1 - H3) Es decir que para dar un caudal Q2 a la planta desaladora, manteniendo la misma potencia en bornas del alternador que en el caso de producción de electricidad solamente, es necesario aumentar el vapor principal procedente de la caldera en Δq nada más. Por tanto el incremento de combustible gastado será de (Q1 + Δq)/Q1.

— 41 —

En un Ciclo con turbina de contrapresión de vapor para la planta desaladora, tenemos la siguiente expresión: E = [(Q1 + Δq) x (H1 - H2) x t x a

(4)

Donde: E = Potencia en bornas del alternador. Q1 + Δq = Caudal de vapor entrando en la turbina. H1 = Entalpía del vapor vivo entrando en la turbina. H2 = Entalpía del vapor baja presión a la planta desaladora a la salida de la turbina. t = Rendimiento de la turbina. a = Rendimiento del alternador.

Sustituyendo y simplificando entre las ecuaciones (1) y (4), queda: Δq = Q1 x (H2 - H3) / (H1 - H2) Es decir que para dar un caudal Q1 + Δq a la planta desaladora, manteniendo la misma potencia en bornas del alternador que en el caso de producción de electricidad solamente, es necesario aumentar el vapor principal procedente de la caldera en Δq nada más. Por tanto el incremento de combustible gastado será de (Q1 + Δq) / Q1.

— 42 —

LA EXPLICACIÓN GRÁFICA ES LA SIGUIENTE:

— 43 —

— 44 —

— 45 —

— 46 —

— 47 —

COGENERACIÓN CON CICLO CONVENCIONAL

POTENCIA TOTAL:

59.613 KW

CONSUMOS INTERNOS:

2.100 KW

POTENCIA A LA RED:

57.513 KW

ENERGÍA COMO FUEL-OIL:

140.907 term/h

CONSUMO ESPECÍFICO:

2,45 term/KWh

— 48 —

COGENERACIÓN CON CICLO CONVENCIONAL

POTENCIA TOTAL:

62.263 KW

CONSUMOS INTERNOS (CT+PD):

4.750 KW

POTENCIA NETA A LA RED:

57.513 KW

ENERGÍA UTILIZADA COMO FUEL-OIL:

167.865 term/h

ENERGÍA EXTRA PARA LA P DESALAD:

26.958 term/h

AGUA PRODUCIDA:

2.083,33 m3/h

CONSUMO ESPECIFICO DEL AGUA:

12,94 term/m3

COGENERACIÓN CICLO COMBINADO

POTENCIA TOTAL:

195.313 KW

CONSUMO INTERNO:

9.130 KW

POTENCIA NETA A LA RED:

186.183 KW

ENERGÍA COMO FUEL-OIL:

368.642 term/h

CONSUMO ESPECÍFICO:

1,98 term/KWh

— 49 —

COGENERACIÓN CICLO COMBINADO

POTENCIA TOTAL:

197.746 KW

CONSUMOS INTERNOS (CT+PD):

11.563 KW

POTENCIA NETA A LA RED:

186.183 KW

ENERGÍA COMO FUEL-OIL:

388.204 term/h

ENERGÍA PARA PRODUCIR AGUA:

19.562 term/h

AGUA PRODUCIDA:

2.083,33 m3/h

CONSUMO ESPECIFICO DEL AGUA:

9,39 term/m3

COGENERACIÓN PLANTA DE COMPRESIÓN MECÁNICA DE VAPOR Consumo específico de energía = 8,7 kwh/m3 Consumo específico de producción de electricidad Por ciclo convencional = 2,45 termias/Kwh Por ciclo combinado = 1,98 termias/Kwh Para una tasa de mezcla del 38% C. Conv + 62% C. Combinado = 2,16 termias/Kwh Consumo de fuel primario de M.V.C. = 8,7 x 2,16 = 18,8 termias/Kwh

— 50 —

CONSUMO DE FUAL PRIMARIO DE LOS PROCESOS TIPO DE PROCESO

TIPO DE CICLO

ENERGÍA PRIMARIA Termias/m3

Evaporación instantánea multietapa M.S.F. (ER = 11)

CONVE.

24,45

COMBI.

18,70

Destilación multiefecto en tubos horizontales H.T.M.E. (ER = 11)

CONVE.

12,94

COMBI.

9,39

MEZCLA

18,80

Compresión mecánica de vapor M.V.C.

— 51 —

Martes 2 de junio de 2009

Tecnología de electrodiálisis reversible PÉREZ TALAVERA, JOSÉ LUIS

Tecnología de electrodiálisis reversible  PÉREZ TALAVERA, JOSÉ LUIS; [Director Técnico de Explotaciones, SADYT]

ÍNDICE CAPÍTULO 1 (Fuentes de agua). 1.1. Ciclo del agua. 1.2. Aguas superficiales. 1.3. Aguas subterráneas. 1.4. Resumen. CAPÍTULO 2 (Química del agua). 2.1. Soluciones iónicas. 2.2. Disociación. 2.3. Saturación. 2.4. Conductividad eléctrica. 2.5. Resumen. 2.6. Cálculos. 2.7. Cálculo del epm. 2.8. Cálculo del peso equivalente como CO3Ca. 2.9. Valoración de un análisis de agua. CAPÍTULO 3 (Principios de electrodiálisis). 3.1. Efectos de un potencial de C.C. sobre los iones. 3.2. Efecto de las membranas aniónicas y catiónicas. 3.3. Diferencia de la E.D.R. con otros procesos de membranas. CAPÍTULO 4 (La pila de membranas). 4.1. Características físicas. 4.2. Membranas. 4.3. Espaciadores. 4.4. Electrodos. CAPÍTULO 5 (Membranas, espaciadores y electrodos). 5.1. Membranas. 5.2. Espaciadores. 5.3. Compartimentos de electrodos.

—2—

CAPÍTULO 6 (Tecnología de electrodiálisis E.D.). 6.1. Disociación de sales. 6.2. Propiedades de las membranas. 6.3. Ley de Faraday. 6.4. Ley de Ohm. 6.5. Rendimiento de la corriente. CAPÍTULO 7 (Parámetros de diseño). 7.1. Densidad de corriente límite (Polarización). 7.2. Fugas de corriente / Quemaduras. 7.3. Retrodifusión. 7.4. Índice de Langelier (I.L.). 7.5. Saturación de sulfato cálcico. CAPÍTULO 8 (Diseño de la pila de membranas). 8.1. Etapas. 8.2. Caída de presión / Espaciadores de flujo de agua. 8.3. Presión diferencial. 8.4. Transferencia de agua. 8.5. Límite de temperatura. CAPÍTULO 9 (Sistemas de electrodiálisis E.D.). 9.1. Evolución histórica. 9.2. E.D. continua (Unidireccional). 9.3. Electrodiálisis reversible (E.D.R). CAPÍTULO 10 (Sistemas de alta recuperación). 10.1. Reciclado del concentrado. 10.2. Reciclado del producto fuera de normas (OFF-SPEC). 10.3. Inversión secuencial. 10.4. Frecuencia de inversión. 10.5. Reciclado del flujo de electrodos. 10.6. Resumen. 10.7. Adición química. 10.8. Conclusión.

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CAPÍTULO 1 (FUENTES DE AGUA) 1.1. Ciclo del agua El agua es esencial para la supervivencia de todos los seres vivos. ¾ partes de la superficie de la tierra están cubiertas por el agua y mediante un proceso llamado el ciclo del agua se distribuye a la mayoría de la tierra. El ciclo del agua es simplemente la evaporación y precipitación del agua suministrada por los océanos, aguas superficiales y transpiración de las plantas. El agua evaporada se condensa en las nubes, que son transportadas por el viento a diferentes lugares de la tierra, y eventualmente descargadas en forma de lluvia o nieva. Este ciclo se repite continuamente. 1.2. Aguas superficiales La lluvia que cae y se recoge en la tierra se conoce como aguas superficiales. A su paso por la atmósfera, puede disolver gases y acumular finas partículas, tales como polvo y emisiones de fábricas. A lo largo de la tierra, el agua recogerá materias orgánicas, minerales y barros. Las aguas superficiales son altamente afectadas por los cambios estacionales. La temperatura del agua, así como su composición, variará sustancialmente. Durante los meses de invierno, en climas fríos, las sales del terreno, y la formación de hielo, aumentará el contenido de sólidos disueltos. Durante el otoño, materiales como, por ejemplo, las hojas de los árboles, aumentará la concentración orgánica. Existen dos tipos de aguas superficiales; estacionarias, como lagos, estanques, etc. Y fluyentes, como ríos y corrientes. En las aguas superficiales estacionarias, parte de los sólidos en suspensión adquiridos durante la lluvia, tienen oportunidad de decantarse. El crecimiento de bacterias y algas, es generalmente alto. Las aguas superficiales fluyentes, recogen barro y tienden a volverse más turbias (es decir, con más sólidos disueltos) puesto que no hay periodo de decantación, y el crecimiento de las bacterias, es por lo general más lento. Los deshechos de las industrias vertidos en las aguas en movimiento, pueden cambiar radicalmente su composición. Las aguas superficiales, por tanto, tenderán a tener las siguientes características; alta turbidez, altos contenidos orgánicos, contenido de minerales variables y relativamente bajos y cambios estacionales. 1.3. Aguas subterráneas Las aguas que penetran en el interior del suelo por infiltración, se conocen como subterráneas. Una parte de esta agua es utilizada por los árboles y vegetación y transferidas nuevamente al aire. El agua que se infiltra continuamente en el suelo, se recogerá eventualmente en una formación geológica llamada acuífero. Este acuífero contiene pequeñas aberturas en las que se almacena el agua. En un acuífero de arena y grava, el espacio entre las partículas contiene —4—

el agua. Otro tipo de acuífero puede consistir en materiales de rocas consolidadas, donde las grietas o capas contienen el agua. Las dos características principales que controlan la producción y utilidad de la formación son: 1. Proporción de recarga. 2. Capacidad de almacenamiento. Estas dos características son muy importantes para determinar la escala a la que puede ser bombeado un acuífero. Las impurezas en el agua subterránea se obtienen como resultado del paso por la atmósfera y su posterior infiltración a través de varias capas en el subsuelo. Normalmente, las aguas subterráneas contienen baja turbidez, altos contenidos en minerales, y bajo contenido orgánico respecto a las superficiales. La composición y temperaturas del suministro subterráneo, suelen ser estables cuando se perforan y trasiegan correctamente. Los mayores inconvenientes en el uso de pozos o galerías, son la contaminación e intrusión. Por ejemplo, un acuífero puede ser contaminado si está recargando de un río que ha sido contaminado, o por infiltraciones de pozos sépticos cercanos, etc. La intrusión de sales se puede producir si el acuífero está cerca de una masa de agua salada, como por ejemplo, un océano, y el acuífero se encuentra en un nivel más bajo. 1.4. Resumen Ambos sistemas, aguas superficiales y subterráneas, son sistemas muy complejos. Dada la multitud de factores que afectan a la calidad y cantidad del agua de un acuífero, se debe planear cuidadosamente la utilización de cualquier fuente de agua.

CAPÍTULO 2 (QUÍMICA DEL AGUA) Para entender el concepto, teoría y diseño de los sistemas desmineralizadores, se necesitan algunos conocimientos básicos de algunas de las propiedades de las sales y aguas. Esta sección es una discusión de estas propiedades y métodos de cuantificar los constituyentes en una muestra de agua. 2.1. Soluciones iónicas Un cristal de sal de mesa común es un compuesto iónico típico. El nombre químico de este compuesto es cloruro sódico y su símbolo químico es ClNa. El cristal consiste en dos tipos de átomos cargados eléctricamente, sodio (+) y cloro (-), los cuales se mantienen unidos por fuerzas de atracción eléctricas.

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2.2. Disociación Si un cristal de sal se coloca en agua, se disocia y disuelve formando una solución salina. Las moléculas de agua se orientan por si mismas alrededor de los átomos cargados y anula la fuerza de atracción entre ellos. Cuando esto ocurre, se forman dos partículas cargadas eléctricamente. Una positiva (sodio, representado como Na+) y otra cargada negativamente (cloruro, representado por Cl-). Las partículas subatómicas responsables de la carga eléctrica se llaman electrones. A un electrón, por convención, se le asigna una carga negativa. Por tanto, un átomo que acepta un electrón tendrá una carga negativa neta de uno. Recíprocamente, un átomo que ceda un electrón durante el proceso de disociación, tendrá una carga neta positiva de uno. Las partículas cargadas resultantes se llaman iones. El ión de carga positiva se llama catión, y el de carga negativa, anión. Estos dos iones están completamente disociados en agua y llegan a ser muy móviles en solución. Del mismo modo que la sal, los minerales y ácidos pueden también disociarse en iones en una solución. En la tabla 1 podemos ver algunos de los iones más comúnmente encontrados en las aguas naturales.

Cationes

Aniones

Sodio

Na+

Cloruro

Cl-

Calcio

Ca++

Bicarbonato

HCO3-

Magnesio

Mg++

Sulfato

SO4=

Potasio

K+

Nitrato

NO3-

Tabla 1.

2.3. Saturación Si consideramos una sal determinada, existe un límite hasta el que puede disociarse en iones en el agua. A partir de este límite, la sal considerada no se disolverá más, y la solución se dice que está saturada o en el punto de saturación. Cualquier cantidad adicional de la sal que estemos considerando, simplemente se decantará hacia el fondo del recipiente que contiene la solución. El punto de saturación es función de la temperatura y tipo de sal en la solución. En la mayoría de los casos, el aumento de la temperatura, incrementa la movilidad de los iones. Esto permite un punto de saturación más alto en la mayoría de los casos. Las especies iónicas, dependiendo de la carga y el tamaño del ión, determinan el número de moléculas de agua necesarias para su disociación.

—6—

2.4. Conductividad eléctrica La propiedad más significativa de una solución iónica, es su capacidad para conducir una corriente eléctrica. Si dos electrodos conectados a una fuente de energía de C.C. se sumergen en un recipiente con agua pura, la corriente eléctrica no podrá pasar de un electrodo a otro, puesto que no hay vehículo para transportar las cargas. En una solución iónica, sin embargo, los iones disociados transportarán las cargas eléctricas entre los electrodos. La capacidad de una solución para transportar corriente se mide como conductividad. La unidad de conductividad es el micro_ohmio por centímetro (vieja terminología) o el microsiemens (μS). La conductividad de una solución es afectada por la concentración de iones, la composición iónica y la temperatura. 2.5. Resumen Un aumento en la concentración de iones de una solución se traducirá en un aumento de su conductividad eléctrica. La composición iónica de una solución afecta a su conductividad porque algunos de sus iones pueden transportar más de una carga eléctrica y algunos iones se trasladan más deprisa que otros. Un aumento de la temperatura de la solución, aumenta la velocidad de los iones, resultando en un aumento de su conductividad. 2.6. Cálculos El análisis de una muestra de agua, requiere la determinación de la concentración de varias sustancias y tiene que ser hecho, por tanto mediante pruebas analíticas en un laboratorio. Estas sustancias se encuentran normalmente en cantidades muy pequeñas, y por esta razón, los resultados de un análisis de agua se expresan normalmente en partes por millón (ppm), en vez de porcentajes. Una parte por millón o un ppm, es igual a una diezmilésima parte del 1% (o sea 0,0001%). De esta forma, si expresáramos los resultados en porcentajes, necesitaríamos manejar números muy incómodos para trabajar. Es corriente expresar los ppm como mg/l, puesto que con las concentraciones de sal tan bajas encontradas en las aguas naturales, los dos términos son iguales. Otra unidad empleada para expresar la concentración iónica de un agua, es el equivalente por millón (epm). Esta unidad está muy relacionada con las ppm, y consiste en reducir todos los constituyentes a un común denominador de cargas iónicas equivalentes. Es corriente encontrar equivalentes por millón, expresados como miliequivalentes por litro. Puesto que el término equivalente por millón está basado en cargas iónicas, la siguiente regla se aplica a todos los análisis de agua: La suma de equivalentes por millón de todos los iones cargados positivamente, (epm+), es igual a la suma de todos los equivalentes por millón de —7—

todos los iones cargados negativamente (epm-). Esta regla se utiliza para comprobar los resultados de un análisis dado. Se permite un 10% de diferencia por los posibles errores analíticos. 2.7. Cálculo del epm El siguiente ejemplo ilustra el cálculo de los equivalentes por millón (epm)

Peso ionico

Peso equivalente

Valencia

PPM

EPM +

EPM -

Sodio

Na+

23,0

1

23.0

757

32,9

---

Calcio

Ca++

40,0

2

20.0

250

12,5

---

Magnesio

Mg++

24,4

2

12,2

122

10,0

---

Cloruro

Cl+

35,5

1

35,5

930

---

26,2

Bicarbonato

HCO3-

61,0

1

61,0

915

---

15,0

Sulfato

SO4=

96,0

2

48,0

682

---

14,2

SÓLIDOS TOTALES DISUELTOS (STD):

3.656

55,4

55,4

Tabla 2. Peso equivalente = Peso atómico / Valencia (carga del ion). epm = ppm / Peso equivalente = ppm x valencia / peso atómico.

Para convertir los valores individuales de ppm a epm, los ppm del ion se dividen por su peso equivalente. Cuando se haya totalizado el análisis completo, los epm+ deben ser iguales a los epm-. 2.8. Cálculo del peso equivalente como Co3Ca Otro método utilizado para expresar los análisis de agua, es usar un compuesto de referencia. Con este método, varias sustancias individuales se expresan en términos de ppm de una sustancia de referencia común. Por ejemplo, el calcio se expresa algunas veces en términos de carbonato de calcio (CO3Ca). Cuando los constituyentes se expresan en base a un compuesto de referencia, pueden ser sumados o restados directamente. Por ejemplo, la dureza total de una muestra de agua, es la suma de las concentraciones de calcio y magnesio cuando se expresan en términos de CO3Ca.

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PPM Calcio Magnesio

++

Ca

++

Mg

EPM

80,0

4

200 ppm como CaCO3

24,4

2

100 ppm como CaCO3

DUREZA TOTAL:

300 ppm como CaCO3

Tabla 3.

Para convertir ppm Ca++ a ppm como CO3Ca, el primer paso es convertir a equivalentes por millón. Para un valor del Ca++ de 80 ppm, dividiendo por el peso equivalente de calcio (20), se obtienen 4 epm. El epm se multiplica entonces por el peso equivalente de CO3Ca. El peso equivalente del CO3Ca es 50, que multiplicado por 4 epm del Ca++ nos da una respuesta de 200 ppm como CO3Ca. El mismo procedimiento se le aplica al magnesio que nos da un valor de 100 ppm como CO3Ca. Estos dos valores se suman para obtener la dureza total del agua de 300 ppm como CO3Ca. La alcalinidad de una solución se encuentra de una forma similar y es la cantidad de CO3H– en términos de ppm como CO3Ca. Si una muestra de agua tiene 183 ppm de CO3Ca– los epm podrían ser calculados dividiendo 183 por 61 (peso del equivalente del CO3H-) para obtener un epm de 3,0. Este equivalente se multiplica entonces por el peso equivalente del CO3Ca (50) para obtener una alcalinidad de 150 ppm como CO3Ca. 2.9. Valoración de un análisis de agua En el ejemplo de la tabla 4 el contenido de sodio (Na+), se ha omitido del análisis y puede ser resuelto por el equilibrado de los valores de epm.

PPM Calcio como CO3Ca

EPM +

EPM -

PPM iónicos

150

3,0

---

60 como Ca++

Magnesio como CO3Ca

50

1,0

---

12 como Mg++

Sulfato como SO4=

96

---

2,0

96 como SO4=

Cloruro como Cl-

18

---

0,5

18 como Cl-

146

---

2,4

146 como HCO3-

4,0

4,9

(Por diferencia)

0,9

---

TOTAL EPM:

4,9

4,9

Bicarbonato como HCO3-

Sodio como Na+

SÓLIDOS TOTALES DISUELTOS:

Tabla 4.

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21 como Na+

Sin embargo, lo mejor es analizar cada ion presente, lo cual permite comparar la precisión del análisis por comparación entre los epm+ y los epm-. La tabla 5 contiene una lista de iones con sus fórmulas químicas, número de cargas y pesos equivalentes. Fórmula

Peso equivalente

Aluminio

Al+++

9,0

Amonio

NH4+

18,0

Calcio

Ca++

20,0

Cobre

Cu++

31,8

Hidrógeno

H+

1,0

Ion ferroso

Fe++

27,9

Ion férrico

Fe+++

18,6

Magnesio

Mg++

12,2

Manganeso

Mn++

27,5

K+

39,1

Na+

23,0

HCO3-

61,0

CO3- -

30,0

Cloruro

Cl-

35,5

Fluoruro

F-

19,0

Yodo

I-

126,9

OH-

17,0

NO3-

62,0

Fosfato (tribásico)

PO4- - -

31,7

Fosfato (dibásico)

HPO4- - -

48,0

H2PO4-

97,0

SO4- -

48,0

HSO4-

97,0

SO3- -

40,0

HSO3-

81,0

S- -

16,0

IONES POSITIVOS

Potasio Sodio IONES NEGATIVOS Bicarbonato Carbonato

Hidróxido Nitrato

Fosfato (Monobásico) Sulfato Bisulfato Sulfito Bisulfito Sulfuro

Tabla 5.

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CAPÍTULO 3 (PRINCIPIOS DE ELECTRODIÁLISIS) 3.1. Efectos de un potencial de C.C. sobre los iones La electrodiálisis (E.D.) es un proceso de separación electroquímico en el cual los iones son transferidos a través de membranas de una solución menos concentrada a otra de mayor concentración, como resultado de una corriente eléctrica continua. Para comprender este proceso con mayor claridad, es importante conocer el efecto de una corriente continua sobre una solución iónica. Supóngase un tanque rectangular, figura 3.1., con un electrodo a cada extremo y lleno de una solución de cloruro sódico (ClNa).

Figura 3.1.

Cuando se aplica un potencial de C.C. en los electrodos, ocurre lo siguiente: 1. Los cationes (Na+) son atraídos hacia el electrodo negativo llamado cátodo. 2. Los aniones (Cl-) son atraídos hacia el electrodo positivo llamado ánodo. 3. En el cátodo ocurre una reacción de disociación del agua, relacionada con la ganancia de electrones (reducción). 2H2O + 2e-  2(OH-) + H2  4. En el ánodo ocurre una reacción de disociación del agua, relacionada con la pérdida de electrones (oxidación). 2H2O  4H+ + O2  + 4e– 5. En el ánodo puede ocurrir también una reacción de formación de gas cloro. 2Cl-  Cl2  + 2e– — 11 —

3.2. Efecto de las membranas aniónicas y catiónicas Para controlar el movimiento de iones en el tanque que contiene la solución iónica y los electrodos, se pueden colocar varias membranas que forman compartimentos estancos, como se muestra en la figura 3.2.

Figura 3.2.

En esta ilustración, se usan dos tipos de membranas: 1. Membrana de transferencia aniónica: La cual solo permite el paso de los iones cargados negativamente. Esta membrana es eléctricamente conductora e impermeable al agua bajo presión. (Marcada como A en la figura 3.2.). 2. Membrana de transferencia catiónica: La cual solo permite el paso de los iones cargados positivamente. Esta membrana es también eléctricamente conductora e impermeable al agua bajo presión. (Marcada como C en la figura 3.2.). En la figura 3.2., no se está aplicando ningún potencial de C.C. y por tanto no existe transferencia iónica.

Figura 3.3.

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La figura 3.3., muestra lo que ocurre cuando se aplica un potencial de C.C. a) Compartimentos 1 y 6: Estos compartimentos son los únicos que contienen los electrodos metálicos. En el ánodo se producen cloro gas y oxígeno, así como los iones H+. En el cátodo o electrodo negativo se producirán gas de hidrógeno e iones OH-. b) Compartimiento 2: 1. Los iones e cloro Cl– pasan a través de la membrana aniónica (A) hacia el compartimiento 3. 2. Los iones de sodio (Na+) pasan a través de la membrana catiónica (C) hacia el compartimiento 1. c) Compartimiento 3: 1. Los iones Na+ no pueden pasar por la membrana aniónica y permanecen en el compartimiento 3. 2. Los iones Cl– no pueden pasar por la membrana catiónica y permanecen en el compartimiento 3. d) Compartimiento 4: 1. Los iones Cl– pasan a través de la membrana aniónica hasta el compartimiento 5. 2. Los iones Na– pasan a través de la membrana catiónica hasta el compartimiento 3. e) Compartimiento 5: 1. Los iones Na+ no pueden pasar a través de la membrana aniónica y permanecen en el compartimiento 5. 2. Los iones Cl– no pueden pasar por la membrana catiónica y permanecen en el compartimiento 5. El efecto total muestra que los compartimentos 2 y 4 han sido vaciados de iones, mientras que éstos han sido concentrados en los compartimentos 3 y 5. Como se muestra en la figura 3.3., se han formado compartimentos alternados de soluciones concentradas y desmineralizadas en ésta célula de membranas, cuando se ha aplicado a través de sus electrodos un potencial de C.C. Cuando se conectan propiamente, esta unidad dará como resultado dos flujos principales y separados; aguas desmineralizadas y concentradas, y dos flujos menores de los compartimentos de electrodos. En aplicaciones normales, se unen varios cientos de esos compartimentos desmineralizados y concentrados en una «pila o torre de membranas» para obtener el caudal de agua deseado. Estas pilas de membranas son el corazón de un sistema de E.D. — 13 —

3.3. Diferencia de la E.D.R. Con otros procesos de membranas 1. Utiliza energía eléctrica directa en vez de energía de presión. 2. Las membranas de E.D. son impermeables. 3. La desalación se efectúa por remoción de los iones del fluido a tratar, al ser éstos los que pasan a través de la membrana. 4. El proceso no necesita energía de presión. En la práctica hay que suministrar al fluido la pérdida de carga a través del equipo (Max. 3,5 kg/cm2). 5. Las membranas son de dos tipos: Catiónicas, cargadas negativamente y aniónicas, cargadas positivamente. 6. El consumo energético es directamente proporcional a la cantidad de sales removidas. 7. La remoción máxima de sales por etapa es del 40 - 50%. 8. Solo remueve partículas cargadas eléctricamente. 9. Las pérdidas de agua son muy bajas, oscilando entre el 5 y el 20%. 10. No requiere normalmente el uso de productos químicos. 11. En el caso de requerir productos químicos, estos no se añaden al fluido a desalar sino al circuito auxiliar de salmuera con lo que las cantidades a utilizar son siempre muy inferiores a las de otros sistemas. 12. Las necesidades de pretratamiento son muy ligeras, ya que las membranas son muy resistentes a los oxidantes y al ensuciamiento orgánico, por lo que se obtienen muy buenos resultados en el tratamiento de efluentes de plantas de aguas residuales. 13. Las membranas admiten un nivel continuo de cloro libre residual de hasta 0,3 ppm, y valores de pH entre 1 y 10. 14. La salmuera puede trabajar con índices de Langelier positivos hasta 1,8 y niveles de saturación de sulfato cálcico del 150% sin adición de productos químicos. Con pequeñas adiciones de hexametafosfato en el circuito auxiliar de salmuera, pueden alcanzarse saturaciones de hasta el 400%. 15. El costo de instalación suele ser mayor y el de operación menor, siendo el costo total en la mayoría de los casos menor que el de ósmosis inversa. 16. El diseño de los sistemas de E.D.R. permite limpiar las membranas de tres formas: a) Continuamente por medio del cambio de polaridad. b) Periódicamente por limpieza química. — 14 —

c) Ocasionalmente, y de ser necesario por el desmontaje y limpieza manual de las membranas individualmente. 17. La producción de cloro gas como subproducto origina un ahorro extra en los usos no agrícolas. 18. Es insensible a la cantidad de sílice existente en el agua bruta.

CAPÍTULO 4 (LA PILA DE MEMBRANAS) El bloque de construcción básico de un sistema de E.D. es la pila de membranas. En este capítulo se discutirán las características físicas de la pila de membranas. 4.1. Características físicas Si el tanque multicompartimental usado en el capítulo anterior (figura 3.2.) se gira sobre un extremo, tendremos la orientación normal de una pila de membranas estándar. (figura 4.1.)

Figura 4.1.

Después de un examen más atento podemos ver en la pila una repetición de membranas aniónicas y catiónicas. Los espacios entre membranas representan los caminos de los flujos concentrados y desmineralizados formados por separadores de plástico, llamados espaciadores de flujo concentrado y desmineralizado respectivamente. Estos espaciadores están hechos de polietileno de baja densidad y están dispuestos en la pila de tal modo que todos los flujos desmineralizados están conectados juntos y todos los flujos de concentrado también están interconectados. Una sección repetitiva, llamada par de célula, está compuesta de: • Una membrana de transferencia catiónica.

— 15 —

• Un espaciador de flujo de agua desmineralizada. • Una membrana de transferencia aniónica. • Un espaciador de flujo de agua concentrada.

Figura 4.2.

Una pila típica puede tener entre 300 y 500 pares de células. La figura 4.3., muestra el flujo de las dos corrientes de agua a través de la pila. Una corriente de agua entra en la pila y fluye en paralelo, solo por los compartimentos de desmineralización, mientras que la otra corriente, entra a la pila de membranas y fluye en paralelo solo a través de los compartimentos de concentración. Debe advertirse que los flujos de agua fluyen entre las membranas y no por ellas. Cuando los flujos de agua pasan entre las membranas, los iones son eléctricamente transferidos a través de las membranas, desde la corriente desmineralizada a la concentrada bajo la influencia del potencial de C.C.

— 16 —

Figura 4.3.

El agua de los compartimentos de electrodos, no se mezcla con las corrientes de desmineralizado ni concentrado. Después de salir de la pila, el flujo combinado de electrodos se envía a un desgasificador, para sacar al exterior los gases de reacción. Más tarde se explicará algo más del flujo de electrodos. También se muestra en la figura 4.3., las placas superior e inferior que son de acero, y que se usan con tirantes para comprimir la pila entera, sellando de este modo las membranas y los espaciadores para proveer caminos de concentrado y desmineralizado y evitar fugas laterales de agua en las pilas. Después de esta visión general de la pila y sus componentes principales pasemos a ver más detalladamente sus elementos funcionales. 4.2. Membranas 4.2.1. Membranas catiónicas La membrana catiónica es, esencialmente, una resina cambiadora de cationes, fabricada en forma de lámina, con un espesor aproximado de 0,5 mm. Las propiedades básicas de las membranas catiónicas son: • Esencialmente impermeables al agua bajo presión. • Eléctricamente conductora. • Solo transfiere cationes y rechaza los aniones. — 17 —

4.2.2. Membranas catiónicas gruesas Una membrana catiónica gruesa tiene todas las propiedades de la membrana catiónica normal, pero está hecha con un espesor dos veces el de la normal, con miras a resistir mayores presiones diferenciales. Esta membrana es utilizada en el compartimiento de electrodo y como membrana ínter etapa. Se discutirá con más profundidad cuando se hable de estos temas en capítulos posteriores. 4.2.3. Membranas aniónicas La membrana aniónica es, esencialmente, una resina cambiadora de iones fabricada en forma de lámina, con un espesor aproximado de 0,5 mm. Las tres propiedades básicas de las membranas aniónicas son: • Esencialmente impermeables al agua bajo presión. • Eléctricamente conductora. • Solo transfiere aniones y rechaza los cationes. Las membranas aniónicas tienen la misma forma, orificio de colectores y tamaño que la membrana catiónica. 4.3. Espaciadores Los espaciadores están formados por láminas de material plástico, con los orificios que forman los colectores que se alinean con los colectores de las membranas. Cuando una pila de membranas es montada correctamente, los orificios de los colectores en las membranas y espaciadores, forman tubos verticales en la pila. El agua entra en un espaciador entre dos membranas por los caminos del flujo que están conectados con los orificios colectores de salida. Existen dos cortes en los orificios del espaciador que canalizan selectivamente el flujo de agua entre las membranas, para formar dos corrientes separadas de concentrado y desmineralizado.

Figura 4.4.

— 18 —

La figura 4.4., muestra el agua entrando en el orificio «A». El agua fluye a través del espaciador, como indican las flechas, y sale por el orificio «C».

Figura 4.5.

En la figura 4.5., se aprecia que el agua que entra por el colector A se encuentra con un espacio estanco a su alrededor y por tanto no puede fluir por el espaciador y continúa su camino hacia el siguiente espaciador. Lo mismo sucede en el colector C. Se observa además que el agua que está entrando por el colector B, se ve obligada a dividirse en dos flujos, tal y como indican las flechas y después de recorrer el espaciador, sale por el colector D. Suponga que el espaciador 4.5. está en un compartimiento desmineralizado y el espaciador 4.4. en un compartimiento concentrado. Ambos flujos entrantes, recorrerán la pila verticalmente, el desmineralizado por el canal B y el concentrado por el canal A. Cuando el flujo de desmineralizado se encuentra con un espaciador dispuesto como en la figura 4.5. se verá obligado a discurrir entre dos membranas en su camino de salida hacia el colector D, mientras que el flujo de concentrado, al encontrarse con un espacio estanco a su alrededor no podrá fluir y continuará su camino hacia el siguiente espaciador. Veamos ahora lo que sucede en un compartimiento de concentrado. Supongamos otro espaciador, idéntico al anterior, solo que lo hemos girado horizontalmente 180º, es decir, media vuelta en un plano horizontal. Ahora nos encontramos en un compartimiento de concentrado y puesto que hemos girado el espaciador, el flujo que recorre ahora el camino hecho en el espaciador, es el flujo que entra por el colector trapezoidal D, saliendo por el colector rectangular B, mientras que el flujo que entra por el colector rectangular C, no puede fluir y continúa su camino hacia el siguiente espaciador. De esta forma, disponiendo alternativamente los espaciadores, mantendremos los flujos de concentrado y desmineralizado separados entre sí a la entrada y a la salida con un solo tipo de espaciador, eliminando la necesidad de fabricar dos tipos diferentes de espaciadores. — 19 —

4.4. Electrodos Los electrodos metálicos localizados en los extremos superior e inferior de la pila, son usados para conducir la corriente continua. Un electrodo es normalmente una lámina de titanio recubierta de platino. La apariencia física de un electrodo, con respecto a los colectores, puede variar dependiendo de la posición del electrodo en la pila.

Figura 4.6.

Los bordes de color negro del electrodo de la figura 4.6. son de cinta aislante, para evitar el cortocircuito entre electrodos a través de los colectores e inhibir el ataque del hidrógeno que podría tener lugar en los bordes de los orificios del espaciador. El aislamiento alrededor de los colectores y conducciones del flujo del electrodo, es de un compuesto similar a la goma. La vida de un electrodo depende generalmente de la composición iónica del flujo por electrodo y el amperaje transportado por unidad de área el electrodo. En general, altos amperajes y agua con contenido elevado de cloruros o alta tendencia incrustante, tenderán a acortar la vida del electrodo.

CAPÍTULO 5 (MEMBRANAS, ESPACIADORES Y ELECTRODOS) En esta sección se dirá algo más acerca de las propiedades físicas y funciones de las membranas aniónicas y catiónicas, espaciadores de flujo y compartimentos de electrodos. 5.1. Membranas Se utilizan dos tipos de membranas en los procesos de E.D., las membranas de transferencia aniónica y la catiónica. Cada membrana tiene la apariencia física de una lámina de plástico, es esencialmente impermeable al agua bajo presión, y está reforzada con un tejido de fibra sintética. En las membranas que son translúcidas, el tejido se puede ver en su interior. Deben poseer un espesor uniforme, con una textura suave. — 20 —

Las membranas se fabrican normalmente con un espesor de aproximadamente 0,5 mm. La excepción a esto es la membrana catiónica gruesa, usada en el compartimiento de electrodos y para separar etapas hidráulicas. Esta membrana tiene aproximadamente el doble de espesor que la corriente. 5.1.1. Membranas aniónicas Durante la producción de la membrana aniónica, se fijan cargas positivas en la membrana matriz. Estas cargas positivas fijadas son normalmente de iones de amonio cuaternario que repelen los iones positivos y permiten la transferencia de iones negativos a su través. La figura 5.1., muestra la estructura química de una membrana aniónica típica.

Figura 5.1.

5.1.2. Membranas catiónicas Durante el proceso de producción de una membrana catiónica, se fijan cargas negativas en toda la membrana. Las cargas negativas fijadas suelen ser sulfonatos, que repelen los iones negativos y permiten el paso de iones cargados positivamente. La figura 5.2., muestra la estructura química de una membrana catiónica típica.

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Figura 5.2.

5.1.3. Propiedades de las membranas Ciertas propiedades son típicas de ambas membranas, aniónica y catiónica: • Baja resistencia eléctrica. • Insolubles en disolución acuosa. • Semi-rígida para facilitar su manejo durante el montaje. • Resistencia al cambio de pH de 1 a 13. • Operación a temperaturas de hasta 50ºC. • Resistente a la presión osmótica cuando trabaja entre soluciones salinas de 220 y 30.000 ppm. • Expectativas de larga vida. • Impermeables al agua bajo presión. 5.2. Espaciadores Los espaciadores forman los caminos de los flujos de desmineralizado y concentrado en el interior de la pila. Están fabricados de material plástico (polietileno o polipropileno) con canales de flujo preformados. Existen dos clases, los de camino tortuoso y los de malla. En la figura 5.3., se muestra un diseño del tipo tortuoso. — 22 —

Como se puede observar, en este tipo el agua sigue un camino prefijado por el diseño de los canales de paso. En los de malla, no existen canales de paso, sino que el espaciador está formado por una malla igual a la utilizada en las membranas de osmosis inversa y el agua se distribuye por toda su superficie. Las funciones de un espaciador son diversas: • Separar las membranas evitando que se toquen y cortocircuiten. • Originar un camino para que el agua pueda circular. • Generar la separación entre agua de alimentación y salmuera. • Provocar la alternancia de flujos (alimentación-salmuera) a lo largo de la pila. • Provocar la mayor turbulencia posible (Numero de Reynolds alto). En la figura, el flujo entrante al espaciador por el colector A, se divide en dos flujos simétricos B y C, los cuales a su vez están divididos en tres o cuatro flujos paralelos, que recorren sus caminos por el espaciador hasta que alcanzan el colector de salida D.

Figura 5.3.

Si examinamos más de cerca el espaciador, revelará una disposición de barreras cruzadas, que parecen bloquear el paso del agua. Sin embargo, el flujo solo tiene un camino y se verá forzado a recorrer el espaciador salvando estas barreras y efectuando, por tanto, un recorrido ondulante. Este tipo de flujo causa turbulencias en el agua, permitiendo mayor corriente eléctrica por unidad de área, y por tanto, mayor rendimiento del área de la membrana en la pila.

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Figura 5.4.

La figura 5.4., muestra un corte seccional de un espaciador de camino tortuoso, ilustrando el flujo alrededor de las barreras cruzadas. Este diagrama muestra un espaciador entre dos membranas para formar un compartimiento de flujo. Se puede ver también que el espaciador esta formado por dos láminas de plástico preformadas y pegadas juntas. La turbulencia creada en el flujo por las barreras cruzadas, promueve la mezcla, lo cual ayuda a la transferencia de iones a la superficie de la membrana. La turbulencia disminuye el espesor de la capa límite y reduce las incrustaciones en la superficie de las membranas. 5.2.1. Parámetros de espaciadores La longitud del camino del flujo determinará la velocidad del agua para una caída de presión dada en la pila de membranas. La velocidad del agua determina a su vez el grado de turbulencia en el camino del flujo y la cantidad de tiempo que una cantidad de agua es expuesta a la influencia del campo eléctrico. Por tanto, la cantidad de desalinización por recorrido, o pase por un par de células, la velocidad del agua y la caída de presión son parámetros de diseño. 5.3. Compartimentos de electrodos Los compartimentos de electrodos se localizan normalmente en los extremos alto y bajo de la pila de membranas. Un compartimiento de electrodo está formado por un electrodo, un espaciador de flujo de electrodo y una membrana catiónica gruesa. El espaciador de electrodo tiene un espesor varias veces mayor que uno normal. Esto le permite pasar un gran caudal de agua por su interior, reduciendo las incrustaciones y desgastes en el electrodo. La membrana catiónica gruesa se usa para compensar la ligera presión diferencial entre el compartimiento de electrodo (aprox. 0,15 kg./cm2 inferior) y el flujo principal de la pila.

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Figura 5.5.

El espaciador de electrodo tiene canales preformados que evitan que el agua del compartimiento de electrodos entre en los flujos principales de la pila. Cuando se coloca adyacente a una membrana catiónica gruesa, el espaciador del electrodo forma un camino del flujo independiente. El espaciador de electrodo, con sus canales colectores separados se muestra en la figura 5.5., entre el electrodo y la membrana catiónica gruesa. El afluente del compartimiento del ánodo (electrodo positivo), contiene oxígeno gas (O2), iones de hidrógeno (H+), y en el caso de aguas que contengan cloro, gas de cloro (Cl-). Los iones de hidrógeno reducen el pH del agua en este compartimiento, creando una solución ácida. El afluente del cátodo (electrodo negativo), contiene hidrógeno gas (H2), e iones hidroxilos (OH-). Estos iones OH-, aumentan el pH del agua en este compartimiento, creando una solución incrustante o alcalina. Después de salir de la pila, los dos flujos de electrodos son enviados a un separador de gas para eliminar y sacar al exterior, de un modo seguro, los gases producidos en la reacción de los electrodos.

CAPÍTULO 6 (TECNOLOGÍA DE ELECTRODIÁLISIS E.D.) La electrodiálisis (E.D.), se ha explicado como un proceso en el cual los iones son transferidos de una solución menos concentrada a otra más concentrada por medio de una corriente continua. La pila de membranas y sus componentes ya han sido explicados. Esta sección revisará y aumentará los conocimientos básicos de la tecnología de E.D. Las leyes primarias que controlan los procesos de E.D. son: • Disociación de las sales en agua.

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• Propiedades de las membranas. • Ley de Faraday. • Ley de Ohm. 6.1. Disociación de sales Los iones se forman por disociación de las sales minerales, álcalis y ácidos en el agua. El cloruro de sodio (ClNa), que es un sólido cristalino, se disuelve y disocia en el agua para formar iones de sodio (Na+) e iones de cloruro (Cl-) (véase el capítulo 2). Estos iones conducen la electricidad por la solución. La conductividad de una solución dependerá de la concentración de iones, tipo y temperatura de la solución. NOTA: Ciertas materias que se disuelven en el agua, tales como los azúcares, no forman soluciones iónicas. Las soluciones de esas materias no contienen iones, no conducen la electricidad y por tanto, no son afectadas por el proceso de E.D. 6.2. Propiedades de las membranas Las más importantes propiedades de las membranas de E.D. son su selectividad de iones y su conductividad eléctrica. La selectividad de las membranas catiónicas y aniónicas, son del 90% generalmente, para soluciones de normalidad 0,5 a 0,7, pero disminuye con concentraciones más elevadas. Las membranas tienen baja resistividad, por lo que disminuye el consumo de energía, lo cual aumenta el rendimiento del sistema de E.D. La resistencia de las membranas disminuye al aumentar la concentración de la solución. También, el cambio de resistencia eléctrica del sistema de membranas con la temperatura, tiene un efecto similar al cambio de la resistencia de la solución. Otras propiedades de las membranas se han discutido en el capítulo 5. 6.3. Ley de Faraday La ley de Faraday, relacionada con el proceso de E.D. dice que el paso de una cantidad de 96.500 amperios de corriente eléctrica en un segundo, transferirá un gramo equivalente de sal. La cantidad de 96.500 amperios/segundo es un Faraday. Esto es igual a 26,8 amperios por hora. La cantidad de cloruro sódico, por ejemplo, que será transferido en un proceso electrolítico por 96.500 amperios/segundo, será de un gramo equivalente de iones sodio (23 g), al cátodo y un gramo equivalente de iones cloruro (35,5 g), al ánodo, con un rendimiento del 100% de la corriente. La ley de Faraday, por tanto, es la base para calcular la cantidad de corriente necesaria en un sistema de E.D. para transferir una cantidad de sales específica. Esta ley, puesta en la forma para usar en cálculos de E.D. es:

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Donde: I = Corriente continua en amperios. F* = Constante de Faraday (96.500 amperios/segundo equivalente). ΔN = Cambio en la normalidad del flujo desmineralizado entre la salida y la entrada de la pila de membranas. Fd = Flujo de agua desmineralizada por la pila (en litros/segundo). e = Rendimiento de la corriente. N* = Número de pares de células. 6.4. Ley de Ohm La ley de Ohm dice que el potencial (E) de un sistema eléctrico es igual al producto de la corriente (I) y la resistencia del sistema (R). E=IxR Donde: E se expresa en voltios. I se expresa en amperios. R se expresa en ohmios. Para determinar las necesidades de voltaje para un sistema dado, la corriente se calcula por la ley de Faraday y la resistencia se determina por los componentes de la pila de membranas y la solución a tratar. Los componentes que contribuyen a la resistencia de la pila son los expresados en la siguiente ecuación: Rcp = Rcm + Ram + Rc + Rd Donde: Rcp = Resistencia, por unidad de área, de un par de células. Rcm = Resistencia, por unidad de área, de la membrana catiónica. Ram = Resistencia, por unidad de área, de la membrana aniónica. Rc = Resistencia, por unidad de área, del concentrado. Rd = Resistencia, por unidad de área, del desmineralizado. Las dimensiones de todas las resistencias son el Ohmio/cm2. Los factores que afectan a la resistencia de las pilas son, entre otros, la temperatura, tipo de iones y concentración de la solución. Mayor temperatura y mayor concentración de la solución, disminuyen la resistencia de la solución y por tanto, la resistencia de la pila. Normalmente, por cada grado ºC de cambio en la temperatura, hay un 2% de cambio en la resistencia de la pila.

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En cuanto a los tipos de iones, la resistencia disminuye cuando los porcentajes de Na+ y Cl– (basados en los epm totales de cationes y aniones), aumenta. 6.5. Rendimiento de la corriente Con base a la ley de Faraday, se puede calcular el rendimiento de la corriente que se está utilizando en la transferencia de sales en la pila. Teóricamente, por cada 26,8 amperios/hora, será transferido un gramo equivalente de sal en cada par de células. En este caso el proceso tendría un 100% de rendimiento. Para determinar el rendimiento de la corriente, se han de obtener lecturas de operación que incluyan: • Corriente (amp.). • Caudal de desmineralizado (Fd en litros por hora). • Concentración del agua de alimentación y producto. • Número de pares de células entre electrodos. Dada esta información, el rendimiento de la corriente (e) se calcula de acuerdo a la siguiente ecuación:

La siguiente lista es una lectura de operación: Agua de alimentación:

0,0480 N (2805 ppm)

Agua producto:

0,0078 N ( 456 ppm)

Caudal de diluido (Fd):

9.765 l/h

Amperímetro (I):

25,5 A

Pares de células (N*):

450

Constante de Faraday (F*):

26,8 A/h

La diferencia entre las concentraciones de alimentación y producto es: ΔN = 0,0480 – 0,0078 = 0,0402 Por tanto:

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Las pilas de membranas comerciales tienen un rendimiento estándar mínimo del 88% para aplicaciones con aguas salobres. Un rendimiento del 88% nos dice que el 88% de la corriente empleada se invierte en la transferencia de iones del flujo desmineralizado al concentrado. El 12% restante se puede atribuir a varias causas, entre las cuales están las fugas cruzadas y la retrodifusión. Otras causas son: • Disipación por calor • Membranas no 100% selectivas • Polarización • Quemaduras (corrientes horizontales) • Contrapotenciales por diferencia de concentración • Membranas no 100% impermeables • Fugas directas a través del colector

CAPÍTULO 7 (PARÁMETROS DE DISEÑO) El diseño de una planta de electrodiálisis (E.D.) está basado en las necesidades del agua producto y las características del agua de alimentación a ser tratada. Hay varios parámetros limitadores que han de ser tenidos en cuenta para un correcto diseño de la planta. Estos parámetros se discuten a continuación. 7.1. Densidad de corriente límite (polarización) La densidad de corriente puede ser aumentada hasta que la corriente para transferir iones exceda del número de iones que pueden ser transferidos. Este punto se llama densidad de corriente límite. La densidad de corriente se expresa usualmente como (DC/Nd)lim, donde DC es la densidad de corriente (cantidad de corriente transportada por unidad de área de la superficie de membrana) y Nd es la normalidad del flujo desmineralizado de salida. Este límite es función de la velocidad del fluido, de su temperatura y del tipo de iones presentes. Mientras que prácticamente todos los iones son transportados a través de las membranas de E.D. por transporte eléctrico, solo alrededor de la mitad de los iones que alcanzan las superficies de las membranas desde la masa de la solución, son transportados por el flujo eléctrico. Los iones restantes llegan como resultado de procesos de difusión y convección. Puesto que los iones son eléctricamente transferidos desde la célula desmineralizadora a través de las membranas, la concentración de iones en la delgada capa inmediatamente adyacente a la superficie de la membrana es muy pequeña. Cuando la densidad de corriente aumenta, la capa de solución próxima a la membrana se llega a vaciar tanto en iones que la resistencia eléctrica sube rápidamente. El aumento de la resistencia se traduce en un aumento de voltaje que eventualmente excede el voltaje de ruptura para las moléculas de agua causando, por tanto, su disociación, y formando iones de hidrógeno (H+) e hidroxilo (OH-). Cuando tal disociación de moléculas de agua se produce, hemos alcanzado el punto de «polarización». La transferencia de iones de hidrógeno en el caso de — 29 —

las membranas catiónicas, y de hidroxilos en el caso de las membranas aniónicas, llega a ser apreciable. La extensión de la transferencia de iones de hidrógeno e hidroxilo depende de la proporción de la concentración de iones de hidrógeno y los otros cationes en la superficie de la membrana catiónica y la proporción de iones de hidroxilos y los otros aniones en la superficie de la membrana aniónica. La polarización ocurre entonces gradualmente cuando el voltaje aplicado a la célula de membrana (y por tanto la densidad de corriente) se aumenta. La polarización, como se ha discutido anteriormente, solo ocurre en los compartimentos desmineralizados, puesto que es en estas células donde está teniendo lugar la separación. La polarización no llega a ser, normalmente, significativa en ambas membranas al mismo tiempo. Cuando la polarización llega a ser pronunciada en una membrana de transferencia aniónica, los iones hidroxilos, son transferidos a la corriente de concentrado, haciéndola alcalina. Los iones de hidrógeno remanentes en la célula desmineralizadora procedente del agua disociada, da lugar a una disminución en el pH del flujo desmineralizado. La polarización de las membranas catiónicas, origina una transferencia de iones de hidrógeno al flujo de concentrado, disminuyendo su pH y aumentando el pH del flujo desmineralizado. Por tanto, cambios en el pH de los flujos de proceso, pueden indicar polarización. La operación en densidades de corriente suficientes para causar una polarización significativa puede dar lugar a varias ineficiencias. • La resistencia del par de células aumenta, de modo que también aumentará el consumo de energía. • El rendimiento de la corriente disminuirá, puesto que la transferencia de iones de hidrógeno y/o hidroxilos, no es el objeto de la operación. • En la región de polarización, cada incremento adicional de corriente es menos efectivo en transferir los iones deseados. Se ha observado que el límite de la densidad de corriente puede ser aumentado si la temperatura del fluido y/o su velocidad aumenta. En el diseño de sistemas de E.D. comerciales se usa el 70% de la densidad de corriente límite, como máxima densidad de corriente permitida. Este valor prevé un razonable nivel de seguridad en el diseño del sistema. 7.2. Fugas de corriente / quemaduras Para un sistema dado de E.D., existe un límite en el voltaje aplicado. Este límite está en función de la temperatura del agua, concentraciones de los flujos, tamaño de la membrana y sección interior del colector. Si se sobrepasa este límite, una corriente eléctrica excesiva pasará horizontalmente desde el electrodo a través de una membrana adyacente al colector de flujo de concentrado, generando suficiente calor como para dañar algunas membranas y espaciadores en las inmediaciones del electrodo. El límite de voltaje se define como el voltaje al cual resulta afectado solo el par adyacente al electrodo. La práctica normal de diseño limita la tensión aplicada a la pila a un 80% de este voltaje. — 30 —

7.3. Retrodifusión La retrodifusión ocurre cuando la concentración de iones del flujo concentrado es sustancialmente más alta que la concentración en iones del flujo desmineralizado. El resultado es que algunos iones del flujo concentrado regresan a través de la membrana al flujo desmineralizado en contra de la fuerza ejercida por la tensión de C.C. La retrodifusión debe ser tenida en cuenta durante el diseño de una planta de E.D. Típicamente, el rendimiento de las membranas disminuye cuando la proporción entre las concentraciones es igual o superior a 150:1. 7.4. Índice de Langelier (I.L.)

Figura 7.1.

La acumulación de iones de Ca++, STD y HCO3- - en el flujo de concentrado como resultado de la purificación del flujo desmineralizado, puede dar lugar a incrustaciones de Ca CO3. El índice — 31 —

de Langelier (I.L.) indica la tendencia incrustante de un agua específica. Este índice es la diferencia entre el valor actual del pH y el pH al cual ocurrirá la incrustación para una composición particular de iones presentes. Por tanto, un índice positivo indica una tendencia a incrustar, mientras que un índice negativo indica una tendencia negativa a la formación de incrustaciones o corrosiones. Los sistemas de E.D. que utilizan la inversión de la polaridad de la pila para controlar la formación de incrustaciones, (EDR) pueden operar con valores del I.L. de hasta +2,1. Se pueden hacer ciertos ajustes en el sistema para disminuir el I.L. que incluyen la disminución del porcentaje de sal extraído o bien la disminución del porcentaje de agua recuperada. Por otra parte, el I.L. puede bajarse mediante el pretratamiento del agua de alimentación para eliminar los iones Ca++ y Mg++ o por inyección química de ácido, en el flujo de concentrado. 7.5. Saturación de sulfato cálcico Puesto que la solubilidad del sulfato cálcico es solo ligeramente sensible al pH, el control y prevención de la precipitación del SO4Ca se lleva a cabo limitando la concentración de calcio y sulfato en el flujo de concentrado. Así como en el I.L. esto se puede mejorar disminuyendo el porcentaje de sal extraída o disminuyendo el porcentaje de recuperación de agua. La alternativa química incluye la inyección de agentes tales como el hexametafosfato sódico, poliacrilatos, fosfonatos, maleatos,etc. en el agua de alimentación o en el flujo de concentrado, que inhiban la precipitación del SO4Ca o bien eliminando el Ca++ del flujo de alimentación. Afortunadamente, aun altas concentraciones de SO4Ca por encima del nivel reconocido de saturación, pueden ser manejadas satisfactoriamente en los sistemas de electrodiálisis reversible (E.D.R.) Esto es debido al retraso de tiempo existente en la precipitación del SO4Ca combinado con el efecto de inversión de polaridad.

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Figura 7.2.

El límite superior de diseño de un sistema E.D.R., sin adición de química es un 175% de la saturación de SO4Ca. Con adición de química al flujo de concentrado, este límite puede aumentar hasta el 300% del punto de saturación en plantas de tratamiento de agua comerciales. En la figura 7.2., se muestra un gráfico de solubilidad del sulfato de calcio. Para usar este gráfico, los ppm de saturación de Ca++ se determinan del porcentaje de epm de Ca++ respecto al total de los cationes, y los porcentajes de epm de SO4- - respecto al total de aniones. El porcentaje de saturación del SO4Ca se define como:

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CAPÍTULO 8 (DISEÑO DE LA PILA DE MEMBRANAS) Cada sistema de E.D. se diseña para unas necesidades de aplicación particulares. La cantidad necesaria de agua tratada determina el dimensionado de la unidad de E.D., bombas, tuberías y tamaño de la pila. La fracción de sal a extraer determina la disposición de las pilas de membranas. 8.1. Etapas La manera en la que se dispone el conjunto de pilas se denomina etapa. El propósito de las etapas es el de prever suficiente área de membrana y tiempo de retención para eliminar una fracción específica de sal del flujo desmineralizado. Se usan dos tipos de etapas; etapas hidráulicas y etapas eléctricas. La pila de membranas discutida en el capítulo 4 es un ejemplo de una pila de una etapa hidráulica y una etapa eléctrica. Esto es, el flujo de agua que entra en la pila, hace un solo recorrido a través de las membranas, entre un único par de electrodos y sale al exterior. 8.1.1. Etapas hidráulicas Típicamente, la máxima extracción de sal de una etapa hidráulica suele ser del 40 – 60% con valores normales de diseño del 50%. Para aumentar la cantidad de sal extraída en un sistema de E.D., deben incorporarse etapas hidráulicas adicionales. En sistemas donde son precisas altas capacidades, se incorporan etapas hidráulicas adicionales simplemente adicionando más pilas en serie para obtener la pureza del agua deseada (figura 8.1.) Note que en esta disposición cada pila solo tiene una etapa eléctrica, es decir, un solo ánodo y un solo cátodo.

Figura 8.1.

En sistemas donde las etapas hidráulicas adicionales se incorporan en el interior de una única pila, se utiliza una o más membranas inter-etapas. Esta membrana es una membrana catiónica gruesa con todas las propiedades de una membrana catiónica normal. Sin embargo su espesor es el doble (1 mm) que el de una membrana catiónica normal (0,5 mm) para resistir una mayor presión diferencial que la de una membrana normal. La membrana catiónica gruesa tiene solo dos colectores, al contrario de los cuatro colectores que tienen las demás membranas. La membrana catiónica gruesa se incluye como uno de los componentes que forman el par de células, puesto que su función es la misma que la de una membrana catiónica corriente. Una

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etapa hidráulica se forma colocando la catiónica gruesa, o membrana inter.-etapa, en el lugar apropiado en la pila de membranas. Las dos aberturas de los colectores se colocan sobre los colectores de salida de la pila para lograr el efecto mostrado en la figura 8.2.

Figura 8.2.

Un ejemplo ilustrará el significado de las etapas hidráulicas. Si el agua de entrada tiene 2.000 ppm y la salinidad del agua producto deseada es de 250 ppm, se requerirán tres etapas hidráulicas, suponiendo una extracción de sal por etapa del 50%. La eliminación de sal por etapa sería como sigue: • Etapa hidráulica 1: 2.000 ppm entrada – 1.000 ppm salida (50% extraído). • Etapa hidráulica 2: 1.000 ppm entrada – 500 ppm salida (50% extraído). • Etapa hidráulica 3: 500 ppm entrada – 250 ppm salida (50% extraído). Puede verse en este ejemplo que la cantidad de sal extraída en cada etapa sucesiva disminuye. • Etapa hidráulica 1: 1.000 ppm. • Etapa hidráulica 2: 500 ppm. • Etapa hidráulica 3: 250 ppm. La extracción de sal de un volumen de agua dado es directamente proporcional a la corriente e inversamente proporcional a la proporción de flujo a través de cada par de células. Corrientes más altas transferirán mayores cantidades de sal. Proporciones de flujo más altas disminuirán las cantidades de sal a ser extraídas de una cantidad de agua dada debido al menor tiempo de retención en la pila.

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Si las tres etapas hidráulicas están contenidas en el interior de una única etapa eléctrica, con lo cual la corriente y por tanto la sal extraída por cada par permanece constante, la proporción de flujo por par de células tendrá que ser doblada para cada etapa sucesiva para obtener la disminución de ppm mostrada en el ejemplo. Esto es, el número de pares de células en la etapa 2, tendría que ser la mitad de las de la etapa 1, etc. Esto requiere que la proporción de flujo de la etapa 2, sea dos veces el de la etapa 1, y el flujo de la etapa 3, sea dos veces el de la etapa 2. Puesto que el flujo total en cada etapa es idéntico, el único modo de aumentar la proporción de flujo por par de células en las sucesivas etapas es disminuir el número de pares de células en aquellas etapas. Sin embargo, esta disposición puede dar lugar a un problema hidráulico. Disminuyendo el número de pares de células en una etapa hidráulica, y aumentando la proporción de flujo por par de células, se aumenta la caída de presión en cada etapa. En algún punto, la caída de presión a través de la pila completa, excederá el límite de presión a la entrada de la pila de 3,4 bar. Si en este ejemplo, la primera etapa hidráulica tiene 200 pares de células y necesita 0,34 bar para forzar un volumen de agua dado a través de esta etapa, las etapas 2 y 3 requerirán lo siguiente. • Etapa 2: Puesto que solo una mitad de la cantidad de sal es extraída en la segunda etapa respecto a la primera, la proporción de flujo (velocidad) tiene que ser aumentada en un factor de dos, es decir, doblando el flujo de agua por unidad de tiempo y aumentando la presión necesaria a 1,06 bar Esto se cumple disminuyendo el número de pares de células en el factor 2 a 1, o sea instalando 100 pares de células. • Etapa 3: En la etapa 3 el número de pares de células debería ser de 50 para que fuera de nuevo la proporción de flujo el doble. Sin embargo, se necesitarían ahora 3,36 bares para forzar el mismo volumen de agua a través de la etapa 3. La caída de presión total en la pila, por tanto, sería de 4,76 bar. Puesto que el límite de 3,4 bar de presión de entrada ha sido sobrepasado, hay que incorporar un tipo de etapa adicional, conocida como etapa eléctrica. 8.1.2. Etapas eléctricas Las etapas eléctricas se llevan a cabo insertando pares de electrodos adicionales en la pila de membranas. Esto da flexibilidad en el diseño del sistema, facilitando la extracción máxima de sales mientras que se evitan polarizaciones y las limitaciones de presiones hidráulicas. Cada etapa eléctrica permite el uso de una corriente eléctrica controlada (I) a cada par de células en una etapa. En el ejemplo mostrado en la figura 8.3. si se usan dos etapas eléctricas, habría ahora dos corrientes independientes (I1) y (I2). Supóngase que la pila está dispuesta como se muestra en la figura 8.3.

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Figura 8.3.

Las etapas hidráulicas 1 y 2 son ahora la etapa eléctrica 1, y la etapa hidráulica 3 es la etapa eléctrica 2. Con posibilidad ahora de introducir una corriente eléctrica más baja (I2) a la etapa hidráulica 3, pueden adicionarse más pares de células para disminuir la caída de presión a un nivel aceptable. Usando 100 pares de células en la etapa 3, la caída de presión sería de 1,06 bar en la etapa 3 y daría una caída total de presión para la pila de 2,46 bar, lo cual está dentro del límite aceptable de 3,4 bar.

Figura 8.4.

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El concepto de etapa conduce a una gran flexibilidad en el diseño del sistema usando componentes estándar. Si se necesita un 75% de desmineralización, se instalarán 2 etapas hidráulicas y 2 etapas eléctricas, para obtener este porcentaje. Si se necesitaran más etapas, estas se pueden adicionar en cualquier momento, añadiendo simplemente mas pilas en serie. Esto puede ser necesario, por ejemplo, si ocurre que un acuífero salobre se hace más salino con el tiempo, o si se desea obtener un producto con menor salinidad. 8.2. Caída de presión / espaciadores de flujo de agua La caída de presión a través de una pila de membr anas es la suma de caídas de presiones a través de cada etapa hidráulica, la cual depende a su vez del tipo de espaciador, de la producción de flujo por etapa y del número de pares de células de cada etapa. Cada modelo de espaciador tiene un perfil presión-velocidad diferente. Para calcular la velocidad del agua en la pila, se utilizan la siguiente ecuación de conversión: V = K * Lpm/pc Donde: V = Velocidad del agua en el espaciador en cm/sg. Lpm/pc = Proporción de caudal de entrada de desmineralizado por par de células en litros por minuto. Las curvas de presión-velocidad (figura 8.5.) predicen las caídas de presión para los diferentes modelos de espaciadores a través de una única etapa una vez que la velocidad en esa etapa haya sido calculada.

Figura 8.5.

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8.3. Presión diferencial La presión diferencial es la diferencia de presión hidráulica entre los flujos desmineralizado y concentrado. Durante la operación normal de la pila de membranas, la presión del flujo desmineralizado se mantiene (de 25 a 75 cm de columna de agua) más alta que la presión del flujo de concentrado. El propósito de mantener esta presión del flujo desmineralizado mayor que el de concentrado es asegurar que si ocurren pérdidas internas en la pila (fugas cruzadas) entre los colectores de desmineralizado y concentrado, sea el flujo desmineralizado el que pase al de concentrado y no al revés, ya que entonces resultaría contaminado el flujo desmineralizado por el concentrado. 8.4. Transferencia de agua Pequeñas cantidades de agua se transfieren eléctricamente (pero no hidráulicamente) a través de las membranas con los iones. La cantidad de agua transferida varía con el tipo de membrana y la concentración de la solución. Normalmente se transfiere el 0,5% del flujo desmineralizado por 1.000 ppm de sal extraída. 8.5. Límite de temperatura Las pilas tienen un límite superior de temperatura de 50 - 60 ºC. Este límite está determinado por el material de los espaciadores, que tiende a perder su rigidez a elevadas temperaturas. Las membranas de transferencia aniónica y catiónica, pueden resistir mayores temperaturas, generalmente en la escala de 60 a 70 ºC.

CAPÍTULO 9 (SISTEMAS DE ELECTRODIÁLISIS E.D.) En esta sección se explicarán varios sistemas de E.D. así como su evolución histórica. 9.1. Evolución histórica El primer sistema de E.D. desarrollado comercialmente era el sistema de lotes. La figura 9.1., muestra el diagrama de flujo de este sistema. En un sistema de lotes, el agua de alimentación se recircula desde un tanque de apoyo a través de una única pila hasta que se alcanza la pureza final deseada. El nivel de producción es, por tanto, dependiente de la concentración de minerales disueltos en el agua de alimentación y del grado de desmineralización deseado. El diagrama de flujo muestra dos corrientes principales que fluyen en paralelo a través de la pila de membranas. Uno de estos flujos es desmineralizado progresivamente cuando es recirculado por el sistema. Este flujo se llama flujo desmineralizado o flujo producto. El otro flujo principal recirculado por el sistema es el flujo de concentrado. Su misión es recoger la sal que se transfiere desde el flujo desmineralizado. El flujo de concentrado se recircula para disminuir la cantidad de agua de deshecho (rechazo). La recirculación, sin embargo, aumenta la concentración del flujo a un nivel mucho más alto que el de agua de alimentación. Para controlar la concentración de minerales y prevenir las incrustaciones de la pila de membranas, se envía una fracción del flujo de concentrado al deshecho y se necesita una continua adición de agua de alimentación, (aportación). — 39 —

También se muestra en la figura 9.1., los dos flujos de electrodos. Se le adiciona continuamente ácido al flujo del cátodo para evitar la formación de incrustaciones en el compartimiento del electrodo.

Figura 9.1.

9.2. E.D. Continua (unidireccional) El segundo sistema comercial fue el de tipo unidireccional continuo. La figura 9.2., muestra el diagrama de flujo. En este sistema, la pila de membranas contiene dos etapas en serie conectadas internamente de modo que los dos flujos pasan primero a través de la mitad inferior o primera etapa y luego por la mitad superior o segunda etapa. Se puede disponer de más de dos etapas en una única pila y/o dos o más pilas pueden ser dispuestas en serie. El flujo de desmineralizado hace un único recorrido por las pilas y sale como agua producto. El flujo de concentrado es parcialmente reciclado para reducir el deshecho y se inyecta ácido y otros agentes químicos para evitar las incrustaciones en la pila. Hay un electrodo metálico en la parte alta y baja de cada dos etapas. Los dos cátodos ocupan la parte alta y baja de la pila, mientras que los dos ánodos ocupan la parte central de la misma en lados opuestos de un bloque central de plástico.

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Los dos cátodos están hechos de acero inoxidable (o similar metal inerte) y son alimentados en serie, siendo el cátodo de la parte baja alimentado exteriormente por una línea que viene del flujo de entrada de concentrado.

Figura 9.2.

Los ánodos en el centro de la pila están hechos de titanio recubierto de platino y también son alimentados en serie. El inferior o ánodo de la primera etapa, se alimenta del flujo de concentrado en el interior de la pila y está conectado hidráulicamente al alto, o ánodo de la segunda etapa, a través del bloque de plástico central. 9.2.1. Limitaciones del sistema E.D. unidireccional Los tipos de sistemas de E.D. discutidos anteriormente son unidireccionales. Esto es, el movimiento iónico es solo en una dirección (los cationes se moverán hacia el cátodo fijo y los aniones se moverán hacia el ánodo fijo). En tal sistema, se necesita, normalmente, la adición de productos químicos para evitar la incrustación producida por la precipitación del carbonato cálcico y el sulfato de calcio sobre las superficies de las membranas. La incrustación de carbonato cálcico se controla inyectando ácido a la recirculación de concentrado, y la incrustación de sulfato de calcio se controla inyectando un agente inhibidor tal como el hexametafosfato de sodio al flujo de concentrado. Además de la formación de incrustaciones, partículas coloidales o barros, al ser ligeramente electronegativas, pueden acumularse sobre la superficie de las membranas de transferencia aniónicas y causar obstrucciones. El control de las incrustaciones y de los materiales extraños es crítico en la operación de sistemas desaladores unidireccionales de cualquier tipo. El costo de instalar, operar y mantener los sistemas de alimentación química para operar con ácidos fuertes y la viabilidad de conseguir estos ácidos y otros productos químicos, particularmente en áreas remotas, presentan muchos problemas prácticos operacionales. Estos problemas, generalmente, se traducen en altos costes de operación y mantenimiento.

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9.3. Electrodiálisis reversible (E.D.R.) Los sistemas de electrodiálisis reversible (E.D.R) están diseñados para producir agua desmineralizada sin adición constante de productos químicos durante la operación normal, eliminando por tanto, el mayor problema encontrado en los sistemas unidireccionales. El sistema E.D.R utiliza la inversión de polaridad eléctrica para controlar continuamente las incrustaciones y la suciedad de las membranas. En este sistema la polaridad de los electrodos se invierte 3 ó 4 veces cada hora. Esto invierte la dirección del movimiento de iones dentro de la pila de membranas, controlando de este modo la formación de la película de suciedad y la formación de incrustaciones. Esto se muestra en la figura 9.3., en la cual la polaridad de los electrodos del «A» es opuesta a la del «B». En un sistema corriente, la inversión tiene lugar aproximadamente cada 15 minutos y se lleva a cabo automáticamente. Se puede ver en la figura 9.3., que después de que se ha producido la inversión, los flujos que anteriormente ocupaban los compartimentos desmineralizados, se convierten en flujos concentrados y los flujos que anteriormente ocupaban los compartimentos de concentrado, ahora llegan a ser desmineralizados. Por tanto, en la inversión, válvulas operadas automáticamente, cambian los dos flujos de entrada y salida, de modo que el agua de alimentación entrante fluye en los nuevos compartimentos desmineralizadores y el flujo de concentrado fluye en los nuevos compartimentos de concentrado. Esto crea un breve periodo de tiempo en el cual la salinidad del flujo de desmineralizado (agua producto) es mayor que el nivel especificado. Esta cantidad de agua se llama producto fuera de normas o fuera de especificaciones.

Figura 9.3.

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A causa de la inversión, ningún compartimiento de flujo de la pila es expuesto a altas concentraciones por un periodo de más de 15 ó 20 minutos seguidos. Cualquier inicio de formación de sales se disuelve rápidamente y se saca al exterior cuando se invierte el ciclo. La figura 9.4., es un diagrama de flujo E.D.R. típico.

Figura 9.4.

9.3.1. Compartimentos de electrodos Cuando la inversión tiene lugar, las reacciones químicas en el interior del compartimiento del electrodo, también se invertirán, puesto que los electrodos cambian su polaridad. La reacción alcalina en el nuevo cátodo ocurrirá ahora en el antiguo ánodo. De forma similar, la atmósfera ácida generada en el nuevo ánodo ocurrirá ahora en el antiguo cátodo. La atmósfera ácida que envuelve al ánodo y que ayuda a prevenir la formación de incrustaciones tendrá lugar en ambos electrodos con la consiguiente ventaja, puesto que ahora ambos electrodos son alternativamente ánodos. Para obtener el máximo beneficio de la generación de ácido anódica, el flujo del ánodo puede ser operado en la condición de no-flujo, lo que permite a la concentración de iones H+ aumentar y bajar el pH alrededor de 2 a 3. Sin embargo, gases de cloro y oxígeno también están siendo generados en el ánodo. Estos gases tienden a acumularse sobre el electrodo formando una capa de gas que aumenta enormemente la resistencia del electrodo. Esto se conoce como cubierta de gas. Para reducir este problema, se le permite al flujo del ánodo fluir, durante un breve periodo de tiempo, para desalojar estos gases. Esta acción se conoce como un «barrido». Mientras que el ánodo está en modo barrido, el cátodo fluye continuamente para minimizar la concentración de OH-, puesto que una atmósfera alcalina aumentará la formación de incrustaciones. Válvulas solenoides en los flujos de los electrodos controlan automáticamente los flujos del compartimiento del ánodo y del cátodo. Puesto que ambos electrodos están el 50% del tiempo en modo de ánodo, tienen que ser construidos de titanio recubierto con platino. — 43 —

Para resumir, el proceso de E.D.R. tiene cinco efectos positivos en un sistema de membranas: • Rompe la capa de polarización 3 ó 4 veces cada hora, evitando incrustaciones y polarizaciones. • Rompe incrustaciones recientes y las elimina antes de que puedan crecer y dar lugar a problemas. • Reduce la suciedad o formaciones similares sobre la superficie de las membranas por inversión eléctrica del movimiento de las partículas coloidales. • Elimina la complejidad de problemas prácticos asociados a la necesidad de alimentación continua de ácidos u otros productos químicos. • Limpia automáticamente los electrodos con ácido formado durante la etapa anódica.

CAPÍTULO 10 (SISTEMAS DE ALTA RECUPERACIÓN) En muchos lugares del mundo, obtener un suministro de agua de calidad, se está convirtiendo en un problema de creciente dificultad. Se debe tener mucho cuidado en la utilización de los recursos disponibles. Contribuyen a esta situación factores tales como reservas limitadas de agua, altos costes de distribución y altos costes de bombeo en pozos y sistemas de tratamiento de las aguas naturales. Para aliviar esta situación, la recuperación de agua se ha convertido en una consideración importante cuando se diseña y especifica un sistema desalinizador. La recuperación de agua se define como la cantidad de agua producto producida respecto a la cantidad de agua total usada.

En este capítulo se expondrán sistemas para mejorar la recuperación del agua. Los sistemas de E.D.R. tienen una flexibilidad única en elecciones de diseños que pueden maximizar la recuperación del agua donde quiera que este factor sea importante. 10.1. Reciclado del concentrado La recirculación del flujo del concentrado, se llama reciclado del concentrado. Las proporciones de flujo de agua concentrada y desmineralizada a través de las pilas son iguales esencialmente, puesto que la diferencia de presión entre los dos flujos tiene que ser muy pequeña (presión diferencial de 0,03 a 0,07 Kg/cm2). En le caso más simple, esta igualdad de flujo podría conducir a una recuperación del agua desmineralizada de solo la mitad del agua salina tratada. Sin embargo en casi todas las plantas de E.D. y E.D.R. una gran parte del concentrado (con algo de agua de alimentación) se recicla ahorrando, por tanto, agua. La fracción de — 44 —

concentrado que puede ser reciclado está limitada por la solubilidad de la sal menos soluble. Esto es, la fracción de flujo del concentrado reciclado, puede aumentarse hasta que el menos soluble de las sales, precipite. Este nivel de concentración es controlado enviando una fracción del flujo de concentrado al deshecho y adicionando un volumen igual de nueva agua de alimentación a este flujo de reciclado. 10.2. Reciclado del producto fuera de normas

Figura 10.1.

Durante la inversión de una unidad de E.D.R., los flujos de desmineralizado y concentrado se intercambian en la pila de membranas. La salinidad del compartimiento originalmente concentrado cambia su valor de, digamos, 10.000 ppm, al valor del producto de 250 ppm. La duración del período fuera de normas (alta salinidad) es el tiempo requerido para que el agua de alimentación entrante en la entrada del originalmente concentrado en el momento de la inversión de polaridad, pase completamente por el sistema de membranas. Por tanto, cuanto mayor sea el número de etapas, mayor será el tiempo de fuera de normas. En los sistemas de E.D.R. estándar, tanto los flujos de agua como la polaridad de las pilas se invierten simultáneamente. De este modo el perfil de salinidad del agua producto durante este periodo es el que se muestra en la figura 10.1., para un sistema típico de 3 etapas, con un tiempo de 30sg de contacto por etapa hidráulica. El agua producto existente en el sistema entre los tiempos 0 y 30 sg, se tira, puesto que su salinidad es mayor que la requerida por las especificaciones.

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Sin embargo, retrasando la inversión de las válvulas de salida durante un periodo de tiempo controlado, el perfil del producto será el mostrado en la figura 10.2. Esto disminuye el promedio de salinidad del agua fuera de normas a un punto donde, en la mayoría de los casos, es más baja que la salinidad del agua de alimentación.

Figura 10.2.

El agua fuera de normas puede ser, entonces, enviada nuevamente al sistema de alimentación, no siendo, ahora, una fuente de deshecho. La tabla 12 compara la recuperación de dos sistemas de 3 etapas hidráulicas operando bajo idénticas condiciones, excepto que uno tiene un reciclado del agua fuera de normas y el otro no.

Caso base Producto bruto

Reciclado

1.262,625

1.262,625

126,261

126,261

1.136,364

1.136,364

11,363

11,363

Deshecho de concentrado

272,720

272,720

Deshecho de producto fuera de norma

126,261

Producto fuera de norma PRODUCTO NETO Deshecho de electrodos

DESHECHO TOTAL

410,344

284,083

SISTEMA DE ALIMENTACIÓN TOTAL

1.456,715

1.420,447

PORCENTAJE DE RECUPERACIÓN

73,5

80,0

Tabla 12.

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La producción bruta se mantiene constante a 1.262 m3/día. Suponiendo que tarde 30sg en pasar por cada etapa hidráulica y que la inversión de polaridad ocurra cada 15 min. el sistema estaría produciendo agua dentro de especificaciones el 90% del tiempo total de operación (13,5 de cada 15 min.) La producción neta del sistema es, por tanto, 1.136 m3/día. En el primer caso, el agua fuera de normas (126 m3/día) se convierte en parte del deshecho total y la recuperación del sistema es del 73,5%. En el segundo caso, se envía de vuelta al tanque de alimentación. Esto reduce el porcentaje de alimentación en 126 m3/día y aumenta la recuperación del sistema al 80%. 10.3. Inversión secuencial El sistema de inversión secuencial de E.D.R. está basado en controlar independientemente la inversión de las válvulas de entrada, la polaridad eléctrica de cada etapa y las válvulas de salida. La secuencia se inicia con la inversión de las válvulas de entrada. Esto crea un volumen de agua de inversión (una mezcal de flujos desmineralizados y concentrados) el cual fluye entonces a través del sistema. Cuando este volumen de agua pasa por cada etapa consecutiva en el sistema, la etapa correspondiente cambia su polaridad. Finalmente se invierten las válvulas de salida. Por tanto, el agua total de inversión es solo la que contiene una única etapa en vez de la que contiene el sistema completo. El tiempo de fuera de normas se reduce a lo que se requiere para que el agua pase por una sola etapa sin tener en cuenta el número de etapas de la línea en operación en vez del tiempo necesario para recorrer la línea de etapas completa. En la tabla 13 se compara la actuación de un sistema de E.D.R. de 3 etapas operando con y sin inversión secuencial. La tabla también muestra la combinación de inversión secuencial y reciclado del agua fuera de normas.

Caso base Producto bruto

Inversion de fase

Inversion de fase y reciclado

1.262,625

1.262,625

1.262,625

126,261

42,087

42,087

1.136,364

1.220,538

1.220,538

11,363

11,363

11,363

Deshecho de concentrado

272,720

272,720

272,720

Deshecho de producto fuera de normas

126,261

42,087

DESHECHO TOTAL

410,344

326,170

284,083

ALIMENTACION TOTAL

1.546,708

1.546,708

1.504,621

PORCENTAJE DE RECUPERACION

73,5

78,9

81,1

1,82

1,70

1,70

Producto fuera de norma PRODUCTO NETO Deshecho de electrodos

Energía eléctrica kWh/m3

Tabla 13.

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La inversión secuencial aumenta la recuperación aumentando la cantidad de agua producto producida, mientras mantiene constante la cantidad total de agua consumida. En nuestro ejemplo, la producción bruta se mantiene constante en 1.262 m3/día. Usando una inversión de fase secuencial, el tiempo de fuera de normas se reduce de 90 a 30sg, aumentando el tiempo útil del 90 al 96,7%. Por tanto, la producción neta aumenta a 1.220 m3/día. Puesto que la alimentación del sistema se mantiene constante, esto aumenta la recuperación del sistema que pasa del 73,5 al 78,9%. En suma, el consumo eléctrico global se mantiene constante. De este modo el aumento de la producción reduce el consumo de energía neto de 1,82 a 1,70 kW/m3. 10.4. Frecuencia de inversión Pruebas recientes han demostrado que, en la mayoría de los casos, las incrustaciones de las membranas pueden ser controladas eficientemente con una frecuencia de inversión de polaridad reducida. Donde quiera que los sistemas estándar utilicen un ciclo de polaridad de 15 min (tiempo entre cada inversión de polaridad), la mayoría de las unidades pueden operar eficientemente con un ciclo de polaridad de 30 min. Cortando la frecuencia de polaridad a la mitad, la parte de producto global que es fuera de normas se reduce al 50%. Como se muestra en la tabla 14, en el caso de la unidad base, el tiempo es del 10% (1,5 de cada 15 min.) Doblando el ciclo de polaridad a 30 min, el porcentaje se reduce a un 5% (1,5 de cada 30 min.) Esto aumenta la producción neta de 1.136 m3/día a 1.199 m3/día. Como con la inversión secuencial, esto aumenta la producción neta, aumentando la recuperación y disminuyendo el consumo de energía.

Ciclo 15 min

Producto bruto

Ciclo 30 min

Ciclo 30 min inversión de fase y reciclado

1.262,625

1.262,625

1.262,625

126,261

63,132

21,046

1.136,364

1.199,493

1.241,580

11,363

11,363

11,363

Deshecho de concentrado

272,720

272,720

272,720

Deshecho de producto fuera de normas

126,261

63,132

DESHECHO TOTAL

410,344

347,215

284,083

ALIMENTACIÓN TOTAL

1.546,708

1.546,708

1.525,663

PORCENTAJE DE RECUPERACIÓN

73,5

77,6

81,4

1,82

1,73

1,67

Producto fuera de norma PRODUCTO NETO Deshecho de electrodos

3

Energía eléctrica kWh/m

Tabla 14.

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10.5. Reciclado del flujo de electrodos Cuando se combinan los flujos del ánodo y cátodo, se neutralizan químicamente el uno al otro con un pH y salinidad resultante aproximadamente igual que la del agua de alimentación. Los gases que portan estos flujos combinados son sacados al exterior, después de lo cual el líquido es enviado normalmente al deshecho. Sin embargo, puesto que este líquido es esencialmente es mismo que el de alimentación, puede retornar al tanque de alimentación, junto al agua fuera de normas y así incrementar la recuperación del sistema, mientras que se reduce la cantidad total de agua de deshecho. En grandes sistemas, el flujo de electrodos representa una cantidad relativamente pequeña de la cantidad total de agua que está siendo tratada. Sin embargo, en sistemas más pequeños, el flujo de electrodos puede representar una parte significativa del agua tratada. En ambos casos, el reciclado del flujo puede ser un hecho atractivo, basado en el ahorro de agua y el coste de distribución del agua de deshecho. 10.6. Resumen En conjunto, el reciclado del agua fuera de normas aumenta la recuperación reduciendo la proporción de alimentación del sistema. La inversión secuencial y reducción de la frecuencia de inversión, aumenta la recuperación por aumento de la producción neta. Los tres sistemas están basados en aumentar la recuperación del sistema sin incrementar la salinidad del flujo de concentrado. Nótese que en las tablas anteriores tanto la producción bruta (proporción de flujo desmineralizado) y la extracción del concentrado, se mantienen constantes. En otras palabras, el número de ciclos de concentración del concentrado se mantiene constante. 10.7. Adición química En el caso de sistemas de E.D.R. que no usan productos químicos para evitar precipitaciones, la salinidad máxima permisible del concentrado, está determinada principalmente por los valores límites de saturación del SO4Ca y CO3Ca. Esto determina el máximo número de ciclos de concentración del flujo concentrado, lo cual, en combinación con el agua fuera de normas, aumento del tiempo de ciclo de polaridad e inversión secuencial, resultará en una recuperación máxima de un sistema basado en alimentación química cero. Si aún se desea una recuperación más alta del agua de alimentación, esto puede obtenerse por posteriores aumentos en los ciclos de concentración del flujo de concentrado pero los niveles de SO4Ca y CO3Ca serán más altos que los límites establecidos, para compensar esto se puede emplear la inyección de hexametafosfato sódico y/o ácido en el flujo de concentrado. De hecho, la combinación de inyección química con la inversión de polaridad es tan efectiva en el control de la precipitación, que el límite para la saturación del SO4Ca en el flujo de concentrado, se incrementa desde el 150 – 170% para unidades sin adición química hasta el 300 – 400% para unidades con adición de hexametafosfato. Si es necesario, las incrustaciones de CO3Ca se pueden controlar usando inyección de ácido para rebajar el pH del concentrado del sistema, de modo que el índice de Langelier (I.L.) sea menor que +1,8 (valor máximo recomendado para unidades sin adición química). En suma, para ser capaces de obtener recuperaciones muy altas (más del 90%) en la mayoría de las fuentes de alimentación, la combinación de inyección química y E.D.R. tienen dos ventajas particulares. Primero, es suficiente mantener 10 – 15 mg/l de hexametafosfato de sodio solo en el flujo de concentrado, puesto que el hexametafosfato se conserva en el concentrado — 49 —

cuando se recicla éste. Esto se traduce en un consumo muy bajo de hexametafosfato por unidad de producto. Segundo, al contrario que otros muchos procesos que requieren un I.L. negativo en el flujo de concentrado, los sistemas de E.D.R. solo requieren suficiente ácido como para reducir el índice de Langelier a +1,8. Comparativamente, el consumo de ácido por unidad de agua producto será solo una fracción de la que podría necesitarse de otro modo. 10.8. Conclusión Los sistemas de fuera de normas, inversión secuencial y/o aumento de los tiempos de inversión, pueden incorporarse en las unidades de E.D.R para obtener ventaja del sustancial aumento en la recuperación y producción con un mínimo incremento del coste del sistema. Las unidades estándar de E.D.R. todavía utilizan alimentación química cero. Para aquellas aplicaciones donde sean necesarios muy altos porcentajes de recuperación, o aquellas otras donde el coste de distribución del deshecho sea superior al coste químico, se pueden adicionar productos químicos. La mayoría de los sistemas de E.D.R. ya instalados, pueden realizar un aumento en la recuperación del 5 al 10% con modificaciones relativamente menores y con un coste muy bajo. Estas unidades, también pueden ser dotadas con equipos de inyección química para obtener posteriores aumentos en la recuperación. La flexibilidad del sistema de E.D.R. que permite, con modificaciones relativamente simples aumentar la recuperación cuando aumentan los costes de extracción del agua, puede ser una ventaja decisiva para la mayoría los usuarios de sistemas de agua.

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Miércoles 3 de junio de 2009

Introducción a la ósmosis inversa MEDINA SAN JUAN, JOSE ANTONIO

Introducción a la ósmosis inversa  MEDINA SAN JUAN, JOSE ANTONIO; [MED Desalación, S.L.]

ÍNDICE 1. Principios generales. 2. El proceso de ósmosis inversa. 3. Elementos básicos de una instalación de ósmosis inversa. 4. Parámetros fundamentales de la ósmosis. 5. Parámetros importantes de diseño. 6. Ensuciamiento. 7. Polarización. 8. Efectos asociados a las condiciones de uso de las membranas. 9. Standarización de membranas.

—2—

1. PRINCIPIOS GENERALES La ósmosis inversa es un proceso que realiza la separación de sales haciendo pasar el líquido a través de membranas semipermeables. Una solución con una concentración determinada de sales desarrolla en su interior una tensión, conocida como presión osmótica. Si esa solución se pone en contacto con otra de diferente concentración, a través de una membrana semipermeable, se produce un flujo desde la solución más diluída hacia la más concentrada que cesa cuando las concentraciones a ambos lados de la membrana se igualan. Se trata de un proceso natural que se produce por ejemplo en los seres vivos, de forma que las celulas realizan su alimentación mediante ósmosis producida a través de la membrana celular. Si este proceso lo simulamos en el laboratorio, al final se observa que existe una diferencia en la altura o columna del líquido a un lado y otro de la membrana. Ese desnivel o altura es la presión osmótica como consecuencia de la diferencia de concentraciones.

Esquema de ósmosis inversa.

Pero en el proceso de desalación el agua debe desprenderse de las sales y por tanto el flujo debería realizarse desde la solución concentrada hacia la diluida. Como ese proceso no se puede realizar de forma directa o natural, es necesaria la aplicación de una energía o fuerza externa para provocar la separación. De ahí el nombre de ósmosis inversa como consecuencia de la reversibilidad que hay que provocar en el fenómeno o proceso natural. En consecuencia para desalar por osmosis inversa es preciso disponer de una membrana semipermeable y de una fuerza exterior que impulse el agua a través de la membrana, en la dirección aconsejable. Podría pensarse por tanto que se trata de un sistema especial de filtración, aunque realmente es un proceso bastante distinto y más complejo.

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Para comprobarlo podemos analizar la tabla general de los procesos de separación, en la que encontramos que la osmosis realiza una separación de las partículas de menor tamaño. Proceso

Grado de separación en micras

Filtración multicapa

> 100

Filtración cartuchos

>1

Filtración sobre precapa

> 0,5

Microfiltración

> 0,1

Ultrafiltración

> 0,01

Nanofiltración

0,001 – 0,01

Osmosis Inversa

< 0,04

Electrodiálisis

< 0,03

Además si en la escala se compara con los procesos que están inmediatamente próximos, como la Ultra y Microfiltración, no habría que extrañarse de que se tratara de un proceso en el que las membranas tuvieran un poder de corte o reducción mayor y por tanto podría pensarse, que se trata también de una filtración más fina. En última instancia podría asimilarse a una filtración a escala molecular. Sin embargo hay una diferencia importante respecto a los procesos citados. Si la comparamos con la filtración normal, no es solo que esta separe únicamente sólidos, mientras que la osmosis separa moléculas, sino que además en la filtración, toda el agua pasa a través de las membranas, menos las partículas sólidas y en consecuencia hay un flujo o caudal de entrada y otro de salida que son sensiblemente iguales. Por tanto en la filtración directa o normal Fa (Qa) = Fp (Qp). A su vez respecto a las presiones Pa = Pp + Δh, es decir se produce una pérdida de carga en el agua producto más o menos importante en función de la suciedad del agua y la densidad del filtro. Los filtros o membranas se ensucian o tupen por procesos puramente físicos, acumulación de partículas sólidas, y por tanto se limpian parando el flujo a través del filtro y provocándole un flujo en sentido inverso, en el que el agua empuja desde un lado las partículas que se han quedado adheridas en el otro. En la micro o ultrafiltración es también el tamaño de los poros el que determina el grado de filtración, pero estos son tan pequeños que si se recuperara todo el caudal filtrado la tupición del filtro, también por elementos sólidos, sería muy rápida y se perdería mucho tiempo en limpiezas. Para aumentar los períodos de funcionamiento se recurre a dos actuaciones.

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• De un lado se utilizan unos filtros previos para hacer una primera eliminación de partículas sólidas, filtro de unas 100 micras. • Se deriva un pequeño caudal para que constantemente esté arrastrando los sólidos que se depositan sobre la pared de las membranas. En este caso Fa (Qa) = Fp (Qp) + Fl (Ql) Es decir existe una disminución generalmente pequeña en el caudal obtenido. El caudal de lavado contiene todos los elementos sólidos y se elimina o según sea el caso se devuelve al depósito de origen. Y respecto a las presiones. Pa > Pl > Pp El lavado se realiza también a contracorriente y según los casos se realiza con agua y aire o solamente con agua. Cuando tras sucesivos e intermitentes lavados, cada 5 a 15 minutos, no se recupera el poder de filtración se realiza el lavado con productos químicos. Por último en la ósmosis inversa el caudal de alimentación se bifurca en otros dos, uno que atraviesa la membrana y constituye el producto libre de sales, y otro que no la atraviesa y se dedica a diluir las sales que han sido separadas por la membrana y que de no arrastrarse precipitarían sobre la superficie de la misma y provocarían un ensuciamiento o precipitación irreversible. Este caudal constituye el rechazo o salmuera.

Aquí también Fa (Qa) = Fp (Qp) + Fr (Qr) Y las presiones Pa > Pr > Pp Existe además una diferencia importante entre los caudales de entrada y salida de unos y otros procesos, tanto en cuanto a las presiones como en cuanto a su salinidad. En la filtración microfiltración y ultrafiltración, todos ellos tiene una concentración de sales igual o muy parecida y hay pequeñas diferencias en las presiones como consecuencia de la ligera pérdida de carga por rozamiento sobre las membranas o al pasar a través de ellas; sin embargo en la osmosis inversa las concentraciones y las presiones en los tres flujos son muy diferentes. Respecto a las salinidades CEr > CEa > CEp CEa x Fa = CEp x Fp + CEr x Fr —5—

Y en cuanto a las presiones, la del agua a tratar y la del agua de rechazo son elevadas y con diferencias variables en función de la perdida de carga por rozamiento sobre la superficie de las membranas, mientras que la presión del agua producto es prácticamente igual a la atmosférica, pues en el paso del agua a través de las membranas es donde tiene lugar la pérdida de carga o de energía. Esto indica claramente que la presión que se debe aplicar al agua para atravesar las membranas es muy superior a la que se requeriría de acuerdo con la permeabilidad de la membrana, puesto que no solo debe vencer la resistencia que supone esta, sino además la propia presión osmótica de la solución. En la práctica la diferencia de presión necesaria sobre la osmótica debe ser importante para producir un caudal aceptable.

2. EL PROCESO DE ÓSMOSIS INVERSA Puesto que la ósmosis es algo más que una simple filtración, ya que al afectar directamente a los iones, tiene que ver tanto con las propiedades termodinámicas como las del transporte de agua y sales, se han desarrollado varias teorías para su explicación, siendo las más comúnmente aceptadas las siguientes: • Según la teoría de Sourirajan, uno de los primeros investigadores en membranas, existe un flujo de agua a través de los poros de la membrana, que se produce en dos etapas: - En la primera el agua es absorbida preferentemente sobre la superficie de la membrana. - En la segunda, esta capa con el agua absorbida es drenada a través de los poros en la membrana. • La teoría alternativa propuesta por Merten parte de que la membrana no tiene poros y por tanto el flujo convectivo no puede existir. - En su lugar el agua se disuelve en la capa superficial de la membrana y después se difunde a través de una capa sin poros de la misma. - En este segundo modelo el rechazo es función de la solubilidad relativa del soluto y del solvente.

3. ELEMENTOS BÁSICOS DE UNA INSTALACIÓN DE ÓSMOSIS INVERSA De lo que hemos dicho se comprende claramente que los elementos indispensables de una instalación de O.I. son, en primer lugar las membranas y después el equipo que ha de proporcionar la presión necesaria para que el proceso se produzca. Los avances que se han producido a lo largo de los años y que han hecho de la O.I. una tecnología asequible a muchos usos han venido de un lado por la mejora de las membranas, capaces de aumentar su eficiencia en caudal y rechazo de sales, de otra de los equipos de bombeo que han permitido elevar su rendimiento hasta unos niveles, que si no hubiera sido por la especificidad de estos procesos no hubiera sido posible conseguirlos, y por ultimo de la introducción —6—

de diseños de ingeniería, conducentes todos ellos a la reducción de los costes energéticos que constituyen el capítulo mas importante de la producción de agua desalada. Pero las membranas son elementos muy sensibles y dado que deben tener unos poros suficientemente pequeños para permitir separaciones a nivel iónico son también muy sensibles al ensuciamiento, por lo que deben tomarse precauciones especiales para evitar que esto se produzca. Como el agua que se va a desalar sea cualquiera su origen, agua salobre o de mar, puede no estar suficientemente limpia es necesario aplicarle una serie de tratamientos físicos y químicos, conocidos como pretratamientos, que tratan de evitar que tanto las partículas de tamaño pequeño, como algas, sólidos en suspensión, compuestos orgánicos o minerales lleguen a las membranas y tengan efectos negativos sobre su funcionamiento. Una instalación desaladora debe constar por tanto con todos esos elementos citados que deberán ser considerados en el diseño de la misma. Por tanto el agua que se va a desalar, captada directamente de su origen, mar o ríos, o mediante pozos filtrantes, es conducida hasta la estación de tratamiento o planta desaladora en la que es sometida a una serie de tratamientos físicos y químicos, para llegar hasta las membranas en unas condiciones adecuadas para no perturbar el proceso. El proceso de desalación propiamente dicho está constituido por los equipos mecánicos necesarios para llevar el agua a tratar hasta la presión necesaria, bombas de media o alta presión, que la introducen en un conjunto de membranas que se colocan en el interior de tubos de presión, de los que se obtiene un flujo de agua desalada que sale a una presión próxima a la atmosférica, y un flujo de concentrado que sale a una presión algo inferior a la de entrada.

Esquema general de una instalación desaladora.

Para aprovechar la energía de este flujo de salmuera se utilizan distintos tipos de equipos mecánicos que tienen como objeto reducir el consumo energético del proceso. Finalmente el agua desalada se somete a una serie de post-tratamientos en función del uso que se le vaya a dar, y la salmuera o rechazo, después de perder su presión, se elimina de forma que no contamine el entorno.

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4. PARÁMETROS FUNDAMENTALES DE LA ÓSMOSIS El proceso de osmosis desde el punto de vista de su aplicación a la desalación de agua viene caracterizado por una serie de parámetros importantes que es preciso conocer, que afectan fundamentalmente a la membrana y que deben ser tenidos en cuenta a la hora de diseñar una instalación. Presión osmótica Es la fuerza con la que los iones contenidos en una solución son retenidos por ella. Varía en consecuencia en función de la salinidad del agua y es tanto mas elevada cuanto mas concentrada es la solución que se quiere desalar. La presión osmótica del agua de mar es muy superior a la presión osmótica del agua salobre, pero es inferior a la presión osmótica de la salmuera o rechazo de la planta deseadora. Viene determinada por la formula siguiente de van´t Hoff Π = CRT O usando la aproximación de Morse Π = iMRT, Siendo i es el numero adimensional de van´t Hoff. M es la molaridad. R = 0.08206 L x atm x mol-1 x K - 1 es la constante de los gases. T es la temperatura absoluta. Una regla aproximada de cálculo consiste en que cada 1.000 ppm de sales en solución equivalen a una presión de 0,77 kg/cm2. Como ejemplo, la presión osmótica de una serie de aguas es como sigue:

Agua poco salobre

1.500 ppm TDS

1 Kg/cm2

5.000 ppm

3“

Agua muy salobre

12.000 ppm

7“

Agua de mar norma

35.000 ppm

23 “

Agua de mar muy salina

50.000 ppm

37 “

Agua salobre

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Presión neta de transferencia Es la presión que hay que aplicar sobre la membrana para revertir el proceso de osmosis. Dicha presión debe ser suficientemente elevada para: • Vencer la resistencia o permeabilidad de la membrana, que redunda por una parte en una pérdida de carga pero además en el caudal que la membrana produce, que debe ser importante, para hacerla eficiente y rentable. • Superar las pérdidas de carga que se producen en el proceso hidráulico industrial. • Superar la presión osmótica del agua a desalar, o mejor aún de la diferencia entre las presiones osmóticas de las soluciones existentes a un lado y otro de la membrana. A lo largo de los años se han ido mejorando la calidad de las membranas en lo que se refiere a su permeabilidad y hoy día se dispone de membranas mucho más permeables que las que existían hace años, sin que por ello hayan perdido otras propiedades inherentes a las mismas, que también se han mejorado. En consecuencia las presiones que se aplican a las modernas membranas de osmosis inversa, para producir un mismo caudal, son bastante inferiores a las que se aplicaban antaño, o dicho de otra forma las actuales membranas de osmosis dan caudales superiores a las de hace unos pocos años.

Presión neta diferencial en las membranas de un tubo.

Caudales Si partimos de los flujos ó caudales que se generan en el proceso podemos distinguir: • flujo o caudal de alimentación, que es el que se pretende desalar y se aplica en un lado de la membrana. Fa (Ff en la bibliografía anglosajona). • flujo o caudal de producto, que corresponde al agua a la que se le han eliminado o reducido las sales. Fp. —9—

• flujo o caudal de concentrado (rechazo), que arrastra las sales que han sido separadas por la membrana y que se depositarían sobre ella. Fr (Fb en la citada bibliografía). La relación entre las citadas magnitudes es: Fa = Fp + Fr Del mismo modo tendremos las concentraciones del agua de alimentación, Ca (Cf ), producto, Cp; y rechazo, Cr (Cb), relacionados entre sí también mediante: Ca x Fa = Cp x Fp + Cr x Fr A partir de aquí se consideran las dos ecuaciones principales que hacen referencia a la membrana que son: En el interior del tubo de presión como consecuencia del aumento de la presión osmótica al pasar el agua de una membrana a otra, y de la dismiución de la presión neta se produce un descenso del caudal por membrana.

Variación del caudal de las membranas de un tubo.

Ecuación de flujo de agua De acuerdo a lo dicho mas arriba será función de las características de la membrana (permeabilidad) y de la presión aplicada (presión neta de transferencia), y viene dada por la siguiente fórmula: Fa = A x Z x (Pm - ΔØm) siendo: Fa = el caudal de agua que atraviesa la membrana en l/m2/hora. A = coeficiente de transporte de la membrana en l/m2/hora y atm. Z = superficie de la membrana en m2. Pm = Presión diferencial a través de la membrana en atm, ó Kg/cm2. ΔØm = Presión osmótica diferencial a ambos lados de la membrana, en atm. ó Kg/cm2.

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De esta ecuación se deduce que el caudal es directamente proporcional a la presión neta aplicada, es decir a la diferencia de presiones que aparece entre paréntesis en la fórmula, y al coeficiente de transporte; es decir a una característica propia de la membrana y a otra propia del funcionamiento. El caudal que atraviesa la membrana queda definido en unas condiciones de presión y temperatura predeterminadas, y en cada situación deben aplicarse las correcciones oportunas para adaptarlo a las condiciones reales de funcionamiento; esto es lo que se conoce como normalización de la membrana. Como la producción de una membrana depende también de su superficie, tendrá un valor determinado comprendido entre unos límites no muy amplios. Para conseguir una producción superior es necesario colocar varias membranas en serie. Ecuación del transporte de sales Está relacionada con las características de la membrana y con la concentración de sales a uno y otro lado de la misma, pero es independiente de la presión, es decir que la membrana no separa mas sales porque se aumente la presión. Su formula es: Fs = Ks x (Ca - Cp) donde: Fs = Flujo de sales, en gr/cm2/seg. Ks = coeficiente de transporte de sales en cm/seg. Ca = concentración de sales en el agua de alimentación, en gr/cm3. Cp = concentración de sales en el agua producto, en gr/cm3. Influencia de la temperatura Al aumentar la temperatura aumentan tanto los coeficientes de permeabilidad de la membrana, como el de permeabilidad a las sales Rechazo de sales Es el parámetro más importante de la membrana y depende del proceso de fabricación y de los compuestos químicos o polímeros que forman parte de la membrana. RS (%) = (1 - Cp / Ca) x 100 (6) Este valor no es sin embargo el mismo para todos los iones, siendo superior para los iones bivalentes que para los monovalentes. Esta es la razón por la que las aguas desaladas son pobres en calcio o magnesio, pues al ser iones de «gran tamaño» son rechazados en porcentajes importantes.

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Cuando de forma general se dice que una membrana tiene un rechazo del 90%, se refiere a que los iones más pequeños como el sodio y el cloro son al menos rechazados en esa proporción. En la actualidad las membranas de agua salobre tienen rechazos superiores al 90% y las membranas de agua de mar superiores al 99,6%., aunque esto no ha sido siempre así. Por ejemplo cuando se empezaron a utilizar las membranas en la desalación de agua de mar, hace unos 20 años, el rechazo no superaba el 99,2 5 y de esta forma no era posible conseguir un agua desalada de salinidad inferior a 500 mg/l en un solo paso. Paso de sales PS (%) = Cp / Ca x 100 (7) por tanto también RS = 100 - PS (8) La determinación de todos estos parámetros se hacen en condiciones específicas determinadas por cada fabricante, aunque suelen standarizarse en cuanto a presión, temperatura, salinidad del agua preparada artificialmente, y en ocasiones recuperación.

5. PARÁMETROS IMPORTANTES DE DISEÑO Además de los parámetros que tienen que ver directamente con la membrana, existen otros que se tienen en cuenta a la hora de realizar el diseño de la instalación. Entre estos podemos citar los siguientes: Recuperación También conocida como conversión o recobro del sistema (recovery), es el porcentaje de producto que se obtiene a partir de un determinado volumen de agua de alimentación: R (%) = Fp / Fa x 100 Fp y Fa, medidos en las mismas unidades, m3/hora ó m3/día Este factor es muy distinto según se trate de membranas individuales o de módulos en los que intervienen más membranas colocadas en serie. En las membranas espirales por ejemplo dicho factor no suele ser superior al 1215% si se trata de membranas de agua salobre y del 10% en caso de agua de mar. En membranas de fibra hueca sin embargo dicho factor se eleva hasta el 85% en agua salobre y al 60% en agua de mar. Como ese factor es muy pequeño para las membranas de arrollamiento en espiral, con objeto de elevar la conversión y mejorar la eficiencia del sistema, las membranas se colocan en serie, hasta 7 por tubo de presión, de forma que el rechazo de la 1ª membrana constituye la alimentación de la segunda y así sucesivamente. — 12 —

El rechazo máximo de un tubo de presión de 6 a 7 membranas puede llegar hasta un 52- 54%, aunque normalmente no supera el 50% en la desalación de aguas salobres y el 45% en la desalación de agua de mar. Para aumentar la conversión, en el caso de aguas salobres, se colocan varios tubos en serie de forma que, como anteriormente se ha dicho, el flujo saliente del 1er tubo o del conjunto de tubos que se colocan en paralelo constituye la alimentación del 2º tubo o conjunto de tubos. En esta segunda fase puede conseguirse también una recuperación del 50%, del flujo entrante, es decir el 25% del flujo inicial. En consecuencia para recuperar el 75% son necesarios dos fases y para cantidades superiores (87,5%) tres fases. Pero la recuperación depende además de la superficie de membrana, de la composición del agua a tratar pues al concentrarse las sales rechazadas en el rechazo o salmuera no debe superarse en esta el límite de solubilidad de las sales menos solubles. A partir de aquí se obtienen otras formulas útiles también a la hora de diseñar una instalación par un uso determinado.

Instalación de una etapa.

Pasos y etapas Como consecuencia de lo comentado surgen dos nuevos conceptos: paso y etapa. Se llama etapa a cada una de las fases o trenes de membranas por las que se hace pasar el agua a tratar, de forma que el rechazo de una fase constituye la alimentación de la fase siguiente.

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Se llama paso a cada una de las fases o trenes de membranas por las que se hace pasar el agua a tratar, de forma que el producto de una fase constituye la alimentación de la fase siguiente.

Trenes Llamados también bastidores o racks, en la terminología anglosajona, es el conjunto de tubos de presión, con sus correspondientes membranas que se colocan en paralelo, dentro de una estructura de soportación. A veces un tren puede constar de mas de una etapa, o incluso y según el diseño que se haga de mas de un paso.

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Concentración del producto Cp = (1 - RS) x (Ca + Cr) / 2 (9) Concentración del rechazo Cr = RS x Ca / (1 - R) (10) Proporción (ratio) de reducción Ca/Cp = 1 / (1-RS)

6. ENSUCIAMIENTO Todas las aguas contienen diferentes tipos de contaminantes o componentes que pueden afectar el normal funcionamento de las membranas. A pesar de los sistemas de protección que se colocan antes de las membranas es prácticamente imposible eliminar todos los componentes sólidos u orgánicos que lleva el agua que se va a tratar. Los componentes de pequeño tamaño acaban depositándose sobre los canales de salmuera de las membranas obstruyéndolos y producen el ensuciamiento de las membranas. Dicho ensuciamiento puede ser de distintos tipos, coloidal, orgánico o bacteriológico. El ensuciamiento coloidal se origina por la coagulación de los coloides (partículas en suspensión menores de 1 micra) que se mantienen dispersas en la solución por la presencia de cargas superficiales. Se pegan a la membrana y forman una capa superficial que reduce su permeabilidad. Los coloides más frecuentes son Fe, Mn, sílice y arcilla fina. El azufre coloidal se forma al oxidarse el SH2 y es difícil de eliminar. Esta oxidación puede evitarse eliminando el aire y otros oxidantes. En otros casos el ensuciamiento se produce por precipitación sobre las membranas de las sales, cuando se supera su limite de solubilidad. El ensuciamiento orgánico tiene lugar por la presencia en el agua a tratar de materia orgánica, ácidos fúlvicos y húmicos. La membrana rechaza estos compuestos, pero se depositan sobre la misma y forman una capa que también ensucian la membrana. Finalmente los componentes biológicos del agua de mar, microalgas, bacterias, virus, etc, acaban también depositándose sobre la membrana y la ensucian. Con mucha frecuencia el ensuciamiento se produce por varias causas a la vez. Cuando esto ocurre es necesario llevar a cabo una limpieza de las membranas. — 15 —

Turbidez e índice de colmatación Son medidas que se realizan en la instalación para comprobar la calidad del agua que llega a las membranas. La turbidez se determina mediante turbidímetros, mientras que para determinar el índice de colmatación se emplea un aparato en el que se coloca un filtro de 0,45 micras por el que se hace pasar el agua que se va a tratar a una presión de 2 kg/cm2. La determinación del índice de colmatación o SDI es como sigue: Se filtra a través del aparato 500 ml del agua a tratar, que se recoge en un depósito en la parte inferior, a la vez que se anota el tiempo necesario para llenar ese depósito de la capacidad citada. (ti) Se deja que continúe el líquido pasando por el filtro y se vuelve a realizar la misma operación al cabo de 5, 10 y 15 minutos. (tf ) Con los datos recogidos siendo: ti = tiempo inicial para filtrar los 500 ml. tf = tiempo final para filtrar los 500 ml. tt = tiempo total (5,10 ó 15 minutos según los casos). y manteniendo constante durante todo el proceso la presión a 2 Kg/cm2, se aplica la fórmula: SDI = % P / tt = 100 (1 - ti / tf ) / tt Normalmente el tiempo entre lecturas es de 15 minutos, pero si la colmatación es muy elevada se recurre a los otros tiempos menores.

7. POLARIZACIÓN Las membranas de ósmosis tienen un rechazo limitado por lo que la concentración de sales en el producto depende de la concentración a la entrada de la interfase. Las sales disueltas en el agua de alimentación son transportadas convectivamente hacia la membrana. Como su difusión a través de la misma no se realiza a la misma velocidad, se produce una acumulación de sales en la capa próxima a la superficie de la membrana. Es lo que se conoce como concentración de la polarización. Es decir que junto a la membrana se desarrolla una capa límite de disolución no agitada, estancada, de la que se extrae constantemente agua y en la que las sales rechazadas se van acumulando en concentraciones excepcionalmente altas.

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Este fenómeno tiene una serie de efectos negativos: • Dado que las membranas siempre dejan pasar algunas de las sales presentes en el agua de alimentación, la concentración de sales en el agua producto aumenta. • El aumento de sales en la interfase aumenta la presión osmótica en dicha interfase, y por tanto disminuye la presión efectiva que impulsa el agua a través de la membrana. • Pueden producirse precipitaciones de los componentes disueltos Por tanto la polarización de concentración influye fundamentalmente en el flujo y rechazo de sales. La eliminación de esta capa de la superficie de la membrana sólo puede realizarse por difusión mediante un proceso de transferencia de masa, así como por una variedad de movimientos hidrodinámicos. La polarización de la concentración no puede eliminarse por completo en los procesos de ósmosis inversa, pero al menos puede reducirse a) Haciendo la solución turbulenta para mantener dicha capa límite lo más delgada posible. b) Estableciendo mécanicamente en la membrana canales de flujo para reducir los efectos de entrada. c) Ajustando el flujo y limitando el recobro. El grado de polarización de la concentración aumenta proporcionalmente al flujo del disolvente y también es proporcional a la presión aplicada. En consecuencia existe una velocidad máxima de flujo por unidad de área para cada membrana, mas allá de la cual un incremento de la presión no produce un aumento en el flujo del disolvente sino que sólo provoca un aumento de la presión osmótica.

8. EFECTOS ASOCIADOS A LAS CONDICIONES DE USO DE LAS MEMBRANAS Edad de las membranas El material que compone la membrana se degrada con el tiempo de operación produciéndose un descenso en los parámetros específicos de la membrana. Esa degradación junto a la presión ala que las membranas están sometidas durante su funcionamiento da lugar a un fenómeno conocido como compactación, que produce una reducción del caudal y un aumento de la presión de operación. Depende tanto de la presión como de la temperatura de operación de las membranas, pero la influencia de la temperatura es mayor

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Pero este descenso no es continuo, sino que en el primer año de funcionamiento es más prolongado, y luego se estabiliza y el descenso es más lento. Para contrarrestarlo en el diseño se introduce un coeficiente de corrección en los cálculos. Efecto de la temperatura Cuanto más elevada es la temperatura mayor es el riesgo de compactación. Sin embargo aunque la compactación produce una disminución del flujo, al aumentar la temperatura también aumenta dicho flujo, lo que debe tenerse en cuenta y en consecuencia reducir la superficie de membrana en el diseño. Cuando se conoce la variación de temperaturas a lo largo del tiempo es necesario hacer el diseño para las condiciones más desfavorables, es decir cuando la temperatura es más baja. El efecto de la temperatura sobre el caudal se determina de forma aproximada multiplicando este por un factor corrector: Kt = 1,03(T-25) Es decir se corrige frente al valor de 25 ºC, que es el que se considera para determinar el caudal nominal de la membrana. Pérdida de caudal y aumento del paso de sales Como consecuencia de los factores explicados mas arriba, edad, compactación, ensuciamiento, temperatura, etc, la membrana va perdiendo sus características mas importantes a lo largo del funcionamiento, especialmente en lo que se refiere al caudal y a su selectividad a las sales. Respecto al caudal y en función de las condiciones de operación de las membranas puede producirse una disminución de hasta el 10-12% al año. A efector de diseño se considera una media del 7% de pérdida anual, que se introduce en el programa de diseño en forma de un coeficiente reductor. Respecto al paso de sales se incrementa con el tiempo y se introducen coeficientes correctores medios del 10% anual para membranas de poliamida y del 15% para membranas de acetato de celulosa. Por todo ello cuando se proyecta una instalación no solo se consideran las condiciones iniciales de funcionamiento, sino las que existen al cabo de tres años, con objeto de garantizar que la instalación va a funcionar durante tiempo dando un caudal y calidad del agua desalada adecuado. También hay que realizar sustitución de membranas anualmente para poder mantener esas condiciones, y aunque el porcentaje de membranas que se sustituye es variable según las condiciones de operación de la planta entre 7 y 15%, una buena practica consiste en prever un reemplazo de membranas anual del 10%. Eso no quiere decir que obligatoriamente haya que cambiar ese 10% todos los años, pero si que pensando en un periodo de tiempo de explota— 18 —

ción determinado, por ejemplo 5 años, al final del mismo es probable que haya que cambiar el 50%, bien sea un 10% cada año, o un 20% al 2º año, o 30% al tercer año, 40% al cuarto año o 50% al quinto año.

9. STANDARIZACIÓN DE MEMBRANAS Como existen distintos fabricantes de membranas que se pueden aplicar a aguas de salinidades muy distintas, con objeto de poder comparar las membranas y conocer exactamente sus características, las membranas se prueban en una condiciones idénticas en todos los casos, y se determinan sus características nominales. Dichas condicione varías según se trate de agua salobre (BW) o de mar (SW) y normalmente son: Tipo

psi

Bars

R%

TDS(ppm NaCl)

ºC

pH

BW

225

16

15

2.000

25

6,5 -7

BW-LP

150

10

15

2.000

25

6,5-7

SW

800

55

10

32.000

25

6,5-7

Asimismo y a la hora del diseño de la instalación, se suelen respetar con carácter general los siguientes valores.

Agua salobre pozo

Agua salobre superficial

Agua de mar pozo

Agua de mar toma abierta

≤3

≤3

≤3

≤3

Turbidez

≤ 0,1 NTU

≤ 0,1 NTU

≤ 0,1 NTU

≤ 0,1 NTU

TOC

< 2 ppm C

< 2 ppm C

< 2 ppm C

< 2 ppm C

< 4 ppm O2

< 4 ppm O2

< 4 ppm O2

< 4 ppm O2

< 100

< 100

< 100

< 100

SD! 15

DBO5 Nº Particulas < 2 micras

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Miércoles 3 de junio de 2009

La captación del agua de mar y el vertido de salmuera de rechazo FARIÑAS IGLESIAS, MANUEL

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Jueves 4 de junio de 2009

Tratamientos Químicos ZARZO MARTÍNEZ, ANTONIO J.

Tratamientos Químicos  ZARZO MARTÍNEZ, ANTONIO J.; [Technical Manager, Centro de Recursos Técnicos Europeo, NALCO Española]

ÍNDICE • Coagulación-Floculación. - Objetivo. - Tipos de reactivos. - Uso. • Desinfección. - Objetivo. - Reactivos. • Regulación. - Objetivo de la regulación de pH. - Reactivos a emplear. • Reducción. - Objetivo. - Reactivos. • Estabilización. - Saturación de sales. - Alcalinidad, dureza, fuerza iónica, SI, LSI, S&DSI. - Antiincrustantes • Remineralización. - Objetivo. - Remineralización. - Reactivos y reacciones.

—2—

COAGULACIÓN-FLOCULACIÓN Objetivo El objetivo de estos tratamientos es la eliminación de la materia en suspensión y los coloides que no decantan de forma natural del agua a tratar. Los coloides son partículas en suspensión en el agua de un tamaño normalmente inferior a 1 mm, que suelen ser responsables en gran parte del color, turbidez, sabor y olor del agua. Su procedencia tiene varios orígenes: • micro-organismos: bacterias, virus, algas, etc. • mineral: arcillas coloidales, limos, sílice, sales metálicas, etc. • orgánico: colorantes, tensioactivos, ácidos húmicos y fúlvicos... En aguas naturales las partículas coloidales presentan carga eléctrica negativa, que al aparecer en todas ellas, producen fenómenos de repulsión que impiden que se unan en partículas mayores. Se hace necesario, por tanto, anular esas cargas negativas, añadiendo cargas positivas que las desestabilicen. De esa forma conseguiremos que las fuerzas de atracción superen a las de repulsión y que se produzca la aglomeración de partículas. El movimiento e interacción mutua entre partículas coloidales está controlado por el potencial Z, que es el potencial en la superficie del plano de cizalladura, que es la zona donde se separan la capa ligada y la difusa. Según algunas teorías, la coagulación consiste en la anulación del potencial Z.

Capa ligada

Superficie de cizalladura

E

Potencial

Capa difusa

++ - +- - + -+ + - +- - - -+ -+ + - + -Coloide- + -+- + - - - - + + +- + + + - + + -+ -+ -+

Z Distancia Capa ligada

—3—

Capa difusa

Los coloides están sometidos en solución a diferentes tipos de fuerzas, cuya suma determina el nivel energético de la suspensión coloidal y por tanto la estabilidad de las mismas: • fuerzas de atracción de Van der Vaals, de atracción. • fuerzas de repulsión electrostática. • el movimiento browniano. El proceso de desestabilización de un coloide es el resultado de dos efectos independientes: • Anulación de cargas negativas por la adición de reactivos con carga positiva, que actúan por mecanismos de agrupación o absorción y desestabilizan las cargas. • Aglomeración posterior de los coloides sin carga; proceso que se ve favorecido por procesos mecánicos (agitación). Normalmente se llama coagulación al proceso de desestabilización de las partículas por neutralización de sus cargas, y floculación al proceso de aglomeración de las partículas sin carga, que genera una partícula visible y sedimentable que se denomina flóculo. Los factores que influyen en estos fenómenos son el tiempo de coagulación, el tiempo de floculación y el gradiente de velocidad. Tipos de reactivos Podemos separar los reactivos en 2 tipos diferentes según el fin para el que se emplean: • Coagulantes, que pueden ser minerales o orgánicos. • Floculantes, que son orgánicos y que según su carga pueden ser catiónicos, aniónicos o no-iónicos. Coagulantes minerales: Los coagulantes más utilizados son principalmente sales de hierro y aluminio. Sales de Aluminio Independientemente del reactivo utilizado, la reacción básica consiste en la formación de hidróxido de aluminio, y generación de una cierta acidez que puede comportar otras reacciones, especialmente sobre especies como los bicarbonatos: Al3+ + 3 H2O



HCO3- + H+ - 

—4—

Al(OH)3 + 3 H+ H2O + CO2

Los reactivos más utilizados son: • Sulfato de aluminio – Al2(SO4)3 • Cloruro de aluminio – AlCl3 • Aluminato sódico – NaAlO2 • Polímeros de aluminio – Aln(OH)yClx(SO4)z. De estos, lo más conocidos son el PAC (Poli Cloruro de Aluminio) y el PCBA (Poli Cloruro Básico de Aluminio). Estos productos pueden utilizarse solos o en combinación con otras sustancias que potencian sus efectos coagulantes, como la cal o el carbonato sódico. Los polímeros, presentan una serie de ventajas, como que a dosis menores consiguen una rápida coagulación y buena eliminación de materia orgánica, o que suelen generar menor cantidad de fangos. Sales de Hierro El funcionamiento de este tipo de productos se basa también en la formación del correspondiente hidróxido de hierro y disminución del pH del agua: Fe3+ + 3 H2O



Fe(OH)3 + 3 H+

Los reactivos más utilizados son: • Cloruro férrico – FeCl3 • Sulfato férrico – Fe2(SO4)3 • Sulfato ferroso – FeSO4 • Cloro sulfato férrico – FeClSO4 Coagulantes orgánicos: Son sustancias orgánicas de síntesis de peso molecular medio y también con carácter catiónico. Los tipos principales son: • Epiclorhidrinas. Cl O

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• Poliaminas. CH3

+

N

Cl

CH3

OH

-

n

• Melamina formaldehído. • POLIDADMAC – policloruro de dialildimetilamonio. H

H

Cl+

N H3C

CH3

n

Las ventajas de los coagulantes orgánicos frente a los minerales son: • mejora de la coagulación, mejor separación sólido-líquido. • menores dosis necesarias. • menor volumen de fangos producidos. • menor dependencia del pH. • no incorporan iones metálicos al agua. Floculantes: Suelen ser sustancias orgánicas sintéticas de alto peso molecular con cadenas largas o ramificadas y que normalmente contienen grupos funcionales con carga eléctrica o ionizables, lo que les confiere un determinado carácter iónico. Los floculantes se utilizan como complemento a los coagulantes para aumentar la velocidad de decantación. Después de la desestabilización del coloide por la adición del coagulante, las moléculas pesadas del floculante facilitan la formación de agregados que son mucho más fácilmente decantables.

—6—

Según su carácter iónico pueden clasificarse en: • No-iónicos. Los floculantes no-iónicos consisten normalmente en polímeros derivados de la acrilamida.

CH

CH2

C == O

n

NH2

• Aniónicos. Los floculantes aniónicos suelen ser copolímeros derivados del ácido acrílico y la acrilamida.

CH

CH2

CH

CH2

C == O

C == O

n

NH2

O-

Na+

n

• Catiónicos. Los floculantes catiónicos se obtienen por copolimerización de acrilamida y un monómero catiónico.

CH2

CH2

CH

C == O

C == O

NH2

CH2

n

ClCH3

O CH2

CH2

N+

CH2

CH3

n

Uso En el caso de plantas de ósmosis inversa el uso de estos productos tiene como fin reducir materia orgánica, sólidos en suspensión y reducir el valor del SDI (Salt Density Index) previo a la entrada del agua a las membranas. Como en cualquier otro tipo de aplicación, la elección de un producto u otro y las dosis necesarias deben establecerse mediante ensayos de laboratorio (Jar Test) y ensayos en planta. Existe un método estándar que varía generalmente según que estemos ensayando coagulantes o floculantes, pero en esencia los pasos a seguir son los mismos: • medida de pH, turbidez y temperatura del agua. • llenar una serie de vasos con un volumen determinado del agua a tratar. —7—

• añadir el coagulante a ensayar a diferentes dosis y mantener fuerte agitación (250 rpm) durante unos 2 minutos. • disminuir la agitación (40 rpm) y dejar crecer los coagulos / flóculos durante 5 - 15 min. • Parar la agitación y dejar sedimentar durante 10 – 20 min. • Tomar muestras del sobrenadante y comparar la turbidez. Este tipo de ensayos nos permite determinar las dosis mínimas de coagulantes o floculantes para desestabilizar la suspensión coloidal y decantarla a una velocidad suficiente. Sin embargo, y dadas las características especiales de las membranas, a la hora de seleccionar y aplicar un determinado producto, es necesario tener en cuenta una serie de condicionantes que pueden afectar al rendimiento de operación de las membranas: • Si se usan como coagulantes, sales de hierro o de aluminio, y se sobre-dosifican, el exceso puede llegar al sistema y ensuciar las membranas. Aunque tanto unas como las otras, pueden producir ensuciamientos, los ensuciamientos por hierro son relativamente más fáciles de eliminar que los de aluminio. El aluminio puede reaccionar con sílice y debido a su carácter anfótero puede formar precipitados a los pH de trabajo del sistema. Es por esto, que se prefieren las sales de hierro a las de aluminio. • Los coagulantes orgánicos suelen ser catiónicos. La superficie activa de la membrana contiene grupos funcionales aniónicos con los que aquellos podrían reaccionar provocando una pérdida de rendimiento a menudo irreversible. Por ello, no es conveniente utilizar coagulantes orgánicos.

DESINFECCIÓN Objetivo La desinfección tiene como finalidad eliminar o reducir los riesgos derivados de la presencia de micro-organismos que pueden generar ensuciamientos en las membranas y como consecuencia una pérdida de rendimiento de la instalación. También puede tener efecto en la eliminación de sustancias reductoras como hierro, manganeso y sulfuros, que pueden provocar ensuciamientos en las membranas. Reactivos Los reactivos más utilizados en desinfección son: • Cloro gas, que se suministra y almacena en forma líquida. Sin embargo, para su aplicación se disuelve siempre en agua donde reacciona según la ecuación: Cl2 + H2O



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HClO + HCl

En realidad, la especie química con carácter biocida es el ácido hipocloroso HClO, que en solución se encuentra disociado según la reacción: HClO



ClO- + H+

Es por esto, que el efecto biocida del cloro se ve influenciado por el pH, siendo máximo su efecto a pH por debajo de 7,5. Normalmente, las dosis recomendadas suelen estar alrededor de 0,5 a 1 ppm como cloro libre. El tiempo de contacto, el pH y la cantidad de materia orgánica presente en el agua son parámetros a tener en cuenta a la hora de calcular la dosis de producto a utilizar.

El cloro además reacciona con la materia orgánica y el amonio presentes en el agua. Con este último el cloro genera mono, di y tricloraminas, reacciones en las que se consume el cloro residual añadido al agua. Para calcular la dosis a añadir necesaria para mantener una cierta cantidad de cloro residual en el agua, deberemos determinar el punto crítico o breakpoint, a partir del cual el cloro no se consume en la formación de cloraminas. Breakpoint

Cloro residual (mg/l)

5

4

3

2

1

0 1

2

3

4

5

6

7

8

9

10 11

12

13 14

15 16

Cloro añadido (mg/l)

—9—

17

18 19

20

21 22

23

24 25

A partir de ese punto crítico, la cantidad de cloro añadido estará en forma de cloro libre y el cloro residual aumentará en la misma medida que el cloro añadido. • Hipoclorito de sodio, quizás el producto más utilizado. Se presenta en forma líquida y sus soluciones suelen contener 150 g/l como cloro libre. En solución formará hipoclorito, ClO-, y su acción biocida dependerá también del pH al que se encuentre el agua. • Dióxido de cloro, que tiene el inconveniente de que siempre debe producirse «in situ». Tiene un potencial de oxidación muy elevado y un efecto remanente importante. Además, se trata de un gas que a concentraciones altas (~10%), puede ser explosivo. El dióxido de cloro puede obtenerse por reacción entre el clorito sódico y ácido clorhídrico o cloro. La dosis a utilizar recomendada suele ser de unas 0,2 ppm y un tiempo de contacto de al menos 15 minutos. • Ozono, O3, que tiene un fuerte poder oxidante y que es capaz de reaccionar con gran cantidad de compuestos orgánicos, así como con virus y bacterias. Normalmente se utiliza a dosis de 0,5 ppm y tiempos de contacto cortos, del orden de 5 min. • UV. La aplicación de radiación ultravioleta suele hacerse con aguas de baja turbidez y que no contengan gran cantidad de materia orgánica o iones en solución capaces de absorber dicha radiación. Otro inconveniente de la UV es que no tiene poder remanente, no es fácil determinar los subproductos que puede originar y su efecto no es tampoco fácil de medir. En el caso de sistemas de OI y especialmente en el caso de sistemas con membranas de poliamida, cualquier sustancia oxidante deberá ser eliminada antes de que entre en contacto con las membranas, ya que pueden provocar daños en la estructura química de las mismas y afectar al rendimiento de las mismas. Tras un tratamiento de desinfección con productos oxidantes, deberá preverse una eliminación. Esto será tratado más adelante. Biocidas no oxidantes. Existen productos no oxidantes que vienen utilizándose para la desinfección de sistemas de membrana y que no necesitan de un tratamiento reductor tras su aplicación. Sin embargo, su uso en continuo puede verse limitado por dos razones: • sistemas para la producción de agua potable. Por seguridad, estos productos no deben ser usados en continuo aplicados al agua de alimentación, pues existe el riesgo de que pudieran pasar al permeado a través de fugas o defectos en el sistema de membranas.

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• su coste económico. En efecto, este tipo de productos son más caros que los mencionados anteriormente y funcionan a dosis elevadas, 25 a 100 ppm, por lo que suele preferirse utilizarlos en choques periódicos. Los productos comerciales más utilizados consisten en formulaciones basadas en: • Dibromonitrilopropionamida, DBNPA. • Isotiazolonas. La DBNPA es un biocida no oxidante de acción rápida, que tiene una gran efectividad frente a todo tipo de microorganismos, biodegradable y compatible con todo tipo de membranas. Normalmente se utiliza en choques periódicos cuya frecuencia y dosis depende del grado de ensuciamiento del sistema. Generalmente basta con un choque semanal de una hora a una dosis de unos 25 – 50 ppm para mantener el rendimiento del sistema frente a bioensuciamientos. Su efectividad puede verse afectada por el pH, temperatura y la presencia de reductores como el bisulfito sódico. Las isotiazolonas son compuestos orgánicos de síntesis que tienen un alto poder biocida y que tienen un amplio rango de aplicación en el tratamiento de aguas. Cl H

S N

O

H H H

Las Isotiazolonas necesitan de un mayor tiempo de contacto, de 6 a 10 horas, y debido a esto su uso se restringe casi exclusivamente a limpiezas o como conservante de membranas, aplicación en la que han demostrado gran efectividad y ventajas frente al uso de soluciones de bisulfito.

REGULACIÓN Objetivo de la regulación de pH Los tratamientos de corrección de pH, más conocidos por el término neutralización, consisten en llevar el pH a un valor definido, según la aplicación a la que se destine el agua: • homogeneización, en el caso de efluentes industriales antes de su tratamiento en planta depuradora.

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• corrección del pH antes de un tratamiento específico del agua: previo a una ósmosis inversa, acondicionamiento para una mayor efectividad de desinfección. • corrección del pH para proteger depósitos y tuberías, de la corrosión o la incrustación, etc. En nuestro caso, tratamiento de ósmosis inversa, la corrección de pH se realiza para evitar la precipitación del carbonato cálcico en las membranas ya que la solubilidad de esta sal disminuye al aumentar el pH. Reactivos a emplear Los reactivos más utilizados en la regulación del pH son: • Ácido sulfúrico, H2SO4. Es el reactivo más utilizado y el más barato. Sin embargo, en aquellos casos en los que la presencia de sulfatos puede generar problemas, debe restringirse su uso y buscar una alternativa. • Ácido clorhídrico, HCl. Su uso está ampliamente extendido. Presenta la ventaja frente al ácido sulfúrico de que no aporta aniones incrustantes. • Dióxido de carbono, CO2. Su empleo tiene el inconveniente de que el dióxido de carbono atraviesa las membranas y generará ácido carbónico en el permeado, provocando una mayor conductividad del producto. • Hidróxido sódico, NaOH. Puede utilizarse en el caso de querer evitar el paso de CO2 a través de las membranas, para lo que tendríamos que llevar el pH a 8,3. También se utiliza sosa en casos especiales, como en el caso de plantas en dos pasos para la eliminación de boro. En este caso, se añade a la entrada al 2º paso para conseguir el pH óptimo (> 9,5) para un mayor rechazo de boro.

REDUCCIÓN Objetivo Como se comentó anteriormente, la presencia de oxidantes, como cloro, puede dañar gravemente las membranas. Por esta razón, es necesario prever una eliminación de estas sustancias oxidantes a fin de preservar la integridad de las membranas. Reactivos Para la eliminación de oxidantes se puede emplear carbón activo o reactivos químicos reductores que incluyen: • Metabisulfito sódico, Na2S2O5. Producto sólido que se disocia en el agua formando bisulfito sódico, según la reacción: Na2S2O5 + H2O



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2 HSO3- + 2 Na+

La dosis a emplear oscila entre 3 – 4 ppm por ppm de cloro libre. • Bisulfito sódico, NaHSO3. La dosis a emplear oscila entre 3 – 4 ppm por ppm de cloro libre. NaHSO3 + Cl2 + H2O



SO42- + 2 Cl- + Na+ + 3 H+

• Sulfito sódico, Na2SO3. Las dosis a utilizar varían normalmente entre 9 – 10 ppm por ppm de cloro libre. Na2SO3 + Cl2 + H2O



SO42- + 2 Cl- + 2 Na+ + 2 H+

• Tiosulfato sódico, Na2S2O3. La dosis a emplear oscila entre 1 – 3 ppm por ppm de cloro libre. Las dosis son orientativas y normalmente se utiliza siempre un ligero exceso frente a la dosis estequiométrica para compensar los tiempos de contacto cortos, de los que normalmente que se disponen en las plantas de ósmosis inversa, y conseguir la eliminación total del cloro (oxidantes) en el agua. Las reacciones que tienen lugar normalmente comportan la oxidación del reductor, que se convierte en sulfato y la reducción del cloro a cloruro. Sin embargo, el tiosulfato sódico puede formar entre otras cosas, azufre elemento por dismutación, el cual puede ensuciar por colmatación las membranas. S2O32- + 2 H+



2 SO42- + 4 S + H2O

Así mismo, estos productos se utilizan en otras aplicaciones, combinados con catalizadores, normalmente pequeñas cantidades de cobalto, para acelerar las reacciones. No es conveniente el uso de este tipo de productos ya que pueden afectar a las membranas.

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Curvas ORP-Cloro libre a diferentes pH.

ESTABILIZACIÓN Saturación de sales La precipitación o incrustación de sales en sistemas de ósmosis inversa y nanofiltración, puede ocurrir cuando por efecto de la concentración de los iones presentes en el agua a lo largo del sistema, determinadas sales sobrepasan su producto de solubilidad. La formación de incrustación puede predecirse comparando el producto iónico de la sal considerada (PI) con el producto de solubilidad para dicha sal (Ksp) en las mismas condiciones. La relación PI/Ksp es conocida como Índice de Saturación (SI). Puede decirse que la precipitación de una sal se producirá cuando SI > 1,0. SI = PI / Ksp

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El producto iónico de una sal se define como el producto de sus concentraciones molares y en general para una sal cualquiera, AnXm, se calcula: PI = [Am+]n ·[ Xn-]m Siendo [Am+] la concentración molar del catión y [ Xn-] la concentración molar del anión y la reacción de formación de la sal. n Am+ + m Xn- 

AnXm

El producto de solubilidad de una sal, Kps es una constante para cada sal que solo depende de la temperatura y que define la máxima solubilidad en agua de esa sal a una temperatura dada. Por ejemplo, para el CaCO3: Ca2+ + CO32- 

CaCO3

Kps = 6 x 10-9 (mol2/l2) SI = [Ca2+] x [CO32-] / 6 x 10-9 [Ca2+] y [CO32-] en (mol/l) Para CaF2: Ca2+ + 2 F- 

CaF2

Kps = 3,45 x 10-11 (mol3/l3) SI = [Ca2+] x [F-]2 / 3,45 x 10-11 [Ca2+] y [F-] en (mol/l) Alcalinidad La alcalinidad nos da una medida de los aniones que son capaces de reducir la cantidad de iones hidrógeno de una solución. Esos iones son bicarbonato, carbonato, e hidróxido. Al reducir la cantidad de iones hidrógeno, cambian la proporción entre iones hidróxido e iones hidrógeno y por tanto el pH, que aumenta.

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La mayor parte de las veces, la alcalinidad que aparece en aguas naturales está en forma de alcalinidad bicarbonatada (HCO3). La alcalinidad bicarbonatada se conoce también como alcalinidad-M, de naranja de Metilo, el indicador utilizado en la valoración utilizada para su medida. A valores de pH inferiores a 8,3, los bicarbonatos están en equilibrio con una cierta cantidad de dióxido de carbono disuelto. Cuando el agua tiene valores de pH superiores a 8,3 la mayor parte de la alcalinidad está en forma de ion carbonato (CO32-). Este es medido por valoración utilizando como indicador la fenolftaleina (Phenolphthalein), y por eso también se conoce esta medida como alcalinidad-P. A pH superior a 11,3 la mayor parte de la alcalinidad está en forma de hidróxido (OH-).

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La alcalinidad actuá de forma natural tamponando el pH en la mayoría de aguas naturales. Las reacciones naturales ocurren entre las diferentes formas de alcalinidad y el dióxido de carbono disuelto manteniendo el pH frente a potenciales cambios debidos a contaminantes. El agua puede disolver dióxido de carbono de la atmósfera, formando ácido carbónico (H2C03). Esta agua ácida tenderá a disolver carbonato cálcico del terreno. Esta disolución seguirá hasta que el pH del agua aumente, y deje de ser agresiva frente al carbonato cálcico. Si el agua se sobresatura en bicarbonato y el agua es todavía ácida, el exceso de bicarbonato se convertirá en dióxido de carbono. Si el agua se sobresatura en dióxido de carbono, el exceso de dióxido de carbono simplemente pasará a la atmósfera. Si el agua se sobresatura en bicarbonato y el pH es básico, entonces, el exceso de anión bicarbonato se convertirá en carbonato. Si por la misma razón el agua se sobresatura en carbonato a pH muy alto, el exceso de carbonato precipitará y la alcalinidad quedará en forma de ión hidroxilo. Debido a la capacidad del agua para tomar alcalinidad, la mayoría de agua naturales están próximas a la saturación en carbonato cálcico. Si el agua se concentra en un sistema de osmosis inversa, es muy probable que el carbonato cálcico precipite. Esto ocurre de forma rápida y antes de que otras sales precipiten. Por ello, es necesario utilizar algún método preventivo para evitar la precipitación de carbonato cálcico en casi todos los sistemas de OI. Dureza El calcio y el magnesio componen la mayor parte de los que se conoce como dureza del agua. Técnicamente, otros cationes polivalentes forman parte de la dureza del agua, aunque normalmente sus concentraciones son despreciables comparadas con las de calcio y magnesio. Los términos dureza y agua dura provienen de la propiedad de ciertos cationes polivalentes como calcio y magnesio para atraer y combinarse a grasas naturales de la piel, dejando una sensación de dureza en la misma. La dureza del agua es también un problema en redes de distribución y usuarios, debido a su tendencia a formar sales con distintos aniones y a precipitar. También puede combinarse con aniones fosfato, componentes activos de determinados detergentes, disminuyendo su capacidad de limpieza. En sistemas de OI/NF, la presencia de dureza es un problema debido a la insolubilidad de las sales que puede formar con bicarbonato, carbonato, sulfato, fluoruro, o silicato. Como la dureza está presente en la mayoría de aguas naturales, debe considerarse algún método para prevenir la precipitación de sales de calcio o magnesio y mantener el rendimiento de los sistemas de OI. Fuerza iónica En soluciones concentradas con gran cantidad de iones, estos tienden a rodearse de un gran número de iones de carga opuesta, lo que origina una variación en la «movilidad» de los mismos y un diferente comportamiento al que presentarían en soluciones más diluidas. En estos casos, la concentración iónica que se expresa en la ley de acción de masas no coincide con la concentración real de iones activos y se hace necesario introducir un concepto denominado — 17 —

actividad que se expresa por el producto de la concentración y un número, llamado factor de actividad , menor que 1 y que es tanto menor cuanto mayor es la concentración iónica. A dilución infinita, =1 y las concentraciones molares y las actividades se igualan. El factor de actividad se puede calcular según la ecuación: - Log  = 0,5 Zi2 √ I donde I es la fuerza iónica expresada de la siguiente forma: I = ½ Σ Ci Zi2 = ½ (C1 Z12 + C2 Z22 + C3 Z32 + ………) siendo Ci la concentración molar de cada uno de los iones presentes en solución y Zi la carga eléctrica de cada uno de los iones. A efectos prácticos, el cálculo de la actividad puede ser tan complicado y las diferencias encontradas entre usar molaridad o actividad tan pequeñas, que normalmente no se utiliza la actividad. Sin embargo, es importante tener en cuenta el término de fuerza iónica puesto que explica el efecto que tiene sobre la solubilidad de determinadas sales la presencia de otros iones en concentraciones altas. LSI En 1936, Langelier introdujo el índice de saturación (LSI) del carbonato cálcico (CaCO3) como herramienta de predicción de la tendencia a la corrosión o la incrustación de aguas naturales. Se dio cuenta que el carbonato cálcico es habitualmente el componente mayoritario de las incrustaciones que se forman en superficies de transferencia de calor, de forma particular de las que se producen en un rango de temperaturas moderadas entre 10 y 55 °C. Langelier demostró que cuando el agua se calienta, la precipitación del carbonato cálcico es posterior a la conversión del bicarbonato cálcico (Ca(HCO3)2) en carbonato cálcico. Señalo también que un incremento de la alcalinidad puede provocar la sobre saturación y posterior precipitación del carbonato cálcico. Cambios de pH en cualquier dirección tienen un marcado efecto sobre la solubilidad del carbonato cálcico. El primer procedimiento propuesto por Langelier (y posteriormente modificado y mejorado por Larson, Buswell, y otros) requiere unos pocos parámetros: Contenido en calcio; Alcalinidad; pH; Temperatura; y Sólidos Disueltos Totales (o conductividad). Usando esos datos, puede obtenerse un pH teórico de saturación (pHs) bien por cálculo manual, usando tablas numéricas, usando gráficas, ordenador o programas de cálculo. El pH de saturación, pHs, de cualquier agua sería el pH teórico al que el agua en cuestión es estable; es decir, el pH al que a una temperatura dada, el carbonato cálcico ni precipita ni se disuelve. Dicho de otra forma, el agua no presenta tendencia a ser incrustante ni corrosiva.

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Restando el pHs del pH medido en el agua se obtiene el Índice de Saturación de Langelier (LSI): LSI = pH - pHs donde pHs = Log (Ksp/K2) – Log [Ca2+] – Log [HCO3-]

o

= C + p[Ca2+] + p[HCO3-] C = constante que debe ser calculada en cada caso, dado que las constantes de equilibrio son dependientes de la temperatura y la salinidad del agua. p[Ca2+] = - Log de la concentración de calcio. p[HCO3-] = - Log de la concentración de bicarbonatos. El pH del agua puede también calcularse según la ecuación: pH = 6,3 + Log [TAC / CO2] TAC o alcalinidad en (mg/l de CaCO3) CO2 en (mg/l) S&DSI En los años 50, frente a un problema para la predicción del potencial de incrustación del carbonato cálcico en aguas de alta salinidad (TDS > 10.000 mg/l), Stiff y Davis modificaron el índice de saturación de Langelier incluyendo un término que introduce la fuerza iónica: S&DSI = pH - pHs donde pHs = K – Log [Ca2+] – Log [HCO3-] o = K + p[Ca2+] + p[HCO3-] K = factor que tiene en cuenta la fuerza iónica del agua. El índice de Stiff y Davis, S&DSI, se utiliza normalmente para predecir el potencial de incrustación de carbonato cálcico en agua de mar. Antiincrustantes En los sistemas de OI/NF existen riesgos de ensuciamiento o precipitación de sales que pueden reducir el rendimiento de la instalación. Cuando la concentración de una sal supera su solubilidad, puede producirse la precipitación. Comenzarán a formarse núcleos de cristales, los cuales catalizan la formación de más cristales en su superficie. Esos cristales de sal, pueden alcanzar un tamaño y densidad suficiente como para dejar de estar en solución. El proceso de precipitación continúa hasta que los iones en solución alcanzan su solubilidad límite. — 19 —

Etapas de Cristalización IONES

PROTONÚCLEOS

AGRUPAMIENTO

ORDENAMIENTO

30 Å

NÚCLEOS

CRISTALES

CRECIMIENTO

> 30 Å

> 0,1 mm

1.000 átomos

Los compuestos que habitualmente pueden provocar problemas de algún tipo son: carbonatos de calcio y magnesio, sulfatos de calcio, bario y estroncio, fosfato cálcico, fluoruro cálcico, sílice, óxidos e hidróxidos de hierro y aluminio y sílice. Existen varias formas de prevenir estos procesos: • Adición de ácido: disminuyendo el índice de saturación de Langelier, LSI, de manera que el carbonato cálcico permanezca en solución. Sin embargo, otras sales pueden seguir creando problemas si su solubilidad no varía con el pH. • Desendurecimiento del agua: intercambiando calcio y magnesio por sodio. Sin embargo, la sílice puede seguir siendo un problema y en el caso de grandes plantas el coste del desendurecimiento del agua puede ser altísimo. • Reducción de la conversión. • Adición de antiincrustantes. Los antiincrustantes (o inhibidores de incrustación) son muy efectivos en la prevención de ensuciamientos de membranas de OI debidos a la formación de incrustación. Usados a pequeñas dosis detienen el proceso de precipitación al inhibir el crecimiento de cristales de sal.

— 20 —

El mecanismo de actuación puede explicarse de la siguiente forma: los antiincrustantes son absorbidos en el plano de formación de los cristales de sal, impidiendo el crecimiento de los mismos y evitando la atracción de más iones desde la solución sobresaturada hacia la superficie del cristal. De esta forma, los cristales no alcanzan el tamaño suficiente como para acabar precipitando.

INHIBIDORES

Threshold

AGRUPAMIENTO

IONES

Dispersantes

ORDENAMIENTO

PROTONÚCLEOS

CRECIMENTO

NÚCLEOS

CRISTALES

1.000 ÁTOMOS

La mayoría de antiincrustantes tienen también efecto dispersante, propiedad cuya intensidad depende del tipo de producto. La dispersión incluye partículas alrededor de sales en suspensión, hierro, o materia orgánica que al interaccionar con el inhibidor tienden a ser repelidas por otras partículas igualmente cargadas. Esto evita que pequeñas partículas se aglomeren para formar partículas mayores que podrían finalmente dejar de estar en suspensión y provocar ensuciamientos. Los antiincrustantes son efectivos retrasando el proceso de formación de incrustación y aglomeración de partículas. En un sistema de OI, tienen que mantener esa propiedad al menos el tiempo suficiente para que las sales potencialmente incrustantes salgan del sistema con el concentrado de la OI. Los problemas de incrustación en sistemas de OI no son tan comunes como los de ensuciamientos debidos a sólidos en suspensión o los microbiológicos. Esto es debido a que es relativamente fácil controlar o eliminar la formación de incrustación con el tratamiento adecuado. La mayoría de inhibidores de incrustación utilizados habitualmente consisten en moléculas que contienen grupos funcionales derivados de ácidos carboxílicos (R-COOH) o derivados orgánicos de fosfatos (P04-3): Hexametafosfato sódico (HMPNa), fue el primer inhibidor usado ya que ofrecía una buena efectividad a bajo coste. Sin embargo, su efectividad disminuye a LSI > 1 y es necesario utilizarlo combinado con ácido. Otra desventaja es su inestabilidad y dificultad de manejo ya que — 21 —

se comercializa sólido y es necesario prepararlo «in situ». De hecho, si las soluciones no se preparan y mezclan frecuentemente, puede hidrolizarse generando fosfatos que no solo pueden precipitar con calcio, formando ensuciamientos de fosfato cálcico en las membranas, sino que además puede provocar ensuciamientos microbiológicos al servir el fosfato como nutriente. Poli acrilatos de bajo peso molecular. Moléculas poliméricas (con peso molecular entre 1.000 y 5.000 uma) que contienen como monómero el ácido acrílico o derivados de este, con grupos funcionales ácido carboxílico que aparecen principalmente en muchos inhibidores de incrustación. Son buenos inhibidores evitando la formación de carbonato y sulfato cálcico, aunque sus propiedades como dispersantes son menores. O

H

H

H2C

H

OH

Ácido acrílico

H COOH

H

n

Polímero acrílico

Poli acrilatos de alto peso molecular. Con pesos moleculares entre 6.000 y 25.000, con propiedades dispersantes más acusadas. Son sin embargo, menos efectivos como inhibidores de incrustación que los de menor peso molecular. Organofosfonatos, que presentan ventajas frente a los anteriores productos: son más estables frente a la hidrólisis a orto fosfato y presentan un mayor poder inhibidor que el HMPNa (efectivos hasta LSI ≤ 2,6); o no son desactivados por la presencia de hierro. Estos compuestos, que son derivados del ácido fosforoso (H3PO3), se caracterizan por contener el grupo fosfónico en su molécula, con al menos un enlace directo carbono-fósforo, lo que les da una mayor estabilidad frente a la hidrólisis que la de los enlaces que contienen las moléculas de polifosfatos, que son menos estables en solución:

OH

R

C

R R

P

OH

OH O

P

OH

O

OH

OH

Fosfonato

P

Polifosfato

En general, todos los fosfonatos presentan propiedades inhibidoras, pero solo unos pocos tienen aplicación a escala industrial. Veamos la estructura y nombre de algunos de los más utilizados:

— 22 —

Ácido 1- Hidroxietiliden - 1.1 - difosfónico (HEDP) O H

O

P

O

H

H H

O

H

H H

O

P

O

H

O

Ácido amino-tris-metilen fosfónico (ATMP) O

HO P OH

OH P

O

OH N

OH P

O

OH

Ácido etilenodiamin-tetrametilen fosfónico (EDTMP) O HO P OH

H

H

OH O

H H N

P H

H

H

OH

H

H

P

N

O

H HO

H

HO H

HO P

OH O

— 23 —

Ácido dietilen-triamino-pentametilen fosfónico (DTPMP) HO O P

H H

H

H

OH

HO

H

H

H

N

P

H H

HO

H

O P

H

O

OH

N

H

OH

H

H

H

OH

H N

P H

HO

O

HO

H P O

OH

Ácido hexametilen-diamino-tetrametilen fosfónico (HMDTMP) O HO

OH

P

OH P

HO O

N

N

O

HO

P HO P

OH O

OH

Si un inhibidor de incrustación se inyecta a una dosis demasiado elevada, es posible sobrepasar la solubilidad de algún complejo formado entre el catión y el inhibidor. Esto ocurre normalmente con compuestos formados entre HMPNa o poli acrilatos con Ca y Fe especialmente. Si esto ocurre, el complejo insoluble formado tenderá a precipitar provocando ensuciamientos en el sistema de membranas, lo contrario para lo que se está usando. Utilizando mezclas de inhibidores pueden minimizarse estos problemas. Los efectos inhibidores de las mezclas son aditivos y a menudo sinérgicos. La mayoría de productos comerciales utilizados en plantas desaladoras contienen cantidades variables de uno o de mezclas de los productos anteriormente citados. Para definir las dosis recomendadas de los productos comerciales se utilizan programas de cálculo que necesitan normalmente de un análisis del agua a tratar y las condiciones de operación de la instalación, como caudales, presión de trabajo, temperatura, pH y conversión.

— 24 —

Remineralización Objetivo El objetivo de la remineralización del permeado producido en una planta de OI suele ser doble. Por un lado, el pH del agua producida suele estar en el rango de 5 - 6. La remineralización permite subir el pH hasta el valor deseado, normalmente entre 6,5 – 9,5 si se trata de agua potable (RD 140/2003.) Por otro lado, corregir el equilibrio calco carbónico para proteger las conducciones de distribución contra la corrosión o la incrustación. El agua producida es muy corrosiva, con valores del índice de Langelier negativos. La remineralización modifica el índice de Langelier a valores próximos a 0, disminuyendo el riesgo de aparición de problemas por corrosión en depósitos y tuberías de la red de distribución. El RD 140/2003 dice: «El agua en ningún momento podrá ser ni agresiva ni incrustante. El resultado de calcular el índice de Langelier debería estar comprendido entre ± 0,5». Como se discutió anteriormente, el índice de Langelier se calcula por la siguiente ecuación: LSI = pH - pHs Si LSI es negativo el agua es agresiva Si LSI es positivo el agua es incrustante. Podemos hablar básicamente de dos sistemas: • remineralización mediante lechada de cal, con saturadores y dosificación de CO2. • remineralización mediante lechos de calcitas o dolomitas y CO2. Ambos sistemas plantean ventajas e inconvenientes, que se acentúan en el caso de grandes instalaciones en las que estos sistemas generan problemas importantes de gestión, almacenamiento y manejo del reactivo. En grandes desaladoras la elcección entre uno u otro no es sencilla. En la elección intervienen aspectos a considerar como la dosis necesaria, la productividad de la planta, la variabilidad en la dosis necesaria (este problema prácticamente no se plantea en el caso de agua de mar), etc. La remineralización mediante lechos de calcita presenta algunas ventajas importantes como tecnología de remineralización: • el agua disuelve solo el reactivo necesario para equilibrar su índice de Langelier, por lo que no hay riesgo de infra o sobredosificación. • es un procedimiento muy sencillo, ya que consiste en hacer pasar el agua por un lecho similar a los lechos filtrantes. • ocupa relativamente poca superficie.

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• tiene un coste de operación reducido. • si se diseña adecuadamente produce una relativamente baja turbidez y desventajas. • el agua se equilibra químicamente disolviendo el reactivo que necesita al pH al que se encuentra, por lo que no es posible regular la cantidad de reactivo ni hacer una remineralización parcial. • hay poca experiencia en grandes instalaciones. • en el caso de instalaciones de gran tamaño, la logística de manejo de calcita y su reparto en los lechos, conos de reparto, etc., es complicada y de difícil operación. • aunque los lechos se limpien frecuentemente, existe un cierto riesgo de atascamientos o ensuciamientos por las impurezas que contiene la calcita, y que pueden afectar a la calidad final del agua. Las ventajas de la remineralización con lechada de cal: • es una tecnología ampliamente probada y en operación en grandes plantas desde hace muchos años y para distintas aplicaciones (remineralización, estabilización de fangos, etc.). • es un sistema relativamente sencillo de operación, si se maneja adecuadamente. • la cal se maneja desde silos, por lo que es sencilla su recarga y manejo. En cuanto a las desventajas: • si no se opera adecuadamente hay riesgos de precipitaciones e incrustaciones en tuberías y equipos. • en general requiere del uso de saturadores de cal para reducir la turbidez. • requiere de frecuentes limpiezas del sistema y atención en la operación. Reactivos y reacciones Los reactivos más utilizados para la remineralización de las aguas son: • CO2 y cal viva. • CO2 e hidróxido cálcico. • Carbonato cálcico. • Productos a base de dolomitas. • Carbonato sódico.

— 26 —

El proceso más habitual es el empleo de CO2 y cal viva. La reacción que tiene lugar es: 2 CO2 + CaO + H2O



Ca(HCO3)2

de esta forma se incrementa el contenido en bicarbonatos (TAC) y en calcio (TCa), lo que da lugar a un incremento de la dureza y de la alcalinidad del agua producto final. Las dosis dependerán de cual sea el resultado final que se quiera lograr, pero normalmente para aumentar un grado de TAC hacen falta 8,8 g de CO2 y 5,6 g de CaO. La cal debe prepararse en forma de lechada de cal en un saturador. Dependiendo del TAC del agua a tratar, en ocasiones puede ser preferible añadir la cal después de la inyección del CO2, con lo que podemos evitar fenómenos de descarbonatación del agua. En caso de utilizar CO2 e hidróxido cálcico, la reacción que tiene lugar es: 2 CO2 + Ca(OH)2



Ca(HCO3)2

con idéntico resultado que antes. La ventaja del uso de hidróxido cálcico es que su manejo es más sencillo, ya que no desprende tanto calor al disolverse, con los consiguientes problemas que esto conlleva. Las cantidades de reactivos por grado de TAC en este caso son, 8,8 g de CO2 y 7,4 g de Ca(OH)2. Carbonato cálcico En este procedimiento la neutralización se efectúa generalmente por filtración a través de un filtro relleno de material calcáreo. En la práctica la neutralización es lenta y se ralentiza a medida que el CO2 disminuye. Es necesario utilizar calizas o mármoles no demasiado duros. Es preferible el mármol que contiene un mayor porcentaje de CaCO3 (98 – 99%) que la caliza (85%). Productos a base de dolomitas Para disminuir tiempos de contacto, volumen de filtros y mejorar la eficacia, pueden utilizarse productos más activos que la caliza y que se fabrican a partir de la dolomita que consiste en un carbonato doble de calcio y magnesio, y de la que por calcinación se obtiene un complejo de óxido de magnesio y carbonato cálcico, MgOCaCO3. La ventaja de utilizar este tipo de compuestos es que el magnesio reacciona con el ácido carbónico con más rapidez que la caliza.

— 27 —

Las reacciones esquemáticas de neutralización del CO2 libre son: CO2 + MgOCaCO3  CO2 + CaCO3 + H2O

CaCO3 + MgCO3



2 CO2 + Ca(OH)2 

Ca(HCO3)2 Ca(HCO3)2

El consumo teórico es de 1,06 g por g de CO2 a neutralizar o de 1,25 de producto por g de alcalinidad generada. En este caso se obtiene una mayor cantidad de bicarbonatos, además de magnesio adicional con el mismo consumo de CO2. Esto representa una ventaja económica ya que se logra una mayor dureza y una mayor alcalinidad con el mismo anhídrido carbónico utilizado. Además el equilibrio del agua se alcanza de forma instantánea al contacto del agua con el reactivo, disolviéndose la cantidad necesaria de carbonato de sodio y magnesio, sin necesidad de equipos de control y dosificación. Por este motivo este sistema es bastante sencillo y cómodo. Carbonato sódico En ocasiones el carbonato sódico se utiliza también como neutralizante. CO2 + Na2CO3 + H2O



Na(HCO3)2

La neutralización con carbonato sódico se realiza de forma sencilla, por su facilidad de manejo. Sin embargo el uso de este reactivo tiene el inconveniente de que aunque aumenta la alcalinidad del agua, no incorpora calcio al agua. Otro inconveniente es que el carbonato sódico es más caro que otros productos.

— 28 —

BIBLIOGRAFÍA • Manuales Técnicos de Nalco. • Degrémont. Memento Technique de L’eau. • Dossier Técnico PermaCare de Nalco. • Manual Técnico de Dow. • Permasep Products. Engineering Manual DuPont. • Osmosis Inversa. Fundamentos, tecnología y aplicaciones. Manuel fariñas Iglesias – Mc Graw Hill – 1999. • Fondements théoriques du traitement chimique des eaux. • Henri Roques – Lavoisier Tec & Doc - 1989. • Problematica asociada al diseño de pre y post-tratamientos en grandes desaladoras. Ponencia. Domingo Zarzo.

— 29 —

Jueves 4 de junio de 2009

Presentación ZARZO MARTÍNEZ, ANTONIO J.

Tratamientos químicos en ósmosis inversa  ZARZO MARTÍNEZ, ANTONIO J.; [Technical Manager, Centro de Recursos Técnicos Europeo, NALCO Española]

ESQUEMA DE PLANTA

—2—

TRATAMIENTOS QUÍMICOS •

Protección de las membranas.

•

Prevención de problemas.

•

Disminuir lavados.

•

Disminuir paradas.

•

Mejorar calidad del agua.

•

Obtener agua de calidad requerida.

PROBLEMAS

Paso estrecho para el agua.

Superficie rugosa.

—3—

DISTRIBUCIÓN DEL FOULING EN 150 AUTOPSIAS CONSECUTIVAS

DISTRIBUCIÓN MEDIA DEL ENSUCIAMIENTO EN MEMBRANAS

—4—

EFECTO DEL ENSUCIAMIENTO ENSUCIAMIENTO

PASO DE SALES

ΔP

CAUDAL PRODUCTO

Calcio y otras sales inorgánicas

 10-25%

 10-40%

 < 10%

Oxidos e hidróxidos metálicos

 >2x rápido

 2x rápido

 20-40%

Coloides

 >2x gradual

 >2x gradual

 > 50% gradual

o

 pequeño

 > 50%

variable

 >2x rápido

 > 50%

Materia orgánica Biofouling

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• Coagulación/Floculación. • Desinfección. • Reducción. • Regulación. • Estabilización. • Limpiezas. • Remineralización.

—6—

TRATAMIENTOS QUÍMICOS Coagulación/Floculación

Coloides • Partículas en suspensión tamaño < 1 mm. • Aportan color, turbidez, sabor y olor al agua. Origen: •

microorganismos: bacterias, virus, algas, etc.

•

mineral: arcillas, limos, sílice, sales metálicas, etc.

•

orgánico: ácidos húmicos y fúlvicos, colorantes, tensioactivos, etc.

—7—

DOBLE CAPA DE PARTÍCULAS COLOIDALES

—8—

COLOIDES

•

IEM (índice de ensuciamiento modificado).

Se determina gráficamente como la pendiente de la recta al realizar medidas de V cada 30 segundos y representar 1/Q frente a V.

—9—

•

MIFC (mini índice de factor cegado).

Se realiza igual que el anterior pero representando Q frente a t.

COLOIDES •

Turbidez.

•

Contadores de partículas.

— 10 —

COAGULACIÓN/FLOCULACIÓN • Coagulación: desestabilización por anulación de cargas. • Floculación: aglomeración de los coloides sin cargas.

COAGULANTES • Minerales: Sales de Aluminio. Sales de Hierro. Otros. • Orgánicos: Epiclorhidrinas. Poliaminas. Melamina-formaldehido. Poli-DADMAC.

— 11 —

COAGULANTES Sales de Aluminio -

Al2 (SO4)3, AlCl3, NaAlO2, Aln (OH)y Clx (SO4)z (PAC, PCBA)

Al3+ + 3 H2 O  Al(OH)3 + 3 H+ HCO3 - + H+  H2 O + CO2

pH de utilización, de 6 - 7,4.

ESPECIES DEL ALUMINIO EN FUNCIÓN DEL pH pH de 4 a 11

— 12 —

COAGULANTES Sales de Hierro - Fe (SO4)3, FeCl3, FeSO4, FeClSO4

Fe3+ + 3 H2 O  Fe(OH)3 + 3 H+

pH de utilización, > de 5.

Orgánicos: •

Poliaminas.

•

Epiclorhidrinas.

•

Melamina-formaldehido.

•

Poli-DADMAC.

— 13 —

COMPARATIVA COAGULANTES Minerales

Orgánicos

buena

buena

Coste

bajo

medio

Dosis

10 - 300 ppm

0,5 - 25 ppm

afecta

poco efecto

alto

menor

Efecto agua

iones

no iones

Seguimiento

«fácil»

difícil

SI

SI

Coagulación

pH V fangos

Efecto membrana

— 14 —

FLOCULANTES •

No-iónicos, consisten normalmente en polímeros derivados de la acrilamida.

•

Aniónicos, suelen ser copolímeros derivados del ácido acrílico y la acrilamida.

•

Catiónicos, se obtienen por copolimerización de acrilamida y un monómero catiónico.

— 15 —

COAGULACIÓN/FLOCULACIÓN

Selección

Jar-Test

EFECTO SOBRE LAS MEMBRANAS • Coagulantes: Evitar exceso de productos. «Mejor» sales de Fe que de Al. Usar dosis mínimas de orgánicos (limites también por RD 140). • Floculantes: Evitar exceso de productos (limites también por RD 140). Evitar productos catiónicos. Sólidos - líquidos.

— 16 —

RD 140/07-02-2003 Y OR-SCO/3719 NOV 05

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DESINFECCIÓN •

Eliminación o reducción de riesgos por presencia de micro-organismos.

•

Efecto en la eliminación de sustancias reductoras como hierro, manganeso y sulfuros.

BIOLÓGICO • BACTERIAS (espiral, bastoncillos, esporas, filamentosas, BSR). • HONGOS. • ALGAS. • LEVADURAS.

— 18 —

BIOLÓGICO

Temperatura:

de -12 ºC a 110 ºC

pH:

de 0 (Thiobacillus ferroxidans) a >13 (Plectonema nostocorum)

Presión:

de 0 a 1.400 bar

Salinidad:

de 0 a saturación

Nutrientes:

desde ≥ 10 μg/l (agua UP)

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CARACTERÍSTICAS •

Agua (70-95% del biofouling).

•

Substancias Poliméricas Extracelulares.

•

(EPS)  más del 95% de materia seca.

•

Contiene microorganismos y materia orgánica.

•

Altos niveles de carbohidratos y proteínas.

•

Altos niveles de ATP.

DESINFECCIÓN •

Oxidantes. - Cloro, Dióxido de cloro. - Hipoclorito. - Ozono. - UV. Otros: H202, KMnO4.

•

No-oxidantes.

•

Otros medios.

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DESINFECCIÓN •

Cloro gas: Cl2 + H2 O  HClO + HCl

especie biocida, ácido hipocloroso HClO:

HClO  ClO-+ H+

— 21 —

DESINFECCIÓN •

Dióxido de cloro: - potente oxidante, explosivo a conc. > 10 %. - debe prepararse «in situ» (NaClO + HCl / Cl2). - dosis 0,2 ppm y 15 min. - efecto remanente importante.

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•

Hipoclorito sódico: NaClO  ClO-+ Na+

•

Ozono: - fuerte poder oxidante. - alta reactividad. - dosis 0,5 ppm y tiempos cortos (5 min).

•

UV: - aplicación en aguas poca turbidez. - MO y algunos iones absorben radiación UV. - no tiene efecto remanente. - efecto difícil de medir. - subproductos desconocidos. - puede afectar otros productos de pretratamiento.

•

H202.

•

KMnO4.

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•

Biocidas no-oxidantes: - DBNPA. - Isotiazolonas.

— 24 —

•

Otros medios: - Bisulfito. - Desplazamiento.

EFECTO SOBRE LAS MEMBRANAS • Oxidantes: - No deben llegar a las membranas (poliamidas). - Menor efecto en membranas de AC. • No-oxidantes: - No deben llegar al permeado. - Uso en limpiezas. - Enjuagar bien el sistema.

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REDUCCIÓN Productos • Metabisulfito sódico, Na2S2O5 Na2S2O5 + H2O  2 HSO3- + 2 Na+ dosis de 3 - 4 ppm por ppm de cloro libre. • Bisulfito sódico, NaHSO3. NaHSO3 + Cl2 + H2O  SO42-+ 2 Cl- + Na++ 3 H+ dosis de 3 - 4 ppm por ppm de cloro libre.

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• Sulfito sódico, Na2SO3 Na2SO3 + Cl2 + H2O  SO42- + 2 Cl-+ 2 Na++ 2 H+ dosis de 9 - 10 ppm por ppm de cloro libre. • Tiosulfato sódico, Na2S2O3 S2O32- + 2 H+  2SO42- + 4 S + H2O dosis de 1 - 3 ppm por ppm de cloro libre.

CONTROL •

medida de cloro libre residual.

•

medida del potencial redox.

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EFECTO SOBRE LAS MEMBRANAS • No tienen efecto sobre las membranas. • No usar productos catalizados (Co). • No usar tiosulfato (dismuta a S). • Manejo y preparación metabisulfito (sólido). • Reducen el pH del agua. • Moderado efecto biocida a altas dosis. • Uso como conservante (bisulfito).

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REGULACIÓN (pH)

LSI SEGÚN LA POSICIÓN DE LA MEMBRANA

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REGULACIÓN Modificación del pH • Ácidos. - sulfúrico (H2SO4). - clorhídrico (HCl). - CO2. • Bases. - sosa (NaOH).

EFECTO SOBRE LAS MEMBRANAS • Ninguno directo. • Aumento nivel SO42-. • Aumento conductividad permeado (ácidos al  CO2). • Aumento riesgo incrustación (sosa).

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ESTABILIZACIÓN • Evitar precipitación de sales incrustantes. - Modificación del pH. - Desendurecimiento del agua. - Reducción de la conversión. - Antiincrustantes.

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INCRUSTACIÓN

— 32 —

CONCENTRACIÓN POLARIZACIÓN

INCRUSTACIÓN EN MEMBRANAS DE OI •

¿Por qué? Las sales disueltas superan su solubilidad límite debido al efecto de concentración del sistema.

Equilibrio entre Aprovechamiento de Agua e Incrustación.

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ÍNDICE DE SATURACIÓN SI = Ip / K sp Ip = Producto Iónico. Ksp = Producto Solubilidad (constante).

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ETAPAS DE CRISTALIZACIÓN

FORMACIÓN INCRUSTACIÓN Frecuente:

CaCO3, CaSO4

Menos frecuente:

BaSO4, SrSO4, CaF2

Otras:

Sílice, Sulfuros, Fosfatos, Mg(OH)2

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ESTABILIZACIÓN Antiincrustantes - fosfatos - polifosfatos

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HEXAMETAFOSFATO SÓDICO - (HMPNA) • primer inhibidor usado. • buena efectividad a bajo coste. • efectividad hasta LSI ~ 1 (necesita ácido). • producto sólido preparado «in situ». • fácil hidrólisis. • nutriente microbios. • precipitación con calcio.

ESTABILIZACIÓN Antiincrustantes. - fosfatos - polifosfatos. - polímeros.

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— 38 —

POLÍMEROS ACRÍLICOS • inhibición de CaCO3 y otras sales. • efecto dispersante según peso molecular. • efectividad hasta LSI ~ 2 - 2,5. • si exceso precipitación con calcio. • envenenamiento por hierro.

— 39 —

ESTABILIZACIÓN Antiincrustantes. • fosfatos - polifosfatos. • polímeros. • fosfonatos.

— 40 —

— 41 —

FOSFONATOS • inhibición de CaCO3 y otras sales. • poco efecto dispersante. • efectividad hasta LSI ~ 2.8. • muy estables a la hidrólisis. • exceso no precipita con Ca. • efectivos inhibiendo metales, Al, Fe (Mn).

DOSIS - Hexametafosfato sódico, de 5 a 10 ppm. - Polímeros - Fosfonatos

}

Programas de cálculo

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ANTIINCRUSTANTES Debe •

Controlar sales comunes. - Conversión diseño. - Tiempos cortos.

•

Compatible con membranas.

•

Efectivo Económicamente.

No debe •

Contribuir al biofouling.

•

Reaccionar otros reactivos. - Coagulantes/Floculantes.

•

Disminuir su efectividad por la presencia de metales.

•

Infradosificación - Ensuciamiento.

•

Sobredosificación. - Incrustación. Control.

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EFECTO SOBRE LAS MEMBRANAS • Hexametafosfato. - Biofouling. • Polímeros. - Si se usa en exceso, ensuciamientos, precipitación, biofouling. - Hierro. • Fosfonatos. - Si se usa en exceso aumento coste y ensuciamientos.

RD 140/07-02-2003 Y OR-SCO/3719 NOV 05 • Actualmente no incluidos. • Próxima revisión incluirá como antiincrustantes para membranas: - UNE-EN 1540 para ácidos fosfónicos y derivados. • UNE-EN 1541 para polifosfatos, ya incluido como metafosfato en la OR-SCO/3719.

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LIMPIEZAS ¿CUÁNDO LAVAR? • Si APARECEN los siguientes cambios: - Caudal Permeado Norm.

10% - 15%

- Presión Diferencial

10% - 15%.

- Rechazo Sales

10% - 15%.

¡Comenzar a planear la estrategia al primer indicio de cualquier mínimo cambio!

CICLOS DE LIMPIEZA

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¿COMO ELEGIR PRODUCTOS LIMPIEZA? •

Seleccionar según: - Tipo Membrana. - Características del Ensuciamiento.

GAMA DE PRODUCTOS DE LIMPIEZA •

Biocidas.

•

Detergentes.

•

Productos alcalinos.

•

Productos ácidos.

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LIMPIEZAS No exceder especificaciones fabricante (*). •

pH.

•

Presión.

•

Temperatura.

•

Velocidad Flujo.

Trabajar Límites Máximos. •

pH (mínimo o máximo).

•

Presión.

•

Temperatura.

•

Velocidad Flujo.

(*) ¡Al menos sin consultarles!

OPTIMIZACIÓN DE LAVADOS pH La mayoría de membranas responden a una limpieza con detergente alcalino seguida de una ácida o viceversa. La disminución o subida del pH de la solución limpiadora es a menudo la forma más simple y efectiva de limpieza de membranas sucias.

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Temperatura Las reacciones químicas son potenciadas por elevación de la temperatura de la solución de lavado. Todas las membranas tienen una temperatura máxima límite para un pH dado, y esta no debe ser nunca sobrepasada.

Presión y flujo Los fabricantes de membranas indican las condiciones de flujo y presión de limpieza, las cuales deben ser seguidas escrupulosamente. No se debe usar nunca la bomba de alta presión para recircular la solución de limpieza y mantener siempre el sentido de flujo salvo que se indique lo contrario.

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Hidráulica Muchos programas de limpieza requieren un flujo turbulento para ayudar a remover depósitos de la superficie de la membrana, lo que implica mantener un mínimo de velocidad en el agua. Se deben evitar las presiones excesivas para prevenir el «telescoping» y que las partículas se introduzcan en los poros de la superficie de la membrana.

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RECOMENDACIONES PARA UN LAVADO EFECTIVO •

Limpiar las membranas de forma regular cuando la producción, ΔP, o conductividad varíen 10 -15 % de los valores de diseño. Las limpiezas regulares y cuidadosas son necesarias y no tienen por qué acortar la vida de la membrana.

•

Los ensuciamientos orgánicos deben tratarse primero con un detergente alcalino para romper y eliminar la materia orgánica y biofilm seguido de una limpieza ácida si fuera necesario.

•

Las incrustaciones deben limpiarse con un producto ácido. (En caso de desconocer el tipo de ensuciamiento comenzar siempre con un producto de limpieza alcalino).

•

Los flujos durante la limpieza debe mantenerse en los límites de diseño que para una membrana de 8” está entre 6 -10,5 m3/h y tubo de presión. - La limpieza debe realizarse a baja presión < 4 bar (60 psi). - El volumen de solución de limpieza debe ser de ≅ 40 l por membrana (8”x 40”) sin contar las tuberías. El mínimo por membrana debe ser de 25-30 l.

•

Cuando sea posible usar soluciones de lavado calentadas a 25 -30 ºC. En caso de UF o membranas de polisulfona pueden alcanzarse los 50 ºC.

•

Remojar las membranas en la solución de lavado durante al menos 15-30 min. antes de la recirculación. Este procedimiento puede ser repetido regularmente durante el lavado.

•

Enjuagar las tuberías, membranas y el tanque de limpieza con agua osmotizada entre cada fase de lavado y antes de poner de nuevo en marcha la planta.

•

Cuando se limpian plantas con varias etapas, lavar cada una de ellas de forma independiente.

•

Es normal que las condiciones de trabajo no mejoren o incluso empeoren al finalizar la limpieza. Muchos agentes limpiadores pueden afectar temporalmente al soporte estructura de polisulfonade la membrana y un funcionamiento normal de 4 a 24 h puede ser necesario para estabilizar las condiciones de operación.

— 50 —

REMINERALIZACIÓN •

El pH del agua producida esta entre 5 - 6. La remineralización permite subir el pH hasta el valor deseado, normalmente entre 6,5 - 9,5 si se trata de agua potable (RD 140/2003).

•

Corregir el equilibrio calco carbónico para proteger las conducciones de distribución contra la corrosión o la incrustación.

El permeado es muy corrosivo, con LSI negativos. Se modifica el LSI a 0, disminuyendo el riesgo de aparición de problemas por corrosión en depósitos y tuberías de la red de distribución. El RD 140/2003 dice: «El agua en ningún momento podrá ser ni agresiva ni incrustante. El resultado de calcular el índice de Langelier debería estar comprendido entre ±0,5».

— 51 —

REMINERALIZACIÓN Principalmente dos sistemas: •

lechada de cal, con saturadores y CO2.

•

lechos de calcitas o dolomitas y CO2.

REMINERALIZACIÓN CON CAL Ventajas: •

tecnología ampliamente probada y en operación en grandes plantas.

•

uso en distintas aplicaciones (remineralización, estabilización de fangos, etc.).

•

sistema relativamente sencillo de operación, si se maneja adecuadamente.

•

la cal se maneja desde silos, por lo que su recarga y manejo es sencilla.

— 52 —

REMINERALIZACIÓN CON CAL Desventajas: •

riesgos de precipitaciones e incrustaciones en tuberías y equipos.

•

requiere del uso de saturadores de cal para reducir la turbidez.

•

requiere de frecuentes limpiezas del sistema y atención en la operación.

REMINERALIZACIÓN CON LECHOS Ventajas: •

el agua disuelve solo el reactivo necesario para equilibrar su índice de Langelier, por lo que no hay riesgo de infra o sobredosificación.

•

procedimiento muy sencillo: el agua por un lecho similar a los lechos filtrantes.

•

ocupa relativamente poca superficie.

•

tiene un coste de operación reducido.

•

si se diseña adecuadamente produce una relativamente baja turbidez.

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REMINERALIZACIÓN CON LECHOS Desventajas: •

el agua se equilibra químicamente disolviendo el reactivo que necesita al pH al que se encuentra, por lo que no es posible regular la cantidad de reactivo ni hacer una remineralización parcial.

•

hay poca experiencia en grandes instalaciones.

•

en instalaciones de gran tamaño, la logística de manejo de calcita y su reparto en los lechos, conos de reparto, etc., es complicada y de difícil operación.

•

aunque los lechos se limpien frecuentemente, existe un cierto riesgo de atascamientos o ensuciamientos por las impurezas que contiene la calcita, y que pueden afectar a la calidad final del agua.

REMINERALIZACIÓN • CO2 y cal viva. • CO2 e hidróxido cálcico. • Carbonato cálcico. • Productos a base de dolomitas. • Carbonato sódico.

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REMINERALIZACIÓN - CO2 y cal viva 2 CO2 + CaO + H2 O  Ca(HCO3)2 por grado de TAC  8,8 g de CO2 y 5,6 g de CaO

- CO2 e hidróxido cálcico 2 CO2 + Ca(OH)  2Ca(HCO3)2 por grado de TAC  8,8 g de CO2 y 7,4 g de Ca(OH)2

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REMINERALIZACIÓN - Carbonato cálcico (calcita) CO2 + CaCO3 + H2O  Ca(HCO3)2 Filtración a través de lechos calcáreos Mejor tipo mármol (99%) que calizas (85%)

•

Productos a base de dolomitas por calcinación  MgOCaCO3

REMINERALIZACIÓN • Productos a base de dolomitas. CO2 + MgOCaCO3  CaCO3+ MgCO3 CO2 + CaCO3 + H2 O  Ca(HCO3)2 2 CO2 + Ca(OH)  2Ca(HCO3)2 1,06 g /g de CO2 a neutralizar o de 1,25 g / g de TAC generada.

•

mayor cantidad de bicarbonatos + Mg con igual CO2.

•

ventaja económica: mayor TH y mayor TAC con igual CO2.

•

equilibrio de forma instantánea al contacto del agua.

•

se disuelve la cantidad necesaria de carbonato de Ca y Mg.

•

sin necesidad de equipos de control y dosificación.

•

sistema sencillo y cómodo.

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REMINERALIZACIÓN • Carbonato sódico CO2 + Na2 CO3 + H2O  Na(HCO3)2 - más caro que otros productos. - fácil manejo. - no incorpora Ca (añade más Na+).

ESQUEMA DE PLANTA

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Jueves 4 de junio de 2009

Pretratamientos físicos ZARZO MARTÍNEZ, DOMINGO

Pretratamientos físicos  ZARZO MARTÍNEZ, DOMINGO; [Director Técnico y de I+D+i, VALORIZA AGUA]

ÍNDICE 0. Introducción. 1. Sistemas de desbaste y tamizado. 2. Sistemas de filtración sobre lechos. 3. Tratamientos físico-químicos. 4. Sistemas de microfiltración sobre cartuchos y precapa. 5. Sistemas de microfiltración continua / ultrafiltración.

—2—

0. INTRODUCCIÓN Los sistemas de pretratamiento, tanto químicos como físicos, son una parte importante (si no la más importante) en el diseño de los sistemas de desalación. Su objetivo fundamental es el de proteger y dar durabilidad a los sistemas que realmente realizan el proceso de desalación, sean membranas o evaporadores. Es evidente que cualquier sistema de desalación con un pretratamiento insuficiente o mal diseñado será una fuente de problemas que puede causar daños tan graves como el deterioro de las membranas, con un impacto económico muy importante. Por ello, la durabilidad del sistema de desalación depende fundamentalmente del diseño conservador y adecuado del pretratamiento, fuente de un elevadísimo porcentaje de los problemas posteriores de operación de las instalaciones. Los pretratamientos químicos tienen como fundamento el eliminar los riesgos químicos y biológicos a los sistemas de desalación, como son: • ensuciamientos químicos y/o biológicos. • ataque a la estructura química de las membranas. • proliferación de microorganismos. • precipitaciones. • corrosiones. muchos de los cuales se producen tanto en sistemas de membranas como de evaporación. Sin embargo, los pretratamientos físicos, que se van a describir en esta presentación, van encaminados a eliminar del agua partículas, grasas, elementos asociados a sólidos en suspensión, etc., es decir, básicamente aquellos componentes del agua que pueden ser separados por una barrera física, sea una membrana u otro sistema de separación. Lógicamente hay una difícil separación en algunos casos entre sistemas físicos, físico-químicos y químicos, dependiendo de los procesos o mecanismos de separación implicados. Dentro de los procesos que conocemos como físicos, y que sirven de pretratamiento a los sistemas de desalación, podemos hablar de sistemas «groseros», de desbaste y tamizado, cuyo objeto es separar sólidos «gruesos», filtraciones sobre diversos medios y configuraciones, con objeto de eliminar básicamente sólidos en suspensión y coloides, y sistemas más rigurosos como la micro y ultrafiltración, también con diversas configuraciones, que pueden eliminar moléculas diversas, según su corte molecular. Una figura muy ilustrativa de los sistemas de separación física o físico-química es un espectro de la filtración, que nos da una idea de la rigurosidad de cada uno de estos sistemas a la hora de separar distintas partículas, moléculas o iones del agua.

—3—

Como puede observarse, cada una de las tecnologías tiene un rango de separación amplio, que se solapa con otras tecnologías. Por ejemplo muchas veces es difícil definir una tecnología como de Micro o de Ultrafiltración, cuando nos movemos en valores del entorno de 0,05 a 0,1 micras. El amplísimo campo de sistemas de filtración existente en el mercado aplicables a la desalación implica que en este tema solo podamos realizar un breve repaso a las diversas tecnologías existentes, centrándonos algo más en las que son de aplicación más general o más utilizadas en los sistemas de desalación. Asimismo, si bien vamos a hablar de desalación en general, realmente la mayor parte de estos tratamientos son enfocados hacia sistemas de membranas, y más particularmente, de ósmosis inversa.

1. SISTEMAS DE DESBASTE Y TAMIZADO Los sistemas de separación de sólidos gruesos, como el desbaste, tamizado, desarenado, desengrasado, etc. son sistemas convencionales en potabilización y depuración de aguas y por tanto no específicos de la tecnología de desalación, por lo que se mencionarán aquí muy brevemente. Hay una importante diferencia, sin embargo, de los sistemas utilizados en desalación frente a los equipos equivalentes que se instalan en EDAR o ETAP, y es, básicamente el de los materiales de construcción empleados. Evidentemente cuando tratamos con aguas con una alta salinidad —4—

(y con mayor razón en agua de mar o salmueras) es necesario que estos sistemas sean construidos con materiales adecuados que resistan la corrosión, por lo que éstos se construyen en aceros inoxidables o aleaciones de alta calidad que, aparte de incrementar la durabilidad de los equipos, los encarecen extraordinariamente. Respecto a estos sistemas, cabe indicar asimismo que, mientras son absolutamente imprescindibles en tomas de agua de mar abiertas, aguas superficiales o aguas residuales, son menos necesarios cuando las tomas son procedentes de pozos. Asimismo, el uso de sistemas de Micro o Ultrafiltración como pretratamiento, requiere de un tamizado previo, con un paso que depende de cada fabricante o tipo de membrana. El sistema más «grosero» de separación es el desbaste, que se lleva a cabo mediante rejas cuyo objeto es retener objetos voluminosos y en suspensión de un cierto tamaño que arrastre el agua. Estos dispositivos pueden ser de muchos tipos; horizontales, verticales, inclinados, de paso fino, medio o grueso, fijo o móvil y de limpieza manual, automática o semiautomática, y con pasos que van desde varios centímetros hasta menos de 1 cm. Afinando en la eliminación de residuos sólidos, llegamos a la instalación de los tamices, en los que normalmente se llega a pasos de separación del orden de milímetros. Según el paso y disposición del sistema podemos hablar de microtamizado, con pasos superiores a 0,2 - 0,3 mm y microtamizado, con pasos del entorno de micras (p.e. 100 micras). Hay asimismo un gran número de sistemas de tamizado, por disposición (rotativos, estáticos, de cadena, etc.) y con diversos elementos filtrantes, como elementos dentados, mallas, etc. En el mercado existen también otros elementos utilizables o no según el tamaño de la instalación y la aplicación como filtros de anillas o mallas (muy utilizados en sistemas de regadío). Otros sistemas de pretratamiento que pueden utilizarse en las desaladoras pueden ser los desarenadores, decantadores o sistemas de desengrasado, para eliminar grasas y aceites, aunque éstos son menos frecuentes. En el caso de aguas con contaminación por hidrocarburos (p.e. captaciones próximas a puertos, etc.) se suele instalar a menudo un DAF (flotación por aire disuelto), que además de hacer la función de tratamiento físico-químico, elimina también en gran medida grasas y aceites.

2. SISTEMAS DE FILTRACIÓN SOBRE LECHOS FILTRANTES Los sistemas de filtración son los encargados de retener en la superficie o en el seno de una masa filtrante las partículas que contiene un líquido. Podemos hablar de filtración en superficie en el primer caso, y de filtración en profundidad en el segundo. Las filtraciones en superficie pueden ser: • a través de soportes delgados como rejas, mallas, tamices, microtamices, filtros-prensa o filtros a vacío.

—5—

• a través de soportes gruesos como filtros de material aglomerado o de cartuchos. • A través de precapas; filtros de bujías, discos o tambores. En este apartado nos centraremos en la filtración a través de lechos filtrantes en sus distintas variantes. Mecanismos de la filtración La filtración puede producirse por medio de distintos mecanismos, que son; • Tamizado mecánico, que es básicamente retención mecánica de las partículas de tamaño mayor que los huecos que deja el material filtrante, sea una malla o un lecho. • Deposición sobre el medio filtrante, que hace que partículas de tamaño inferior al poro o hueco del material filtrante queden retenidas, y que puede tener lugar por intercepción directa o inercial, difusión por movimiento browniano, fuerzas de Van der Waals, sedimentación, coagulación, etc. • Mecanismos de fijación, que se producen a bajas velocidades, producidos por fuerzas de origen físico o de adsorción. Cabe destacar que algunos materiales filtrantes, como la antracita, tienen ciertas capacidades de adsorción, que, sin llegar a ser tan importantes como en un carbón activo, pueden ser aprovechadas para la eliminación de ciertos componentes del agua. Tipos de filtros La filtración que podemos llamar convencional, a través de lechos filtrantes, se realiza sobre lechos de diversos materiales con un cierto espesor, lo que produce una filtración en profundidad, a diferencia de los sistemas de filtración superficial. La ventaja de estos sistemas es que permiten la eliminación de partículas coloidales, de difícil separación en filtraciones superficiales. En una filtración sobre lecho filtrante el agua se hace pasar por el lecho, bien por gravedad o bien a presión, quedando retenidas las partículas en él y obteniendo un agua con un contenido inferior en sólidos en suspensión. El lecho va ensuciándose progresivamente con la retención de sólidos, hecho que es detectado por un incremento de presión diferencial, por nivel de agua o por caída del caudal filtrado, y cuando esto se produce es necesario un lavado del filtro (normalmente a contracorriente) para retirar los sólidos retenidos y volver a la operación normal del filtro. Los filtros pueden ser de gravedad (como los que se instalan normalmente en las potabilizadoras) o cerrados, a presión, que son los más utilizados en desalación con el fin de evitar el contacto del agua con el aire y la luz ambiente, que puede favorecer desarrollos microbiológicos y empeoramiento de la calidad del agua. Los filtros de gravedad suelen ser de forma rectangular y el agua entra por un canal lateral superior que actúa como vertedero por desbordamiento o bien dejando pasar el agua por orificios en sus paredes y se desplaza a través del lecho filtrante pasando a una cámara inferior —6—

separada por un falso fondo dotado de crepinas o boquillas colectoras que dejan pasar el agua pero no el material filtrante. En la actualidad se están implantando en los filtros de gravedad bastante los fondos prefabricados de materiales plásticos, que son autoportantes y no requieren de un falso fondo que complica la obra civil y evita problemas de movimiento de placas o fugas durante las operaciones de limpieza a contracorriente. Los lechos filtrantes pueden ser con capa filtrante única o bien en sistemas multicapas. En capa única el medio más utilizado es la arena silícea o sílex, de distintas granulometrías según la aplicación. Asimismo en casos de agua con un importante contenido en sólidos, pueden colocarse sistemas de filtración en serie. La altura típica de los lechos filtrantes monocapa suele ser del orden de un metro. Como lechos filtrantes adicionales al sílex, en sistemas multicapa, se han utilizado materiales como la antracita, o el granate, etc., que también pueden combinarse con distintas granulometrías. Normalmente suelen ir acompañados de una capa de unos cuantos centímetros de gravas, para evitar el paso de material filtrante al agua tratada y mejorar la distribución de agua y aire. El diseño de un filtro en profundidad se realiza básicamente por velocidad de filtración. Si bien en otras aplicaciones (piscinas, filtración convencional), se utilizan altas velocidades, en el caso de la desalación, y fundamentalmente en ósmosis inversa, los diseños de los filtros cerrados se realizan a velocidades moderadas de filtración, del entorno de 8 -10 m3/h por m2 de filtro en filtros monocapa y algo mayor (15 -18 m3/h por m2 en sistemas multicapa), con valores inferiores en los filtros de gravedad (4 - 8 m3/h por m2). La velocidad de filtración adoptada nos determina la superficie necesaria de filtro conocido el caudal a filtrar, y por tanto las dimensiones del equipo. En los filtros cerrados a presión, cuando los caudales son reducidos, normalmente se instalan filtros verticales, cuya superficie de filtración es igual a la sección cilíndrica del filtro. A medida que el caudal es mayor, el diámetro del filtro se va incrementando hasta valores que hacen más recomendable una disposición horizontal, en la que ya no tenemos limitaciones constructivas, ya que podemos darle la longitud que necesitemos. Es necesario asimismo dar alguna indicación acerca de los materiales de construcción de los filtros; como es inviable económicamente su construcción en acero inoxidable (salvo plantas pequeñas y aplicaciones industriales concretas), normalmente se construyen en PRFV (equipos prefabricados para pequeños caudales) o bien en acero al carbono protegido interiormente con resinas epoxi (en el caso de aguas salobres) o bien con ebonitado o goma natural en el caso de agua de mar. En la actualidad ya hay algunas instalaciones con filtros de grandes dimensiones construidos totalmente en PRFV. Los filtros cuentan con un conjunto de válvulas que permiten las siguientes operaciones: • operación. • lavado a contracorriente. •

lavado con aire.

• enjuagues, maduración, etc. —7—

Estas válvulas en general están automatizadas (con apertura neumática o eléctrica) de modo que las operaciones de limpieza y operación se realizan de modo automático o semiautomático, de acuerdo a las instrucciones del operador o de lazos de control basados en instrumentación que detecta el ensuciamiento del filtro de modos diversos (caudal, diferencial de presión, nivel de agua, etc.). Para la limpieza de los filtros se necesitan sistemas auxiliares como bombas de agua de lavado y soplantes para el lavado con aire. El diseño de estos equipos auxiliares también se realiza por velocidad de paso, con unos valores típicos de agua de lavado con caudal de aproximadamente el doble del de operación (2025 m3/h-m2 de filtro) y relaciones de caudal similares para el aire. La operación de lavado de filtros suele durar normalmente entre 1 y 2 horas, con sus distintas etapas y su periodicidad depende de la calidad del agua de aporte y su contenido en sólidos. En general se realizan también limpiezas periódicas de mantenimiento aunque no se haya producido la consigna automática de lavado, con el fin de evitar compactaciones del lecho o incluso formación de precipitados. En la actualidad, el agua de lavado de filtros, con alto contenido en sólidos en suspensión, debe enviarse a un sistema de tratamiento de efluentes, basado fundamentalmente en tratamiento físico-químico y/o decantación, aunque la práctica más extendida anteriormente era la de verterla junto con el rechazo, aprovechando la dilución. Con el fin de ahorrar agua de calidad para la limpieza de filtros, en numerosas plantas se utiliza la salmuera para este fin, lo cual tiene varias ventajas; por un lado no consumimos agua producto o pretratada para este fin, y por otro conseguimos eliminar la posible microbiología presente en los filtros por choque osmótico en sus células. Asimismo hay experiencias de reutilización de agua de lavado de filtros, para reincorporarla a cabeza de planta, fundamentalmente utilizando ultrafiltración, aunque esto suele hacerse en plantas de agua potable, no siendo necesario en el caso de agua de mar. Debe tenerse en cuenta que los filtros cerrados requieren presión en el agua de aporte, por lo que hay que tener prevista esta pérdida de carga en los sistemas de bombeo anteriores, así como las necesidades de presión en las etapas posteriores del tratamiento. Cabe mencionar también un pretratamiento utilizado en algunas instalaciones de desalación, aunque no podemos definirlo como un sistema de filtración. El carbón activo (en general utilizado en forma granular) se utiliza básicamente para la eliminación de compuestos orgánicos disueltos y no es muy utilizado en desalación por el riesgo de que llegue polvo de carbón hasta las membranas. Es evidente que el origen del agua determina el pretratamiento más adecuado, siendo más sencillo cuando la calidad del agua de aporte es mejor. Por ejemplo, en el caso de las plantas de agua de mar, un agua prefiltrada por el lecho marino y extraída desde pozos playeros siempre tendrá una mayor calidad de cara a su posterior desalación que el agua procedente de una toma abierta. Sin embargo, hay algunos impedimentos importantes para conseguir este tipo de toma; o bien que la geología del terreno o la falta de espacio no lo permitan, o bien que por el tamaño de la instalación no sea viable económicamente ese tipo de captación, incluso con —8—

los diversos sistemas actuales (túneles, pozos radiales horizontales múltiples, etc.). En general, las plantas mayores construidas con estos tipos de captación no superan los 100.000 m3/día, aunque se han estudiado para tamaños superiores. En el caso de estas grandes plantas de agua de mar, descartado pues, en general, el tipo de toma mediante pozos, esto nos conduce a la selección de un pretratamiento más complejo para el agua de aporte, que puede diseñarse de modos diversos; • dobles etapas de filtración en serie (con sus distintas variantes de gravedad, presión, etc.) con o sin coagulación en línea. • tratamientos físico-químicos combinados con filtración en 1 ó 2 etapas (con separación de los sólidos mediante decantación o flotación). • sistemas de pretratamiento de membranas (micro/ultrafiltración). En general en España se ha extendido el uso de las dobles etapas de filtración en serie con o sin físico-químico previo, y a menudo combinando una etapa de gravedad con otra a presión. En general, cuando se tratan aguas salobres subterráneas o aguas de mar procedentes de pozos, es suficiente con una única etapa de filtración.

3. TRATAMIENTOS FÍSICO-QUÍMICOS Los tratamientos físico-químicos los mencionamos aquí por incluir operaciones de separación físicas, como la decantación, si bien deben ser considerados más bien como químicos, al utilizar coagulantes y floculantes para favorecer la separación de materia orgánica, sólidos y otras sustancias del agua. No vamos a describir en detalle estas tecnologías por ser suficientemente conocidas en el tratamiento de aguas en general. Si cabe señalar que los tratamientos físico-químicos suelen emplearse como pretratamiento de sistemas de membranas (ósmosis inversa o electrodiálisis) cuando se parte de aguas a tratar muy cargadas de sólidos o materia orgánica, fundamentalmente en aplicaciones de reutilización de aguas residuales o en el tratamiento de aguas superficiales muy cargadas. De hecho, hay numerosas experiencias que demuestran que solo son eficaces con aguas con elevada turbidez o alto contenido en sólidos en suspensión. En general cuando se utilizan los tratamientos físico-químicos como pretratamientos de desalación, se hace con sistemas de separación de alta eficacia, como decantadores lamelares o flotadores con aire disuelto (DAF). En sistemas de filtración también suele incorporarse a menudo la dosificación de coagulantes y/o floculantes en línea sobre los filtros, para su uso en periodos de alta turbidez del agua de aporte (temporales, etc.).

4. SISTEMAS DE MICROFILTRACIÓN SOBRE CARTUCHOS Y PRECAPA Los filtros de cartuchos se utilizan normalmente como pretratamiento de ósmosis inversa o electrodiálisis reversible y se conocen también como filtros de seguridad, ya que son la última etapa de pretratamiento que protege a las membranas posteriores. —9—

El objetivo de estos sistemas es el de impedir que lleguen hasta las membranas partículas de pequeño tamaño (típicamente en valores superiores a 5-10 micras) hasta las membranas, provocando ensuciamientos de las mismas o incluso dañándolas físicamente. El sistema más utilizado es el de los filtros de cartuchos. Los cartuchos, que suelen ser de polipropileno bobinado, extrusionado o plegado, tienen un alma o cuerpo central tubular sobre el que se enrolla (en el caso del bobinado) el material filtrante, de modo que las partículas quedan retenidas en su superficie y el agua pasa a través del medio filtrante hacia el tubo central. Un filtro de cartuchos tiene una cantidad de unidades de filtración según el caudal a filtrar y puede ir desde un cartucho (en plantas semiindustriales o domésticas) hasta grandes cantidades (p.e. 250). El cuerpo que contiene los filtros puede construirse en diversos materiales, siendo los más comunes el PVC (para pequeños caudales), PRFV, acero al carbono protegido, acero inoxidable, etc. En plantas desaladoras de tamaño importante los más utilizados son los de PRFV por tener un menor coste de inversión que los de acero inoxidable o acero ebonitado. El diseño de los filtros de cartuchos es sencillo y también se basa en la velocidad de filtración. Una velocidad típica de filtración de un filtro de cartuchos para ósmosis inversa puede estar en el entorno de 15 m3/h por m2 y conociendo la superficie por cartucho (p.e. con un valor típico de 0,188 m2 por cartucho bobinado de 40”) y el caudal a filtrar, es sencillo determinar el número de cartuchos necesario. Los tamaños de los cartuchos están estandarizados, siendo los más comunes en plantas grandes los de 40” y 50” de longitud. En los sistemas de limpieza química de membranas es necesario incluir un filtro de cartuchos con el fin de evitar que lleguen a las membranas partículas procedentes del circuito de limpieza, aunque a veces éste se dimensiona trabajando a velocidades algo superiores a las de la operación normal. A diferencia de los sistemas de filtración sobre lechos, los filtros de cartuchos no se limpian (aunque se intenta), sino que cuando se detecta ensuciamiento los cartuchos deben ser sustituidos, debiendo considerar éstos como un elemento consumible de la instalación. Existen algunos filtros de microfiltración basados fundamentalmente en mallas de acero inoxidable que son autolimpiables a contracorriente, pero en la actualidad es difícil encontrar este tipo de sistemas con pasos inferiores a 25-50 micras, además de ser una filtración más superficial, por lo que no son demasiado utilizados (al menos como sustitutos de los filtros de cartuchos), ya que son menos eficientes por ejemplo en la eliminación de coloides. Los filtros de cartuchos también funcionan a presión, por lo que es necesario tener prevista esa presión a la hora de diseñar el bombeo de baja presión, que debe vencer todas las pérdidas de carga del pretratamiento y llegar hasta la bomba de alta presión con una presión suficiente para evitar cavitaciones en ésta. Los filtros precapa son una variante de los filtros de cartuchos, en los cuales se forma una precapa con un material filtrante fino, como las diatomeas, que forman una película sobre el cartucho produciendo así una filtración más profunda.

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La eliminación de la precapa requiere de una técnica especial. Se precisa de un equipo formado por tanques de preparación de la precapa y bombas para su impulsión a los filtros. Son filtros de elevado coste y mantenimiento y su ubicación más común es entre los filtros de arena y los de cartuchos. Dada su complejidad de operación en la actualidad son poco utilizados.

5. SISTEMAS DE MICROFILTRACIÓN CONTINUA / ULTRAFILTRACIÓN Los sistemas de microfiltración continua o ultrafiltración son el tratamiento de separación más riguroso antes de las tecnologías de desalación, capaces de eliminar no solo partículas sino microorganismos y moléculas orgánicas (dependiendo de su corte molecular). Las membranas que se utilizan en estos tratamientos son de muy diversa configuración (planas, espirales, capilares, etc.) y materiales (polipropileno, PVDF, etc.) y han ido evolucionando en diversas aplicaciones (desde por ejemplo el pretratamiento de plantas de ósmosis inversa de agua potable alimentadas con aguas superficiales hasta el tratamiento biológico de agua residual (sistemas MBR)). El corte molecular de la membrana determina el rendimiento de eliminación de materia orgánica y sólidos, y en general los fabricantes las diseñan con varios cortes moleculares, según la aplicación. Las características diferenciales de las membranas de MF/UF son las siguientes; 1) Química de la membrana (lo cual implica, por ejemplo, tolerancia al cloro). Los materiales más utilizados son; i. Celulósicas. ii. Polietersulfona (PES). iii. Polipropileno (PP). iv. Polisulfona (PS). v. PVDF 2) Tamaño de poro (y por tanto, entre otros, rendimiento en eliminación de virus). 3) Configuración; plana, espiral, capilar / vertical o horizontal. 4) Dirección de flujo; de fuera adentro o de dentro afuera. 5) Montaje; en caja o tubo de presión o sumergida en tanque atmosférico. 6) Densidad de fibras (caso de fibra hueca) o superficie por módulo. 7) Forma de lavado; agua a contra o equicorriente, agua y aire, aire, y lavado químico, etc. 8) Requerimientos de energía y auxiliares (bombeos, presión, aire comprimido). 9) Tipo de filtración: dead-end o flujo cruzado (crossflow). — 11 —

10) Forma de trabajo; a presión o en aspiración (sumergidas). 11) Pretratamiento requerido. Los equipos de MF/UF suelen ser compactos e incorporan el sistema de limpieza y dosificaciones químicas, ya que requieren de limpiezas automáticas muy frecuentes, ya sea con agua y/o aire o con productos químicos. El hecho de trabajar, en general, de modo discontinuo debido a las frecuentes limpiezas, implica la necesidad de tener un depósito intermedio de agua filtrada entre estos sistemas y los de membranas posteriores. Algunas de las membranas de UF/MF utilizadas en este momento son (evidentemente esta relación no pretende ni puede ser exhaustiva): MEMCOR: membrana capilar de microfiltración utilizada para tratamientos terciarios y pretratamientos de ósmosis inversa y últimamente, membranas sumergibles de PP o PVDF. ZENON. Membrana Zeewed; fue una de las primeras membranas sumergibles que apareció en el mercado y en la actualidad, una de las más utilizadas para la aplicación de MBR. NORIT; Norit ha desarrollado una membrana en configuración espiral semejante a las membranas de ósmosis inversa, que puede ser instalada en tubos de presión estándar de ósmosis inversa. Cuenta asimismo con la membrana X-flow, capilar. PALL: es un fabricante de productos de filtración para industria, con un gran número de productos y aplicaciones, incluyendo en la actualidad tratamientos de agua residual. RHONE POULENC: esta compañía lleva muchos años trabajando en la industria con membranas de ultrafiltración capilares cerámicas u orgánicas. FILTERPAR; es el nombre comercial de una membrana plana desarrollada bajo una patente de Dow, pero en la actualidad comercializada por Filterpar desde Italia. STERAPORE: membrana sumergible para MBR de Mitsubishi Rayon Corp. (Japón). KUBOTA: membrana de Kubota Corp. (Japón), plana sumergible para MBR y membranas cerámicas. IMT; membranas de polietersulfona (PES). INGE: membranas capilares presurizadas. Otros: US Filter (membranas sumergidas). Aquasource (membrana celulósicas). Polimem.

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Los fabricantes de membranas de ósmosis inversa, viendo que estas tecnologías de membrana pueden ser de importante expansión en un corto plazo, han desarrollado asimismo o tienen en desarrollo diversos productos. Los más destacables son los siguientes: TORAY: ha desarrollado membranas capilares externas y un elemento de membrana sumergible para uso en MBR. DOW CHEMICAL cuenta también en la actualidad con una membrana de PVDF de Ultrafiltración presurizada. HYDRANAUTICS: cuenta con la membrana Hydracap, que es una membrana capilar externa. TRISEP cuenta con la membrana Spirasep, que se puede instalar en tubo de presión de ósmosis inversa, aunque su disposición más habitual es la instalación sumergida. NITTO DENKO (matriz de Hydranautics) cuenta con una membrana de UF espiral. KOCH, denominación actual de la membrana Fluid Systems, cuenta con membranas de Ultrafiltración de distintos tipos. SAEHAN, fabricante de membranas de Corea, también tiene una membrana espiral de ultrafiltración. Como se ha comentado, esta relación no es exhaustiva, sino que pretende ser una aproximación al estado del mercado de membranas de MF/UF y una visión general de los tipos de membranas utilizado. El diseño de membranas de MF/UF es muy específico para cada tipo y fabricante de membrana y para cada aplicación concreta (agua de mar, agua superficial, agua residual, etc.), por lo que no procede generalizar respecto a flujos específicos, presiones de trabajo o configuración más adecuada, sino que debe ser estudiado en cada caso, dependiendo del tipo de agua y sus características y de la membrana elegida. Es necesario llegados a este punto mencionar que la aplicación de estos sistemas como pretratamiento de los sistemas de desalación por membranas (RO y EDR), no está exenta de problemas, a pesar de proporcionar un agua de excelente calidad para estos sistemas posteriores. Algunos de estos inconvenientes que han ralentizado la generalización de estos sistemas son los siguientes; 1) Las membranas de ultrafiltración actuales no son intercambiables, ya que cada fabricante las instala en módulos de diferente configuración y trabajan en condiciones distintas (de presión, caudal, etc.). Por tanto, instalado un sistema, no es posible o es de elevado coste, reconvertirlo a otro sistema distinto. 2) Muchos fabricantes no venden la membrana aislada, sino que suministran el sistema completo y en algunos casos, la ingeniería completa y todos los sistemas auxiliares. Esto evidentemente no es interesante para las ingenierías ya que encarece excesivamente los sistemas y deja a la ingeniería fuera del diseño y comprensión del mismo.

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3) El coste de las mismas es todavía elevado, aunque se va reduciendo lógicamente con el tiempo. 4) Se incrementa la complejidad de la operación, incluyendo nuevos sistemas de dosificación química, reposición de membranas adicional, etc. 5) En muchas ocasiones se traslada el problema de ensuciamiento de las membranas de ósmosis inversa a las membranas de MF/UF. En la actualidad ya hay grandes proyectos de desaladoras de agua de mar en construcción con tecnología de MF/UF como pretratamiento, como pueden ser la de Magtaa (500.000 m3/día) en Argelia o la Southern Seawater Desalination plant en Perth, Australia (153.000 m3/día). En España, solo hay una instalación de tamaño importante en Escombreras (50.000 m3/día). En aguas salobres hay algo más de experiencia, aunque en general se trata de plantas de pequeño tamaño y para aplicaciones industriales. Es de esperar que en los próximos años estas tecnologías se vayan extendiendo (en la actualidad más rápidamente para sistemas de reutilización y aplicación en aguas residuales (MBR)) y vayan reduciendo su coste, favoreciendo así su implantación. Respecto a los costes de inversión y operación, si es cierto que debe considerarse en cada caso localmente, ya que por ejemplo unos altos costes de mano de obra (en calderería u obras civiles) puede favorecer económicamente a la opción de MF/UF igual que unos altos costes de reactivos químicos pueden reducir los costes de operación de las membranas frente al pretratamiento convencional. Es decir, dependiendo de los costes locales de energía, mano de obra, obras civiles, reactivos químicos, etc., podemos tener una opción más favorable frente a la otra. En un estudio realizado para una planta de agua de mar en España de tamaño próximo a 200,000 m3/día, se llegó a las siguientes conclusiones, • Diferencia de pérdida de carga entre sistema convencional (doble etapa de filtración en serie) y sistema de membranas de UF a presión; prácticamente idéntico, lo que implica consumo energético similar. (Debe decirse que consideramos necesaria la instalación de filtros de cartuchos como seguridad previamente a la ósmosis inversa incluso con UF como pretratamiento). • Diferencia entre costes de inversión: coste específico UF (euros por m3/día instalado de agua producto) = 95; coste específico pretratamiento convencional (euros por m3/día instalado de agua producto) = 116, lo que equivalía en este caso a un 18% favorable al pretratamiento de membranas. • Respecto al coste de operación, los fabricantes de membranas de UF suelen defender estos sistemas como más económicos, estimando el ahorro global en aproximadamente un 3%. Este ahorro viene justificado principalmente desde el punto de vista del consumo de reactivos y el hecho de que por otro lado, se supone un reemplazo de las membranas de UF de un 14% anual. Al mismo tiempo, el hecho de tener una UF hace que los fabricantes de membranas de ósmosis inversa puedan reducir la tasa de reposición de sus membranas del 12% al 8%, aunque esto no siempre ocurre. Desde nuestro punto de vista el ahorro económico en reactivos es discutible, habiendo sin embargo un componente del coste muy — 14 —

desfavorable respecto a la UF debido a reposición de membranas, que es incluso superior al de las membranas de ósmosis. En este caso estudiado, se trataba de 0,008 €/m3 (convencional) frente a 0,019 €/m3 (UF), lo que supone un incremento de aproximadamente el 58% del coste de reposición. Es también discutible si es o no prudente realizar un diseño más arriesgado (mayor flujo específico) en la ósmosis por el hecho de contar con una UF previa, y esto depende de lo conservador que sea quien realiza el diseño. En otro estudio realizado para una gran desaladora de agua de mar en el exterior de tamaño semejante, donde las situaciones locales (energía, obra civil, etc.) eran diferentes, los resultados obtenidos fueron los que se exponen en la siguiente tabla;

Coste inversión (€ por m3/día instalado de agua producto)

Costes de operación variables del pretratamiento (€ por m3/día agua producida)

Doble etapa filtración a presión

91

0,059 (*)

Doble etapa de filtración a gravedad (1ª etapa) y presión (2ª etapa)

106

0,056

Ultrafiltración

110

0,058

OPCIÓN de Pretratamiento

Diferencia de costes de operación e inversión para diferentes sistemas de pretratamiento. Elaboración propia. (*) el coste en este caso es superior ya que requiere de coagulantes.

Vemos que en este caso los resultados son algo diferentes a los obtenidos en el caso anterior, y bastante similares entre sí, e incluso a periodos de explotación largos, no hay diferencias importantes (menos de un 5% a 25 años). Por tanto, la decisión entre las distintas tecnologías depende de cada caso y de las preferencias entre unos sistemas u otros, muchas veces basadas en las experiencias positivas o negativas previas de las ingenierías con estas tecnologías.

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Pretatamientos físicos OBJETIVOS DE LOS PRETRATAMIENTOS Los pretratamientos químicos tienen como fundamento el eliminar los riesgos químicos y biológicos a los sistemas de desalación, como son: •

ensuciamientos químicos y/o biológicos.

•

ataque a la estructura química de las membranas.

•

proliferación de microorganismos.

•

precipitaciones.

•

corrosiones.

Los pretratamientos físicos van encaminados a eliminar del agua partículas, grasas, elementos asociados a sólidos en suspensión, etc., es decir, básicamente aquellos componentes del agua que pueden ser separados por una barrera física, sea una membrana u otro sistema de separación.

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PRETATAMIENTOS FÍSICOS •

DESBASTE Y TAMIZADO.

•

FILTRACIONES.

•

SEPARACIONES FÍSICAS COMO LA DECANTACIÓN O FLOTACIÓN.

•

ADSORCIÓN (p.e. CARBÓN ACTIVO).

•

FÍSICO-QUÍMICOS.

•

MICROFILTRACIÓN.

•

ULTRAFILTRACIÓN.

Algunos (sino todos) de éstos procesos no son puramente físicos sino físico-químicos.

SISTEMAS DE DESBASTE Y TAMIZADO Los sistemas de separación de sólidos gruesos, como el desbaste, tamizado, desarenado, desengrasado, etc. son sistemas convencionales en potabilización y depuración de aguas y por tanto no específicos de la tecnología de desalación. - Solo son necesarios en tomas abiertas (agua de mar), aguas superficiales, o aguas residuales (reutilización). Diferencias entre los sistemas convencionales y los de desalación; - Fundamentalmente los Materiales; debe evitarse la corrosión. - Sistemas. - Rejas manuales y automáticas (finos y gruesos según el paso). - Verticales, inclinadas, curvas. - De escalera / Hidráulicas. - Tamices; estáticos, rotativos.

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SISTEMAS DE DESBASTE Y TAMIZADO. Algunos ejemplos

El accionamiento del mecanismo de limpieza puede ser motorizado, hidráulico o elevación por cadenas.

SISTEMAS DE DESBASTE Y TAMIZADO. Algunos ejemplos utilizados en agua de mar

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Sistemas de desarenado, desengrasado, etc. Con frecuencia, el agua a tratar incorpora componentes que son perjudiciales para las membranas y pueden ser eliminados por medios físicos: - DESARENADO. - DESENGRASADO.

Tratamientos físico-químicos Los tratamientos físico-químicos los mencionamos aquí por incluir operaciones de separación físicas, como la decantación, si bien deben ser considerados más bien como químicos, al utilizar coagulaciones y floculantes para favorecer la separación de materia orgánica, sólidos y otras sustancias del agua. No vamos a describir en detalle estas tecnologías por ser suficientemente conocidas en el tratamiento de aguas en general. Sí cabe señalar que los tratamientos físico-químicos suelen emplearse como pretratamiento de sistemas de membranas (ósmosis inversa o electrodiálisis) cuando se parte de aguas a tratar muy cargadas de sólidos y/o materia orgánica, fundamentalmente en aplicaciones de reutilización de aguas residuales o en el tratamiento de aguas superficiales muy cargadas. En general cuando se utilizan los tratamientos físico-químicos como pretratamientos de desalación, se hace con sistemas de separación de alta eficacia como decantadores lamelares o flotadores con aire disuelto (DAF). Indicar asimismo que el tratamiento físico-químico puede hacerse en línea sobre los filtros, sin decantación (coagulación en línea). — 19 —

COAGULACIÓN-FLOCULACIÓN La coagulación se basa, la neutralización de los coloides y por ello se pretende que el coagulante se difunda lo más rápidamente posible antes de que ocurran fenómenos de precipitación. La mezcla del reactivo coagulante con el agua a tratar se realiza a veces únicamente gracias a la turbulencia generada por un vertedero, pero lo más habitual es contar con un mezclador rápido o coagulador. En general se diseñan por su volumen, según el tiempo de retención, siendo los valores normales entre 1 y 3 minutos y el gradiente de velocidad entre 250 y 1.000 s-1

COAGULACIÓN-FLOCULACIÓN La mezcla del reactivo se puede realizar de varias formas; Mediante mezcladores estáticos.

Mediante Mezcladores rápidos, con agitación mecánica.

Reactores de mezcla.

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COAGULACIÓN-FLOCULACIÓN La floculación se realiza a continuación de la coagulación, manteniendo la solución en agitación lenta durante 5 a 15 minutos. La agitación puede tener lugar en un floculador separado, o bien en el interior del decantador. La floculación se realiza en depósitos provistos de sistemas de agitación que giran lentamente para no romper los flóculos formados pero lo suficientemente rápido para mantenerlos en suspensión. El volumen de la cuba debe ser el adecuado para producir la floculación según los ensayos de laboratorio, pero típicamente de 15 min. Los sistemas de agitación son hélices apropiadas a este fin o un conjunto de palas fijadas a un eje giratorio, vertical u horizontal. También conviene que la transmisión sea mediante un motorreductor-variador para que pueda regularse la velocidad. Según el tipo de flóculo puede ser necesario modificar la velocidad. Por ejemplo; •

Flóculos de hidróxidos metálicos fragiles. V < 0,20 m/s.

•

Flóculos de hidróxidos metálicos resistentes. V < 0,5 m/s.

•

Flóculos de aguas residuales. V < 1 m/s.

COAGULACIÓN-FLOCULACIÓN Los fluoculadores pueden ser mecánicos, con palas horizontales o verticales, turbinas o agitadores, o incluso estáticos.

En la zona de floculación es donde se añade el reactivo floculante (polielectrolitos).

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SISTEMA DE CLARIFICACIÓN: DECANTACIÓN Y FLOTACIÓN •

Los sistemas de clarificación tienen por objeto la eliminación de la materia en suspensión presente en un agua. También permite la reducción de material orgánico, aceites y color.

•

Dentro de las aplicaciones de desalación sólo se utilizan en aquellos casos en los que tenemos aguas muy cargadas de contaminantes: algunas aguas superficiales y residuales, principalmente.

•

En los procesos de decantación (o sedimentación) se eliminan los sólidos mediante su precipitación por gravedad.

•

Por el contrario, en los procesos de flotación que veremos a continuación, se saca partido de la flotabilidad de dichos sólidos. Frente a los sistemas de decantación: - Adecuados para tratar partículas de baja densidad (por ejemplo, pequeñas algas) o aguas de turbidez moderada. - Son procesos menos sensibles a cambios en la temperatura que la sedimentación.

SEDIMENTACIÓN Decantadores lamelares Con el fin de reducir la superficie ocupada por un decantador, se instalan los sistemas lamelares, que incluyen placas, paneles o diversos dispositivos que incrementan la superficie de sedimentación.

En general como pretatamiento de desalación se utiliza más este tipo de decantador que los convencionañes, por la menos superficie ocupada. — 22 —

SEDIMENTACIÓN

Decantación lamelar Los valores típicos de inclinación de las lamelas son de 60º, con longitudes de 1-1,5 m.

SEDIMENTACIÓN Las lamelas pueden ser simplemente placas planas, o sistemas más eficientes (con mayor superficie), como paquetes lamelares autoportantes con formas hexagonales.

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Funcionamiento de los sistemas de flotación •

También conocido como DAF (Dissolved Air Flotation), es un proceso en el que se disuelve aire a presión en el agua a tratar.

•

Estas burbujas se adhieren a los flóculos de partículas, y los hacen flotar hasta la superficie para su eliminación.

•

El tamaño de estas burbujas de aire está entre 10 µm y 100 µm en diámetro.

•

Como ya se ha comentado, se utilizan los procesos de flotación frente a los sistemas de decantación: - Adecuado para tratar partículas de baja densidad (por ejemplo, pequeñas algas) o aguas de turbidez moderada. - Es un proceso menos sensible a la temperatura que la sedimentación.

Sistema de flotación.

FILTRACIÓN La filtración es el método más universalmente utilizado para reducir el nivel de materias en suspensión de un agua. Esto se consigue haciendo pasar el agua a través de un lecho filtrante, quedando los sólidos depositados sobre el material filtrante.

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FILTRACIÓN Filtraciones en superficie - A través de soportes delgados como rejas, mallas, tamices, microtamices, filtros-prensa o filtros a vacío. - A través de soportes gruesos como filtros de material aglomerado o de cartuchos. - A través de precapas; filtros de bujías, discos o tambores. Filtraciones en profundidad - Sobre lechos filtrantes monocapa o multicapa.

Mecanismos de la filtración La filtración puede producirse por medio de distintos mecanismos, que son; •

Tamizado mecánico, que es básicamente retención mecánica de las partículas de tamaño mayor que los huecos que deja el material filtrante, sea una malla o un lecho.

•

Deposición sobre el medio filtrante que hace que partículas de tamaño inferior al poro o hueco del material filtrante queden retenidas, y que puede tener lugar por intercepción directa o inercial, difusión por movimiento browniano, fuerzas de Van der Waals, sedimentación, coagulación, etc.

•

Mecanismos de fijación, que se producen a bajas velocidades, producidos por fuerzas de origen físico o de adsorción.

Cabe destacar que algunos materiales filtrantes, como la antracita, tienen ciertas capacidades de adsorción, que, sin llegar a ser tan importantes como en un carbón activo, pueden ser aprovechadas para la eliminación de ciertos componentes del agua. — 25 —

FILTRACIÓN La filtración que podemos llamar convencional, a través de lechos filtrantes, se realiza sobre lechos de diversos materiales con un cierto espesor, lo que produce una filtración en profundidad. La ventaja de estos sistemas es que permiten la eliminación de partículas coloidales, de difícil separación en filtraciones superficiales. En una filtración sobre lecho filtrante el agua se hace pasar por el lecho, bien por gravedad o bien a presión, quedando retenidas las partículas en él y obteniendo un agua con un contenido inferior en sólidos en suspensión. El lecho va ensuciándose progresivamente con la retención de sólidos, hecho que es detectado por un incremento de presión diferencial, por nivel de agua o por caída del caudal filtrado, y cuando esto se produce es necesario un lavado del filtro (normalmente a contracorriente) para retirar los sólidos retenidos y volver a la operación normal del filtro.

FACTORES QUE INFLUYEN EN LA FILTRACIÓN Naturaleza del fluido: importante por los materiales de construcción del filtro y el medio filtrante. •

Caudal: Que depende de la presión y la resistencia. Para una R constante a mayor presión mayor caudal. Para una P Constante a menor resistencia menor caudal. La resistencia del fluido está relacionada con su viscosidad.

•

Temperatura; afecta a la viscosidad del fluido (a mayor T menos R), la velocidad de corrosión y la compatibilidad del medio filtrante.

•

Pérdida de carga: Debida a la carcasa filtrante, el soporte del medio filtrante y el propio medio filtrante. La presión diferencial es la que causa la filtración.

•

Área superficial: la vida del medio filtrante aumenta a medida que aumenta la superficie de filtración, ya que la velocidad está relacionada con el ensuciamiento.

•

Volumen vacío; es el área abierta de un medio. Si todos los demás factores son iguales, el medio con el mayor volumen vacío es el que produce una vida mas larga y pérdidas de carga inicial más bajas.

•

Grado de filtración: el filtro elegido debe retener partículas hasta el grado requerido, pero cuanto más fina es la retención más rápida es la obstrucción.

•

Etapas previas de filtración; hay un compromiso entre incrementar el area de filtración y incrementar etapas de filtración previas. — 26 —

TAMAÑO DE PARTICULAS FILTRANTES Los valores que definen un medio filtrante son la Talla efectiva y el Coeficiente de uniformidad. Su determinación está normalizada y se realiza cribando una cierta cantidad del medio a través de mallas progresivamente más finas. Se anotan los porcentajes en peso retenidos por cada malla. Se confecciona un gráfico con las luces de las mallas en ordenadas y los porcentajes de paso en abscisas. Talla efectiva: Se define como talla efectiva la medida correspondiente a la malla por la que pasa un 10% de las partículas del medio filtrante (equivalente a la retención del 90% en peso) Coeficiente de Uniformidad: Relación entre la medida correspondiente a la malla por la que pasa el 60% del medio y la del 10%. Un sílex para filtración se considera bueno cuando su coeficiente de uniformidad es inferior a 2 y si es posible próximo a 1,5. A menor talla efectiva, mayor retención de sólidos, pero también mayor pérdida de carga Velocidad de filtración La velocidad afecta a los periodos de filtración (carrera de los filtros); a mayor velocidad es necesario lavar con más frecuencia.

TIPOS DE FILTROS DE GRAVEDAD A PRESIÓN Según el medio filtrante: •

MONOCAPA.

•

MULTICAPA.

•

MULTIMEDIA; con distintos medios; sílex/ antracita / granate, etc.

Medios filtrantes: El más común es la arena silícea o sílex seleccionada, de la granulometría y uniformidad adecuadas, procedente de canteras o de ríos. Hay otros medios naturales como la magnetita, el basalto, el granate, el óxido de aluminio, y la antracita, que es muy utilizada en la actualidad. — 27 —

Principales características de los filtros sobre lechos Número de capas de lechos filtrantes: se pueden emplear filtros monocapa (un único material como lecho filtrante, normalmente arena o antracita), o multicapa (arenaantracita, arenaantracita-granate). Distribución de los lechos filtrantes: En los lechos monocapa, al tener todas las partículas del material la misma densidad, las de mayor tamaño (las más pesadas) se acaban colocando en la parte más baja. Este hecho reduce la efectividad de la filtración, ya que ésta ocurrirá principalmente en la capa más elevada del lecho del filtro, donde los espacios entre las partículas del material son menores, y se desaprovecha el resto del filtro. Un filtro multicapa resuelve en parte este problema, y proporciona un caudal de filtrado de mayor calidad.

Distribución del tamaño de partículas en un filtro multicapa.

Distribución del tamaño de partículas en un filtro monocapa.

Principales características de los filtros sobre lechos • Materiales filtrantes: Como lechos filtrantes se vienen empleando distintos materiales, pero principalmente arena y antracita (carbón mineral triturado), y en menor medida granate (silicato de aluminio y hierro). Algunas características de los principales materiales filtrantes Granulometría (mm)

Coeficiente de uniformidad

Densidad aparente (kg/m3)

Antracita (anthracite)

0,8-1,6

 1,5

730

Arena (sand)

0,4-0,8

 1,5

1.500

0,3 – 0,6

 ,6

4.100

Material:

Granate (garnet)

Muestra de arena.

Muestra de antracita.

— 28 —

Muestra de granate.

FILTROS DE GRAVEDAD Los filtros de gravedad suelen ser de forma rectangular y el agua entra por un canal lateral superior que actúa como vertedero por desbordamiento o bien dejando pasar el agua por orificios en sus paredes y se desplaza a través del lecho filtrante pasando a una cámara inferior separada por un falso fondo dotado de crepinas o boquillas colectoras que dejan pasar el agua pero no el material filtrante. La altura típica de los lechos filtrantes monocapa suele ser del orden de un metro. Los filtros cuentan con un conjunto de válvulas que permiten las siguientes operaciones: •

Operación.

•

Lavado a contracorriente.

•

Lavado con aire.

•

Enjuagues, maduración, etc.

Ésto es común para cualquier tipo de filtro.

Los filtros de gravedad pueden ser de: •

Nivel constante: la pérdida de carga se regula mediante una válvula a la salida del filtro comandada por un nivel.

•

Nivel variable: se permite que el filtro se autorregule en función de la pérdida de carga incrementando su nivel.

— 29 —

SOPORTES DE LA FILTRACIÓN Aunque hay sistemas más sencillos, normalmente los filtros se construyen con una placa de falso fondo sobre el que se coloca el medio filtrante y unas boquillas colectoras que recogen el agua filtrada dejándolas pasar a la cámara inferior del filtro Algunos sistemas sencillos utilizan en su lugar colectores con ramificaciones de tubos menores en forma de espina de pescado y orificios. En este caso se suelen utilizar gravas como medio de impedir el paso de material filtrante por los orificios Las boquillas o toberas pueden ser de materiales plásticos o acero inoxidable y se diseñan según diversos criterios: •

Nº unidades por superficie filtrante (en valores típicamente del entorno de 50-60 uds/m2).

•

por caudal de boquilla (p.e. un valor típico puede ser 150 lit/ud.).

Ultimamente se han desarrollado otros sistemas de soporte como los que se muestran en las fotografías que son autoportantes y no requieren un falso fondo adicional. El soporte también se diseña con distinto paso de partícula, dependiendo del medio filtrante que se vaya a utilizar.

— 30 —

FILTROS A PRESIÓN Horizontales

Verticales

En los filtros cerrados a presión, cuando los caudales son reducidos, normalmente se instalan filtros horizontales, cuya superficie de filtración es igual a la sección horizontal del cilindro del filtro. A medida que el caudal es mayor, el diámetro del filtro se va incrementando hasta valores que hacen más recomendable una disposición horizontal, en la que ya no tenemos limitaciones constructivas, ya que podemos darle la longitud que necesitemos.

ENSUCIAMIENTO DE UN FILTRO Forma de detección: •

Pérdida de carga.

•

Pérdida de caudal.

Filtros abiertos: •

Pérdida de carga: nivel de agua o presíón diferencial.

•

Pérdida de caudal.

Filtros cerrados: •

Presión diferencial.

•

Pérdida de caudal.

— 31 —

LAVADO DE FILTROS •

LAVADO CON AGUA A CONTRACORRIENTE.

•

LAVADO CON AIRE.

Para la limpieza de los filtros se necesitan sistemas auxiliares como bombas de agua de lavado y soplantes para el lavado con aire.

Filtración sobre lechos filtrantes: Funcionamiento Detección del ensuciamiento de un filtro: se puede detectar observando un aumento en la perdida de presión, o una reducción del caudal filtrado. • Limpieza del filtro: con el paso del tiempo, el lecho del filtro se irá colmatando de suciedad. Es por ello necesario realizar su lavado, y posterior aclarado antes de volver a ponerlo en servicio. Hay diversas estrategias para lavar un filtro, y cada operador emplea aquella que le da mejores resultados en función del agua con la que trabaja. A modo indicativo, una secuencia típica puede ser la siguiente: •

Descenso del nivel de agua hasta unos centímetros por encima de la capa superior del material filtrante.

• Contralavado: • Inyección de sólo aire en contracorriente a un caudal de unos 50 m/h durante unos 2 ó 3 minutos • Inyección de aire y agua en contracorriente. Caudal de aire igual y caudal de agua sobre los 15 m/h. Duración de 5 a 10 minutos. • Inyección de sólo agua a un caudal de 35 m/h (velocidad contracorriente) durante unos 10 a 15 minutos. • Aclarado: • Se envía el agua tratada a desagüe durante unos 15-20 minutos hasta que la calidad del efluente sea correcta. Cuidar especialmente este tiempo. Estos tiempos son orientativos. En campo hay que hacer las medidas de turbidez necesarias para ajustarlos, ya que no hay dos condiciones iguales. — 32 —

PARÁMETROS DE DISEÑO DE UN FILTRO SUPERFICIE FILTRANTE NECESARIA = CAUDAL / VELOCIDAD DE FILTRACIÓN Velocidad de filtración; •

Depende de la aplicación Filtración convencional; en general velocidades lentas, 5-6 m3/h/m2.

•

Como pretratamiento de ósmosis inversa, velocidades moderadas.

•

Filtros arena: 8-10 m3/h/m2.

•

Filtros multimedia: 15-18 m3/h/m2.

•

En tratamiento de aguas de Piscinas, por ejemplo, se usan Velocidades más elevadas, de Hasta 25 m/h.

— 33 —

Materiales de construcción de los filtros; como es inviable económicamente su construcción en acero inoxidable (salvo plantas pequeñas y con aplicaciones industriales concretas), normalmente se construyen en PRFV (equipos prefabricados para pequeños caudales) o bien en acero al carbono protegido interiormente con rexinas epoxi (en el caso de aguas salobres) o bien con ebonitado o goma natural en el caso de agua de mar.

Una práctica común en los filtros cerrados es construir el filtro en el exterior (para ahorrar espacio de nave) pero incluir los sistemas de válvulas en el interior.

Filtración sobre lechos filtrantes: Funcionamiento • Limpieza del filtro: •

Como agua de contralavado se suele emplear agua filtrada. En plantas de agua de mar también se emplea salmuera proveniente del proceso de OI. Esta agua tiene la ventaja de ya haber sido filtrada y tratada, de no precisar la captación de más agua bruta, y de su alta salinidad que sirve para también dificultar el desarrollo microbiológico en el interior del filtro.

Salmuera de una planta desaladora de agua de mar.

Maqueta donde se observa la inyección de aire para lavado, a través del fondo de un filtro.

— 34 —

Filtros de limpieza en continuo Estos sistemas se utilizan más como pretratamiento de aguas residuales. Pueden funcionar en dos etapas o en una etapa. Pueden construirse en obra civil o en Inox.

Filtros de arena de limpieza en continuo Hay varios fabricantes; •

Dualsand (Aquafactory).

•

FLCT (Tecnor).

•

Dynasand (Nordic Water o Parkson).

•

Contiflow (Huber).

— 35 —

Tienen varias ventajas; •

No es necesario parar para efectuar el lavado, por lo que la filtración es en continuo.

•

Mejor lavado de la arena.

•

Pérdida de carga constante, etc.

FILTRACIÓN SOBRE ANILLAS •

Al contrario que los filtros sobre lechos vistos con anterioridad, los sistemas de filtración por anillas no eliminan prácticamente turbidez, y no realizan una filtración en profundidad. Es por ello que sólo se emplean para casos especiales, como por ejemplo para el pretratamiento de plantas de ultrafiltración (UF) o microfiltración (MF), situadas previamente a OI.

Diferentes imágenes de filtros sobre anillas.

Filtración sobre anillas: funcionamiento •

Su funcionamiento es el que se describe a continuación: •

El filtro está formado por una serie de anillas planas y ranuradas realizadas en material plástico. Dichas anillas están colocadas unas sobre las otras y comprimidas, formando un elemento filtrante.

•

Al pasar el agua desde el exterior al interior, los sólidos son retenidos en el filtro y se acumulan en las intersecciones que se forman entre los canales de cada par de anillas adyacentes.

Izquierda: anillas empleadas para filtración. Derecha: conjunto de anillas montadas.

Detalles del proceso de filtración sobre anillas.

— 36 —

Filtración sobre anillas: funcionamiento •

Durante la filtración normal el agua a tratar entra por el exterior de las anillas, y sale por el interior ya tratada.

•

Cuando se detecta un alto ensuciamiento, se invierte, mediante un juego de válvulas, el sentido del flujo (contralavado), que en este caso entra por el interior y sale por el exterior. Al mismo tiempo se separan las anillas entre sí para dejar sueltos los materiales retenidos y proceder a su limpieza. Filtros de anillas. Superior: paquete de anillas comprimido durante la operación normal.

Filtros de anillas. Izquierda: en operación normal. Derecha: en proceso de lavado.

Inferior: paquete de anillas sin comprimir, durante las labores de lavado.

Filtración sobre anillas: Características •

El grado de filtración de las anillas se mide en unidades conocidas como micras o mesh. El mesh es el número de poros (agujeros) que hay en una pulgada lineal (cuanto mayor sea el número de poros, menor tendrá que ser su diámetro, y el filtro será más selectivo). Se pueden encontrar filtros con diferentes grados de filtración. Grados de filtración de filtros de anillas, y codificación de colores del fabricante.

•

En condiciones normales de operación, estos filtros tienen una caída de presión que ronda los 2-3 m.c.a. Cuando se llega a los 5-7 m.c.a es necesario proceder a su limpieza. — 37 —

MICROFILTRACIÓN •

FILTROS DE CARTUCHOS.

•

FILTROS PRECAPAS.

OBJETIVO; Proteger las membranas de pequeñas partículas. Rango de filtración: 5-10 micras.

FILTROS DE CARTUCHOS El sistema más utilizado es el de los filtros de cartuchos. Los cartuchos, que suelen ser de polipropileno bobinado, extrusionado o plegado, tienen un alma o cuerpo central tubular sobre el que se enrolla (en el caso del bobinado) el material filtrante, de modo que las partículas quedan retenidas en su superficie y el agua pasa a través del medio filtrante hacia el tubo central. Un filtro de cartuchos tiene una cantidad de unidades de filtración según el caudal a filtrar y puede ir desde un cartucho (en plantas semiindustriales) hasta grandes cantidades (p.e. 200).

— 38 —

Materiales de fabricación de los filtros •

En su parte interior también entra en contacto con el agua, con lo que debemos emplear materiales no corrosivos. El material a utilizar también dependerá del tamaño del filtro y de la presión de operación (aunque normalmente ésta será inferior a 6 bar). •

Plásticos: PRFV (grandes tamaños), PVC (pequeños tamaños), etc.

Cuerpo de filtros de cartuchos realizado en PRFV.

•

Cuerpos de filtros de cartuchos realizados en PVC.

Aceros: inoxidable (pequeños tamaños, aguas salobres), acero al carbono engomado interiormente (grandes tamaños).

Cuerpo de filtros de cartuchos realizado en acero inoxidable.

Cuerpo de filtros de cartuchos realizado en acero al carbono y engomado.

— 39 —

FILTROS DE CARTUCHOS El diseño de los filtros de cartuchos es sencillo y también se basa en la velocidad de filtración. Una velocidad típica de filtración de un filtro de cartuchos para ósmosis inversa puede estar en el entorno de 15 m3/h por m2 y conociendo la superficie por cartucho (p.e. 0,188 m2 por cartucho bobinado de 40”) y el caudal a filtrar, es sencillo determinar el número de cartuchos necesario. Los tamaños de los cartuchos están estandarizados, siendo los más comunes en plantas grandes los de 40” y 50” de longitud. A diferencia de los sistemas de filtración sobre lechos, los filtros de cartuchos no se limpian, sino que cuando se detecta ensuciamiento los cartuchos deben ser sustituidos, debiendo considerar éstos como un elemento consumible de la instalación. Los sistemas de filtración a presión (tanto filtración sobre sílex como cartuchos requieren de una presión de aporte, por lo que debe preverse esta pérdida de carga en los sistemas de bombeo anteriores.

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Características de los cartuchos •

Grado de filtración del cartucho: los encontramos en el mercado con valores que van desde aprox. 1 µm a 50 µm. Dentro de los grados de filtración se emplean dos términos: • Nominal: un grado de filtración nominal significa que el filtro eliminará al menos el 95% de las partículas de ese tamaño. • Absoluto: un grado de filtración absoluta significa que el filtro eliminará al menos el 99% de las partículas de ese tamaño.

El tipo de cartucho que más se emplea en OI es el de 5 µm de grado de filtración nominal, por ser posiblemente uno de los que consigue una mejor relación entre coste, funcionamiento, etc. •

Materiales de fabricación de los cartuchos: los dos más empleados en OI son los siguientes: • Polipropileno expandido. • Polipropileno bobinado.

•

Disposición del filtro: podemos encontrar configuraciones para montaje en vertical o en horizontal. La disposición horizontal necesita mayor espacio para su implantación, pero facilita la sustitución de los cartuchos.

Filtros de cartuchos. Izquierda: Polipropileno expandido, Derecha: bobinado.

Filtros de cartuchos de disposición horizontal.

Filtro de cartuchos de disposición vertical.

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Funcionamiento • Consideraciones en la operación de los filtros de cartuchos: •

Los filtros de cartuchos pueden retener sólo una cantidad reducida de sólidos en suspensión. Deben ser utilizados sólo como un elemento final de seguridad, y no como una etapa “activa” del pretratamiento.

•

Los filtros de cartuchos son un consumible. No pueden ser reutilizados, debiendo sustituirse por otros nuevos cuando han llegado al final de su vida útil.

•

La frecuencia de sustitución de los filtros de cartuchos está entre 3 meses y 1 año. Frecuencias mayores indicarán que el resto del pretratamiento no está funcionando bien.

•

Para grandes equipos con configuración vertical, interesa que los filtros puedan extraerse mediante un sistema tipo cesta, de forma que se facilita su sustitución.

•

Para saber si un filtro está sucio se observará si aumenta la caída de presión a través del mismo, o si se reduce su caudal. Filtros de cartuchos instalados en una cesta.

OTROS: Autolimpiantes con cestas inoxidables

Los filtros autolimpiantes con cestas y otros dispositivos en general no tienen pasos inferiores a 25 micras, y el inconveniente de ser una filtración muy superficial, que no elimina los coloides. — 42 —

FILTRACIÓN SOBRE PRECAPA •

Funcionamiento: Estos filtros basan su funcionamiento en la formación de una precapa sobre un elemento soporte. El agua a su paso deja en esta precapa los elementos a eliminar.

•

Son poco usados en desalación, principalmente porque presenta una operación más complicada que la de otros sistemas. Aun así han funcionado correctamente en desaladoras con aguas de aporte muy complicadas por lo que los hemos incluimos en esta ponencia.

•

Son varios los materiales que se pueden utilizar para hacer esta precapa: celulosa, carbón activo, etc. El más empleado es la tierra de diatomeas. Ésta se obtiene de los esqueletos de un alga microscópica llamada diatomea, y que se caracteriza por tener una estructura formada por muchos pequeños poros, lo que le confiere sus especiales características.

•

Según la bibliografía, filtros de precapa convenientemente operados pueden llegar a eliminar partículas de hasta 1 µm. Tienen que ser considerados como un sistema de afino, y no pueden tratar con elevados valores de sólidos en suspensión. De ahí que se coloquen tras otras etapas previas de filtración sobre arena o similares. Además tras ellos se suele dejar el filtro de cartuchos, que luego veremos, como medida de seguridad.

Tierra de diatomeas.

— 43 —

Funcionamiento de los filtros precapa •

Las etapas en la operación de un filtro precapa son las siguientes: •

Formación de la precapa: La precapa se forma inicialmente sobre una estructura soporte (normalmente un cartucho) antes de cada ciclo de filtrado. Para ello se inyectan y recirculan diatomeas en el filtro durante entre 5 y 45 minutos.

•

Ciclo de filtración: Tras ello el agua ya puede ser filtrada convenientemente. Durante ese tiempo se sigue añadiendo una cantidad continua, aunque menor a la inicial, de tierra de diatomeas, con el fin de mantener la precapa en óptimas condiciones.

•

La precapa es necesario reponerla completamente con una periodicidad de entre 1 y 30 días, dependiendo de la calidad del agua a tratar.

•

Los principales problemas relacionados con este sistema de filtración radican en las dificultades que pueden surgir en algunos casos para una operación y mantenimiento correcto de la precapa. Además necesita que el agua proveniente de los pretratamientos que le preceden sea de una calidad bastante elevada.

Formación inicial de la precapa. Fuente: Celite Co.

Filtración y formación continua de la precapa.

— 44 —

FILTRACIÓN SOBRE PRECAPA: OPERACIÓN •

Operación: el siguiente diagrama nos muestra un sistema básico de filtración por precapa.

Diagrama de proceso de un sistema de filtración a presión mediante diatomeas. Fuente: Washington State Department of Health.

Sistema de filtración mediante diatomeas.

— 45 —

SISTEMAS DE MICROFILTRACIÓN CONTINUA / ULTRAFILTRACIÓN Es el sistema de filtración más rigurosos antes de los sistemas de desalinización. Las características que diferencian a las distintas membranas MF/UF son las siguientes; •

Química de la membrana (lo cual implica, por ejemplo, tolerancia al cloro). Los materiales más utilizados son; - Celulósicas. - Polietersulfona (PES). - Polipropileno (PP). - Polisulfona (PS). - PVDF cerámicas.

•

Tamaño de poro (y por tanto, entre otros, rendimiento en eliminación de virus).

•

Configuración; plana, espiral, capilar / vertical o horizontal, tubular.

•

Dirección de flujo; de fuera adentro o de dentro afuera.

•

Montaje; en caja o tubo de presión o sumergida en tanque atmosférico.

•

Estructura interna: simétricas (porosidad uniforme) o asimétricas (distribución progresiva del tamaño de poro).

•

Densidad de fibras (caso de fibra hueca) o superficie por módulo.

•

Forma de lavado; agua a contra o equicorriente, agua y aire, aire, y lavado químico, etc.

•

Requerimientos de energía y auxiliares (bombeos, presión, aire comprimido).

•

Tipo de filtración: en flujo cruzado (alimentación por el interior de tubos o capilares y el agua arrastra los sólidos) o flujo frontal (la membrana actua como barrera que retiene los sólidos que luego hay que limpiar); el flujo puede ser de fuera-adentro o al contrario.

•

Forma de trabajo; a presión o en aspiración (sumergidas).

•

Pretratamiento requerido.

•

Etc.

— 46 —

Los equipos de MF/UF suelen ser compactos e incorporan el sistema de limpieza y dosificaciones químicas, ya que requieren de limpiezas automáticas muy frecuentes, ya sea con agua y/o aire o con productos químicos. Muchas de ellas trabajan con contralavados frecuentes que pueden ser con agua, aire o ambos. El hecho de trabajar, en general, de modo discontinuo debido a las frecuentes limpiezas, implica la necesidad de tener un depósito intermedio de agua filtrada entre estos sistemas y los de membreanas inferiores.

Propiedades deseables en una membrana de UF •

Poros de tamaño pequeño y alta porosidad para producir un permeado de alta calidad y alto caudal.

•

Resistente y Robusta.

•

Alta tolerancia a agentes químicos de limpieza.

•

Fácil de limpiar.

•

Flujo eficiente.

— 47 —

REPASO A LAS MEMBRABAS MF/UF MÁS COMUNES DEL MERCADO Evidentemente esta relación no es exhaustiva, y en general los fabricantes cuentan con una gama muy extensa de membranas de MF/UF, con distintos materiales, selectividad, aplicaciones, etc. MEMCOR: Membrana capilar de microfiltración utilizada para tratamientos terciarios y pretatamientos de ósmosis inversa y últimamente, membranas sumergibles de PP o PVDF.

ZENON: Membranas Zeewed; fue una de las primeras membranas sumergibles que apareció en el mercado y el la actualidad, una de las más utilizadas para la aplicación de MBR.

NORIT: Norit ha desarrollado una membrana en configuración espiral semejante a las membranas de ósmosis inversa, que puede ser instalada en tubos de presión estándar de ósmosis inversa. Cuenta asimismo con la membrana X-flow, capilar.

— 48 —

PALL: Es un fabricante de productos de filtración para industria, con un gran número de productos y aplicaciones, incluyendo en la actualidad tratamientos de agua residual.

FILTERPAR: Es el nombre comercial de una membrana plana desarrollada bajo una patente de Dow, pero en la actualidad comercializada por Filterpar desde Italia.

RHODIA - ORELIS - PLEIADE (Rhone Puolenc): Esta compañía lleva muchos años trabajando en las industria con membranas de ultrafiltración capilares cerámicas u orgánicas.

— 49 —

KUBOTA: Membrana de Kubota Corp. (Japón), plana sumergible para MBR y membranas cerámicas.

IMT: Memebrana SevenBore de Micro o ultrafiltración de fibra hueca de Polietersulfona.

INGE: Membrana capilar presurizadas Multibore.

OTROS: Sterapore, Aquasource, Polimem, Mitsubishi, Asahi, etc.

— 50 —

MEMBRANAS DE LOS FABRICANTES DE ÓSMOSIS INVERSA TORAY: Ha desarrollado membranas capilares externas y elementos de membrana sumergible para uso en MBR.

HYDRANAUTICS: Cuenta con la membrana Hydracap, que es una membrana capilar externa.

DOW: Membrana capilar presurizada.

— 51 —

KOCH: Tiene una amplia gama de membranas de varios tipos; capilares, sumergidas, presurizadas, etc.

TRISEP: Cuenta cosn la membrana Spirasep, que se puede instlar en tubo de presión de ósmosis inversa, aunque su disposición más habitual es la instalación sumergida.

NITTO DENKO: (Matriz de Hydranautics) cuenta con una membrana de UF espiral. OSMONICS SAEHAN: Fabricante de membranas de Corea, también tiene una membrana espiral de ultrfiltración. Como se ha comentado, esta relación no es exhautiva, sino que pretende ser una aproximación al estado del mercado de mebranas de MF/UF y una visión general de los tipos de membranas utilizado. Dado el gran número de sistemas de MF/UF existentes en el mercado, no podemos generalizar respecto a flujos específicos adecuados, presiones de trabajo, calidades de agua, etc. Si bien en general se puede decir que; •

Estos sistemas trabajan a bajas presiones (normalmente menos de 2-3 bar) y por tanto tienen un consumo energético bajo (que puede estar en el entorno de 0,2-0,3 Kw-h/m3).

•

Todos trabajan con limpiezas químicas muy frecuentes.

•

Muchos de estos sistemas utilizan lavado con aire.

•

Los sistemas a presión están penalizados energéticamente respecto a los sistemas sumergidos, ya que requieren, en general, de importantes recirculaciones para mantener unos flujos altos sobre la membrana. — 52 —

ALGUNOS EJEMPLOS DE DATOS DE MEMBRANAS DE MF/UF

Características de DOWTM UF •

DOW TM UF es una membrana de fibra hueca con flujo de fuera a dentro. - Amplio rango de Tolerancia al Agua de Alimentación. - Diseño Simple vertical. - Operación en Final Ciego.

•

Fibras Huecas de Ø1.3 x 0.7 mm de PVDF. - Alta Resistencia y Robustez. - Alta Resistencia Química. - Tratadas para aumentar la Hidrofilia.

•

Tamaño de Poro 0.03 μm. - Fibras Huecas de pared doble con mínimos macroporos. - Excelente combinación de gran rechazo y alta permeabilidad. - Filtración estable a largo plazo.

— 53 —

Ejemplo de Membranas y Bastidores UF Dow

— 54 —

Características de las membranas Hydracap (Hydranautics) STANDAR Diameter Fiber Modules: •

0.8 mm ID and 1.3 mm OD.

•

13,200 fibers per module.

•

60” modules have 500 ft2 (46.5 m2) of area.

•

40” modules have 320 ft2 (29.7 m2) of area.

•

Maximum Turbidity: 15 NTU.

•

Maximum Feed Pressure: 73 psig.

•

Maximum TMP: 30 psig.

•

Dry Weight 40”: 46 lb (21 kg) 60”: 64 lb (29 kg).

•

Wet Weight 40”: 63 lb (28 kg) 60”: 97 lb (44 kg).

•

Take up Volume 40”: 6.6 gal (25 L) 60”: 9.8 gal (37 L).

•

All pipe connections are 2” Victaulic couplings.

LARGE Diameter Fiber Modules. •

1.2 mm ID and 2.0 mm OD.

•

5,600 fibers per module.

•

60” modules have 323 ft2 (30.0 m2) of area.

•

40” modules have 208 ft2 (19.3 m2) of area.

•

Maximum Feed Pressure: 73 psig.

•

Maximum TMP: 30 psig.

•

Dry Weight 40”: 46 lb (21 kg) 60”: 64 lb (29 kg).

•

Wet Weight 40”: 63 lb (28 kg) 60”: 97 lb (44 kg).

•

Take up Volume 40”: 6.6 gal (25 L) 60”: 9.8 gal (37 L).

•

All pipe connections are 2” Victaulic couplings.

— 55 —

HIDRACAP DESIGN GUIDELINES TABLE

Ejemplo de Membranas y Bastidores Hydracap

— 56 —

Características de las membranas Memcor (Siemens)

Aunque también cuentan con membranas sumergibles, la más utilizada para agua de mar es la presurizada.

Esquema de funcionamiento

— 57 —

Ejemplo de Membranas y Bastidores Memcor

Características de las membranas de PVDF TORAY

— 58 —

SPECIFICATIONS OF HFM MEMBRANE MODULES - TORAY

MAX. OPERATIONS CONDITIONS OF HFM MEMBRANE MODULES - TORAY

— 59 —

Disposición típica de esquema de membrana de UF/MF presurizada

Modos de operación general de las membranas de UF/MF •

Proceso.

•

Lavado o Backwash (en contralavado). - Chemically Enhanced Backwashing (CEB) (limpieza a contralavado asistida con productos químicos).

•

Limpieza (en equicorriente).

•

Test de integridad (en capilares).

— 60 —

BACKWASH CYCLE

•

Mantenimiento del rango de filtración. - Backwash. •

LP Air + Filtrado.

- Cleaning.

•

•

Lavado de mantenimiento (MW).

•

Clean-In-Place (CIP).

Mantenimiento de la barrera de membrana. - Test de Integridad. - Aislamiento. - Reparación de Membranas. — 61 —

Uso de membranas como pretratamiento Ventajas (calidad del agua) e inconvenientes (complejidad, costes, garantías, no intercambiabilidad). Ejemplo 1. Estudio para Planta de 200.000 m3/día. Consumo de energía similar Coste especifico de inversión: UF 95 €/m3/día – Convencional 116 €/m3/día (18% sup). Reposición de membranas; Convencional: 0,008 €/m3, UF: 0,019 €/m3 (incremento 58%).

Ejemplo 2. Estudio de planta de 200.000 m3/día en exterior Coste inversión (€ por m3/día instalado de agua producto)

Costes de operación variables del pretratamiento (€ por m3/día agua producida)

Doble etapa filtración a presión

91

0,059

Doble etapa de filtración a gravedad (1ª etapa) y presión (2ª etapa)

106

0,056

Ultrafiltración

110

0,058

OPCIÓN de Pretratamiento

Importante influencia de las condiciones locales.

— 62 —

ALGUNOS INCONVENIENTES EN EL USO DE MEMBRANAS DE MF/UF COMO PRETRATAMIENTOS Es necesario llegados a este punto mencionar que la aplicación de estos sistemas como pretratamiento de los sistemas de desalación por membranas (RO y EDR), no está exenta de problemas, a pesar de proporcionar un agua de excelente calidad para estos sistemas posteriores. Algunos de estos inconvenientes que han ralentizando la generalización de estos sistemas son los siguientes; •

Las membranas de ultrafiltración actuales no son intercambiables, ya que cada fabricante las instala en módulos de diferente configuración y trabajan en condiciones distintas (de presión, caudal, etc.). Por tanto, instalado un sistema, no es posible o es de elevado coste, reconvertirlo a otro sistema distinto.

•

Muchos fabricantes no venden la membrana aislada, sino que suministran el sistema completo y en algunos casos, la ingeniería completa y todos los sistemas auxiliares. Esto evidentemente no es interesante para las ingenierías ya que encarece excesivamente los sistemas y deja a la ingeniería fuera del diseño y comprensión del mismo.

•

El coste de las mismas sigue siendo elevado y llega a superar en algunos casos al de los sistemas de ósmosis inversa.

•

Se incrementa la complejidad de la operación, incluyendo nuevos sistemas de dosificación química, reposición de membranas adicional, etc.

•

En algunas se traslada el problema de ensuciamiento de las membranas de ósmosis inversa a las membranas de MF/UF.

Aún así parece que esta será una opción interesante a partir de ahora, dado que los costes se están reduciendo y se está haciendo un mayor esfuerzo por los fabricantes por dar garantías de funcionamiento.

— 63 —

MEDIDA DE LA EFECTIVIDAD DE LOS PRETRATAMIENTOS FÍSICOS PARA LA PROTECCIÓN DE MEMBRANAS Silt Density Index (SDI) El SDI o índice de atascamiento es una medida experimental que da una idea del potencial colmatante de un agua a su paso por una membrana. El dispositivo incluye un sistema por el que se hace pasar agua a presión a través de una membrana Millipore o similar de 0,45 micras cronometrando el tiempo de paso de una cantidad de agua. El SDI más habitual es el SDI15, que es aquel en el que el tiempo final de medida es a los 15 minutos. Su valor está entre 0 y 6. Según los fabricantes de membranas, el SDI adecuado para unas membranas de ósmosis inversa debe ser inferior a 3. Inconvenientes del parámetro: •

Estamos haciendo pasar agua perpendicularmente a una membrana que no es exactamente una membrana de ósmosis

•

No representa exactamente el grado de ensuciamiento, ya que no considera las características de las sustancias, por ejemplo los coloides pueden pasar fácilmente por una filtración superficial.

•

Se ha observado que aguas con SDI inmedibles pueden tratarse sin grandes problemas y aguas con SDI bajos producir serios ensuciamientos.

Debemos considerarlo por tanto como una medida orientativa, pero no como un parámetro de verdad determinante.

— 64 —

Dispositivo para medida del Silt Density Index (SDI) SDI

• Medida del potencial de ensuciamiento de la corriente de agua. • Determina el pretratamiento requerido. • Controla el potencial e ensuciamiento para los sistemas de membranas.

SDI = P15 / T = (1 - ti / tf ) x 100 T

Donde: ti = tiempo en segundos empleado para que pasen 500 ml de la primera etapa. tf = tiempo en segundos empleado para que oasen 500 ml a la segunda etapa. T = tiempo entre el comienzo de t1 y el comienzo de t2 en minutos. También existe el; Índice de atascamiento modificado (MFI) Se realiza en las mismas condiciones que el de SDI, pero en este caso se obtiene una gráfica que relaciona el volumen filtrado con el tiempo. A partir de dicha tabla se traza una curva que nos proporciona el valor del MFI. Su ventaja principal respecto al SDI radica en que su valor sí que es proporcional a las concentraciones de materia en suspensión y de coloides del agua. — 65 —

Cuenteos de particulas Ensayo que nos da la distribución de partículas suspendidas en un agua y por tanto nos orienta sobre su posible pretratamiento.

— 66 —

Otras consideraciones generales sobre los pretratamientos •

Cada planta de OI (cada agua) demanda un pretratamiento físico y químico específicos. A pesar de ello, si que hay unas configuraciones que son las más empleadas.

•

En algunos casos, el coste de construcción de los pretratamientos puede exceder al de la propia planta de ósmosis inversa. También puede tener unos costes de operación muy elevados.

•

Una buena campaña de análisis del agua de aporte es la única base fiable para el diseño de un pretratamiento eficaz.

•

Es importante realizar siempre que se pueda un pilotaje previo, sobre todo en aquellos casos en los que tenemos agua complicadas. Por desgracia en la mayor parte de las ocasiones nos encontramos con falta de tiempo y/ o dinero que no permiten este paso previo.

•

Los pretratamientos pueden ocupar una importante parte del espacio físico de la instalación.

IDAM (Instalación Desaladora de Agua de Mar) de Águilas (Murcia). El recuadro inferior indica la superficie necesariapara el pretratamiento (filtración en doble etapa),y el superior el del proceso de OI. La IDAM de Águilas utilizará como captación una toma abierta sumergida.

— 67 —

PRODUCCIÓN DE LODOS EN LOS PRETRATAMIENTOS DE DESALACIÓN •

Las plantas de ósmosis inversa producen otros vertidos aparte delrechazo o salmuera que debemos tener en cuenta; - Agua de lavado de filtros, que contiene básicamente materia orgánica y sólidos en suspensión. - Residuos procedentes de las limpiezas químicas de membranas, que incluyen MO y SS, detergentes, ácidos, álcalis, etc.

•

Aunque hasta hace pocos años no era una práctica generalizada (siendo en la mayor parte de casos mezcladas estas corrientes con la salmuera), en la actualidad se instalan sistemas de corrección de pH y depuración de estas corrientes previamente a su vertido (planta efluentes).

•

Tratamiento de lodos. - En general se está utilizando como tratamiento de éstos efluentes una planta con tratamiento físico-químico con decantación lamelar, cuyo efluente se vierte con la salmuera y una línea de tratamiento del lodo generado, en general simplemente por espesado y deshidratación mediante centrífugas o filtros-banda. - Hay que tener en cuenta los materiales de construcción de éstos elementos, ya que hablamos de residuos procedentes de agua de mar. - Los fangos generados pueden provenir de la limpieza de filtros, de los tratamientos físico-químicos, rechazo de MF o UF y rechazos de las limpiezas químicas de membranas. Estos fangos no son aprovechables y deben llevarse a vertedero.

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COMENTARIOS SOBRE LAS TOMAS DE AGUA DE MAR Y SU INFLUENCIA EN EL PRETRATAMIENTO

Lógicamente los pozos producen una mayor calidad que las tomas abiertas, aunque este tipo de captación es difícil cuando se trata de obtener grandes caudales.

Grandes desaladoras: Importante dificultad de tomas mediante pozos Pretratamientos más utilizados para tomas abiertas: 1) dobles etapas de filtración en serie (con sus distintas variantes de gravedad, presión, etc.) con o sin coagulación en línea. 2) tratamientos físico-químicos combinados con filtración en 1 ó 2 etapas. 3) sistemas de pretratamiento de membranas. En España lo más utilizado es la opción 1).

Los tratamientos físico-químicos son en general ineficaces para baja turbidez o contenido en SS. — 69 —

EJEMPLOS DE PLANTAS DE TRATAMIENTO CON DISTINTOS PRETRATAMIENTOS

ALGUNOS EJEMPLOS DE PRETRATAMIENTOS EN DESALADORAS POR ÓSMOSIS INVERSA Las combinaciones de pretratamientos son muy variadas y dependen de las características del agua a tratar. A continuación se exponen varios ejemplos.

1. CASO MÁS SENCILLO. AGUA SALOBRE PROCEDENTE DE POZOS En este caso, si los pozos son de buena calidad, el agua ya está prefiltrada, por lo que con una filtración sobre sílex seguida de la filtración de seguridad (cartuchos) suele ser suficiente. Incluso en algunos casos se hace un bypass al filtro de sílex y se va directamente a cartuchos El ejemplo elegido es la planta desalinizadora de la Comunidad de Regantes de Cuevas de Almanzora (Almería), de 30.000 m3/día de capacidad, que trata aguas salobres de salinidad variable (y creciente) de un acuífero costero para producir agua para riego.

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ESQUEMA DE LA LÍNEA DE TRATAMIENTO EJEMPLO 1

— 71 —

2. AGUA SALOBRE SUPERFICIAL. SOLUCIÓN 1. En este caso, se parte de un agua procedente de un canal de riego con alto contenido en sólidos en suspensión y materia orgánica. Se eligió como solución de petratamiento filtración sobre sílex, seguida de ultrafiltración. •

Origen superficial, procedente de un Canal de Riego.

•

Sólidos en suspensión: 25-100 mg/l.

•

Turbidez: 16 – 17 NTU.

•

Dureza: 58º F.

•

Conductividad media: 2.780 µS/cm. (alto contenido en NaCl).

•

Conductividad máxima: 3.500 µS/cm (invierno).

•

Conductividad mínima: 1.000 µS/cm (verano).

-

Agua con conductividad elevada para su utilización en proceso y calderas. También con materia orgánica y SS significativos. Características muy variables con el paso del tiempo.

- Jar test y recuento de partículas desaconsejan procesos de decantación y filtración convencionales.

— 72 —

LÍNEA DE TRATAMIENTO •

Bombeo de aporte de agua bruta.

•

Filtración sobre lecho de arena y depósito de agua filtrada de 5 m3.

•

Bombeo de agua filtrada y dosificación de coagulante.

•

Ultrafiltración con membranas capilares y depósito de agua ultrafiltrada de 20 m3 de capacidad.

•

Bombeo de contralavado de membranas de la UF.

•

Almacenaje y dosificación de productos químicos (hipoclorito, bisulfito, antiincrustante, ácido clorhídrico).

•

Bombeo de alta presión.

•

Filtración de seguridad con cartuchos de 5 micras.

•

Desalinización por O.I. en doble paso con dos etapas por paso.

•

Dosificación de hidróxido sódico al permeado para neutralizar CO2 .

•

Depósito de agua osmotizada.

•

Dosificación de hipoclorito y remineralización mediante calcita en línea de agua potable.

•

Bombeo y desmineralización final mediante EDI (un módulo para 4,5 m3/h).

•

Sistema concentrador de salmuera.

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3. AGUA SALOBRE SUPERFICIAL. SOLUCIÓN 2. •

En este caso, se parte de un agua procedente de drenajes agrícolas y vertidos diversos, con alto contenido en sólidos en suspensión y materia orgánica.

Se eligió como solución de pretratamiento la siguiente línea; tamizado, tratamiento físico-químico con decantación lamelar, filtración sobre sílex, seguida de filtración sobre lecho mixto de sílex/antracita, seguido de cartuchos.

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— 75 —

4. AGUA RESIDUAL CON PRETRATAMIENTO CONVENCIONAL En este ejemplo, se parte de un agua residual procedente de una EDAR para su uso en riego de un campo de golf, de capacidad 5.000 m3/día. Planta tratando agua residual con una alta carga de MO y SS, con conductividad próxima a 3000 µS/cm y objetivo < 600 µS/cm.

— 76 —

Se decidió instalar un sistema de desalinización con un pretratamiento “clásico”, consistente en las siguientes etapas; •

Filtración sobre mallas autolimpiables de 100 micras

•

Filtración sobre lecho de sílex

•

Filtración sobre lecho de sílex/antracita

•

Microfiltración sobre cartuchos

•

Desinfección ultravioleta

•

Y se instalaron membranas antifouling para el sistema de ósmosis inversa.

— 77 —

Es posible convivir con el ensuciamiento en una planta de agua residual con un pretratamiento “clásico”.

5. AGUA RESIDUAL CON PRETRATAMIENTO CON FILTRACIÓN SOBRE LECHO DE ARENA FLUIDO En este caso se trata de una EDAR en lugar de una ósmosis inversa, pero podría utilizarse también en OI, dependiendo de las características del agua. Cliente: EPSAR (Entidad de Saneamiento CV). Capacidad de diseño; 5,000 m3/día. Tecnología; EDR. Uso del agua producto: riego agricola. El agua proviene del tratamiento secundario de la EDAR. El pretratamiento consiste en una Filtración en continuo de doble etapa y filtración sobre cartuchos.

— 78 —

6. AGUA DE MAR ALIMENTADA DE POZOS Planta desaladora de agua de mar Bahía de Alcudia 14.000 m3/día Planta desaladora de agua de mar. 14.000 m3/día de producción, en dos líneas de 7.000 m3/día, ampliable hasta 21.000 m3/día.

•

Captación de agua de mar a través de 8 pozos situados en la línea de costa perforados en terreno rocoso con unos 55 metros y con un diámetro de 600 mm. En ellos se alojan bombas sumergibles para pozo profundo que garantiza una presión de entrada en planta de 4 Kg/cm2.

•

Distribución del agua a los municipios de la zona (red de conducciones, sistemas de impulsión y depósitos reguladores)

•

Dispositivo de vertido diseñado para minimizar los impactos ambientales consistente en una captación de agua de mar que aprovechará en antiguo canal de refrigeración de la central térmica ya construido, su mezcla con la salmuera en proporción de 4 a 1 y su vertido mediante difusores en el muelle de Poniente del puerto comercial de Alcudia.

— 79 —

Capacidad inicial de producción de 14.000 m3/día, operando a un 45% de conversión. Caudal de aporte: 31.111 m3/día y caudal de rechazo de 17.111 m3/día. La instalación está preparada para ampliación hasta 21.000 m3/día. Operando también a una conversión del 45% la instalación empleará un caudal de agua de aporte de 46.666 m3/día y un caudal de rechazo de 25.666 m3/día. La instalación está previsto que opere de forma continua durante todo el año. Si trabaja de modo continuo 350 días al año los volúmenes generados de salmuera serían de casi 6 millones de m3 al año (operando con dos bastidores) o de cerca de 9 millones de m3 al año operando con tres bastidores. Pretratamiento: Filtración sobre arena (3 + 1 filtros). Filtración sobre cartuchos (2 + 1 filtros).

— 80 —

7. AGUA DE MAR DE TOMA ABIERTA CON PRETRATAMIENTO CONVENCIONAL Planta desaladora de AGUILAS-GUADALENTÍN - PROGRAMA AGUA (ACUAMED) Producción: 180,000 m3/día (contrato ampliado en la actualidad hasta 210,000 m3/día). Pretratamiento: •

Rejas de gruesos en torre de toma de paso 50 mm.

•

1ª etapa de Filtración por gravedad.

•

Coagulación en línea.

•

Bombeo intermedio.

•

2ª etapa de Filtración a presión.

•

Filtración de cartuchos (5 micras).

— 81 —

Concepción del pretratamiento 1ª ETAPA DE FILTRACIÓN POR GRAVEDAD (20 filtros de 17 x 11,5 m2)

PRIMERA CAPA Altura Granulometría Talla efectiva (d10)

0,4 m 1,4-2,5 mm 1,55 m

Coeficiente de uniformidad Material

1,27 Antracita

SEGUNDA CAPA Altura Granulometría Talla efectiva (d10)

0,4 m 0,63-1,0 mm 0,72 mm

Coeficiente de uniformidad

1,18

Material

Arena

TERCERA CAPA Altura Granulometría Talla efectiva (d10)

0,1 m 3,15-5,6 mm 3,5 mm Grava

Material

Velocidad: 6-7 m3/h/m2

— 82 —

Concepción del pretratamiento 2ª ETAPA DE FILTRACIÓN A PRESIÓN (44 filtros de 13 m longitud y 3,6 m diámetro)

PRIMERA CAPA Altura Granulometría Talla efectiva (d10)

0,65 m 0,4-0,8 mm 0,91 mm

Coeficiente de uniformidad

1 Arena

Material SEGUNDA CAPA Altura Granulometría Talla efectiva (d10)

0,15 m 0,3-0,5 mm 0,47 mm

Coeficiente de uniformidad Material

1 Granate

TERCERA CAPA Altura Granulometría Talla efectiva (d10) Material

0,1 m 1,5-2,5 mm 0,33 mm Granate

CUARTA CAPA Altura Granulometría Talla efectiva (d10)

0,1 m 3,15-5,6 mm 3,5 mm Grava

Material QUINTA CAPA Altura Granulometría Talla efectiva (d10)

0,1 m 8-16 mm 8,5 mm Grava

Material

Velocidad: 9 m3/h/m2

— 83 —

8. AGUA DE MAR DE TOMA ABIERTA CON PRETRATAMIENTO POR MEMBRANAS DE UF Southern Seawater Desalination Plant (Perth, Australia) Producción de agua potable de 153.000 m3/día (345 días/año, 95% disponibilidad). Planta capaz de trabajar al 100% de capacidad para: •

Salinidades entre 34,500 mg/l y 36,500 mg/l.

•

Temperatura del agua de mar entre 15oC y 23oC.

•

Sólidos en Suspensión entre 5 y 10 mg/l con picos de 50 mg/l.

— 84 —

DIAGRAMA DE PROCESO

Pretratamiento adoptado •

Pretamizado. - 10 unidades (2 líneas de 4+1) autolimpiante en superduplex. - Rango de Filtración: 80 micras.

•

Sistema UF: - 10 trenes (4+1 por línea). MEMCOR CP 960L20V unidades con 912 membranas instaladas en cada uno. - Recovery> 95%. - Membranas de PVDF. - Presión de operación: 20-120 Kpa. - Tamaño poro nominal: 0,04 mm. Tamaño de poro absoluto: 0,1 mm. - Flujo específico (43-54 lmh).

— 85 —

Pretratamiento adoptado •

Equipos auxiliares de la UF. - Soplantes (2+1). - Compresores (1+1). - Bombas CIP (1+1). - Tanque CIP. - Bombas dosificadoras de reactivos químicos.

•

Tanques de agua filtrada (2 unidades).

•

Filtros de cartuchos.

(Solución adoptada – presurizada de Memcor-Siemens)

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Viernes 5 de junio de 2009

Ósmosis inversa y nanofiltración TALO VALLS, SANTIAGO

Ósmosis inversa y nanofiltración  TALO VALLS, SANTIAGO ; [Sales Director Europe / África, HYDRANAUTICS - A Nitto Denko Company]

ÍNDICE 1. Conceptos básicos de Ósmosis Inversa. 2. Conceptos básicos sobre membranas. 3. Tipos de membranas de Osmosis inversa. 4. Evolución de las membranas de O.I. 5. Aplicaciones de la O.I. y NF.

—2—

CONCEPTOS BÁSICOS • Membrana: Barrera de origen animal, vegetal o sintética selectiva al transporte de materia (deja pasar unos componentes de la disolución con facilidad pero rechaza otros). • Alimentación: Líquido que entra al sistema de membranas tras el pre-tratamiento y acondicionamiento. • Permeado (o Producto): Líquido permeado a través de la membrana. • Concentrado (o Rechazo): Líquido de arrastre a la salida del sistema, que contiene las sales y demás contaminantes que han sido retenidos por las membranas. • Recuperación (o Conversión): Eficiencia del sistema, medida como el porcentaje de la alimentación que se transforma en producto. • TDS: Suma de concentraciones de los iones disuletos en el agua. • PPM: Particulas per million – Unidad de medida para la concentración de iones disueltos en el agua. Se mide en mg / log / m3. • NDP: Presion neta de trabajo – presion requerida para atravesar la membrana. • APF: flujo promedio de permeado – Caudal de permeado combinado dividido por el total del área de membrana en el sistema de OI. • CPF: factor de concentracion de polarizacion - la concentración de polarización es el incremento de salinidad adyacente la a superficie de membrana debido a transporte de agua a través de la membrana. Aumenta con el flujho de permeado, disminuye con el incremento de velocidad en el elemento de OI. Es proporcional con la tasa de recuperación.

—3—

CONCEPTOS BÁSICOS OI Ósmosis: Fenómeno natural según el cual el agua pasa a través de una membrana semipermeable desde una solución menos concentrada a una más concentrada.

Ejemplos cotidianos de Ósmosis Las Células están rodeadas de una membrana semipermeable. Su interior tiene más concentración que el exterior, por eso el agua puede fluir desde el exterior al interior. Es el modo que tienen las células para beber.

—4—

Ejemplos cotidianos de Ósmosis •

Las Células están rodeadas de una membrana semipermeable. Su interior tiene más concentración que el exterior, por eso el agua puede fluir desde el exterior al interior. Es el modo que tienen las células para beber.

•

Un Puré de Manzana se pudre en pocos días debido a las bacterias, pero si se le añade azúcar al puré (=compota), el exterior de las bacterias estará más concentrado que el interior y el agua —por ósmosis— pasa desde el interior de las bacterias al entorno y mueren desecadas. Por eso las compotas no se descomponen.

•

Lo mismo pasa con la Sal. La carne y el pescado se pudren rápidamente al aire por la acción de las bacterias. Si se introduce en una gran cantidad de sal, las bacterias mueren desecadas por falta de agua (ejemplo: conservación de jamones).

•

Las Venas y las Arterias son semipermeables. Si dentro de ellas hay mucho líquido aumenta la presión. La ingesta de grandes cantidades de sal y su entrada en las arterias ocasiona que el agua del exterior de las mismas entre en ellas aumentando la presión (esta es la razón por la cual se recomienda la disminución en el consumo de sal cuando hay hipertensión).

•

Las Raíces de las Plantas toman agua del entorno por ósmosis.

•

Si un Náufrago bebe agua de mar, al llegar al estómago el fenómeno de la ósmosis hace que el agua de las células del estómago salga al exterior, con lo que se resecan y mueren, y con ellas la persona.

Presión Osmótica Presión que se desarrolla en una solución salina, debido a la diferencia de concentración de iones presentes a ambos lados de la membrana (π ~ 10 PSI por cada 1.000 ppm).

π = k · T · i · c/M —5—

Ósmosis Inversa Proceso según el cual se fuerza al agua a pasar a través de una membrana semipermeable, desde una solución más concentrada a una solución menos concentrada, mediante la aplicación de presión.

Presión Neta de Trabajo (Net Driving Pressure) Presión hidrostática total ejercida en el sistema menos la contrapresión ejercida por la presión osmótica y las pérdidas de presión. NDP = Palim – ΔP – Pperm – π

—6—

Seawater system: 40,00 ppm TDS, 50% recovery

•

Paso de sales: Relación entre la salinidad del producto y la salinidad promedio de la alimentación.

• RECHAZO DE SALES: Es lo contrario del paso de sales y la especificación más importante de una membrana. RS = 1 - PS

—7—

•

SDI: Índice empírico de filtrabilidad para determinar la tendencia del agua bruta a ensuciar la membrana.

CANTIDAD DE ENSUCIAMIENTO SDI

—8—

• Factor β (Concentración de la Polarización): Sobreacumulación de solutos sobre la membrana que lleva a: - Aumento de Presión Osmótica - Precipitación de sales jo disminuye.



Flujo disminuye.

 Deposición inorgánica  Paso de Sales aumenta y Flu-

β = EXP [0.75 x 2R / (2 - R)]

•

LSI (Langelier Saturation Index): Indica el potencial de incrustación de un agua de bajo TDS en las membranas. LSI = pH – pHs (CaCO3) LSI < 0  agua agresiva (deseable LSI = - 0.2) LSI > 0  agua incrustante

• S&DSI (Stiff & Davis Saturation Index): Indica el potencial de incrustación para un agua de alto TDS.

—9—

CONCEPTOS BÁSICOS MEMBRANAS OI

DIAGRAMA DE FILTRACIÓN

— 10 —

PROCESOS DE SEPARACIÓN POR MEMBRANAS

PROCESOS DE SEPARACIÓN POR MEMBRANAS

— 11 —

PROCESOS DE SEPARACIÓN POR MEMBRANAS

MATERIALES DE LAS MEMBRANAS •

Membranas orgánicas: Acetato de Celulosa (AC), Poliamida (PA), Poliacrilnitrilo (PAN), Polisulfona (PS), Polietersulfona (PES), Polipropileno (PP), Polietileno (PE), Polifluoruro de vinilideno (PVDF)

•

Membranas inorgánicas (más estables pero también más caras): Óxidos o carburos de aluminio, silicio, circonio o titanio.

— 12 —

TIPOS DE MEMBRANAS •

Membranas Planas: Industria láctea y alimentación.

•

Fibras Huecas y Capilares: MF, UF.

•

Módulos Tubulares: MF, UF, Cerámicas en la Industria láctea y alimentación.

•

Membranas arrolladas en espiral: Desalación, Industria láctea y alimentación.

Membranas Planas

— 13 —

Fibra Hueca / Capilares

 5 - 30 mm

— 14 —

Módulos Tubulares

 5 - 30 mm

Membranas arrolladas en Espiral •

Están constituidas por dos láminas membranosas que se colocan paralelas, separadas por un espaciador para formar una hoja, con sus caras activas hacia fuera.

•

Esta estructura se pega por tres de sus cuatro lados y el cuarto lado se deja abierto para permitir la salida del permeado.

•

Un numero de estas estructuras (hojas) se arrolla, fijándose por el lado abierto, alrededor de un tubo colector, colocándose el conjunto dentro de un tubo de presión.

•

El líquido de alimentación fluye longitudinalmente, en tanto que el permeado discurre entre las membranas hacia el tubo perforado, en el que es recogido.

•

Debido a la configuración abierta, la configuración de arrollamiento en espiral permite operar con aguas de mayor concentración de sólidos en suspensión (turbidez) que la configuración de fibra hueca.

— 15 —

Composición química de la hoja de membrana de OI arrollada en espiral

Membranas arrolladas en Espiral

— 16 —

Composición de la membrana arrollada en espiral. •

Capa Poliamida: Determina el flujo y rechazo de sales.

•

Capa Polisulfona: Superficie muy porosa donde la capa de poliamida se deposita.

•

Capa Poliéster: Nos da la fuerza mecánica.

Membrana de poliamida y capas soporte

— 17 —

Peso de las membranas •

Un elemento convencional de 400 ft2 pesa aproximadamente 12.7 – 13.6 kg, despendiendo de si es de agua salobre o agua de mar.

•

Membrana de agua de mar estándar: – Poliamida utilizada habitualmente - 0.37 (1,3-Phenylene Diamine) + 0.05 (Isophthaloyl Chloride) + 0.04 (Trimesoyl Chloride). – Peso de la poliamida: 62.6 g. – Polisulfona: 836.9 g. – Poliester: 3,240 g.

• La separación de sales se realiza con un componente que representa 0.46% del total del elemento.

Membranas arrolladas en Espiral

— 18 —

Membranas arrolladas en Espiral

Sección de una membrana de OI arrollada en espiral

— 19 —

Membranas arrolladas en Espiral espaciador alimentación - rechazo

•

Función del espaciador alimentación - rechazo. – Separa las hojas de membrana permitiendo al agua que fluya entre las mismas. – Crea turbulencias en el flujo de alimentación. – Ayudar a minimizar la presión diferencial.

•

Características. – grosor: 26 to 34 mil en aplicaciones de agua. – Material: Polipropileno. – Configuración: Malla en forma de diamante.

Comparación entre el espaciador especial de 34 mil y espaciador convencional de 28 mil

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Muestras de membrana y espaciador después de 6 meses de operación con un agua de superficie de alta carga orgánica

Muestras de membrana y espaciador después de 6 meses de operación con un agua de superficie de alta carga orgánica

Elemento con tecnología convencional

Elemento con nueva tecnología Bio-Ban

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Espaciador de permeado

Funciones del espaciador de permeado: •

Soporta las hoja de membrana.

•

Conduce el permeado fuera de las hojas hacia el tubo de permeado.

— 22 —

Comparación entre Tipos de Membranas Costes de equipamiento

Tubular > Planas >> Fibra hueca > Espiral

Facilidad de limpieza

Planas > Tubular > Espiral > Fibra hueca

Requerimientos de espacio

Tubular >> Planas > Espiral > Fibra hueca

Tendencia al ensuciamiento

Fibra hueca >> Espiral > Planas > Tubular

Relación entre datos nominales y datos de operación •

Para elementos con el mismo área y testeados en las mismas condiciones nominales: – Los elementos con el caudal nominal mas alto requerirán menor presión de alimentación.

•

Para elementos con el mismo área de membrana, testeados en las mismas condiciones nominales y produciendo el mismos caudal de permeado: – Los elementos con el rechazo de sales mas elevado producirán el permeado de menor salinidad.

•

Para elementos produciendo diferentes caudales de permeado en condiciones nominales de testeo. – El elemento con el pasaje de sales relativamente mas bajo producirá el permeado de mejor calidad.

— 23 —

EFECTO DE LOS DISTINTOS PARÁMETROS OPERATIVOS EN EL COMPORTAMIENTO DE LA PLANTA Presión (a caudal constante)

Caudal de Permeado (a presión constante)

Salinidad del permeado

Temperatura







Conversión







Flux



N. A.



Salinidad de alimentación







Aumentando...

CONCEPTOS BÁSICOS OI Para un agua de mar de 38 g/L y sistema con 40% de conversión:

— 24 —

SALINIDADES DE LOS MARES Y OCÉANOS Mar / Océano

Salinidad (ppm de TDS)

Mar Báltico

28.000

Mar del Norte

34.000

Océano Pacífico

33.600

Océano Atlántico Sur

35.000

Mar Mediterráneo

36.000

Mar Rojo

44.000

Golfo Pérsico

43.000 – 50.000

Mar Muerto

50.000 – 80.000

MEDIA MUNDIAL

34.800

CLASIFICACIÓN DEL AGUA (según TDS) Denominación

Salinidad (ppm de TDS)

Ultrapura

0,03

Pura (Calderas)

0,3

Desionizada Dulce (Potable)

3 < 1.000

Salobre

1.000 – 15.000

Salina

15.000 – 30.000

Marina

30.000 – 50.000

Salmuera

> 50.000

— 25 —

GAMA DE MEMBRANAS OI Y NF

MODELOS DE MEMBRANAS DE OI Baja Presión •

Membrana de poliamida de bajo consumo energético para aguas salobres.

•

Presiones de operación inferiores a 100 Psi (~7 bar). Modelo

Rechazo de sales (%)

Flujo de permeado (m3/d)

1

99.0

45.4

2

99.6

34.1

3

98.5

53.0

4

99.2

45.4

5

99.2

32.6

— 26 —

MODELOS DE MEMBRANAS DE OI Baja presión Alta superficie •

Membrana de poliamida de bajo consumo energético para aguas salobres.

•

Presiones de operación inferiores a 100 Psi (~7 bar). Modelo

Rechazo de sales (%)

Flujo de permeado (m3/d)

1

99.6

41.6

2

99.3

34.1

ALTA SUPERFICIE: 440 ft2

MODELOS DE MEMBRANAS DE OI Baja presión Alto rechazo •

Membrana de poliamida con alto rechazo de sales para aguas salobres.

•

Ideal para producir agua ultrapura para la industria electrónica o alimentación a calderas. Modelo

Rechazo de sales (%)

Flujo de permeado (m3/d)

1

99.5

37.9

2

99.6

41.6

3

99.7

22.7

4

99.7

41.6

— 27 —

CARACTERÍSTICAS DE LAS MEMBRANAS DE BAJO ENSUCIAMIENTO

MODELOS DE MEMBRANAS DE OI Bajo ensuciamiento •

Membrana de poliamida de bajo ensuciamiento (carga neutra).

•

Ideal para tratamiento de aguas residuales o superficiales. Modelo

Rechazo de sales (%)

Flujo de permeado (m3/d)

1

99.5

41.60

2

99.6

36.00

— 28 —

MODELOS DE MEMBRANAS DE NF •

Membrana de poliamida de ultra baja presión.

•

Ideal para ablandamiento de aguas y eliminación de materia orgánica. Modelo

Rechazo de sales

Flujo de permeado (m3/d)

84 - 96% (Ca2+, Mg2+) 31.0

1 50 - 70% (Na+, Cl-) 86 - 92% (Ca2+, Mg2+)

39.7

2 50 - 70% (Na+, Cl-)

MODELOS DE MEMBRANAS DE OI Agua de mar •

Membrana de poliamida con alto rechazo de sales para el tratamiento de agua de mar. Modelo

Rechazo de sales (%)

Flujo de permeado (m3/d)

1

99.6

18.9

2

99.7

22.3

3

99.8

20.8

4

99.7

26.5

5

99.83

24.7

6

99.7

30.3

7

99.8

45.5

— 29 —

El control automatizado de las líneas de pegamento permiten obtener la superficie de las membranas.

Elementos de superficie activa superior que permiten obtener un diseño mas compacto de las plantas. •

El preciso control de la construcción de los elementos permite obtener membranas de 440 ft2 (40.9 m2).

•

Se utiliza el mismo espaciador de un elemento convencional de 400 ft2 (37.2 m2).

•

Tienen el mismo rechazo de sales de un elemento de 400 ft2 (37.2 m2).

•

Obtenemos un ahorro de 10% de los tubos de presión o una reducción de 10% del flujo de operación o podemos aumentar en 10% la producción.

— 30 —

Nuevo desarollo de Membranas de agua de mar Agua de mar Alta superficie Modelo

Rechazo de sales (%)

Flujo de permeado (m3/d)

1

99.8

27.7

2

99.8

37.1

ALTA SUPERFICIE: 440 ft2

Rango de Aplicación

— 31 —

DISTRIBUCIÓN DEL COSTE DEL AGUA

EVOLUCIÓN DE LAS MEMBRANAS DE AGUA DE MAR

— 32 —

COMPARAMOS LA «VIEJA» CON LA NUEVA TECNOLOGÍA

CASO PRÁCTICO DE EVOLUCIÓN DE LAS MEMBRANAS: CARBONERAS – 120,000 m3/d •

La planta se puso en operación en 2002.

•

Configuración de 144 tubos de presión de 7 elementos con membranas de 365 pies cuadrados.

— 33 —

Si trabajamos con membranas de 400 pies cuadrados, 144 tubos de presión  reducimos presión...

• •

Presión entrada con membranas de 365 ft2: 66.4 bar. Presión entrada con membranas de 400 ft2: 59.2 bar.

Si trabajamos con membranas de 440 pies cuadrados, 144 tubos de presión  reducimos presión...

• • •

Presión entrada con membranas de 365 ft2: 66.4 bar. Presión entrada con membranas de 400 ft2: 59.2 bar. Presión entrada con membranas de 440 ft2: 58.1 bar. — 34 —

Si trabajamos con membranas de 400 pies cuadrados alta producción, 144 tubos de presión  reducimos presión...

• • • •

Presión entrada con membranas de 365 ft2: 66.4 bar. Presión entrada con membranas de 400 ft2: 59.2 bar. Presión entrada con membranas de 440 ft2: 58.1 bar. Presión entrada con membranas de 400 ft2 AP: 56.3 bar.

RESUMEN

— 35 —

OTRAS POSIBILIDADES •

Podemos reducir la cantidad de tubos de presión, ya que el flujo de trabajo de las membranas con membranas de 365 pies cuadrados es de 12 lmh. En planta tenemos 144 tubos de presión.

•

Con las membranas de 400 pies cuadrados necesitariamos para mantener este flujo, 134 tubos de presión.

•

Con las membranas de 440 pies cuadrados necesitariamos para mantener este flujo, 121 tubos de presión.

•

Podemos trabajar con sistema híbrido mezclando membranas de 400 pies cuadrados con membranas de 400 o 440 pies cuadrados. – Balanceamos flujos dentro del tubo de presión optimizando el rendimiento de las membranas. - Ejemplo: • 4 membranas SWC4+ seguido de 3 membranas SWC5. • 4 membranas SWC5 seguido de 3 membranas SWC5 MAX. • 5 membranas SWC5 seguido de 2 membranas SWC6.

•

Membrana

Consumo energético

SWC3

3.48

SWC5

3.11

SWC5 MAX

3.05

SWC6

2.95

Qué buscamos, dónde vamos...

— 36 —

DESPRESURIZACIÓN NO CONTROLADA EN MEMBRANAS SUCIAS

NUEVO SISTEMA DE CIERRE – DISPOSITIVO ANTITELESCÓPICO Previene de se tengan roturas en la cubierta de fibra de vidrio

— 37 —

COMO ACTÚA LA PRESIÓN EN UN TUBO El nuevo sistema antitelescópico hace que no se produzcan saltos de presión.

COMO ACTÚA LA PRESIÓN EN EL TUBO

— 38 —

TAMAÑOS ESTÁNDAR DE LAS MEMBRANAS DE RO Y NF Modelos disponibles en tamaños estándar de 8” y 4”... y minis.

NUEVAS MEMBRANAS DE 16” Diseñar plantas de OI con membranas de 16” puede reducir los costes de las mismas •

Agua de pozo salobre: 18.5 - 27% ahorro.

•

Agua de mar y superficial salobre: 7 - 17% ahorro.

— 39 —

COMPARACIÓN ENTRE LOS DISTINTOS ELEMENTOS Alimentación (ppm)

Permeado OI ultra baja presión

Permeado OI baja presión

OI Permeado alta presión

Permeado NF

Ca2+

125

5.33

0.69

0.17

11.43

Mg2+

160

6.82

0.89

0.22

14.63

Dureza Total

97 ºfr

4 ºfr

0.5 ºfr

0.13 ºfr

8.8 ºfr

Na+

1650

324.89

43.76

10.67

702.71

K+

70

16.78

2.32

0.57

44.45

Ba2+

0.015

0.001

0

0

0.002

Sr2+

0.75

0.032

0.004

0

0.095

CO32-

0.4

0.01

0

0

0.02

HCO3-

98

64.75

4.34

1.06

21.56

SO42-

700

43.5

4.35

1.05

47.97

2714.8

470.3

67.08

16.35

1133.28

F-

2.5

1.13

0.12

0.03

2.44

SiO2

5.2

1.86

0.1

0.02

1.6

pH

7.6

7.5

6.3

5.8

7.0

TDS (ppm)

5530

941

124

30

1982

Presión de Operación

-

7 bar

11 bar

16 bar

6 bar

Cl

-

PRETRATAMIENTO •

Necesario debido a: - Incrustación ( últimos elementos). - Ensuciamiento orgánico/coloidal ( primeros elementos). - Ensuciamiento biológico. - Ataque químico a la membrana (daño irreversible).

•

Consideraciones para su diseño: - Material de la membrana (AC, PA, etc.). - Calidad del agua de aporte (SDI, turbidez, etc.). - Origen del agua de aporte (pozo, residual, etc.). - Recuperación del sistema. — 40 —

PRETRATAMIENTO Filtros de Arena: Eliminación de materiales de pequeño tamaño. Físico

Filtros de Cartucho: Etapa de afino /Elemento de Seguridad. Otros: Filtros de gravedad, MF/UF, GAC. Coagulación-Floculación Acidificación

Químico

Desinfección Decloración Inhibición (Antiincrustante/Dispersante)

POSTRATAMIENTO • Municipal (Agua potable): - Desinfección con cloro. - Aumento de pH (~7.5 - 8.0) para evitar corrosión en las líneas de distribución (recuperación de alcalinidad) y para alcanzar los límites de potabilidad. - Remineralización (LSI debe estar entre - 0.5 y + 0.5 según RD 140/2003). Normalmente se hace para TAC ~ 80 ppm CaCO3 y TH ~ 150 ppm CaCO3. - Aireación para eliminación de gases (p.ej.: H2S o exceso de CO2). • Farmacéutica: Control de bacterias, virus, endotoxinas, pirógenos (ozono, UV, carbón activo). •

Electrónica: Control de Carbono Orgánico Total (TOC), SDT y partículas es muy importante (carbón activo, 2º paso OI, UF).

•

Generación de Electricidad: Mejora de los niveles de COT, Dureza y Sílice para calderas de alta presión (2º paso OI, resinas de intercambio iónico, EDR). — 41 —

RESUMEN • La NF se usa sobre todo como proceso de desendurecimiento y para la eliminación de COT y color. • La OI proporciona el mismo tratamiento que la NF pero con una mayor remoción de TDS. Se usa fundamentalmente para eliminación de sales. • Tanto la OI como la NF son capaces de rechazar virus, bacterias, quistes y demás microorganismos patógenos, pero la UF y MF son más baratos e igualmente eficaces. • Los únicos contaminantes que no pueden ser tratados por OI/NF son los gaseosos. Los gases disueltos son fácilmente permeados por las membranas.

APLICACIONES DE LA OI Y NF MUNICIPALES ÓSMOSIS INVERSA Producción de agua potable para consumo humano. Producción de agua para irrigación. Tratamiento de aguas residuales para reuso o vertido. NANOFILTRACIÓN Desalinización de aguas salobres. Eliminación de dureza del agua (ablandamiento). Eliminación de metales pesados. Reducción de color, COT, DQO, pesticidas. Reducción de sulfatos, fosfatos, ...

— 42 —

APLICACIONES DE LA OI Y NF ALIMENTARIAS ÓSMOSIS INVERSA Producción de agua embotellada. Producción de agua para fabricación de refrescos, cervezas, hielo, etc. Concentración de suero lácteo. Reducción de alcohol del vino o cerveza. Concentración del mosto de vino. Concentración de zumos de fruta. Concentración de clara de huevo. Concentración de café. NANOFILTRACIÓN Desmineralización del suero lácteo. Concentración de lactosa y proteínas. Reducción de la acidez del vino. Clarificación de zumos de fruta.

APLICACIONES DE LA OI Y NF FARMACEÚTICAS ÓSMOSIS INVERSA Producción de agua ultrapura (jarabes, inyectables, medicinas, etc.). Concentración o purificación de productos (p.ej. antibióticos). NANOFILTRACIÓN Purificación / Concentración de productos.

— 43 —

APLICACIONES DE LA OI Y NF INDUSTRIALES NANOFILTRACIÓN Producción de agua pura para calderas. Producción de agua ultrapura para microcircuitos. Producción de agua para sistemas de refrigeración y aire acondicionado. Recuperación de productos aprovechables (p. ej. tinturas en la industria textil). Depuración de baños galvánicos (ind. metalúrgica). Tratamiento de efluentes. ÓSMOSIS INVERSA Recuperación de productos aprovechables. Tratamiento de efluentes.

— 44 —

Viernes 5 de junio de 2009

RO/NF system design and ROSA Software CASAÑAS GONZÁLEZ, ANTONIO

RO/NF system design and ROSA Software  CASAÑAS GONZÁLEZ, ANTONIO; [Dow Water & Process Solutions]

OVERVIEW • Scope of system design. • System configuration types. • System design guidelines. • Ten steps to design a membrane system. • How to use ROSA.

—2—

1. SCOPE OF SYSTEM DESIGN Provide. •

Requested permeate flow rate -Requested permeate quality.

at. •

Minimum capital costs.

•

Minimum operating costs.

from a given. •

Raw water source.

2. SYSTEM CONFIGURATION TYPES 2.1. Main Components of a membrane system

Main components: pump(s), pipes, pressure vessel(s), membrane element(s).

—3—

2.2. Single vessel system One pressure vessel containing one or more membrane elements

• for low flow rate. • for low system recovery.

Recovery= Permeate Flow/ Feed Flow= 50%.

Serial arrangement of membrane elements in a pressure vessel

2.3. Single stage system Pressure vessels in parallel with common feed, concentrate and permeate connections.

Recovery= Permeate Flow/ Feed Flow = 50%

—4—

2.4. Multistage Two stage system

• Use for higher recovery. • Typical 75% recovery with 6-element vessels. Three Stage System

• Use for higher recovery. • Typical 85% recovery with 6-elements vessels.

—5—

2.5. Concentrate Recycle • Way to increase recovery by recirculating reject to increase feed flow. • Typical for special / waste water applications. • Typical for single vessel systems.

2.6. Double Pass • Permeate from first array goes into another array. • Use when standard permeate quality is not sufficient. • For high purity applications.

—6—

3. SYSTEM DESIGN GUIDELINES Each element in a system should operate within certain limits. • to minimize concentration polarization: - permeate flow rate below upper limit. - element recovery below upper limit. - concentrate flow rate above lower limit. • to avoid physical damage: - feed flow rate below upper limit. - pressure drop below upper limit. - feed pressure below upper limit.

—7—

4. TEN STEPS TO DESIGN A MEMBRANE SYSTEM 1. Define product flow rate and recovery, consider feed quality and required product quality. 2. Select the flow configuration and number of passes. 3. Select the membrane element type. 4. Select the average membrane flux. 5. Calculate the number of elements needed. 6. Calculate the number of pressure vessels needed. 7. Select the number of stages. 8. Select the staging ratio. 9. Balance the permeate flow rate. 10. Analyze and optimize the membrane system. Step 1: Define scope and boundaries • Required permeate flow rate. • Required permeate quality. • Available feed water quality. • System recovery. • Focus on capital costs or operating costs. i- Required permeate flow rate Implications: • Element size. • Number of elements. ii- Required permeate quality Implications: • Element selection. • Flow configuration. • Recovery. —8—

iii- Available feed water quality Implications: • TDS

 Membrane selection.  Recovery.  Flow balancing.  Resulting feed pressure.

•

Scaling tendency

 Recovery.

•

Fouling tendency

 Flow configuration.  Element selection.  Number of elements.  Number of elements per vessel.  Number of stages.  Recovery.

iv- System recovery: Should be as high as possible •

Sea water recovery limits. - High osmotic pressure of the brine. - Osmotic pressure limits the recovery to 35-55%.

•

Brackish water recovery limits. - Brackish waters usually contain sparingly soluble salts which can cause scaling. - Recovery normally limited to 70-85%. - Softening or scaling inhibition required. - Recovery limits for non-treated and for softened waters can be calculated with ROSA. - Recovery limits with scaling inhibitors can be calculated with programs of suppliers. - Lower recovery for feeds with higher fouling tendency.

•

Permeate quality limits. - Requested permeate quality may not be achieved at very high recovery. —9—

Focus on capital costs (CAPEX) Implications: •

Maximize system flux.

•

Minimize number of elements and vessels.

Focus on operational costs (OPEX) Implications: •

Lower system flux.

•

Higher number of elements and vessels.

•

Prefer low energy membranes.

OUR EXAMPLE •

Required permeate flow rate

150,000 m3/day.

•

Required permeate quality

TDS < 25 ppm.

•

Available feed water quality

SW TDS 43,900- Open intake.

•

System recovery

As high as possible (45%).

•

Focus on capital costs or operating costs.

Step 2: Select the flow configuration and number of passes •

Continuous process is standard.

•

Batch process in special applications, e.g. for separation of process liquids and waste water treatment in food and pharma industries.

•

Concentrate recirculation: for small systems and in special applications, e.g. waste water or process liquids.

•

Permeate staging: to improve the product water quality and safety, e.g. in the pharma industry.

— 10 —

OUR EXAMPLE •

Continuous process

YES.

•

Batch process

NO.

•

Concentrate recirculation:

YES from second pass.

•

Permeate staging:

YES.

•

Second pass needed to achieve required permeate quality: TDS below 25 ppm.

•

Recirculation of concentrate from second pass to decrease feed salinity.

Step 3: Select the membrane element type According to: •

System capacity.

•

Feed water TDS.

•

Feed water fouling potential.

•

Required product water quality.

•

Energy requirements.

i- According to System capacity •

•

Element diameter for system capacity of about. 2.5”

< 200 l/h.

4.0”

< 2.3 m3/h.

8.0”

> 2.3 m3/h.

Element length. Standard: 40” (1016 mm). For small compact systems: 21” or 14”. — 11 —

ii- According to Feed water TDS (Rules of thumb) < 1000 mg/l

NF270, NF90, XLE, LE, LP, TW30, BW30.

< 10 000 mg/l

BW30.

10 000 - 30 000 mg/l

SW30XLE.

30 000 - 50 000 mg/l

SW30HR, SW30HRLE, SW30XLE.

iii- According to Feed water fouling potential •

Standard feed spacer thickness: 28 mil.

•

Feed spacer thickness for feeds with increased fouling potential: 34 mil used in BW30-365, BW30-365FR, BW30-400/34i, BW30-400/34FRi, SW30HR-320.

•

Fouling resistant BW membrane for biofouling prevention - used in BW30-365FR, BW30400FR, BW30-400/34FRi.

iv- According to Required product water quality

NF270 NF200 NF90 XLE LE BW30 / TW30 SW30XLE, SW30HR / SW30HR LE

decreasing

Salt permeability of membranes.

v- According to Energy requirements

NF270 NF200 NF90 XLE LE BW30 / TW30 SW30XLE SW30HR / SW30HR LE

increasing

Energy requirements of membranes.

— 12 —

For a Product Selection Guide, see: http://www.dow.com/liquidseps/service/tpsg.htm OUR EXAMPLE According to: •

System capacity- Modules of 8” x 40” (150,000 m3/day).

•

Feed water TDS - SW in first pass and BW or LE in second pass.

•

Feed water fouling potential - 28” feed spacer.

•

Required product water quality - SW30HRLE-400i in the first pass and BW30-440 or LE-440i in the second pass.

•

Energy requirements - SW30HRLE-400i in the first pass and BW30-440 or LE-440i in the second pass.

Step 4: Select the average membrane flux Select the design flux, f, based on: •

pilot data.

•

customer experience.

•

typical design fluxes according to the feed source found in Design Guidelines for 8-inch and Midsize FILMTEC elements.

•

CAPEX or OPEX focus.

— 13 —

OUR EXAMPLE •

First check pilot experiences.

•

According to Filmtec Guidelines: 11 – 17 L/m2h for Sea Water Open Intake and 36-43 L/m2h for RO permeate.

— 14 —

Step 5: Calculate the number of elements needed

NE

number of elements.

QP

design permeate flow rate of system.

f

flux.

SE

active membrane area of the selected element.

OUR EXAMPLE

First pass

Full second pass

Number of elements per vessel Large 8-inch systems. •

Benefits of vessels for 7 to 8 elements: - lower capital costs. - higher recovery possible with same number of stages.

•

Benefits of vessels for 6 and less elements: - less pressure drop. - better cleaning results. - more compact. - more stages for better hydraulic design.

— 15 —

Step 6: Calculate the number of pressure vessels needed

NV

Number of vessels.

NE

Number of elements.

NEpV

Number of elements per vessel.

OUR EXAMPLE

First pass

Full second pass

Step 7: Select the number of stages Number of serial element positions should be higher for: •

Higher system recovery.

•

Higher fouling tendency of the feed water.

Number of stages depends on: •

number of serial element positions.

•

number of elements per pressure vessel.

— 16 —

Number of stages of a brackish water system

System Recovery (%)

Number of serial element positions

Number of stages (6-element vessels)

40 – 60

6

1

70 – 80

12

2

85 – 90

18

3

Number of stages of a sea water system

System Recovery (%)

Number of serial element positions

Number of stages (6-element vessels)

Number of stages (7-element vessels)

Number of stages (8-element vessels)

35 - 40

6

1

1

-

45

7 - 12

2

1

1

50

8 - 12

2

2

1

55 – 60

12 - 14

2

2

-

Step 8: Select the staging ratio Definition:

R

Staging ratio.

NV(i)

Number of vessels in stage i.

NV(i +1) Number of vessels in stage (i +1).

Y

System recovery (fraction).

n

Number stages.

— 17 —

OUR EXAMPLE First pass – Single stage.

Full second pass N membranes in first stage and 3xN membranes in second stage. Calculate number of vessels of first stage NV(1).

For 2 stage system

For 3 stage system

OUR EXAMPLE

We need approx. 477 modules in the first stage of the second pass and 477/3.19=150 in the second stage. Typical staging ratio: 2

brackish water systems with 6-element vessels.

1.5

sea water systems with 6-element vessels.

— 18 —

Step 9: Balance the permeate flow rate Permeate flow rate per element decreases from the feed end to the concentrate end of the system because of: •

pressure drop in the feed/concentrate channels.

•

increasing osmotic pressure of the feed/concentrate.

Imbalance of permeate flow rate predominant with •

High system recovery.

•

High feed salinity.

•

Low pressure membranes.

•

High water temperature.

•

New membranes.

Why balance the permeate flow rate? •

Avoid excessive flux of lead elements.

•

Reduce fouling rate of first stage.

•

Make better use of tail end membranes.

•

Reduce number of elements.

•

Improve product water quality. — 19 —

Methods to balance the permeate flow rate •

Boosting the feed pressure between stages.

•

Permeate backpressure to first stage only.

•

Membranes with lower water permeability in lead positions - membranes with higher water permeability in tail positions.

Step 10: Analyze and optimize the membrane system

The chosen system should then be analyzed and refined using the Reverse Osmosis System Analysis (ROSA) computer program.

Input:

Feed water type, temperature, analysis. Permeate flow rate. System recovery. Design proposal. Fouling factor.

Fouling Factor Concept: FF = 1.0

Nominal element flow performance according to specification.

FF = 0.85 85% of nominal element flow performance. BW

0.95 initial

0.75 - 0.85 after 3 years.

SW

0.9 initial

0.65 - 0.80 after 3 years.

The long term fouling factor very much depends on conditions such as: Temperature, raw water source, pre-treatment, feed pressure etc.

— 20 —

System Analysis with ROSA Output:

Feed pressure. Concentrate pressure. Permeate quality. Operating conditions of each element.

Design is acceptable if the operating conditions of each element are within the design guidelines. Limiting Scenarios •

Check maximum feed pressure for pump sizing. - at lowest feed temperature. - at highest feed TDS. - at lowest Fouling Factor.

•

Check for highest salt passage and for highest lead element flow rate. - at highest feed temperature. - at highest feed TDS. - at the highest Fouling Factor.

Production of 150,000 m3/day with TDS < 25 ppm. Sea Water from Open Intake with conventional pretreatment. Temperature range: 18-35 ºC Name NH4 K

Feed 0.00 590.19

Name NO3 Cl

1.54 24098.91

Na

13422.03

Mg

1715.98

SO4

3334.11

Ca

546.93

SiO2

1.03

Sr

6.60

Boron

5.37

Ba

0.10

CO2

0.63

CO3

31.27

TDS

43958.79

176.13

pH

HCO3

F

Feed

— 21 —

3.30

8.20

— 22 —

First scenario: High temperature + High fouling factor

— 23 —

Second scenario: Low temperature + Low factor

— 24 —

PONENCIAS CURSO DESALACIÓN AEDyR 2009 15 al 19 de junio

DÍA 6 | Lunes 15 de junio REVERSE OSMOSIS STANDARD SINGLE PASS ARRAGEMENT  Urrutia González, Pachi; [Director del Departamento de Nuevos Mercados, DRACE Medioambiente]  Figarola, Andrés; [Ingeniero ICAI y Director del Departamento Comercial del Área de Energía y Desalación, Ingersoll-Dresser Pumps]

RECUPERACIÓN DE ENERGÍA Y COGENERACIÓN  Sanz Casas, Miguel Ángel; [Director de Desarrollo, Degrémont]

DÍA 7 | Martes 16 de junio AUTOMATISMOS Y CONTROL  Marín Fernández, Bartolomé; [Jefe del departamento de desalación, Aqualia infraestructuras, S.A.]

MATERIALES DE LOS EQUIPOS DE DESALACIÓN  García Arroyo, Pedro; [Director Construcción Nacional, ACCIONA Agua]

DÍA 8 | Miércoles 17 de junio OPERACIÓN DE INSTALACIONES DESALADORAS  Ordóñez Fernández, Antonio; [Ingeniero industrial, Jefe departamento desalación, OHL Medio Ambiente Inima]

ASPECTOS AMBIENTALES DE LA DESALACIÓN  Sánchez Lizaso, José Luis; [Profesor y director del departamento de Ciencias del Mar y Biología Aplicada, Universidad de Alicante]

DÍA 9 | Jueves 18 de junio SISTEMAS DE ÓSMOSIS INVERSA: ASPECTOS RELEVANTES EN LA OPERACIÓN Y MANTENIMIENTO  Salas Orta, Jorge; [Director del Departamento de Desalación, Befesa Agua]

MÓDULO DE MANTENIMIENTO DE PLANTAS DESALADORAS POR ÓSMOSIS INVERSA  Rodríguez Cabrera, Andrés; [Ingeniero Técnico, C.A.A.F.]

DÍA 10 | Viernes 19 de junio FINANCIACIÓN PLANTAS DESALACIÓN  de Cevallos Aguarón, Carlos; [Dirección Financiación de Operaciones y Proyectos, P4R Apertura Española]

—1—

Lunes 15 de junio de 2009

Reverse Osmosis Standard Single Pass Arragement URRUTIA GONZÁLEZ, PACHI y FIGAROLA, ANDRÉS

Reverse Osmosis Standard Single Pass Arragement  URRUTIA GONZÁLEZ, P.; [Director del Departamento de Nuevos Mercados, DRACE Medioambiente]  FIGAROLA, A.; [Ingeniero ICAI y Director del Departamento Comercial del Área de Energía y Desalación, Ingersoll-Dresser Pumps]

—2—

DESALINATION 3. The High Pressure Pump Train on Reverse Osmosis Plants.

Experience Current Trends

THE HP PUMP TRAIN. SWRO Topics •

Description. Configuration.

•

Materials of Construction.

•

Operating Experience. Performance.

•

Conclusions. Train size over 2,500 CMD (0.7 MGD)

—3—

Description. Configuration •

High Pressure Pump. - increases pressure of sea water to that required by the membrane

•

Energy Recovery Turb. - inerecovers the energy contained in the brine rejected by the membrane

•

Asynchronous Electric Motor. - drives the pump, drawing the net power from the grid Three separate elements on common baseplate.

Description. Configuration

—4—

Description. Configuration HP Pump •

Centrifugal.

•

Horizontal.

•

Multiple stages.

•

Radially split, segmental ring, in-line impellers.

•

Axially/Horizontally split, opposed impellers.

Description. Configuration HP Pump

—5—

Description. Configuration HP Pump

Materials of Construction •

Localized corrosion. - Pitting (PC). - Crevice (CC).

•

Stress Corrosion Cracking (SCC).

•

Castability (C).

•

Weldability (W).

•

Cost. Availability ($).

—6—

Materials of Construction •

300 Series Austenitics.

•

Duplexes.

•

Super Austenitics (6% Moly...).

•

Specialized Alloys (Alloy 885).

Alloy 885 (by Flowserve) •

Nominal Composition - 22% Cr, 14% Ni, 4.5% Mo, 0.2% N

•

PREN > 38 - PREN = Cr + 3.3 x Mo + 16 x N

•

Cf > 35 - Cf = Cr + 3 x Mo + 15 x N

—7—

Materials of Construction

Description. Configuration HP Pump Train size: 2,500 to 4,000 CMD Nbr. Trains: 120

—8—

Description. Configuration HP Pump Train size: 4,000 to 5,500 CMD Nbr. Trains: 125

Description. Configuration HP Pump Train size: greater than 5,500 CMD Nbr. Trains: 170

—9—

Configuration Trend - HP Pump 2,500 - 4,000 CMD

Segmental



4,000 - 5,500 CMD

Segmental



Greater than 5,500 CMD

Axially split



Operating Performance •

Pump efficiency.

•

ERT efficiency (Pelton).

•

Train specific consumption (kWh per m3 of product). Basis: 45% conversion, single stage process, sea water - 1.03, brine - 1.04.

— 10 —

Operating Performance Train size: 2,500 CMD. •

Pump effy (%)

80

to

82

•

ERT effy (%)

84

to

86

•

Train kWh/m3

3.56 to

3.37

Operating Performance Train size: 5,000 CMD •

Pump effy (%)

81

to

83

•

ERT effy (%)

85

to

87

•

Train kWh/m3

3.47 to

3.28

— 11 —

Operating Performance Train size: 7,000 CMD •

Pump effy (%)

83

to

85

•

ERT effy (%)

86

to

88

•

Train kWh/m3

3.27 to

3.10

Operating Performance Train size: 10,000 CMD •

Pump effy (%)

84

to

86

•

ERT effy (%)

87

to

88

•

Train kWh/m3

3.17 to

3.02

— 12 —

Operating Performance Basis of data •

Basis Flowserve’s 350+ trains. - 2,500 to 5,500 CMD - 165+. - Greater than 5,500 CMD - 195.

•

Installed production capacity: over 1 Million CMD.

•

Accumulated hours of operation: around 1 million.

Conclusions •

Trends for trains of larger size. - Lower first cost. - Higher efficiencies.

•

No forced feed lubrication - 10,000 CMD.

•

Increased reliability, availability, maintainability.

•

Metallurgy. - Proven track record. - Reasonable cost. Availability. - Ease of processing.

— 13 —

DESALINATION 3. FLOWSERVE EQUIPMENT

H.P. Multistage Pumps Vertical Pumps

TYPE DMX AXIALLY SPLIT MULTISTAGE PUMP Technology Leadership

— 14 —

TYPE DMX Leading the Market •

Applications.

•

Mechanical Features.

•

Hydraulic Design.

•

Manufacturing.

TYPE DMX Description

Typical Application

Axially split case

Boiler feed

multistage pump

Pipeline Water Injection Refinery charge 

Reverse osmosis feed Descaling Mine dewatering



Recovery turbine

— 15 —

Applications •

Propane/ Ethane pipeline service.

•

6x11 DA 4 stage.

•

Sleeve-ball bearings.

•

Product cooled bearing housing.

Applications •

Water Injection service.

•

3x10 DA 10 stage.

•

Driven through gear box to 3950 rpm.

•

1,000 hp engine driver.

— 16 —

Applications •

Boiler feed water service.

•

3x10 DAH 14 stage.

•

High pressure casing.

•

Sleeve/ KTB bearing with force feed lube system.

•

Plan 23 Seal flush piping.

Applications •

Reverse Osmosis feed service.

•

6x13 DA 6 stage pump.

•

4x11 DAT 6 stage recovery turbine.

•

Patented IR 885 super austenitic alloy.

— 17 —

Standard Product Range Capability •

Flows to 6,000 m3/h.

•

Heads to 2,000 m.

•

Discharge pressures to 280 bar.

Hydraulic Design •

17 standard sizes.

•

59 hydraulics.

Hydraulic Design (Disch. x Imp. Dia.) 3x8

3x10

4x10

4x11

6x11

6x13

8x13

8x14

8x15

10x15

10x16

10x17

10x18

12x18

12x22

14x23

16x34

Excellent coverage for BEP fit. Additional sizes and hydraulics are available or can be developed on a case by case basis.

— 18 —

Hydraulic Design Double suction first stage for low NPSHA applications.

Feature Horizontally split casing.

— 19 —

Benefit Ease of disassembly and reassembly.

Benefit Allows removal of the rotor without disturbing the motor or suction and discharge piping.

— 20 —

Feature Opposed impellers.

Benefit Balances axial thrust without the use of a close clearance balancing disk or drum.

— 21 —

Feature Destaging allows for a future change in operating conditions by removing or adding impellers.

Feature Split channel rings and center bushing.

— 22 —

Benefit •

Eliminates the need for disassembly of the rotor after dynamic balance.

•

Allows easy inspectionand replacement.

Feature Dual volutes.

— 23 —

Benefit Reduced radial loads at off design conditions.

Feature Variety of wear part materials.

— 24 —

Feature Wear part materials: •

Cast iron.

•

Laser hardened 416 stainless.

•

Laser consolidated stellite on 316 stainless.

•

Nitronics 50/60.

•

PEEK.

•

Waukesha.

Select the best combination for the application.

Benefit Optional laser hardened rings to allow cold start-up without pre-warming.

— 25 —

Feature All capnuts located on the top of the casing.

Feature Large seal chambers.

— 26 —

Benefit •

Single, double, tandem, cartridge type mechanical seals.

•

All major seal vendors available.

•

Cooled seal chamber available as an option.

Select the best arrangement for the application.

Feature (3) bearing configurations.

— 27 —

Feature Ball / ball.

Feature Sleeve / ball. Select the best arrangement for the application.

— 28 —

Feature Sleeve/KTB. Select the best arrangement for the application.

Manufacturing Features Urethane casing patterns guarantee dimensional duplication and lengthen pattern life.

— 29 —

Manufacturing Features Lost wax or ceramic impeller casting process for dimensional accuracy and excellent ascast surface finish.

Manufacturing Features Open faced machining improves quality and reduces production time.

— 30 —

Manufacturing Features •

ISO 9001 QA programs in place.

•

Individual Quality Plans to meet customer QC requirements.

Packaging

— 31 —

Packaging •

Bedplates.

•

Motor/turbine/engine.

•

Gears.

•

Couplings.

•

Seal flush piping.

•

Cooling water piping.

•

Lube oil systems.

•

Instrumentation.

CS MEDIUM DUTY RING SECTION PUMP

— 32 —

Performance 50Hz

Performance 60Hz

— 33 —

Served Markets •

General Industrial.

•

Mining.

•

Desalination.

•

Water distribution/irrigation.

RING SECTION PUMP Description. Configuration •

Radially split (modular casing).

•

Diffusers.

•

In-line Impellers (stacked rotor).

•

Loose fit rotor.

— 34 —

HIGH PRESSURE PUMP Description. Configuration

PUMP TRAINS Ring Section Pumps Casing components: • Suction head. • Discharge head. • External tie rods. • Channel rings (ring sections).

— 35 —

TYPE CS- FEATURES •

Modular casing (segmental), radially split and held by external tie rods.

•

Square suction and discharge heads allows for different nozzle orientations.

H.P. PUMP TRAINS Ring Section Pumps Hydraulic construction: • In-line impellers. • Diffusers.

— 36 —

Ring Section Pumps Radial hydraulic balance reduces shaft deflection.

Ring Section Pumps Balance disk: • Self adjusting for any axial load. • Lower internal losses (leak).

— 37 —

Experience. Installations • Fuertcan, Canary Islands. • 2,000 CMD. • Year 1997. • Pump – 4x11CS-10. • Turbine – RO-3-30.

Experience. Installations • Sidi Krir, Egypt. • 3x2,000 CMD. • Year 1999. • Pump – 2x8CS-11. • Turbine – RO-290-40.

— 38 —

Experience. Installations • Isla del Hierro, Canary Islands. • 2,000 CMD. • Year 1999. • Pump – 4x11CS-7. • Turbine –RO-310-65.

FPD Experience. Installations

— 39 —

FPD Experience. Installations Atacama, SWRO Chile 1,400 CMD Year: 1999.

FPD Experience. Installations Abu Dhabi, SWRO U.A.E.

— 40 —

TYPE VCT Vertical Diffuser Pump Technology Leadership.

VERTICAL DIFFUSER PUMPS Types APS, APMA, APM, APH, APHJ Product Range Capability • Flows in excess of 160,000 m3/hr. • Heads to 55 m. • Power in excess of 7500 kW.

— 41 —

VERTICAL DIFFUSER PUMPS Development progress

TYPE VCT Vertical Diffuser Pump Types

— 42 —

• IDP Model 98 APH. • Rated at: 40,600 m3/hr. 23 meters TDH. 3.000 kW. • 2.150 mm discharge diameter.

• Model 123 APMA. • Maximum flow of 158,000 m3/h. • Operating on flood control for the Army Corps of Engineers in the United States.

— 43 —

TYPE VCT Construction Alternatives Non-pullout • Normally for above ground discharge and pump settings under 8 meters. Pullout • Normally below ground discharge and pump settings greater than 8 meters. Discharge location • Style I –above ground discharge. • Style II –below ground discharge.

Non-pullout Construction • Normally for above ground discharge and pump settings under 8 m.

— 44 —

Type VCT Pullout Construction • Normally below ground discharge and pump settings greater than 8 m.

TYPE VCT Pullout Design Offers the benefit of removing critical components, without disconnecting the discharge flange and removing outer assembly. Pullout element consists of: • Impeller and shroud. • Bowl. • Bearings. • Turning vane assembly. • All rotating components.

— 45 —

• Pullout element lowered in outer column during assembly.

Features • Rabbet fits. • Sleeved and Keyed coupling. • Journal sleeves. • Flow straightening Suction bell vanes. • Two casing bearings. • Semi-open impeller.

— 46 —

Benefit • Simplify alignment. • Reduced vibration. • Ease of assembly and disassembly. • Reuse of parts. • Increased shaft life. • Longer intervals between maintenance. • Improved flow pattern to impeller eye. • Reduced vibration. • Increased bearing life.

PERFORMANCE TEST CAPABILITY • Pump model test loop. • Intake sump model tests.

— 47 —

TYPE VCT Performance Test Capability • Full load test facility. • Flows up to 45,000 m3/h.

VERTICAL VOLUTE TYPE PUMPS QL PUMP

— 48 —

TYPE QL

Vertical Volute type Markets Served • Water. • Power. • Oil & Gas. • Desalination. • General Industry.

— 49 —

Liquid End Components

TYPE QL / CASING FLOW PATTERN

— 50 —

TYPE QL Casing Design Benefits Transition Piece: • Large Waterways. • Low Fluid Velocity. • Less Wear. • Friction Losses Minimized.

Casing Design Benefits Casing: • Large Waterways. • Low Fluid Velocity. • Less Wear. • Friction Losses Minimized. • Double Volute (minimize radial loading).

— 51 —

Double Entry Impeller

TYPE QL IMPELLER DESIGN BENEFITS Impeller: •

Double Suction.

•

BALANCED Hydraulic Thrust.

•

High TDH per Stage.

•

Low Shutoff Pressure.

•

Continuous TDH rise to Shutoff.

•

Keyed to Shaft.

— 52 —

HYDRAULIC THRUST Balanced

BEARING DESIGN Bearings: •

Can be isolated from fluid being pumped.

•

Liquid surrounding bearings is under Suction Pressure. Not forcing itself into the bearings.

— 53 —

ENCLOSED SHAFT DESIGN

— 54 —

LARGE SUCTION STRAINERS

KEY FEATURES FOR SPECIFICATION •

Doble Suction: LOW Downthrust.

•

Enclosed shaft: Isolated Bearings from Liquid.

•

Double Suction: LOW NPSH, Higher RPM/TDH.

•

Low Specific Speed: Low Shut- off Head, Higher Head per stage.

•

Dual Volute: Low Radial Bearing Loading.

•

Large Waterways: Low Fluid Velocity, Higher efficiency.

— 55 —

TESTING CAPABILITIES

EXPERIENCE Brine recycle pumps for one of the largest MSF desal unit built to date: Jebel Ali Unit L (70 MGD) in Dubai, U.A.E. Suction Barrel: 4 m dia, 7 m long.

— 56 —

DESALINATION 4. Flowserve Developments on Materials

Flowserve experiece on Corrosion resistant materials for SWRO H.P. charge pump application

CORROSION RESISTANT MATERIALS ON H.P. CHARGE SERVICE FOR SWRO PLANTS Four (4) main options: •

300 Series austenitic stainles steels.

•

Duplex stainless steels.

•

Super austenitic stainless steels.

•

Specialised alloys.

— 57 —

300 Series stainless steels •

High susceptibility to localised corrosion (pitting or crevice) and SCC.

•

Easy to process.

•

Readily available.

•

Easy to weld repair (low carbon grades).

•

Not sensitive to high velocities (very tenacious chrome oxide layer).

Duplex stainless steels •

Ferrite and austenitic matrix («duplex»).

•

Higher chrome an molybdenum improve localised corrosion resistance over 300 series.

•

Nitrogen used to reinforce above effect.

•

Higher tensile and yield strengths.

•

Ferrite presence in matrix makes processing difficult (ferrite may transform to sigma phase –hard and brittle).

•

Requires post weld solution annealing to avoid sensitisation.

•

Hard to machine.

— 58 —

Super austenitic stainless steels •

Austenitic structure with high chrome and molybdenum contents and reinforced with nitrogen.

•

Nickel has also to be increased to offset ferrite forming effect.

•

Difficult to process. Ferrite content in microstructure has to be carefully balanced.

•

Difficult weld repair (require very high nickel content wire). Eventually could require PWHT.

•

Price and availability are a serious problem.

Specialised stainless steel alloys •

Refinements of CN7M alloy developped to improve the localised corrosion resistance of 300 series, maintaining their fauvourable properties (ease of casting and processing).

•

Increased levels of chrome and molybdenum with nitrogen reinforcement.

•

Tensile improved over 300 series although it does not reach duplex levels.

•

Flowserve alloy 885 is one of them.

— 59 —

Localised Corrosion •

PREN (pitting resistance equivalent number): Cr (%) + 3.3 x Mo (%) + 16 x N (%). NACE accepts 38 as sufficient level to guarantee absence of pitting in seawater exposure.

•

CF (crevice factor): Cr (%) + 3 x Mo (%) + 15 x N (%). Experimental data show absence of crevice corrosion in aggressive chloride acid test for CF 35 or higher.

Stress Corrosion •

Function of ferrite, nickel and molybdenm contents in steel, water temperature, and its content of chloride and oxygen.

•

Nominal nickel content of 300 series has proved lowest SCC resistance, improving at both higher and lower values.

•

Molybdenum content has a dramatic possitiveeffect.

•

High ferrite and low nickel are cause for excellent duplex steels SCC resistance.

•

High molybdenum austenitics equal or exceed duplex SCC resistance.

— 60 —

Duplex alloy ASTM A351 CD4MCu C

Mn

P

S

Si

Ni

Cr

Mo

Cu

% Min

-

-

-

-

-

4.75

24.5

1.75

2.75

% Max

0.04

1

0.04

0.04

1

6.00

26.5

2.25

3.25

•

Duplex stainless steel.

•

Yield 75 ksi/ Tensile 100 ksi.

•

Quench annealed condition (heated to 2050 ºF, cooled in furnace to 1900 ºF for at least 15 min to stabilise, and then quenched in water).

•

PREN: 30.3 to 33.9.

•

CF: 29.6 to 33.2.

Duplex alloy ASTM A351 CD4MCu (cont’d) •

Localised corrosion resistance indexes are clearly below acceptable levels. Could be increased 1.5 to 3 points by adding Nitrogen.

•

Solution annealing will be required after welding.

•

Careful casting process required to balance matrix and avoid embrittlement in critical areas.

•

Higher nickel and nitrogen CD4MCu alloys, such as A743 CD4MCu would have better corrosion and mechanical properties.

— 61 —

Flowserve proposed 885 alloy C

Mn

P

S

Si

Ni

Cr

Mo

N

% Min

-

-

-

-

-

10

20

3.4

0.1

% Max

0.03

0.5

0.04

0.04

1

14

23

4.5

0.2

•

Specialised austenitic stainless steel (8 to 15% max ferrite allowed).

•

Yield 60 ksi/ Tensile 90 ksi.

•

Quench annealed condition (heated to 2050 ºF and quenched in water) or solution annealed (2150 ºF and quenched in water).

•

PREN: 32.8 to 41.05 (38 required to foundry).

•

CF: 31.7 to 39 (35 required to foundry).

MODIFIED SCHAEFFLER DIAGRAM

— 62 —

Flowserve proposed alloy 885 (cont’d) •

Good localised corrosion resistance indexes.

•

Good SCC resistance due to high molybdenum and nitrogen effect.

•

Low carbon and low ferrite together with beneficial influence of nitrogen allow weld repair without PWHT.

•

Easy to cast and process: critical for heavy complicated coring cast pieces with sensible transition areas (case wall to nozzle and parting flanges).

•

Reasonable mechanical properties.

Summary •

Alloy 885 has been consistently produced with PREN factor of 38 and CF over 35 well in excess of values recognised for absence of localised corrosion.

•

Optimised ferrite content to keep ease of processing and avoid embrittlement.

•

Low susceptibility to sensitisation due to low carbon, low ferrite and nitrogen reinforcement.

•

Excellent SCC resistance due to moderately high nickel and molybdenum contents.

•

More than 220 units in operation with outstanding performance in medium or large SWRO projects.

— 63 —

DESALINATION 5. Flowserve Experience

Installations Service

REVERSE OSMOSIS Background. Milestones •

1985 - Lanzarote 2. 7,500 CMD - (3 x 2,500).

•

1987 - Maspalomas 2. 7,500 CMD - (3 x 2,500) - BOOT.

•

1987 - Las Palmas 3. 36,000 CMD - (6+1) x 6,000.

•

1991 - Lanzarote 3. 10,000 CMD - (2+1) x 5,000.

•

1991 - Santa Barbara. (12) x 2,000 CMD.

•

1992 - Medina / Yanbu. 150,000 CMD - (15+2) x 10,000.

•

1995 - Jubail. 91,000 CMD - (13+1) x 7,000.

— 64 —

•

1996 - Marbella. 56,000 CMD - (8+1) x 7,000.

•

1996 - Dhekelia. 45,000 CMD - (9+1) x 5,000.

•

1998 - Bahia de Palma. 42,000 CMD - (6+1) x 7,000.

•

1999 - Larnaca. 40,000 CMD - (5+1) x 8,000 - BOOT.

•

1999 - Almeria. 50,000 CMD - (7+1) x 7,150 - BOOT.

•

2000 - Carboneras. 120,000 CMD - (12+2) x 10,000 – BOOT.

•

2004 – Fujairah. 160,000 CMD – (16+2) x 10,000.

•

2005 – Rabbigh. 190,000 CMD – (16+2) x 12,000.

Background. BOOT •

1987 - Maspalomas 2. 7,500 CMD - 3 x 2,500 - 15 yrs.

•

1999 - Larnaca. 40,000 CMD - (5+1) x 8,000 - 10 yrs.

•

1999 - Almeria. 50,000 CMD - (7+1) x 7,150 - 15 yrs.

•

2000 - Carboneras. 120,000 CMD - (12+2) x 10,000 - 25 yrs.

•

2001 – Cartagena #1. 60,000 CMD – (9+1) x 7,000 - 15 yrs.

•

2005 – Cartagena #2. 60,000 CMD – (9+1) x 7,000 – 15 yrs.

— 65 —

FPD Experience. Installations

FPD Experience. Installations •

Site: Maspalomas II, Canary Islands.

•

Size: 3 x 2,500 CMD train.

•

Year: 1987.

•

Pump - Horizontally split case design.

•

Turbine – Split case, reverse running multistage pump.

— 66 —

FPD Experience. Installations •

Site: Lanzarote III, Canary Islands.

•

Size: 3 x 5,000 CMD train.

•

Year: 1990.

•

Pump - Horizontally split case design.

•

Turbine – Split case reverse running multistage pump.

FPD Experience. Installations •

Site: Corralejo, Canary Islands.

•

Size: 1,500 CMD train.

•

Year: 1991.

•

Pump - Horizontally split case design.

•

Turbine - Pelton.

— 67 —

FPD Experience. Installations •

Site: Sureste I, Canary Islands.

•

Size: 3 x 5,000 CMD train.

•

Year: 1992.

•

Pump - Horizontally split case design.

•

Turbine – Split case reverse running multistage pump.

FPD Experience. Installations • Site: Fuertcan, Canary Islands. • Size: 2,000 CMD train. • Year: 1997. • Pump - Segmental ring design. • Turbine - Pelton.

— 68 —

FPD Experience. Installations •

Site: Dhekelia II, Cyprus.

•

Size: 10 x 5,000 CMD train.

•

Year: 1997.

•

Pump - Horizontally split case design.

•

Turbine - Split case reverse running multistage pump.

FPD Experience. Installations •

Site: Sidi Krir, Egypt.

•

Size: 2,000 CMD train.

•

Year: 1999.

•

Pump - Segmental ring design.

•

Turbine - Pelton.

— 69 —

FPD Experience. Installations •

Site: Marbella, Spain.

•

Size: 63,000 CMD.

•

Year: 1996.

•

Pump - Horizontally split design.

•

Turbine - Pelton.

FPD Experience. Installations •

Site: Palma, Spain.

•

Size: 7 x 7,000 CMD train.

•

Year: 1998.

•

Pump - Horizontally split case design.

•

Turbine - Pelton.

— 70 —

FPD Experience. Installations •

Site: Almeria, Spain.

•

Size: 50,000 CMD.

•

Year: 1999 (under construction).

•

Pump - Horizontally split case design.

•

Turbine - Pelton.

FPD Experience. Installations •

Site: Almeria, Spain.

•

Size: 8 x 7,150 CMD train.

•

Year: 1999.

•

Pump - Horizontally split case design.

•

Turbine - Pelton.

— 71 —

FPD Experience. Installations •

Site: Carboneras, Spain.

•

Size: 12+2 x 10,000 CMD train.

•

Year: 2000.

•

Horizontally split design -pump.

•

Turbine -Pelton Reverse.

FPD Experience. Installations •

Larnaka, Chipre.

•

6 x 8,000 CMD.

•

Year 1999.

•

Pump - Horizontally split case design.

•

Turbine - Pelton.

— 72 —

TRENES DE A.P. EN PLANTAS DE O.I. Experiencia. Instalaciones •

Fujairah, U.A.E.

•

18 x 10,000 CMD.

•

Year 2001.

•

Pump - Horizontally split case design.

•

Turbine - Pelton.

FLOWSERVE SERVICE EXPERIENCE • 49 Plants (29 Pump). • 150 Service Centers. • Operating in 30 Countries.

— 73 —

Desalination •

Critical to serve an industry based on full availability.

•

Most desalination plants have a reduced crew to operate and maintain them.

•

Most services are heavy duty and handling very agressive fluids (SW, brine).

•

The industry has a short history and new developments/improvements are constant.

Maintenance contracts: •

Periodical assistance.

•

Performance monitoring.

•

Parts replacement programs.

•

Overhauls.

•

Extended performance guarantee.

•

Availability commitment.

•

Technology updates.

— 74 —

Retrofits/Upgrades/Services •

New wear ring materials.

•

New corrosion resistant materials.

•

Noise conditioning.

•

Rotor Desensitization.

•

Vibration conditioning.

•

Sump model tests.

Modernization/Rerates •

New Power Recovery Devices.

•

Capacity expansions.

•

Power consumption optimization.

•

Shared profit agreements.

— 75 —

DESALINATION 6. New Power Recovery Devices in RO Systems

Francis vane vs pelton wheel

— 76 —

RO System with Pelton wheel

Calder ERT Product Range Up to 100 m3/h Flow •

Non-metallic casing.

•

Horizontal split case design.

•

Wetted parts in Super Duplex materials.

•

Victaulic inlet connection.

•

Efficiencies up to 86%.

•

Recovery up to 150 kW.

— 77 —

Up to 550 m3/h Flow •

Horizontal split case design.

•

Wetted parts and casing in Super Duplex materials.

•

Flanged inlet and outlet connections.

•

Efficiencies up to 90%.

•

Recovery up to 1,2 MW.

•

Available with actuated and manual inlet nozzle.

Pelton Turbine Rotor •

Precision cast Pelton Wheel.

•

Static and Dynamic balancing of rotor.

— 78 —

ERT Maintenance •

Horizontal split case: Easy access for inspections of: - Complete Rotor. - Seals/ Labyrinth. - Inlet Manifold. - Bearings.

RO SYSTEM WITH PRESSURE EXCHANGER

— 79 —

RO PRESSURE EXCHANGER

NEW POWER RECOVERY DEVICES DWEER

— 80 —

NEW POWER RECOVERY DEVICES ERI

CLEAN DRINKING WATER

— 81 —

Lunes 15 de junio de 2009

Recuperación de Energía y Cogeneración SANZ CASAS, MIGUEL ÁNGEL

Recuperación de Energía y Cogeneración  SANZ CASAS, M.A.; [Director de Desarrollo, Degrémont]

ÍNDICE 1. ¿Por qué la Recuperación de Energía? 2. Evolución de los diseños 3. Generación y cogeneración 4. Conclusiones 5. Factores adicionales a considerar

—2—

1. ¿POR QUÉ LA RECUPERACIÓN DE ENERGÍA?

Crecimiento de la Desalación en el Mundo (WDR Oct’07)

—3—

Costo del Agua Desalada

Osmosis Inversa: Tratamientos y Recuperación de Energía

—4—

2. EVOLUCIÓN DE LOS DISEÑOS •

Bombas invertidas.

• Turbocharger. •

Turbinas Pelton.

•

Intercambiadores de presión. - E.R.I. - DWEER.

AÑOS 70: LAS PRIMERAS PLANTAS INDUSTRIALES •

Sistemas con alto consumo energético: > 7 kW.h/m³.

•

Plantas sin recuperación de energía.

•

Primeras Membranas: baja permeabilidad y alto paso de sales.

•

Uso Industrial y Producción inferior a 300-400 m3/día.

—5—

Evolución Histórica de los Consumos Energéticos en OI SW.

AÑOS 80: COMIENZAN LOS USOS MUNICIPALES •

Sistemas todavía con alto consumo energético: de 5 a 6 kW.h/m³.

•

Primeros sistemas de recuperación de Energía: Bombas Reversibles y Turbocharger.

•

Segunda Generación de Membranas: aumenta la permeabilidad, mejora el paso de sales y aparecen las membranas espirales de Poliamida.

•

Comienza el uso en el Mercado Público y Turístico.

•

Tamaño de plantas relativamente pequeño.

—6—

Evolución Histórica de los Consumos Energéticos en OI SW.

Turbina Francis/Bomba Reversible •

Bomba Centrífuga trabajando en sentido inverso, acoplada directamente a un motor y una bomba centrífuga.

•

Requiere una contrapresión de descarga, es difícil de regular y tiene un rendimiento menor.

•

Todos los fabricantes de bombas disponen de ellas.

—7—

Esquema turbina Francis/Bomba Reversible

Turbocharger •

Recuperador centrífugo, similar a una turbina acoplado directamente a una bomba centrífuga, sin motor.

•

La presión requerida por las membranas de ósmosis inversa es suministrada por la bomba de alta presión y por el Turbocharger trabajando en serie.

•

Suministrados por dos empresas norteamericanas Pump Engineering Inc. y Fluid Equipment Developtment Company.

—8—

Esquema Turbocharger

AÑOS 90: EL CAMBIO DE ESCALA •

Bajan los consumos energéticos: de 3 a 4 kW.h/m³.

•

Generalización de las Turbinas Pelton.

•

Nuevas Generaciones de Membranas: se imponen las espirales contra las de fibra hueca.

•

Aumenta el tamaño de las plantas (> 30 000 m3/día) y de los Racks de OI (5000–7500 m3/día).

•

Nuevas generaciones de Aceros Inoxidables.

—9—

Evolución Histórica de los Consumos Energéticos en OI SW.

Esquema turbina Pelton

— 10 —

Otros sistemas de ahorro de energía Variadores de Velocidad/Convertidores de Frecuencia: •

Las membranas de ósmosis inversa demandan distintas presiones en función de la salinidad, temperatura del agua de mar y de su grado de atascamiento/compactación. Lo mismo ocurre en el Pretratamiento.

•

Los variadores de frecuencia permiten ajustar la presión a los requisitos exactos de las Membranas y Pretratamientos, minimizando las pérdidas de energía y por tanto mejorar el rendimiento energético global de la planta.

•

Se proporciona la Energía que se necesita.

Selección del Variador de Velocidad

— 11 —

AÑOS 2000: EL BOOM DE LA DESALACIÓN •

Crecimiento exponencial de la Desalación: Mas de 45 000 000 m3/día instalados.

•

Bajan mas los consumos energéticos: < 3 kW.h/m³.

•

Nuevos Sistemas de Recuperación de Energía: Intercambiadores de Presión.

•

Nuevas Generaciones de Membranas: mayor producción y pasos de sales del 0.2-0.3%. Problemática del Boro.

•

Aumenta el tamaño de las plantas (> 100 000 m3/día) y de los Racks de OI (10000-0000 m3/día).

•

Aceros Inoxidables: Altas aleaciones y SuperDuplex.

Evolución Histórica de los Consumos Energéticos en OI SW.

— 12 —

SISTEMAS DE INTERCAMBIO DE PRESIÓN (SIP) •

Transfieren directamente la presión disponible en la salmuera al agua de mar de alimentación a la ósmosis inversa.

•

Máquinas de desplazamiento positivo o rotativas. Rendimientos muy elevados (94-97%).

•

Ahorro de aproximadamente 0.4-0.7 kW.h/m³ con relación a las turbinas Pelton.

•

Se instalan actualmente en la mayor parte de las plantas de ósmosis inversa de medio/gran tamaño.

SISTEMAS DE INTERCAMBIO DE PRESIÓN (SIP)

— 13 —

ERI: PX (Pressure eXchanger)

DWEER (Dual Work Exchanger Energy Recovery)

— 14 —

CASO PRÁCTICO: Evaluación en Barcelona, 200.000 m3/día

— 15 —

CONSUMO ENERGÉTICO - EL FUTURO

Evolución Histórica de los Consumos Energéticos en OI SW.

CONSUMO ENERGÉTICO - TENDENCIAS Consumo Eléctrico 0.39 kW.h/m3

(9.8%)

Pretratamiento

2.54 kW.h/m3

(63.4%)

OI paso 1º (2.26 kW.h/m3 OI1)

0.67 kW.h/m3

(16.8%)

OI paso 2º

0.27 kW.h/m3

(6.8%)

Bombeo AT

0.13 kW.h/m3

(3.3%)

Diversos (Il., React., Pérdidas...)

3.99 kW.h/m3

Total

— 16 —

PRETRATAMIENTOS Mas Complejos, Incremento del consumo de energía

PRETRATAMIENTOS Mas Complejos, Incremento del consumo de energía ... y la superficie ocupada

— 17 —

TRATAMIENTO DE BORO Incremento del Consumo de Energía

— 18 —

EVOLUCIÓN DE LAS MEMBRANAS

— 19 —

BOMBAS Y RECUPERADORES DE ENERGÍA •

Uso mas frecuente de los Convertidores de Frecuencia (incluso en AP).

•

Tamaño mas grandes de Bombas y Mejores Rendimientos Hidráulicos.

•

Mayor Rendimiento en Motores.

•

Optimizaciones en la Recuperación de Energía y Nuevos Sistemas: - ROVA de DWEER. - TITAN de ERI. - ........ Nuevos conceptos.

— 20 —

EL FUTURO

Evolución Histórica de los Consumos Energéticos en OI SW.

FUTURO: REDUCCIÓN SOSTENIDA DEL CONSUMO ENERGÉTICO POR... •

Mejora de los rendimientos bombas, motores y Convertidores de frecuencia. Aumento tamaño equipos y mejoras diseño.

•

Modelos de recuperadores de energía más eficientes: ya hay una nueva generación de sistemas de intercambio de presión, mejorando ligeramente las características de sus predecesores... y la evolución continúa.

•

Nuevos desarrollos de membranas de OI con mayor permeabilidad, menor paso de sales (incluido el Boro) y mayor tamaño. Este es campo más prometedor y con mayor margen de mejora.

•

La Utilización de Membranas (UF, MF) en los Pretratamientos.

— 21 —

3. GENERACIÓN Y COGENERACIÓN •

Sistemas de Desalación y Consumos Energéticos.

•

Cogeneración y O.I.

Sistemas de Desalación y Consumos Energéticos Índice Rendimiento [kg/2326 kJ]

Energía eléctrica [kWh/m3]

[°C] Tª Operación

Energía principal

BWRO

ambient, < 45

Mecánica (eléctrica)

n/a

0.5-3

SWRO

ambient, < 45

Mecánica (eléctrica)

n//a

4-7

< 120

Térmica (vapor)

12

70-90

7–9

3.5-5

1 Km.) se suele proyectar un depósito de almacenamiento de agua de mar dentro de la propia desaladora. En este caso la instrumentación que se instala es muy parecida a la instalada para captaciones en toma abierta. • Medidores de nivel ultrasónicos. • Interruptores de nivel. • Manómetros. • Presostatos en aspiración e impulsión.

— 16 —

•

Transmisores de temperatura en arrollamientos de motor y cojinetes.

•

Caudalímetros electromagnéticos.

Al haberse tratado todos los instrumentos en apartados anteriores, se pasa al siguiente punto. 2.2.3. Pretratamiento físico mediante filtración en arena y microfiltración de cartuchos El tipo de pretratamiento físico que se le puede aplicar al agua a desalar es muy variado y depende de muchas variables que no aplican en este apartado. Como ejemplo, trataremos a continuación la instrumentación que se instalar en procesos de filtración y microfiltración con cartuchos. Filtración •

Manómetros.

•

Transmisores de presión.

•

Transmisores de presión diferencial.

•

Caudalímetros electromagnéticos.

Transmisores de presión: Para realizar la medición de la presión de alimentación a filtración, se suelen emplear manómetros, pero si este valor de presión se quiere registrar en el sistema de control se debe de utilizar un instrumento analógico llamado transmisor de presión. El principio de funcionamiento y las características básicas se pueden observar en la siguiente ficha del instrumento: Descripción Los transmisores de presión pueden ser de presión absoluta o de presión relativa. La presión a medir causa una pequeña deflexión en el diafragma cerámico del sensor. Los electrodos del sensor cerámico miden un cambio en la capacitancia proporcional a la presión. Esta señal es transformada a una señal de intensidad 4...20 mA, que es transmitida al sistema de control.

— 17 —

Transmisores de presión diferencial El parámetro que nos determina que un sistema de filtración está llegando a su ensuciamiento máximo es la pérdida de carga en el mismo. Esta pérdida de carga se mide por medio de manómetros diferenciales. Estos son como los manómetros convencionales pero con dos tomas. Una de ellas se conecta en el colector de alimentación de agua a filtrar y el otro en el colector de salida de agua filtrada. Este manómetro detecta e indica la diferencia de presión entre los dos colectores y por tanto la pérdida de carga que se está generando en toda la batería de filtración. Como accesorio se puede colocar al manómetro diferencial un contacto eléctrico para que nos de una señal de alarma, cuando la presión diferencial ha llegado a su valor máximo establecido. Últimamente lo que se hace es instalar un transmisor de presión diferencial que nos proporciona una señal analógica que nos permite ver en el sistema de control la evolución de la pérdida de carga de la batería de filtración. En el SCADA y para un valor determinado se programa que de al operador una señal de alarma, para que inicie la secuencia de lavado de filtros. El principio de funcionamiento se pueden observar en la siguiente ficha del instrumento: Descripción El principio de medida es el mismo que el transmisor de presión absoluta o relativa, la diferencia estriba en que la presión detectada por el elemento sensor es la diferencia de presión existente entre sus dos tomas. Microfiltración •

Manómetros.

•

Transmisores de presión.

•

Transmisores de presión diferencial.

•

Caudalímetros electromagnéticos.

En micro filtración se suelen repetir la misma instrumentación que en el proceso de filtración.

— 18 —

2.2.4. Pretratamiento químico del agua a desalar En este apartado describiremos aquellos instrumentos que se montan en las instalaciones de reactivos. •

Medidores de nivel en depósitos.

•

Interruptores de nivel.

•

Manómetros.

•

Rotámetros.

A continuación se describen los medidores de nivel usuales en este tipo de instalaciones. Interruptores de nivel por membrana Para los depósitos de preparación de reactivos, que incorporan agitación, se suele emplear el L-27 DS. Es un modelo de controlador de líquidos de Talleres Filsa que tiene un principio de funcionamiento neumático, con doble señalización. Destaca por una membrana que es actuada por la presión que ejerce el aire cautivo del tubo.

Controladores neumáticos.

El controlador cuenta con la protección IP 54 y su caja es de base de poliéster reforzado. Soporta temperaturas de más de 60 ºC. El contacto de control es a base de 2 microrruptor inversor unipolar 15 A 250 V ca.

Interruptores de nivel por láminas magnéticas En depósitos de almacenamiento de productos químicos peligrosos, ácido sulfúrico, sosa..., se emplea este tipo de medidores de nivel. Indicador de nivel por flotador exterior Guiado por un tubo de vidrio borsilicado o metacrilato, montado de forma adosada al cuerpo del medidor de nivel. Indicación sobre escala graduada en cm. •

Tª Máxima del líquido a medir. - Indicador de PP 150ºC máximo. - Indicador de Aluminio 200ªC máximo. - Indicador de PTFE 350ªC máximo.

— 19 —

Indicador de nivel por láminas magnéticas Montadas en un soporte de aluminio con frontal transparente de Mekralon, conjunto adosado al cuerpo del medidor de nivel. Láminas magnéticas bi-color que definen rápidamente la situación del nivel. •

Tª máxima del líquido a medir: - Láminas material plástico 160ºC. - Láminas en aluminio 400ºC.

Interruptor de nivel por flotador Es un tipo de indicador que se monta acoplado a bridas de depósitos. Rotámetros El caudal circulante desplaza al flotador hasta una altura dentro del tubo cónico, donde se equilibran las fuerzas. E = Empuje del líquido. Pf = Peso del flotador. Al = Área libre de paso. (Al = Ac, área del cono, Af, área del flotador). Cada altura o posición del flotador, corresponde a un valor del caudal circulante. 2.2.5. Panel de instrumentos de agua pretratada En este panel se suelen instalar en derivación al proceso, aquellos analizadores que nos indican que la calidad del agua pretratada es adecuada para ser alimentada al proceso de desalación. La instrumentación a instalar en este panel suele ser la siguiente: Panel de instrumentos de agua pretratada •

Analizador de turbidez.

•

Analizador de pH.

•

Analizador de REDOX.

•

Analizador de conductividad.

— 20 —

•

Analizador de cloro residual.

•

Transmisor de temperatura.

•

Transmisor de presión.

•

Medidor de SDI.

Sistema de montaje de sondas de analizadores múltiples en osmosis inversa.

Analizador de pH El pH es el logaritmo de la inversa de la concentración de iones de hidrógeno. Y mide la condición llamada acidez. Una propiedad importante es que el producto de las concentraciones iónicas de H+ y OH-varía con la temperatura siendo 10 (-14) a 24 ºC. El logaritmo del inverso es 14 que es la suma del pH más el pOH. En la neutralidad ambas concentraciones son iguales por lo que el pH vale 7. En el mar es donde se da la menor variación de pH de 8 a 8,3 debido a que está muy tamponada.

— 21 —

Principio de medida El método determina el pH midiendo el potencial generado (en milivoltios) por un electrodo, este potencial se compara contra un electrodo de referencia, que genera un potencial constante e independiente del pH. El electrodo de referencia que se utiliza es el de calomel saturado con cloruro de potasio, el cual sirve como puente salino que permite el paso de los milivoltios generados hacia al circuito de medición. El sistema actual de medición de pH es, por excelencia, el electrodo de combinación. Su nombre deriva de la práctica inicial en que el electrodo sensor de H+ estaba separado del electrodo de referencia; la combinación de ambos en una sola estructura llevó a su nombre actual. Sin embargo, la práctica industrial sigue utilizando electrodos de referencia y de Ph separados, porque permite señales más confiables y procedimientos de mantención que, en ciertos casos, resultan más controlables y de menor costo. El analizador en sí, consta de dos partes: Sonda: Es el elemento que se inserta en la conducción y está en contacto con el agua: pH Range

0 to 14

Reference

Annular Teflon, double junction

Reference electrolyte

Saturated KCl, polymerized gel

Operating temperature

0 to 80 °C

Pressure tolerance

6 bars

Temperature sensor

Pt 100

Potential matching pin

Platinum

Material

PPS (Ryton)

Transmisor - indicador: Es el elemento electrónico que envía y visualiza el valor medido.

— 22 —

Analizador de REDOX El potencial redox es una medida de la actividad de los electrones. Está relacionado con el pH y con el contenido de oxígeno. Es análogo al pH ya que el pH mide la actividad de protones y el potencial redox mide la de los electrones. El potencial redox se calcula como: Eh = 1, 234 - 0,058 pH + 0,0145 log (10) Po, siendo Por la presión parcial de oxígeno expresada en atmósferas. En las aguas si el oxígeno está en equilibrio con el atmosférico y el pH es de 7, el valor es de + 0, 86 mv a 0 ºC y de + 0,80 mv a 25 ºC. En las aguas dulces y marinas raramente baja de + 0,3 mv excepto cuando hay gran escasez de oxígeno. Principio de medida: Se emplea un electrodo de metal que posee la capacidad de tomar o entregar electrones. Como el mismo electrodo no puede reaccionar con el medio, hace falta utilizar materiales nobles. Si en el medio se encuentran sustancias oxidantes o reductoras, se da un intercambio de electrones. El intercambio provoca a su vez una tensión eléctrica que es medida y se expresa en mV. Esta tensión nos informa sobre el potencial de oxidación o de reducción.

Transmisor - indicador del potencial REDOX.

El analizador en sí, consta de dos partes: Sonda: Es el elemento que se inserta en la conducción y está en contacto con el agua.

Sonda de ORP (REDOX)

— 23 —

Transmisor - indicador: Es el elemento electrónico que envía y visualiza el valor medido.

Analizador de conductividad Conductividad es la medida de la capacidad que tiene un material para conducir la corriente eléctrica. Las soluciones nutritivas contienen partículas iónicas que llevan cargas y por lo tanto poseen esta habilidad. Cuanto mayor es la cantidad de estos iones disueltos en el agua la conductividad de la solución resultante es mayor. Por lo tanto la medición de la conductividad eléctrica de una solución nutritiva tiene una relación directa con la cantidad de materiales sólidos disociados que hay disueltos en ella. Los conductímetros son los aparatos utilizados para medir la conductividad. Básicamente los conductímetros son instrumentos compuestos por dos placas de un material especial (platino, titanio, níquel recubierto con oro, grafito, etc.), una fuente alimentadora y un sector o escala de medición. Aplicada una diferencia de potencial entre las placas del conductímetro, este mide la cantidad de corriente que como consecuencia pasa por ellas. Con los valores del voltaje aplicado y con la intensidad eléctrica de la corriente que pasa por las placas, los conductímetros determinan, de acuerdo a su previa calibración, la conductividad de la muestra ensayada. Hay muchos tipos de conductímetros y los valores de la conductividad son dependientes de la geometría de la celda de cada aparato. Es por ello que cada uno realmente mide una conductividad específica la cual es el producto de la conductividad realmente medida multiplicada por la constante de la celda del mismo. Esta constante es la relación que hay entre la distancia a la cual se encuentran sus placas y la superficie de las mismas. La medición de la conductividad también es dependiente de la temperatura de la muestra durante el ensayo. Es por ello que la mayoría de estos conductímetros tienen compensadores automáticos de temperatura. El analizador en sí, consta de dos partes: Sonda: Es el elemento que se inserta en la conducción y está en contacto con el agua: Transmisor - indicador: Es el elemento electrónico que envía y visualiza el valor medido.

— 24 —

Analizador de cloro residual Tiene especial importancia la medida de cloro residual en el agua a desalar ya que las membranas de ósmosis son extremadamente sensibles al cloro. Principio de medida: Una muestra del líquido a analizar es suministrada a la cámara de entrada de muestra, a un caudal de 350 ml/ minuto. El exceso de caudal rebosa a drenaje. El flujo hacia el analizador es controlado mediante un sistema único de detección de flujo infrarrojo. La muestra pasa entonces a la cámara de mezcla donde se añade una solución tampón pH4. Se mide el pH de la muestra y se utiliza un lazo de control PID para ajustar la dosificación de reactivo mediante una válvula de solenoide. Un termistor RTD 100 ohm compensa las variaciones de temperatura. La muestra tamponada pasa a través de un espacio anular entre los dos electrodos de la célula de medida. Mientras pasa se genera una pequeña corriente en proporción lineal a la cantidad de residual presente en la muestra. Un tercer electrodo de referencia situado a continuación de la célula de medida establece un potencial constante en el electrodo de trabajo para proporcionar indicación exacta y estable del nivel de residual. La superficie de los dos electrodos de la célula de medida se mantiene limpia mediante la acción continua de bolas de PVC agitadas mediante un percutor rotativo accionado por un motor. La acción continua de las bolas de PVC minimiza la deriva de la señal y las recalibraciones. El valor de residual se muestra en una pantalla en ppm, mg/l, ppb, µg/l o mediante gráficos. Medidor de SDI Sin ningún género de duda, una de las mediciones mas importantes a realizar en una planta desaladora con membranas de ósmosis inversa es el SDI. El índice de densidad de sedimentos (Silt Density Index = SDI) o índice de «ensuciamiento» es un procedimiento sencillo desarrollado para estimar el grado de bloqueo o «ensuciamiento» de las membranas debido a la contaminación en forma de partículas coloidales, que comúnmente incluyen bacteria, arcillas, hierro. Productos químicos utilizados en la clarificación/filtración tales como sulfato de aluminio, cloruro férrico, o polielectrolitos catiónicos pueden causar bloqueo coloidal. Este método es ampliamente aceptado en la industria, dado que principalmente mide la concentración coloidal. — 25 —

El procedimiento de SDI determina la caída en el flujo a través de una membrana de 47 mm de diámetro y con un tamaño de poro de 0.45 μm. Este tamaño de poro es susceptible de ser obstruido por materia coloidal y no por arena o incrustantes. La disminución en el flujo de agua es representado entre 1 a 100 unidades. Un rápido taponamiento indica niveles altos de contaminación coloidal por lo que el SDI será un número grande relativamente en comparación con el agua con bajas tendencias a ensuciarse. Un valor adecuado de SDI, para desalar agua mediante ósmosis inversa es de 5 o inferior. Para llevar a cabo el procedimiento de SDI es necesario un recipiente para filtros de 47 mm de diámetro, regulador de presión, medidor de presión, válvulas, conexiones, pinzas y discos de filtros de membranas. También se requiere un cronómetro y un contenedor de 500 ml o un cilindro graduado.

Filtros de 0,45 micras

Procedimiento para realizar la determinación del SDI15 1º Conectar el equipo a la red de agua a analizar. Se requiere una presión superior a 2 bar. 2º Enjuagar el equipo, dejando pasar agua por el sin la membrana colocada durante al menos dos (2) minutos. 3º Ajustar la presión a 2 bar mediante la válvula mano reductora. 4º Cerrar la válvula de aislamiento. 5º Colocar la membrana en el porta membranas. 6º Abrir la válvula de aislamiento y cronometrar el tiempo que se tarda en llenar los 500 ml. 7º Dejar pasar agua durante un tiempo de 15 minutos a través de la membrana. 8º Cronometrar el tiempo que tarda en llenarse los 500 ml. 9º Aplicar las siguientes ecuaciones para determinar el índice. % de taponamiento = (Tiempo de llenado a 15 minutos - Tiempo de llenado inicial) / (Tiempo de llenado a 15 minutos) x 100. SDI = % taponamiento ⁄/ Tiempo de operación — 26 —

También existe la posibilidad de instalar equipos automáticos de determinación del SDI.

Equipo automático de la firma Millipore

2.2.6. Bombeo de alta presión y recuperación de energía En este proceso, independientemente del tipo o sistema de recuperación de energía utilizado, lo que se suele medir es: presión, caudal y temperatura de rodamientos de máquinas. Conocidos por todos es que en este proceso es donde se produce un gran incremento de presión en las bombas de alta presión. Estas bombas suelen tener un valor elevado de NPSH requerido, por lo tanto hay que garantizar que en la aspiración de las mismas exista una presión adecuada. Para proteger a las bombas, el elemento principal de protección es el presostato. A partir de una cierta presión de tarado (± 1 bar) se produce el disparo del bombeo de alta presión. Bombeo de alta presión •

Manómetros.

•

Presostatos en aspiración e impulsión.

•

Transmisores de temperatura en arrollamientos de motor y cojinetes.

•

Caudalímetros electromagnéticos.

•

Transmisores de presión.

Recuperación de energía •

Manómetros.

•

Presostatos en aspiración e impulsión.

•

Transmisores de temperatura en arrollamientos de motor y cojinetes.

•

Caudalímetros electromagnéticos.

•

Transmisores de presión. — 27 —

2.2.7. Bastidores de ósmosis inversa En este proceso, como todos sabemos es donde se produce el proceso de separación de las sales del agua a desalar. Se produce por lo tanto, a partir de la corriente de alimentación, dos corrientes una de agua producto y otra de concentrado. Los instrumentos que usualmente se instalan son los siguientes: Alimentación: •

Transmisores de presión.

•

Presostatos.

•

Caudalímetros.

Producto: •

Transmisores de conductividad.

•

Presostatos.

•

Caudalímetros.

•

Manómetros.

•

Toma de muestras.

Concentrado: •

Transmisores de conductividad.

•

Presostatos.

•

Caudalímetros.

•

Manómetros.

Entre alimentación y concentrado: •

Transmisores de presión diferencial.

— 28 —

2.2.8. Acondicionamiento químico del agua producto El agua producto se suele remineralizar mediante sistemas que aportan carbonato cálcico + anhídrido carbónico, carbonato cálcico + anhídrido carbónico... Otro producto químico que se añade es hipoclorito sódico como preservador de desinfección. La instrumentación que se usa en estos procesos es la siguiente: Remineralización: •

Medidores de pH.

•

Caudalímetros electromagnéticos.

•

Analizadores de turbidez.

•

Reguladores de nivel.

•

Manómetros.

Desinfección: •

Medidores de cloro residual.

2.2.9. Almacenamiento y bombeo del agua producto •

Medidores de nivel ultrasónicos.

•

Interruptores de nivel.

•

Manómetros.

•

Presostatos en aspiración e impulsión.

•

Transmisores de temperatura en arrollamientos de motor y cojinetes.

•

Caudalímetros electromagnéticos.

2.2.10. Servicios auxiliares Para los servicios auxiliares en una instalación desaladora (aire se servicios, aire de instrumentos, red de agua industrial, ventilación, climatización...) se suelen instalar instrumentos de medición de presión, manómetros, instrumentos de medición de temperatura, termostatos, y medidores de caudal. Estos instrumentos se han visto en apartados anteriores. Con objeto de poder establecer el punto de rendimiento de los equipos con mayor consumo eléctrico en las instalaciones de desalación, se suelen colocar vatímetros (medidores de energía) en los cuadros eléctricos de alimentación a bombas de alta presión. — 29 —

2.3. Elementos de regulación En cualquier proceso de desalación, bien sea por ósmosis inversa, procesos térmicos, procesos de intercambio iónico etc., se necesita controlar y regular el proceso. La regulación se hace modificando las condiciones físicas, químicas y las variables de caudal y presión. Las condiciones físicas o químicas se modifican mediante los tratamientos físicos o mediante la adición de reactivos para modificar las condiciones químicas. Las variables de presión, caudal o en procesos térmicos la temperatura, se modifican o adecuan mediante la utilización de los siguientes elementos de regulación: •

Válvulas de control.

•

Variadores de frecuencia.

•

Servoposicionadores de bombas.

2.3.1. Válvulas de control Con independencia de que sean de globo, de macho o de mariposa, desde el punto de vista del accionamiento pueden ser neumáticas o eléctricas. Las válvulas de control neumáticas son accionadas por aire a presión, cuya acción es pilotadas a través de un transductor electro neumático, que convierte la señal de control de 4 a 20 mA en señal neumática de 3 a 15 psi, que a su vez permite el paso de aire sobre el actuador a una presión de unos 5,5 bars. Cada vez se montan menos actuadores de este tipo, aunque son más baratos que los actuadores de control eléctrico.

Las válvulas de control eléctricas son accionadas por motores eléctricos, que son controlados por una tarjeta de control montada en la propia válvula. El motor es de muy poca potencia. Suelen llevar un transmisor de posición porcentual. Tiene la ventaja de que el movimiento de la válvula es suave y lineal, siendo posible establecer el tiempo que tarde la válvula en hacer todo el recorrido de abrir de 0 a 100%, en contra del comportamiento del controlador neumático que a veces hace movimientos bruscos en función de la resistencia que encuentre la válvula en su recorrido. El actuador eléctrico genera un par de apertura/cierre igual en todo el recorrido de la válvula. Tiene unos limitadores de par que se pueden ajustar para evitar su rotura en caso de encontrar obstáculos en el asiento de la válvula, y transmisores de posición de la válvula. Cada vez se colocan más en detrimento de los actuadores neumáticos. Otra ventaja — 30 —

de los actuadores eléctricos es que se pueden integrar en una red de campo tipo Modbus, Devicenet, Fieldbus Fundation o Profibus DP, bus que entra sale de cada equipo, evitando tender una buena cantidad de cables desde el sistema de control, tan solo hay que llevar el cable de alimentación eléctrica a 230 Vac o a 400 Vac, y el cable de bus. Si se hace el cableado tradicional, como cables de control habría que llevarle a cada uno: el cable con la señal de control de mando, el cable con la señal de posición real de la válvula, y el cable con los finales de carrera y estado de los limitadores de par, si es que se quiere tener toda la información en el sistema de control. Además, todos estos actuadores llevan a bordo una botonera que permite su operación local. 2.3.2. Variadores de frecuencia Para accionamiento de motores de corriente alterna, se utilizan cada vez más, pues han adquirido bastante fiabilidad y aportan muchas ventajas a los procesos, al mismo tiempo que suponen un ahorro de energía en los motores. Su función consiste en que la frecuencia que llega a ellos, 50 Hz en Europa, sale hacia el motor transformada en una frecuencia generalmente menor, de 0 a 50 Hz.

La velocidad del motor es directamente proporcional a la frecuencia de la tensión de alimentación:

— 31 —

En las bombas centrífugas hay una frecuencia mínima por debajo de la cual no interesa alimentar al motor, puesto que la presión de la bomba varía con el cuadrado de la velocidad: a la mitad de la velocidad nominal, la presión es la cuarta parte de la presión nominal. Las fórmulas que relacionan la presión, caudal y potencia con la velocidad son:

Siendo: n: Velocidad de la bomba, en r.p.m. H: Altura manométrica en la impulsión de la bomba, en m.c.a. f: Frecuencia a que es alimentado el motor, en Hz.

La utilización de variadores de frecuencia permite el arranque suave y progresivo del motor, siendo posible establecer una rampa de arranque en la que se establece el tiempo transcurrido desde velocidad 0 al 100%. Igualmente permite establecer la rampa de parada, lo que elimina los golpes de ariete. Otra ventaja es que permite eliminar las puntas de intensidad de arranque del motor, pues lo hace a 1,2 veces la intensidad nominal. Hay que tener en cuenta que la punta de la intensidad de arranque de un motor esta comprendida entre 6 y 9 veces la intensidad nominal si se efectúa un arranque directo, y desciende a 3,5 veces si el arranque se hace con un arrancador estático o arrancador suave. — 32 —

Hasta hace unos años la aplicación de variadores de frecuencia se limita a motores de baja tensión, tensiones inferiores a 1.000 V, y como tensiones estándar 400 V y 690 V. Esto limita la aplicación a motores de tamaño no superior a 800 kW a 400V y de 1.000 kW a 690 V. Hoy en día existen variadores de frecuencia para accionamiento de motores en media tensión (3.000 V) para grandes potencias. En motores de media tensión a 6 kV hay tecnología para aplicar variadores de frecuencia, pero resulta demasiado cara, por el momento, su aplicación, por lo que se utiliza generalmente el arranque directo o arrancadores suaves. Según mi experiencia, cuando la red eléctrica es potente recomiendo arrancar los motores de media tensión en directo, limitando la punta de presión en el proceso mediante la utilización de válvulas de control en la impulsión. Cuando la red eléctrica es débil, como ocurre en las islas, puede ser aconsejable la utilización de arrancadores suaves, pero hay que tener presente que hay que seguir poniendo válvulas de control en la impulsión de las bombas. Una vez que la bomba ha alcanzado su velocidad nominal, se hace el by-pass del arrancador suave. Esto supone que se encarece bastante el cuadro eléctrico de fuerza, con contactores de media tensión y embarrados de cruce, que necesitan buen mantenimiento. En las plantas de desalación de agua de mar los motores de las bombas de alta presión cada vez son de más potencia, pues cada vez las líneas son de más caudal. Hasta potencias de 600 kW se pueden utilizar motores de baja tensión, pero para potencias mayores lo recomendable es utilizar motores de media tensión, siendo el valor estándar de tensión de 6 a 6,6 kV. También se utilizan variadores de frecuencia en las bombas dosificadoras de pistón, de membrana o de tornillo. En estos casos el caudal de la bomba es directamente proporcional a la velocidad del motor. Pero no es recomendable que la velocidad del motor se mantenga por debajo del 30% de la nominal, pues además de que el motor se calienta por falta de ventilación, no es efectivo el funcionamiento de las válvulas de retención situadas en la aspiración e impulsión de las bombas dosificadoras de tipo alternativo. La utilización de variador de frecuencia es adecuada cuando el proceso exija que la velocidad del motor deba variar entre el 40 y el 100% de la nominal. 2.3.3. Servoposicionadores Cuando se requiere que la bomba debe variar que su caudal entre el 20 y el 100% lo recomendable es utilizar una bomba dosificadora con actuador del tipo de integración de pulsos, para caudales inferiores a 70 l/h, o con un servoposicionador del recorrido de la carrera del pistón o membrana, para todos los caudales. Este sistema es algo más caro que la utilización de variador de frecuencia, pero es mucho más preciso y fiable.

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2.4. Sistemas de transmisión de señales Como se ha dicho en apartados anteriores, los instrumentos se dividen en dos categorías: Instrumentos digitales: son los que captan señales digitales, 0 ó 1. Ejemplo de ello son los termostatos, presostatos, finales de carrera, boyas de nivel, etc. Estas señales se utilizan como entradas digitales al sistema de control o como activadoras de relés que generan enclavamientos de equipos o de secuencia de programas. Instrumentos analógicos: son los que generan una señal proporcional al valor de una variable que se desea medir. Como ejemplo están los transmisores de nivel, los analizadores de pH, los caudalímetros, etc. La señal generada suele tener un valor comprendido entre 4 y 20 mA, que se utiliza como entrada analógica al sistema de control. Los transmisores analógicos a su vez se dividen en instrumentos a dos hilos, que son los que envían la señal analógica a través del mismo cable de dos hilos que los alimenta eléctricamente, como es el caso de los transmisores de presión. Generalmente se les alimenta en tensiones comprendidas entre 12 y 48 Vcc, aunque el valor estándar es de 24 Vcc. Los transmisores a cuatro hilos son los más comunes y a ellos llegan cuatro hilos: dos para su alimentación eléctrica, generalmente 110 a 240 Vca, y otros dos para conducir la señal generada, 4 a 20 mA. Instrumentación inteligente. Desde hace unos años, con la aparición de los buses de campo, se ha desarrollado la instrumentación que se comunica con el sistema de control a través de señales analógicas descompuestas en señales digitales. Cada transmisor viene dotado de un conector al bus de campo, que generalmente entra y sale del instrumento y va al siguiente. Cada instrumento es un nodo de la red. Los buses más normales son el Modbus, Profibus PA. La ventaja de tener los instrumentos conectados en red es que las señales que circulan por la red son más inmunes a las interferencias electromagnéticas que las señales analógicas de 4 a 20 mA. Además, desde el puesto central de control se puede recalibrar el instrumento sin necesidad de desplazarse por la planta calibrándolos de uno en uno. Otra ventaja es el ahorro de cableado, pues se evita tener que llevar un cable en forma radial desde el sistema de control a cada instrumento, pues como se ha dicho anteriormente, para llegar a cada instrumento se hace una derivación en T ó el cable entra-sale de cada instrumento.

3. SISTEMAS DE CONTROL El sistema de control es la herramienta que nos permite interactuar con los componentes de un proceso, facilitándonos la posibilidad del envío de órdenes y recibiendo información en tiempo real del estado de cada uno de ellos. Su misión es ayudar a operar la planta o proceso para mejorar su rendimiento. 3.1. Procesos a controlar en una instalación de desalacion Antes de entrar a describir los distintos elementos o categorías de un sistema de control, analicemos qué y cómo se controla el proceso en una estación desaladora.

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Siguiendo con el ejemplo de planta, descrita para dar una visión de la instrumentación que se suele emplear, veamos los distintos procesos a controlar. 3.1.1. Captación y bombeo de agua a desalar. Supóngase un sistema de captación de agua de mar mediante pozos profundos o toma abierta que impulsa el agua a un depósito en planta. Los elementos a controlar o accionar serán: •

Bombas de captación reguladas por medio de variadores de frecuencia. . Hay que establecer la rampa de arranque y parada de las mismas. La regulación del caudal impulsado estará determinado por medio de un lazo de control a establecer entre el nivel del depósito de almacenamiento, valor de consigna configurable en el SCADA que proporcionará la señal oportuna para que los variadores de frecuencia posicionen la velocidad de las bombas en un valor adecuado.

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Válvulas de aislamiento en la impulsión del agua a depósito y válvulas de drenaje. Estas son válvulas todo-nada, el arranque del bombeo se realizará con la válvula de drenaje abierta y la de línea cerrada. Cuando a través de la señal proporcionada por el turbidímetro el agua reúna las condiciones oportunas para se introducida en la línea de impulsión al depósito, se abrirá la válvula de línea y se cerrará la válvula de drenaje.

•

El resto de instrumentación (Medidores de nivel hidrostáticos, Manómetros, Presostatos, Transmisores de temperatura en arrollamientos de motor y cojinetes, Caudalímetros electromagnéticos) se utilizará para proporcionar señales de indicación al operador que sirvan para generar alarmas.

3.1.2. Bombeo de agua de mar a pretratamiento. Supongamos que desde el depósito de almacenamiento de agua de mar de planta, se impulsa el agua hasta pretratamiento (filtros de arena cerrados y microfiltros de cartuchos), llegando hasta el colector de aspiración de las bombas de alta presión). Los elementos a controlar o accionar serán: •

Bombas de baja presión reguladas por medio de variadores de frecuencia. Hay que establecer la rampa de arranque y parada de las mismas. La regulación del caudal-presión impulsado estará determinado por medio de un lazo de control a establecer por la presión en el colector de aspiración de bombas de alta presión, valor de consigna configurable en el SCADA. Un transmisor de presión situado en el colector de aspiración de bombas de alta, proporcionará la señal oportuna para que los variadores de frecuencia posicionen la velocidad de las bombas en un valor adecuado.

•

Válvulas de aislamiento en la impulsión de las bombas de baja presión. Estas son válvulas todo-nada, se utilizan para suavizar el arranque de las bombas y aislar la impulsión cuando estas están paradas. El arranque de cada una de las bombas se realizará con la válvula cerrada.

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•

El resto de instrumentación (Medidores de nivel en depósito, Manómetros, Presostatos, Transmisores de temperatura en arrollamientos de motor y cojinetes, Caudalímetros electromagnéticos) se utilizará para proporcionar señales de indicación al operador que sirvan para generar alarmas.

3.1.3. Pretratamiento químico Supongamos que la planta que estamos automatizando tiene las siguientes unidades de dosificación de reactivos: •

Hipoclorito sódico para oxidación de materia orgánica. Este estará formado por una bomba de trasvase, un depósito de almacenamiento y X bombas dosificadoras de regulación automática. La bomba de trasvase se accionará localmente desde botonera situada a pie de máquina. El depósito incorporara un medidor de nivel visual y tres sondas o contactos de nivel. El nivel alto proporcionará una alarma y provocara un disparo (parada automática) de la bomba de trasvase en el caso de que esta esté funcionando. El nivel bajo proporcionará una alarma en el sistema de control, indicando que el depósito hay que llenarlo o ir pensando en parar las bombas dosificadoras. El tercer nivel, el de muy bajo, provocará una alarma en el SCADA, un enclavamiento en las bombas dosificadoras en el caso de estar paradas, impidiendo su arranque y el disparo de las bombas dosificadoras que estén en servicio. Las bombas dosificadoras, que hemos dicho que serán de regulación automática, estarán controladas por un lazo de regulación proporcional al caudal de agua de mar a tratar y a la dosis de diseño establecida en el SCADA como parámetro configurable. La señal de caudal de agua de mar la proporcionará el caudalímetro a situar en la impulsión de las bombas de baja presión.

•

Ácido sulfúrico para ajuste del pH de microfloculación. Este estará formado por una bomba de trasvase, un depósito de almacenamiento y X bombas dosificadoras de regulación automática. La bomba de trasvase se accionará localmente desde botonera situada a pie de máquina. El depósito incorporara un medidor de nivel visual y tres sondas o contactos de nivel. El nivel alto proporcionará una alarma y provocara un disparo (parada automática) de la bomba de trasvase en el caso de que esta esté funcionando. El nivel bajo proporcionará una alarma en el sistema de control, indicando que el depósito hay que llenarlo o ir pensando en parar las bombas dosificadoras. El tercer nivel, el de muy bajo provocará una alarma en el SCADA un enclavamiento en las bombas dosificadoras en el caso de estar paradas, impidiendo su arranque y el disparo de las bombas dosificadoras que estén en servicio. Las bombas dosificadoras, que hemos dicho que serán de regulación automática, estarán controladas por un lazo de regulación proporcional al pH de agua de mar a tratar, ajustando la dosis por medio del SCADA como parámetro configurable. La señal de pH del agua de mar la proporcionará el pH-metro a situar en la entrada a filtros de arena.

•

Cloruro férrico como coagulante. Al igual que el hipoclorito sódico, este estará formado por una bomba de trasvase, un depósito de almacenamiento y X bombas dosificadoras de regulación automática. La bomba de trasvase se accionará localmente desde botonera situada a pie de máquina. El depósito incorporara un medidor de nivel visual y tres sondas o contactos de nivel. El nivel alto proporcionará una alarma y provocara un disparo (parada automática) de la bomba de trasvase en el caso de que esta esté funcionando. El nivel bajo proporcionará una alarma en el sistema de control, indicando que el depósito hay que llenarlo o ir pensando en parar las bombas dosificadoras. El tercer nivel, el de muy bajo provo— 36 —

cará una alarma en el SCADA, un enclavamiento en las bombas dosificadoras en el caso de estar paradas, impidiendo su arranque y el disparo de las bombas dosificadoras que estén en servicio. Las bombas dosificadoras, que hemos dicho que serán de regulación automática, estarán controladas por un lazo de regulación proporcional al caudal de agua de mar a tratar y a la dosis de diseño establecida en el SCADA como parámetro configurable. La señal de caudal de agua de mar la proporcionará el caudalímetro a situar en la impulsión de las bombas de baja presión. •

Bisulfito sódico para reducción de oxidantes en exceso. Este estará formado por dos agitadores, dos depósitos de preparación y X bombas dosificadoras de regulación automática. Los agitadores se accionarán de forma remota desde el sistema de control y localmente desde botonera situada a pie de máquina. Cada uno de los depósitos incorporara un medidor de nivel visual y dos sondas o contactos de nivel. El nivel bajo proporcionará una alarma en el sistema de control, indicando que el depósito hay que llenarlo o ir pensando en cambiar el punto de aspiración las bombas dosificadoras al otro depósito que tiene que tener la solución preparada. El segundo nivel, el de muy bajo provocará una alarma en el SCADA, un enclavamiento en las bombas dosificadoras y agitador en el caso de estar parados, impidiendo su arranque y el disparo de las bombas dosificadoras y agitadores que estén en servicio. Las bombas dosificadoras, que hemos dicho que serán de regulación automática, estarán controladas por un lazo de regulación proporcional al REDOX de agua de mar a tratar, ajustando la dosis por medio del SCADA como parámetro configurable. La señal de REDOX del agua de mar la proporcionará el analizador de REDOX a situar en el panel de analizadores de agua microfiltrada. Suponiendo que tengamos instalado un medidor de cloro residual, el valor proporcionado en todo momento tiene que ser cero. En el caso de que esto no sea así se provocará una alarma en es SCADA, y si esta perdurase durante un tiempo establecido en el SCADA como parámetro configurable se provocará un disparo automático de la planta.

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Anti-incrustante para prevenir precipitación de sales en las membranas de ósmosis. Este estará formado por dos agitadores, dos depósitos de preparación y X bombas dosificadoras de regulación automática. Los agitadores se accionarán de forma remota desde el sistema de control y localmente desde botonera situada a pie de máquina. Cada uno de los depósitos incorporara un medidor de nivel visual y dos sondas o contactos de nivel. El nivel bajo proporcionará una alarma en el sistema de control, indicando que el depósito hay que llenarlo o ir pensando en cambiar el punto de aspiración las bombas dosificadoras al otro depósito que tiene que tener la solución preparada. El segundo nivel, el de muy bajo provocará una alarma en el SCADA, un enclavamiento en las bombas dosificadoras y agitador en el caso de estar parados, impidiendo su arranque y el disparo de las bombas dosificadoras y agitadores que estén en servicio. Las bombas dosificadoras, que hemos dicho que serán de regulación automática, estarán controladas por un lazo de regulación proporcional al caudal de agua de mar a tratar, ajustando la dosis por medio del SCADA como parámetro configurable.

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Hidróxido sódico para ajuste del pH del agua antes de alimentación a ósmosis. Este estará formado por una bomba de trasvase, un depósito de almacenamiento y X bombas dosificadoras de regulación automática. La bomba de trasvase se accionará localmente desde botonera situada a pie de máquina. El depósito incorporara un medidor de nivel visual y tres sondas o contactos de nivel. El nivel alto proporcionará una alarma y provocara un disparo (parada automática) de la bomba de trasvase en el caso de que esta esté funcionando. — 37 —

El nivel bajo proporcionará una alarma en el sistema de control, indicando que el depósito hay que llenarlo o ir pensando en parar las bombas dosificadoras. El tercer nivel, el de muy bajo provocará una alarma en el SCADA, un enclavamiento en las bombas dosificadoras en el caso de estar paradas impidiendo su arranque y el disparo de las bombas dosificadoras que estén en servicio. Las bombas dosificadoras, que hemos dicho que serán de regulación automática, estarán controladas por un lazo de regulación proporcional al pH de agua microfiltrada, ajustando la dosis por medio del SCADA como parámetro configurable. La señal de pH del agua de mar la proporcionará el pH-metro a situar en el panel de analizadores de agua microfiltrada. 3.1.4. Filtración cerrada y microfiltración Siguiendo con nuestra planta, el siguiente proceso que nos encontramos es el pretratamiento físico (filtración y microfiltración). Supongamos que a cada uno de los filtros de arena le hemos instalado un medidor de caudal y una válvula de regulación del caudal de alimentación. Los elementos a controlar o accionar serán: •

Válvulas de regulación de agua a filtrar. En una batería de filtración se pueden encontrar cada uno de los filtros instalados con una pérdida de carga distinta, en función de su grado de ensuciamiento, por lo tanto se hace necesario regular el caudal de alimentación a cada uno de ellos, porque si no unos admitirían mas caudal que otros y las velocidades de filtración se descompensarían. Por lo tanto el elemento a actuar será la válvula de regulación del caudal de alimentación. La válvula de cada filtro se controlará por medio de un lazo de regulación a través de la señal proporcionada por el SCADA. La señal de entrada al sistema de control la proporcionará el caudalímetro instalado en la alimentación a cada uno de los filtros.

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Pérdida de carga en la batería de filtración. Para realizar la medición de la perdida de carga se puede optar por instalar un manómetro diferencial equipado con un contacto eléctrico que provocará una señal de alarma en el sistema de control. El instrumento mas aconsejable es instalar un transmisor de presión diferencial que emita una señal analógica que nos indica en todo momento el estado de perdida de carga en la batería (grado de colmatación) y que a su vez vía SCADA se pueda programar una alarma configurable que nos indique que hay que iniciar el proceso de lavado.

•

Resto de equipos de lavado de filtros. Estos equipos son las bombas y soplantes de lavado de filtros. Su puesta en funcionamiento puede ser automática o semiautomática y en todo momento controlada por el SCADA. Las protecciones, enclavamientos y disparos serán las habituales para equipos de bombeo. El SCADA se programará de forma que incorpore las distintas secuencias del proceso de lavado.

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Microfiltración. Son de aplicación los apartados anteriores descritos para filtros de regulación del agua a filtrar y pérdida de carga en la batería de microfiltros.

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3.1.5. Válvula de drenaje de agua microfiltrada La válvula de drenaje de agua microfiltrada está gobernada por un lazo de Control de caudal y se abre siempre que: •

Se arranque por primera vez el sistema de Osmosis de primer paso, siendo necesario tener en circulación el caudal impulsado por las bombas de baja presión hasta ajustar todos los parámetros del agua de mar a osmotizar. Abrirá cuando esté en servicio alguna bomba de baja presión. La regulación se realizará con el caudal proporcionado por los medidores de agua filtrada, hasta un valor de consigna introducido en el SCADA (ejemplo 800 m3/h. este valor se ajustará durante la P.M.).

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Si arranca una nueva línea de Osmosis de primer paso con otras en servicio, siendo necesario tener en circulación parte del caudal hasta ajustar todos los parámetros del agua de mar a osmotizar en primer paso.

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Se pare una bomba de alta presión, para parar una línea de osmosis que obliga a verter a drenaje el exceso de caudal hasta que pare una bomba de baja presión.

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Si se sobre eleva la presión en el colector de aspiración de bombas de alta presión por encima de un valor de consigna. (5 bar, a confirmar en la Puesta en Marcha (P.M.)

3.1.6. Bombeo de alta presión y recuperación de energía Para este proceso, supongamos que tenemos una alimentación a bastidores de membranas formada por bomba de alta presión + cámaras isobáricas del tipo ERI + bomba Booster entre cámaras y bastidor. Los elementos a controlar o accionar durante las fases de arranque serán: 1º Ajuste del pretratamiento. Se someterá el agua de mar a un pretratamiento físico-químico, poniendo esta dentro de parámetros. Se podrá realizar con el caudal correspondiente a una bomba de transferencia. El agua se drenará por la válvula de drenaje.

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2º Desplazamiento, presurización y purga de aire del sistema. Se arrancarán dos de las cuatro bombas de lavado químico y desplazamiento BC-340-A/B o BC-341-A/B, hasta conseguir un caudal adecuado.

En esta fase el proceso a seguir será el siguiente: •

Arranque de una bomba de desplazamiento.

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Apertura de la válvula de mariposa de entrada de desplazamiento a la línea de recuperación objeto del arranque. El agua pasará a través del sistema de recuperación sin hacerle girar. La válvula de regulación de salida de recuperadores generará la contrapresión necesaria para ajustar el caudal al valor de consigna por medio del lazo de control realizado con el medidor de caudal. En este punto se procederá a evacuar el aire contenido en las conducciones.

•

Arranque de la segunda bomba de desplazamiento. La válvula de regulación de salida de recuperadores generará la contrapresión necesaria para ajustar el caudal al valor de consigna por medio del lazo de control realizado con el medidor de caudal. Pasados entre 5 y 10 minutos proceder con el paso siguiente.

•

Arranque de la bomba booster de recuperadores correspondiente a la línea que se valla a arrancar. En este punto comenzarán a girar los rotores de las cámaras ERI. Se presurizarán todos los circuitos (alta y baja presión) y se evacuará todo el aire, tanto el contenido en el circuito de recuperación como en bastidores de membranas.

•

Parada de la bomba booster, cierre de la válvula de aislamiento del circuito de desplazamiento y parada secuencial de las dos bombas de desplazamiento BC340-A/B o BC-341-A/B.

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3º Puesta en servicio del circuito de recuperación. Se arrancará una bomba de transferencia, comenzando a baja velocidad e incrementando hasta conseguir el caudal nominal del circuito de recuperación, fijado de antemano en el sistema de control. El agua será drenada por la válvula de drenaje.

•

Apertura de la válvula de aislamiento de entrada de agua de mar a cámaras.

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Cierre de la válvula de drenaje. En este punto el agua de mar pasará por el circuito de recuperación. La válvula de salida de cámaras regulará el caudal con el lazo del medidor de caudal de alimentación de agua de mar. Pasados entre 5 y 10 minutos proceder con el paso siguiente.

•

Arranque de la bomba booster de recuperadores correspondientes a la línea que se valla a arrancar. En este punto comenzarán a girar los rotores de las cámaras ERI. La válvula de salida de cámaras regulará el caudal con el lazo del medidor de caudal de alimentación de agua de mar. Pasados 10 minutos y después de tener garantía de que no queda aire en el sistema proceder con el arranque de la bomba de alta presión.

4º Arranque del sistema de lubricación de rodamientos de motor. Se procederá a arrancar las centralitas de lubricación de los rodamientos de los motores de las bombas de alta presión. Cuando se reciba la señal correspondiente de presión en los rodamiento del motor, se tendrá permiso par pasar al siguiente paso. 5º Arranque de la bomba de alta presión. Se procederá a posicionar la válvula de impulsión de la bomba a arrancar en la posición de 5% de apertura (a confirmar en la P.M.). Se procederá con el siguiente método:

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•

Arranque de una segunda bomba de transferencia o baja presión a baja velocidad. Con el variador de esta se regulará la velocidad en función del valor prefijado en el sistema de control y detectado por el transmisor de presión situado en el colector de aspiración (este valor será de 3 bar, a confirmar en la P.M.).

•

Apertura de la válvula de aislamiento. Arranque de la bomba de alta presión. El caudal de alimentación a los bastidores irá aumentando. La bomba booster de recuperadores tratará de mantener constante el caudal de recirculación al valor prefijado. La válvula de salida de recuperadores tratará de mantener constante al valor prefijado el caudal de entrada al sistema de recuperación. Por lo tanto todo el caudal que aporte la bomba de alta presión tendrá que salir como producto.

•

Apertura progresiva de la válvula regulación de macho RV-310-A/B/R/C/D situada en la impulsión de la B.A.P. (En la P.M. se establecerá una rampa y tiempo de apertura de esta válvula, de manera que no se produzcan golpes de presión en la alimentación a bastidores. El tiempo deberá estar comprendido entre 1,5 y 2 minutos). El grado de apertura de la válvula vendrá indicado por el transmisor de presión situado en la alimentación a bastidores.

6º Estabilización del sistema. Arrancados todos los equipos que intervienen en el proceso se procederá a estabilizar el sistema en lo referente a presión de alimentación, producción y factor de conversión.

•

La presión de alimentación a bastidores se controlará a partir de la lectura del PT- de alimentación a rack de O.I. por medio del valor introducido en el SCADA y actuando en la válvula de macho RV de impulsión de la B.A.P. que alimente a bastidor. Dicha presión no será superior a 69,8 bar.

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El factor de conversión se regulará actuando sobre el variador de frecuencia de la bomba booster de recuperadores. La regulación se realizará mediante el lazo de control hecho a través de la lectura de caudal dada por el caudalímetro situado en la impulsión de la bomba, que corresponderá aproximadamente con el caudal de rechazo. El valor de consigna de comprobación será el fijado en el SCADA y se medirá a través de la ecuación [caudal de producto / caudal de alimentación x 100]. El caudal de producto se medirá a través de la suma de los medidores de producto de los dos bastidores que forman la línea, FT. Nota: para aumentar el factor de conversión se precisará disminuir el nº de revoluciones de la bomba booster y para disminuir el factor de conversión se aumentará el nº de revoluciones la bomba booster. El factor de conversión podrá estar comprendido entre el 44% y el 48%.

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El caudal de producción se regulará manualmente o automáticamente mediante las válvulas situadas en las conducciones de salida de agua producto de bastidores. Esta se medirá a través de los caudalímetros situados en los circuitos de producto.

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El caudal de agua de mar de alimentación en baja presión al sistema de recuperación de energía se regulará mediante el lazo de control realizado con la lectura dada por el caudalímetro FT y actuando la válvula de control de descarga de salmuera RV. Esta válvula deberá igualar los flujos de agua de mar de alimentación y descarga de salmuera menos el caudal de lubricación del sistema de recuperación m3/h.

3.1.7. Resto de equipos de la planta desaladora Para el resto de instalaciones, como son el lavado químico, remineralización, bombeo de producto e instalaciones auxiliares, se repetirán muchas de las secuencias y comentarios de los apartados anteriores. 3.2. Forma de operar los equipos desde el punto de vista de control 1. En modo manual a través de dispositivo físico: las órdenes de marcha-parada se dan directamente al equipo a través de pulsadores o selectores físicos. A su vez esta orden manual puede darse desde botonera local o desde botonera remota. Las órdenes llegan directamente a los contactores de los motores o a relés intermedios, que desencadenan la marcha-parada del motor. Esta forma de operación solamente se utilizará para pruebas previas a la puesta en marcha o para labores de mantenimiento. En el caso de máquinas complejas o muy delicadas en las que haya algún enclavamiento (final de carrera, limitador de par, nivel bajo, etc.) es necesario intercalar el contacto de protección en serie con la orden. Este modo de operar implica que el operador asume toda la responsabilidad sobre lo que sucede, por lo que previamente ha debido tomar las precauciones pertinentes. 2. En modo manual a través de PLC: en este caso las órdenes se dan a través de dispositivos físicos, pulsadores o selectores, que envían la orden a una entrada digital del PLC. El programa establecido en el PLC envía la orden de marcha-parada al motor a través de una salida digital. La ventaja de este modo de operar es que el programa del PLC tiene en cuenta las protecciones y autoriza o desautoriza el progreso de la orden de marcha.

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3. En modo manual a través de terminales de operación: en este caso el operador emite las órdenes a través de la actuación sobre un teclado o sobre una pantalla táctil. Tiene la ventaja de que el operador tiene a la vista no solamente el equipo de que se trate, sino todos los que forman parte del sistema, y recibe sobre la pantalla la información del estado del equipo. Se pueden crear ventanas desplegables sobre las que se puede seleccionar el modo en que se desea operar: manual o semiautomático. Estos terminales se suelen situar en cada una de las salas eléctricas, y están conectadas directamente al PLC asociado a dicha sala. 4. En modo manual a través del SCADA: es similar al caso anterior, pero desde el SCADA se pueden operar todos los equipos de la planta. Para las pruebas iniciales no es recomendable dar las órdenes a los equipos, uno a uno, desde el SCADA, salvo que se tenga una comunicación directa con los operadores que están observando la maniobra desde pie de equipo. Incluso cuando estas órdenes se dan durante la operación normal de la planta, es necesario tener la precaución de asegurarse de que no vamos a producir un accidente sobre el personal de operación o mantenimiento que está por la planta, ajenos a las órdenes que se estén dando. Tiene la ventaja de que desde el puesto central se visualizan las respuestas de cada equipo y del resto de los equipos asociados: marcha, parada, fallos, velocidad, nivel, grado de apertura, etc. 5. En modo semiautomático: las órdenes se dan desde el SCADA por medio de los cursores o del ratón. Estás ordenes no van dirigidas a un solo equipo, sino a todo un sistema o un subsistema de la planta. A través de una sola orden del operador se desencadena la puesta en servicio o la retirada de servicio de todo el sistema, siendo el PLC o Sistema de Control Distribuido el que se encarga de ejecutar las órdenes según un programa preestablecido. Por ejemplo, cuando hay que lavar un filtro, el operador decide retirarlo de servicio y mantenerlo fuera de servicio hasta que crea necesario proceder a su lavado, y posteriormente decida que vuelva a entrar en operación. En este caso el operador emite tres órdenes consecutivas, que pueden estar espaciadas en el tiempo lo que él decida más conveniente: retirada de servicio, lavado y puesta en servicio. En cada caso a la orden sigue la ejecución del programa que se encarga de abrir y cerrar válvulas y de poner en marchas los motores que intervengan en las diversas operaciones. Dentro del modo semiautomático se puede decidir que la operación se desarrolle en la modalidad de paso a paso. Este modo de operación es muy útil, sobre todo durante las pruebas, y también durante la puesta en servicio de sistemas complejos en los que intervengan varios subsistemas y se trate de programas secuenciales, que necesitan que se haya ejecutado completamente la secuencia anterior para permitir el paso a la ejecución de la secuencia siguiente. Por ejemplo, para lavar un filtro se han establecido cuatro pasos: vaciado parcial, lavado con aire, lavado con agua y llenado. En el sistema automático se ha establecido la duración de cada una de las etapas o pasos de lavado, de modo que cuando se ha pasado el tiempo establecido el programa pasa a la siguiente etapa. Si se decide lavar en la modalidad paso a paso, la duración del paso es la que quiera el operador, que mediante una orden indica al programa que pase a la etapa siguiente. La decisión de pasar a la etapa siguiente la toma el operador cuando se ha asegurado de que se ha realizado satisfactoriamente la operación previa.

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6. En modo automático: solamente es necesario establecer en el programa unas condiciones de partida y, siempre que se cumplan, el programa se encarga de desarrollar las acciones programadas. Por ejemplo, cuando un filtro se ensucia esta información es detectada por el programa, que se encarga primero de retirarlo de servicio, después de lavarlo, si es que en ese momento no se está lavando otro filtro, y al finalizar el lavado, vuelve a entrar en servicio. Esto mismo se podría aplicar a una planta de Ósmosis Inversa en la que hubiera tres líneas de producción, y el criterio de puesta en servicio o retirada de servicio de una o más líneas fuera en función del nivel de agua en el depósito de agua producto: cuando el nivel estuviera por debajo del 50% deberían estar en servicio las tres líneas; si estuviera por debajo del 80%, dos líneas, y entre el 80 y el 100% solamente una línea. Para operar en automático se exige que los equipos de detección y medida sean fiables y que haya un buen servicio de mantenimiento. 3.3. Categorías de sistemas de control Los sistemas de control de las plantas de tratamiento de agua actuales, con un poco de envergadura, están compuestos fundamentalmente por PLCs o por sistemas de control distribuidos, SCD. Antes de profundizar mas en los sistemas de control, haremos una clasificación de los mismos atendiendo a su grado de complejidad. Los sistemas de control se pueden estructurar en diversos niveles: 1º Nivel inferior. Formado por un PLC y los equipos que dependen directamente de él. La comunicación entre el PLC y los equipos de campo se hace a través de cables físicos que conectan las entradas y salidas analógicas o digitales con contactos eléctricos, o con transmisores de señal.

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2º El segundo nivel. Está formado por la red de PLCs. Cuando hablamos de PLC’s en realidad nos estamos refiriendo a un conjunto de PLCs, que están interconectados entre si a través de una red bus de comunicación. La información de un PLC puede ser utilizada por otro de la red sin que pase por el puesto central. Por ejemplo el caudal de agua bruta captado de un pozo puede utilizarse como señal de control para la dosificación proporcional de hipoclorito, estando controlados estos dos elementos por PLCs diferentes que están en red. El elemento físico que forma la red puede ser un cable de cobre o fibra óptica. La fibra es más cara, pero tiene la ventaja de que es inmune a los ruidos electromagnéticos que alteran las comunicaciones.

Dependiendo de la marca y modelo del PLC se utiliza un bus específico. En teoría serían interconectables entre sí diversas marcas de PLCs, para lo que habría que utilizar buses reconocidos como universales, Modbus, RS-485, Profibus, etc., pero la realidad es que aunque cada fabricante ha desarrollado un driver para la interconexión, durante las pruebas en planta hay que hacer muchas pruebas y consultas con los diversos fabricantes hasta que se logra establecer la compatibilidad. En la mayoría de los casos los resultados obtenidos son mediocres, no siendo posible el intercambio de la totalidad de la información que desearíamos. Teniendo en cuenta que la estancia en obra de un programador de redes resulta muy caro, lo aconsejable es que todos los PLCs de la planta sean del mismo fabricante, lo que es difícil, pues las plantas están compuestas por paquetes de equipos que vienen con su propio sistema de control estandarizado por el fabricante, siendo necesario adelantarse durante la fase de petición de oferta para asegurarnos de que van a poner el PLC que nosotros especifiquemos. Los fabricantes de paquetes son muy reacios a cambiar de marca de PLC, pues como son equipos modulares, muy repetitivos, ya tienen normalizados todos los componentes y cualquier cambio supondría un incremento de precio.

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3º En un nivel superior. Están los sistemas de control basados en PC, SCADA, o los sistemas de control distribuido, SCD, desde los que se monitoriza y se supervisa el funcionamiento de la planta. La comunicación entre el PLC y el PC que soporta el SCADA se suele hacer a través de una red Ethernet de cable o de fibra óptica. Estos sistemas representan en mímicos todo el proceso, dividiéndolo en partes que permitan la operación de la planta de la forma más sencilla y coherente posible. En cada mímico se representa una parte del proceso, por ejemplo la filtración, en la que aparecen todos los filtros de arena y los equipos auxiliares de lavado. Aparece reflejado el estado de cada uno de los componentes electromecánicos, motor en marcha, parado o en anomalía; válvula abierta o cerrada; equipo seleccionado como principal o en reserva; valor de las señales analógicas de campo en unidades de ingeniería o en porcentaje. A su vez, pinchando sobre el icono de un equipo se puede desplegar una ventana sobre la que podemos cambiar parámetros, consignas o conocer las horas de funcionamiento de un equipo, (las horas de funcionamiento que ha acumulado un filtro desde el último lavado), dar órdenes de marcha o parada a un equipo individual, en forma manual remoto. Se puede pasar, todavía, a un pantalla más detallada en la que vemos los controles comunes de los filtros y podemos dar orden de lavado de un filtro concreto y seguir detalladamente toda la operación de lavado con indicación de la operación que se está ejecutando, el tiempo transcurrido de la operación y el tiempo restante. Todos los paquetes SCADA disponen de herramientas muy potentes para desarrollar esquemas mímicos, dependiendo la calidad de los detalles de acabado y la forma de representación de la habilidad y experiencia del programador y del dinero que estemos dispuestos a gastarnos. Se pueden definir unas pantallas de emisión de órdenes, en las que se han diseñado unos pulsadores virtuales operables mediante el cursor o el ratón. Desde ellas se dan las órdenes de tipo general, por ejemplo puesta en servicio/retirada de servicio de cada una de las líneas de ósmosis. La parte inferior de la pantalla se suele destinar a representar las alarmas, que se reflejan en tiempo real. Hay pantallas destinadas a alarmas, en las que aparecen situadas en orden cronológico las alarmas que han aparecido en la planta, la hora en que han sido reconocidas por el operador y la hora en que se ha subsanado el fallo que ha originado la anomalía. Hay otras pantallas de eventos, en las que se registra la hora en que se ha producido cada cambio de estado, bien marcha/parada de un motor, apertura/cierre de una válvula o puesta en servicio/retirada de servicio de un sistema. Otras pantallas reflejan la variación en el tiempo de las señales analógicas de proceso, siendo factible la representación simultánea de varias curvas interrelacionadas entre sí, que nos pueden aportar una información muy interesante para analizar como interaccionan entre sí las variables del proceso.

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Otras pantallas sirven para acumular horas de funcionamiento de los equipos, siendo de gran ayuda para realizar labores de mantenimiento. También se puede acumular el consumo de reactivos, diario o mensual; el volumen de agua producido de forma global o por cada una de las líneas; el consumo eléctrico global, el consumo eléctrico especifico, etc. Se pueden elaborar informes diarios con los datos más representativos o de más interés para la explotación, o generar informes a petición del personal de operación o explotación. Los datos más importantes se pueden almacenar en una base de datos y pueden ser extraídos para tratarlos en un PC exterior, pues conviene destinar el PC de operación exclusivamente a esta función. En las plantas de ósmosis de agua de mar o de agua salobre que tengan dos o más líneas de tratamiento, conviene montar un sistema de control distribuido en lugar de un SCADA, aunque su funcionamiento es muy similar. Los sistemas de control distribuido SCD clásicos nacieron en los años 70 para controlar procesos industriales complejos, como eran las refinerías y grandes plantas químicas. Estaban orientados a controlar muchas señales analógicas y lazos de control. Tenían una herramienta poderosa para programar y configurar lazos de control. También controlaban señales digitales, pero su fuerte era el tratamiento de señales analógicas. Los PLCs nacieron también en los años 70, siendo su misión inicial tratar señales digitales mediante lógica programada, sustituyendo a la lógica cableada. Posteriormente, con el desarrollo de la electrónica, pasaron a tratar señales analógicas, a tener gran robustez y fiabilidad, a adquirir gran capacidad y rapidez de tratamiento de datos, a ejecutar algoritmos matemáticos complejos y a funcionar en red, comunicándose con otros PLCs y con PCs. Se desarrollaron paquetes informáticos de supervisión y control, que eran compatibles con todos los PLCs del mercado, y se fueron acortando las distancias entre los SCD y los sistemas basados en PLC + SCADA. La ventaja de los sistemas formados por PLC + SCADA es que son más baratos, los puede programar cualquier integrador que esté cerca de nuestra planta y, por tanto, nos pueda dar un buen apoyo de mantenimiento, mientras que la política de las empresas fabricantes y distribuidoras de los sistemas SCD es que no venden el hardware de forma independiente del software, sino que ellos mismos tienen que hacernos el desarrollo del programa de nuestra aplicación con sus propios programadores, lo que cuesta mucho dinero, y nos liga de por vida a esa empresa. En los últimos años las grandes empresas fabricantes de PLCs han desarrollado unos sistemas que se asemejan mucho a los antiguos SCD, como es el caso de Siemens con el sistema PCS7. Se basan en unos PLCs con CPUs muy potentes y en PCs desde los que se programa toda la aplicación de forma conjunta, programa de PLC y SCADA. Permiten formar redes Ethernet locales, redundancia de CPUs, redundancia de puestos de operación, tener un puesto de ingeniería para el mantenimiento, etc. La experiencia con estos sistemas es bastante buena, una vez que se han superados las dificultades iniciales que suelen aparecer cuando se lanza un producto de estas características.

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Sistemas de control redundantes Montar sistemas de control total o parcialmente redundantes significa aumentar la seguridad de operación. En una planta de Ósmosis Inversa es recomendable montar un PLC con dos CPUs, al menos en el PLC que controla las bombas de alta presión y los módulos de O.I. Pero no es necesario gastarse el dinero en PLCs puramente redundantes, los llamados tipo H, sino que esta redundancia puede ser más sencilla: cada CPU tiene su propia fuente de alimentación, las dos CPUs están siempre en tensión, tienen el mismo programa, están recibiendo toda la información del proceso de forma simultánea, sin embargo una de ellas es la que está controlando el proceso, enviando órdenes a los elementos que componen la planta, mientras que la otra está como muda, aunque no sorda. Si la CPU que está activa tiene un fallo, el proceso se para y es necesario que el operador active a la CPU que estaba en stand by, mediante una orden de teclado o mediante un conmutador físico. Es fácil reiniciar el proceso, pues las dos CPUs tienen el mismo programa y la misma información. Es recomendable que cuando se haga una parada de la planta para labores de mantenimiento el operador conmute las CPUs, para que funcionen de forma alternativa. En circunstancias normales es difícil que se averíe una CPU en menos de dos años de operación. Una parada por fallo de CPU tiene la misma gravedad que la parada producida por un fallo de tensión en la red eléctrica general. Seguramente que en dos años vamos a tener más de un fallo de red eléctrica. No es recomendable tener una CPU de repuesto en una estantería, sin montar, pues en caso de fallo habría que conectarla y programarla de nuevo. En teoría esta labor la podría realizar personal especializado de planta, pero la realidad es que cuando sucede una avería termina yendo a obra el técnico de la empresa que hizo el programa. Si no se dispone de CPU de repuesto, la cosa empeora, pues los plazos de entrega no suelen bajar de una semana. Lo mismo sucede con el puesto de control: es recomendable tener un puesto redundante, pues si cae un PC podemos operar desde el otro. Pero si solo tenemos un puesto de control y cae el PC, durante el tiempo que pase entre la carga del programa en otro PC, labor que debe ser realizada por un especialista, la planta queda en estado inoperable, pues es impensable poner en servicio en modo manual local una planta de Ósmosis inversa. Un elemento imprescindible en cualquier sistema de control es una SAI para alimentar los PLCs, los PCs y los SCD, pues las oscilaciones y las sobretensiones de la red eléctrica y los microcortes producen paradas del sistema, que hacen necesario su reinicio y dañan los componentes, produciendo un envejecimiento prematuro.

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3.4. Arquitectura de un sistema de control distribuido y equipos que lo componen Partiendo del ejemplo de una planta de última generación, pasamos a describir los distintos componentes de sistema de control de la misma.

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Los equipos necesarios, que intervienen en el control del conjunto de los procesos, son los siguientes: 1º nivel: equipos de campo (válvulas, bombas, instrumentación y equipos en general). La conexión de las señales de campo se realiza a través de periferia distribuida mediante cabeceras con bus de campo que se conectan a equipos I/O y módulos de E/S con la funcionalidad de campo que sea precisa en cada punto. Los sensores, actuadores e instrumentos de la planta se conectan a los equipos I/O que componen cada armario. Los módulos de E/S dañados se pueden retirar y sustituir sin que dejen de funcionar el resto de señales. 2º nivel: estaciones remotas entradas/salidas. Las entradas / salidas del proceso, tanto las analógicas como las digitales, se integran en el sistema de Control por medio de módulos de E/S extraíbles en caliente [funcionalidad Hot Swap] sin que se interrumpa el funcionamiento de la comunicación con el resto de los módulos conectados a un mismo elemento de control. El control descentralizado de las zonas de la planta se realiza por medio de equipos de E/S distribuidos. 3º nivel: Controladores Lógicos Programables (PLC´s). Los autómatas realizan el control global de la desaladora y los equipos distribuidos del tipo Punto I/O realizan los controles en las distintas zonas de la planta: •

Captación y Bombeo de Agua de Mar.

•

Desalación: Compuesta de Filtración.

•

Pretratamiento, Osmosis inversa, etc.).

ControlLogix de Rockwell

Para el control del proceso de la planta, debido a la gran cantidad de señales a controlar y para asegurar la flexibilidad ante cambios de programación de las secuencias de funcionamiento de los sistemas implicados, se eligen autómatas redundantes.

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4º nivel: estaciones de operación (PC´s, SCADA, sinópticos, pantallas de visualización, ordenadores de gestión, etc.). ESTACIONES DE OPERACIÓN Las principales actuaciones que se podrán llevar a cabo desde las Estaciones de Operación son las siguientes: •

Mando y control de los equipos individuales o grupos funcionales: Chequeo, arranque, parada normal, parada inmediata, permiso local...

•

Monitorización de señales analógicas y digitales.

•

Interface con gráficos interactivos y diagramas de barras.

•

Parametrización y recalibrado de las variables del proceso.

•

Acceso a pantallas basadas en menús y estructuradas de forma jerarquizada, desde un sinóptico general de Planta hasta fichas de máquina individuales.

•

Disponer curvas de tendencias.

•

Registro secuencial de sucesos.

•

Registro Histórico de variables analógicas y digitales.

•

Display de Alarmas y su tratamiento: Alarma, aviso fallo, estado.

•

Impresión de partes, informes, ...

Las Estaciones de Operación dispondrán como mínimo de las siguientes prestaciones: •

Placa Base Intel Core Duo a 2,8 GHz.

•

1 GB de Memoria RAM.

•

250 GB de Disco Duro.

•

Teclado de 102 Teclas y Ratón Óptico.

•

Tarjeta gráfica SVGA.

•

Monitor TFT de pantalla plana de 19”.

•

Interfaz Fast Ethernet RJ-45.

•

Lector grabador CD-Rom y DVD RW.

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ESTACIÓN DE INGENIERÍA Disponen de prestaciones similares a las Estaciones de Operación y tiene cargado un Software de Desarrollo desde el que se pueden llevar a cabo, entre otras, las siguientes funciones: •

Carga de sistemas operativos y software de aplicación.

•

Configuración de los propios puestos de operación.

•

Configuración y modificación «On line» de los algoritmos de control en la memoria de los Controladores.

•

Reconfiguración dinámica o en operación.

•

Sincronización de los parámetros de control.

•

Recuperar datos históricos de proceso.

•

Grabar datos de los módulos.

•

Mantenimiento del software.

SCADA [Supervisory, Control And Data Adquisition] Las características operativas de un Scada son las siguientes: •

SCADA para monitorización y control de máquinas y procesos.

•

Permite realizar aplicaciones de automatización a medida del Cliente fiables y seguras con disposición de todo tipo de pantallas y diagramas de bloques gráficos.

Con ello se consigue una adaptabilidad total a las necesidades del Cliente y a la funcionalidad requerida. •

Es un software HMI que soporta una arquitectura distribuida a lo largo de múltiples servidores y clientes.

•

Integra el software de Microsoft Visual Basic con lo que Dispone de Librerías y Drivers software que permiten la integración de aplicaciones gráficas desarrolladas para Visual Basic.

•

La Interface HMI es atractiva, intuitiva y fácil de operar a través de ventanas. Las selecciones de los gráficos, las acciones de control se programarán y diseñarán de forma ergonómica para que requieran el mínimo número de pulsaciones.

3.5. Desarrollo de la lógica de control de la planta o criterios de funcionamiento y operación Los pasos que se siguen en el diseño de una planta de Ósmosis Inversa son los siguientes: 1. El procesista define la línea de tratamiento que se va a establecer para obtener agua osmotizada a partir de agua salobre o de agua de mar. Define los distintos pasos del proceso, los caudales, los productos a dosificar, los parámetros a controlar. Toda esta información da lugar al P&ID, Diagrama de Proceso e Instrumentación. — 53 —

2. Con estos datos un especialista en hidráulica hace el diseño de tuberías; un especialista mecánico hace el diseño de los recipientes a presión y la elección de los accionamientos; un especialista eléctrico define todos los equipos eléctricos, desde los centros de transformación, los cuadros de fuerza, los cables y accionamientos; un especialista en instrumentación elige los instrumentos más adecuados para el control fijado por el procesista. 3. Con la participación del procesista, del eléctrico y del instrumentista se define el documento llamado «Lógica de operación de la planta» o «Criterios de funcionamiento y operación de la planta». Este documento está siempre apoyado y referido al P&ID. En este documento se define como se va a operar cada uno de los componentes electromecánicos de la planta, qué órdenes se van a emitir desde el sistema de control, que información se va a recibir en el sistema de control, los enclavamientos de cada equipo, los rangos de los instrumentos, los valores de las consignas fijas, los lazos de control, las consignas variables manuales y/o automáticas. 4. Con este documento y el listado de direccionamiento de las señales a PLC o al Sistema de Control Distribuido, un especialista en programación de PLCs realiza el software o programa de PLC, y un especialista en sistemas de supervisión realiza el programa del SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition). Este es el documento básico que tiene que generar el procesista, junto con el eléctrico, el instrumentista y el programador del sistema de control. En el se define la forma en la que las instalaciones tienen que funcionar, las alarmas que se tienen que generar, los enclavamiento de las distintas máquinas y disparos de las misma para preservar a los equipos de averías. Desde un punto de vista esquemático, este documento tiene que contener como mínimo lo siguiente: •

Diagramas de flujo o P&ID.

•

Equipos controlados por el sistema.

•

Criterios de funcionamiento.

•

Lazos de control.

•

Listado de alarmas-Informes.

•

Pantallas de control.

Diagramas de flujo o P&ID Representan la línea de tratamiento de forma esquemática, especificándose los equipos e instrumentos que forman parte del proceso. Se elabora una codificación de cada uno de los elementos del proceso con incidencia en el mismo, asignando un código o TAG que identifique de manera inequívoca a cada uno de ellos.

— 54 —

Equipos controlados por el sistema Se elabora un listado de maquinaria, valvulería e instrumentación donde aparece la descripción del equipo, su función dentro del proceso y el código asignado. Además se indica también las señales de entrada al sistema de control y las señales de salida del sistema de control requeridas. Criterios de funcionamiento En este apartado se realiza una memoria descriptiva proceso a proceso, indicando como se quiere que funcione cada elemento y cada uno de los procesos unitarios. Para cada proceso, como por ejemplo la captación y bombeo de agua de mar, se define: 1º Los elementos que forman parte del proceso. •

Los equipos que intervienen.

•

Las válvulas que forman parte del proceso.

•

La instrumentación de este proceso.

2º La forma de operar los equipos. •

En modo manual a través de dispositivo físico.

•

En modo manual a través de PLC.

•

En modo manual a través de terminales de operación.

•

En modo manual a través del SCADA.

•

En modo semiautomático.

•

En modo automático.

3º Procedimiento de funcionamiento y de arranque y parada de equipos. •

Enclavamientos.

•

Secuencia de arranque.

•

Secuencia de parada.

•

Disparos de equipos.

•

Lazos de control.

4º Alarmas a generarse.

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Lazos de regulación 1º Definición de los lazos de regulación •

PID de captación de agua de mar.

•

PID del bombeo de agua a pretratamiento.

•

PID´s de dosificación de reactivos.

•

PID de la válvula de drenaje de agua microfiltrada.

•

PID de regulación de la bomba booster de recuperadores.

•

PID de la válvula de descarga de salmuera de recuperadores.

•

PID del caudal de agua producida por los bastidores de O.I.

•

PID de los sistemas de remineralización.

•

PID del bombeo de agua producto.

5. Definición de los parámetros configurables en el SCADA. Se definen para cada unos de los lazos de regulación o PID qué valores hay que introducir en el SCADA como parámetros configurables. Listado de alarmas Se elabora el listado de alarmas que se quieren recibir de los elementos de campo y la forma de transmisión de las mismas a través del SCADA al operador del sistema. Informes Se definen que informes del seguimiento de la operación de planta, maquinaria, consumo de reactivos..., debe de preparar el sistema. Pantallas de control El procesista, eléctrico y programador del sistema van definiendo la forma de visualizar el proceso de la desaladora en las distintas pantallas de control a generar. A modo de ejemplo se presentan algunas pantallas del sistema de control de una instalación desaladora de agua de mar.

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4. PROGRAMAS El software SCADA es aquél que permite ver en una pantalla el esquema de una instalación controlada por autómatas y sobre ésta se reflejan los valores clave y se pueden variar las consignas. Los programas de supervisión y control de las instalaciones, denominados SCADA (Supervisory, Control And Data Adquisition], tienen como cometido la monitorización y control de máquinas y procesos, realizar aplicaciones de automatización a medida de las necesidades fiables y seguras con disposición de todo tipo de pantallas y diagramas de bloques gráficos y soportar una arquitectura distribuida a lo largo de múltiples servidores. Integran un software que permitan disponer de librerías y drivers software que permiten la integración de aplicaciones gráficas. Opera con todos los PLC´s de las instalaciones. Dependiendo del fabricante o suministrador de los equipos de control, básicamente los PLC´s, se emplea en la automatización un programa u otro. A continuación se dan algunas características de los que con mayor frecuencia se emplean en nuestro sector de desalación. SIMATIC PCS 7 de SIEMENS ofrece uno de los sistemas de control de procesos más flexible y potente del mercado, para un manejo y supervisión integrables de los procesos. Gracias a su innovadora arquitectura de sistema, SIMATIC PCS 7 se puede implementar fácilmente en cualquier planta y utilizarse durante todo el ciclo de vida con una máxima eficacia. SIMATIC PCS 7 es completamente escalable y permite la automatización de pequeños laboratorios, soluciones de lotes completas, así como de instalaciones complejas con hasta 60.000 puntos C&I. Además, SIMATIC PCS 7 ofrece una amplia gama de soluciones de parametrización y de software de diagnóstico potentes, así como un sistema de ingeniería central. De este modo, no sólo aumentamos la eficacia y la transparencia de todos los procesos, sino que también facilitamos la integración de la seguridad positiva y la redundancia en cada nivel. Y si quiere asegurar el futuro de sus instalaciones, puede trasladar sus procesos al siguiente nivel de eficacia con nuestras estrategias de migración individuales. Control Builder AC500 de ABB es la herramienta de ingeniería para todas las clases de rendimiento de la CPU del AC500, diseñada para la programación normalizada IEC 61131-3 en cinco lenguajes diferentes. Otras características de esta herramienta son: Configuración del sistema global, incluidos buses de campo e interfaces, funciones de diagnóstico extensivo, manipulación de alarmas, visualización integrada e interfaces de software abiertas. Programación en conformidad con IEC 61131-3 Además del hardware adecuado, es indispensable una herramienta de ingeniería conveniente de alto rendimiento y de fácil manejo para una sencilla planificación, programación, comprobación y puesta en marcha de una aplicación de automatización. AC500 Control Builder ofrece las siguientes funcionalidades: •

Cinco lenguajes de programación normalizados: Diagrama de Bloque de Funciones (FBD, Function Block Diagram), Lista de Instrucciones (IL, Instruction List), Diagrama de contactos (LD, Ladder Diagram), Texto Estructurado (ST, Structured Text), Gráfico de Funciones Secuenciales (SFC, Sequential Function Chart). — 65 —

•

Gráfico de funciones contínuas (CFC).

•

Funciones de depuración para la prueba de programa: - Paso simple. - Ciclo simple. - Punto de interrupción.

SCADA RSView de Rockwell RSView®32™ es un HMI integrado, componente-basado para las máquinas de supervisión y que controlan los procesos de la automatización. RSView32 está disponible en inglés, chino, francés, alemán, italiano, japonés, portugués, coreano, y español. RSView32 amplía su opinión con las tecnologías abiertas que proporcionan conectividad sin precedente a otros productos de software de Rockwell, productos de Microsoft, y usos de tercera persona. InTouch 10.0 de Wonderware El solftware In Touch 10.0 incluye: •

Capacidades gráficas ArchestrA de resolución independiente.

•

Versatilidad y facilidad de uso.

•

Símbolos gráficos ArchestrA independientes con scripting y conectividad integrados.

•

Capacidades de animación gráficas.

•

Control total con el Wondeware.

•

Escalabilidad de un simple nodo a supervisiones del proceso de toda una planta.

•

Librería completa de símbolos, gráficos y cubiertas pre-construidas.

•

Características operacionales que proveen visualización clara, ordenada, precisa y fascinante.

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Martes 16 de junio de 2009

Materiales de los equipos de desalación GARCÍA ARROYO, PEDRO

Materiales de los equipos de desalación  GARCÍA ARROYO, P..; [Director Construcción Nacional, ACCIONA Agua]

ÍNDICE • Introducción General • Corrosión y Presión • Equipos Alta Presión. Acero Inoxidable • Equipos Baja Presión. Plásticos • Filtros de arena y cartuchos • Depósitos y Otros Equipos • Fotografías

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INTRODUCCIÓN GENERAL Medio de trabajo: Agua de mar Concentración media en NaCl ~ 33gr/l equivalente a 20.000 mg/l de Cl-. ¿Que propiedades se necesitan? 1. Resistencia a la corrosión. 2. Propiedades mecánicas. 3. Estabilidad de precios y buena disponibilidad. •

LOS MATERIALES UTILIZADOS EN LOS EQUIPOS INSTALADOS EN LAS DESALADORAS DE AGUA DE MAR DEBEN SER APTOS PARA SOPORTAR LA CORROSION Y LA PRESION A LA QUE ESTAN SOMETIDOS.

•

SIEMPRE QUE LAS CONDICIONES DE TRABAJO LO PERMITAN (PRESION, TEMPERATURA) SE OPTARA POR MATERIALES PLASTICOS MAS ECONOMICOS Y CUANDO ESTO NO SEA POSIBLE HABRA QUE UTILIZAR ACEROS INOXIDABLES DE MUY ALTA CALIDAD.

•

EN GENERAL LA SELECCIÓN DEL MATERIAL DEL EQUIPO SE REALIZA POR CONSIDERACIONES ECONOMICAS.

CORROSIÓN

—3—

•

La corrosión es definida como el deterioro de un material a consecuencia de un ataque electroquímico por su entorno. De manera más general puede entenderse como la tendencia general que tienen los materiales a buscar su forma más estable o de menor energía interna. Siempre que la corrosión esté originada por una reacción electroquímica (oxidación), la velocidad a la que tiene lugar dependerá en alguna medida de la temperatura, de la presión, la salinidad del fluido en contacto con el metal y las propiedades de los metales en cuestión. Otros materiales no metálicos también sufren corrosión mediante otros mecanismos.

Tipos de Corrosión Corrosión Generalizada Actúa de forma uniforme en toda la superficie del material y se debe a la disminución de la capa de pasivación de oxido de cromo (10 a 20 nm). Corrosión Localizada • Intergranular: Ataca a los aceros austeniticos serie (300) expuestos a altas temperaturas durante las soldaduras, al formarse carburos de cromo empobreciendo las zonas limítrofes de este elemento. • Pitting: Es el ataque localizado (picaduras) que penetra en el material, se produce por la rotura de la capa de pasivación en zonas puntuales, es la mas común. • Galvanica: Se produce en contacto con otro material de distinto potencial de oxidación, el acero inoxidable actúa como cátodo, se puede dar en todos los aceros inoxidables. • Stress corrosión cracking (bajo tensión): Es la menos común, se encuentra en pequeñas zonas expuestas a tensión. • Crevice corrosión (corrosión por grietas): Se produce en las líneas de soldadura al contacto con algunos ácidos (nítrico en caliente).

—4—

PRESIÓN • A los efectos de la presión a la que están sometidos los materiales de una desaladora estos se pueden clasificar en: - Baja Presión, aquellos materiales sometidos en general a presiones inferiores a 5 Kg/cm2, instalados antes de la bomba de alta presión. - Alta Presión, aquellos materiales sometidos a presiones superiores a los 5 Kg/cm2, en su mayoría aguas debajo de la bomba de alta presión. Esquema Desaladora

—5—

MATERIALES ALTA PRESIÓN. ACEROS INOXIDABLES Acero Inoxidable Aleación ferrosa con contenido en cromo (Cr) superior al 11%. Clasificación Aceros Inoxidables • Martensiticos: Contenido de Cr entre 12 y 14% y C entre 0,10 y 0,35% admiten temple y se pueden magnetizar. Los mas comunes serie 400, se usan en fabricación de pernos, tuercas y piezas mecanizadas. • Ferriticos: Contenido en Cr entre 15 y 30% y C 0,1% no se pueden tratar térmicamente, son magnéticos, con baja resistencia mecánica, blandos y frágiles, se usan en decoración, mobiliario, cocinas, revestimiento. • Austeniticos: Son aceros al Cr Ni con contenido de Cr18% y Ni8%, C0,08%, los mas resistentes a la corrosión, no admiten tratamiento térmico, buenas características mecánicas a lata temperatura, se usan en hornos, calderas e instalaciones industriales, no son magnéticos. • Duplex: Son aceros Austeno-Ferriticos con aleación de Fe, Cr entre 20 y 25%, Ni entre 3 y 6% y Molibdeno Mo de 40.

—6—

Propiedades Mecánicas Aceros Inoxidables

Propiedades Aceros Inoxidable frente a la corrosión • Para medir la resistencia de un acero inoxidable ante la corrosión por picadura (pitting) se utiliza el numero PRE (Pitting Resistence Equivalent). • El número PRE se define de distintas maneras según el tipo de acero. - Para aceros Ferriticos: PRE = % Cr + 3,3x%Mo. - Para aceros Austeniticos y Dúplex: PRE = %Cr + 3,3x%Mo + kx%N. - Para Austeniticos y Dúplex con Tungsteno: PRE = %Cr + 3,3x%Mo + 1,65x%W + Kx%N 10≤K≤30.

—7—

Nº PRE Aceros Inoxidables

Acero Inoxidable – Cl- – Temp.

—8—

ZERON 100

Materiales Baja Presión. Tubos de policloruro de vinilo no plastificado (PVC-U) •

Los tubos de PVC tienen la condición de termoplásticos y están normalizados por la UNEEN 1452:2000.

•

El diámetro nominal (DN) se refiere al diámetro exterior (OD), para un mismo DN los tubos se pueden fabricar con distintos espesores, que se obtienen modificando el diámetro interior (ID) y manteniendo fijo el diámetro exterior (OD).

•

Serie (S). Es un parámetro adimensional que permite clasificar los tubos. Se define como la relación del radio medio teórico (rm ) y el espesor nominal (e).

•

Relaciones de dimensiones estándar (SRD), es la relación entre el diámetro nominal (DN) y el espesor nominal (e), SDR y S se relacionan según la expresión siguiente.

—9—

•

Los posibles valores de S y SDR figuran en la norma ISO 4065:1996.

S

20,0

16,0

13,3

12,5

10,5

10,0

8,3

8,0

6,3

5,0

4,0

3,2

SDR

41,0

33,0

27,6

26,0

22,0

21,0

17,6

17,0

13,6

11,0

9,0

7,4

Materiales Baja Presión. Tubos de policloruro de vinilo no plastificado (PVC-U) •

La rigidez circunferencial especifica (Sc), es una característica mecánica que representa la rigidez a flexión transversal por unidad de longitud del mismo a corto (So) o a largo plazo (S50) y se define mediante la expresión.

•

Donde Sc es la rigidez circunferencial especifica, en N/mm2.

•

E es el modulo de elasticidad a flexión circunferencial, en N/mm2.

•

I momento de inercia de la pared del tubo por unidad de longitud (I=e3/12, en mm3).

•

e espesor nominal de la pared del tubo en mm.

•

E.I factor de rigidez transversal, en N x mm.

•

Dm diámetro medio teórico del tubo (Dm =DN-e), en mm.

•

Rigidez nominal (SN), es un valor que coincide aproximadamente con la rigidez circunferencial especifica a corto plazo (So), expresada en kN/m2. Rigidez nominal en los tubos de PVC-U (ENV 1452-6:2001) S 20 (SDR 41)

S 16,7 (SDR 34,4)

S 16 (SDR 33)

S 12,5 (SDR 26)

S 10 (SDR 21)

S8 (SDR 17)

S 6,3 (SDR 13,6)

S5 (SDR 11)

So (kN/m2)

3,9

6,7

7,6

16

31,3

61

125

250

SN (kn/m )

4

8

-

16

32

-

-

-

2

— 10 —

Materiales Baja Presión. Tubos de policloruro de vinilo no plastificado (PVC-U) •

La presión nominal PN es el valor que coincide con la presión de diseño DP en utilización continuada durante 50 años a la temperatura de servicio de 25º, para otras temperaturas la PN será la resultante de dividir por el factor de corrección, Fc indicado en la tabla DP (PFA=PN.Fc).

Materiales Baja Presión. Tubos de polietileno (PE) •

Los tubos de polietileno tienen la condición de termoplásticos y están normalizados en normas UNE hasta 1.600 mm de DN y presiones de 2,5 N/mm2, son ligeros, tienen baja rugosidad, ausencia de incrustaciones, resistentes a la corrosión y muy susceptible al calor (coef. Dilatación de 0,22 mm/m y ºC).

•

Han sufrido un fuerte desarrollo pasando de un limite inferior de confianza (LCL) de 4N/ mm2 en los años 1960 (PE40) a un (LCL) de 8N/mm2 en los años 80 con el (PE80) y a un LCL superior a 10N/mm2 en los años 90.

— 11 —

Materiales Baja Presión. Tubos de policloruro de vinilo con orientación molecular (PVC-O) •

Los tubos de PVC-O tienen la condición de termoplásticos, habitualmente se utilizan en el rango de diámetros pequeños (menores de 400mm) y presiones de hasta 2N/mm2.

•

La tecnología de fabricación se basa en la reorientación en sentido circunferencial de las moléculas, de forma que se crea una estructura laminar en la pared del tubo gracias a la que se mejoran notablemente las características físicas y mecánicas, con una elevada resistencia.

•

Hay poca normativa, priso 16422- 4:2000.

•

No hay piezas especiales de PVC-O por lo que se han de emplear de otro material como fundición.

— 12 —

Materiales Baja Presión. Tubos de poliéster reforzado con fibra de vidrio (PRFV) •

Los tubos de PRFV son de tipo heterogéneo, formados por una resina de poliéster, fibras de vidrio, y cargas estructurales, están normalizados por UNE 53323:2001EX hasta DN2.400mm y presiones de 3,2N/mm2.

•

En los tubos de PRFV el DN se refiere aproximadamente al diámetro interior (ID), aunque los tubos pueden ser fabricados bajo las serias A y la B.

•

Para un valor de DN, en la serie A los aumentos de espesor se obtienen por aumento del diámetro exterior (OD) permaneciendo fijo el diámetro interior (ID), mientras que en la seria B ocurre lo contrario el OD es fijo y varia el ID, pero en ambas series la designación genérica DN se refiere al interior.

•

Para la serie B además existen cuatro subseries: B1, B2, B3 y B4, la B1 es una serie genérica mientras que la B2, B3 y B4 tienen unas dimensiones tales que los tubos sean compatibles, respectivamente, con accesorios de fundición (según ISO 2531:1998), de PVC (según ISO 161-1:1996) o de acero (según ISO 4200:1922).

Filtros de arena y cartuchos •

Los filtros de arena, cerrados, a presión, suelen trabajar a presiones máximas de 6 a 8K/cm2.

•

Dadas sus dimensiones (entre 2 y 4 m de Ø) para las presiones de trabajo, se deben construir con espesores de virola y fondo entre 10 y 20 mm lo que impide su fabricación en aceros inoxidables dado su alto coste.

•

Los filtros de arena normalmente se fabrican en acero al carbono revestidos interiormente por una capa de ebonita de 3 o 4 mm de espesor. El excesivo espesor de sus paredes imposibilita la construcción con materiales plásticos. — 13 —

•

En la actualidad se están empezando a construir algunos filtros en poliéster y fibra de vidrio para estudiar su comportamiento.

•

Los filtros de cartuchos al ser de menor diámetro necesitan menores espesores de pared y se construyen tanto de PRFV como de acero revestido de ebonita e incluso de aceros inoxidables.

Depósitos de reactivos, agua de desplazamiento y otros equipos •

Los depósitos para almacenamiento de reactivos y agua de desplazamiento y lavado de membranas se fabrican normalmente en Poliéster y fibra de vidrio (PRFV) u otros materiales plástico, salvo que el reactivo a almacenar sea incompatible como sucede con el almacenamiento del ácido sulfúrico, para el que se utiliza acero al carbono.

•

Los pequeños depósitos de reactivos con volumen inferior a 2m3 se fabrican en gran variedad de materiales plásticos.

•

Los silos de almacenamiento de cal para la remineralización se fabrican el acero al carbono.

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Miércoles 17 de junio de 2009

Operación de instalaciones desaladoras ORDÓÑEZ FERNÁNDEZ, ANTONIO

Operación de instalaciones desaladoras  ORDÓÑEZ FERNÁNDEZ, A.; [Ingeniero industrial, Jefe departamento desalación, OHL Medio Ambiente Inima]

ÍNDICE 1. Esquemas básicos de instalaciones 2. La regulación conjunta del sistema • Lazos de control principales y su interrelación. Variables a controlar 3. Los transitorios hidráulicos en la operación • Transitorios originados durante el arranque. Los problemas en el arranque • Transitorios originados por disparos o paradas • Transitorios originados por lavados de filtros y bastidores, reposición de cartuchos 4. El problema del ensuciamiento y el efecto de la temperatura. Comportamiento del sistema 5. Problemas en elementos específicos de la instalación • El aire en las instalaciones • Válvulas de macho, retención y válvulas de control • Filtros de arena y cartuchos • Variadores de velocidad • EL sistema de aire comprimido

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1. ESQUEMAS BÁSICOS DE INSTALACIONES Pretratamiento

•

•

Sistemas con rotura de carga o bombeos intermedios. -

Decantación.

-

Flotación.

-

Filtración por gravedad.

-

Ultrafiltración de membranas sumergidas.

Sistemas sin rotura de carga o de bombeo directo. -

Trenes de Ósmosis

Filtros a presión.

•

Sistemas mixtos.

•

Líneas independientes.

•

Líneas en colector común de alimentación a bastidores.

•

Líneas en colector común de alimentación y rechazo de bastidores.

Sistemas con rotura de carga o bombeos intermedios

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Sistemas sin rotura de carga o de bombeo directo

Trenes de ósmosis. Líneas independientes. (Turbinas de recuperación)

—4—

Trenes de ósmosis. Líneas independientes. (Sistemas de intercambio de presión)

Trenes de ósmosis. Líneas en colector común. (Sistema con turbina de recuperación)

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Trenes de ósmosis. Líneas en colector común. (Sistemas de intercambio de presión. [SIP])

2. LA REGULACIÓN CONJUNTA DEL SISTEMA. VARIABLES A CONTROLAR Variables a controlar en una desaladora para salinidad del agua bruta constante: Caudal de permeado

Para una superficie de membranas por bastidor determinada, el ratio. caudal permeado l/h = flujo específico o «flux» Parámetros críticos

Parámetros perturbadores

superficie de membranas m» es un valor cuyo máximo lo establece el fabricante de las membranas en sus condiciones de garantía. • Flujo específicos mayores cuando la calidad del agua pretratada es buena (SDI < 3). • Flujo específicos menores cuando la calidad del agua pretratada es peor (SDI > 3). El caudal de permeado se ve afectado por dos parámetros fundamentales. El ensuciamiento de las membranas y la temperatura del agua de alimentación al bastidor.

—6—

Caudal de rechazo

Parámetros críticos

Para una superficie dada de membranas, el caudal de rechazo en la última membrana es un valor mínimo determinado por el fabricante para asegurar un barrido turbulento del concentrado salino. • A veces en lugar del caudal de rechazo se utiliza la conversión del sistema. Qp

C=

Qp + Qr Parámetros perturbadores

Qp = caudal permeado Qr = caudal rechazo

El caudal de rechazo se ve afectado por el ensuciamiento de membranas (presión diferencial del bastidor) y del caudal de permeado.

La presión del colector de aspiración de las bombas de Alta Presión

Parámetros críticos

Parámetros perturbadores

La presión de aspiración de las bombas de alta presión debe ser un valor siempre mayor que NSPH requerido de la bomba.

La presión de aspiración de las bombas de alta presión se ve afectada por el «grado de colmatación» o la efectividad del sistema de pretratamiento (elementos aguas abajo), y el ensuciamiento del bastidor y temperatura del agua de alimentación (aguas arriba).

Caudales de dosificación química En general los caudales de dosificación química en pretratamiento y postratamiento son proporcionales a los caudales de agua a tratar, de acuerdo con la siguiente expresión.

q = caudal de dosificación. D = dosis de diseño del producto puro. R = riqueza del producto comercial. C = concentración de la disolución. δ = densidad de la disolución preparada del producto comercial. Q = caudal a tratar.

—7—

Influencia del nº de unidades en servicio

Caudal de filtración Consideraciones previas en los sistemas de filtración en paralelo (filtros multimedia y filtros de cartuchos).

—8—

Influencia del nº de unidades de bombeo de pretratamiento en servicio

Curva característica de una bomba:

Para «N» bombas en paralelo:

—9—

Gráfica presión - caudal (sistema BAM - filtros)

Conclusiones •

Cuanto mayor sea el nº de filtros en servicio, menor es la influencia de las variaciones del caudal de filtración sobre la presión. Es decir, con mayor nº de filtros instalados, el sacar filtros fuera de servicio para limpieza y su posterior puesta en servicio, se incrementa la estabilidad de regulación del sistema.

•

Cuanto mayor sea el número de bombas de agua de mar en servicio, menor es la influencia del caudal de bombeo sobre la presión.

Lazos de regulación (sistema convencional)

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Lazos de regulación (con sistema de intercambio de presión S.I.P.)

Lazos de regulación. El lazo de presión de aspiración de las B.A.P.

— 11 —

Comentarios a los lazos de regulación •

Siempre que el proyecto lo permita es más eficiente la utilización de variadores de velocidad para las bombas de alta presión. El lazo de regulación en este caso estaría formado por el variado{ de velocidad de la bomba de alta presión, como elemento de control y el caudal de permeado como variable a controlar.

•

En instalaciones con bombas de alta presión de gran capacidad con elevados requerimientos de NSPHr, se instala un bombeo independiente para la alimentación en baja presión del SIP. De esta forma se evita romper carga más de la necesaria en la válvula de regulación de descarga de salmuera.

3. TRANSITORIOS HIDRÁULICOS EN LA OPERACIÓN Se entiende por transitorio la situación de desequilibrio creada en el sistema por una perturbación brusca que actúa sobre el mismo. 3.1. Transitorios originados durante el arranque Condicionantes en el arranque •

La rampa de elevación de presión en bastidores debe limitarse para preservar las membranas del efecto «telescoping».

•

Se debe limitar el tiempo de arranque del motor de la B.A.P. para evitar mantener altas intensidades durante el período de aceleración del motor-bomba. Selección del grado de apertura de la válvula de impulsión de la B.A.P.

•

Se debe compensar el descenso de presión en el colector de aspiración de las B.A.P. originado por la succión de arranque con el sistema de bombeo de agua de pretratamiento. Tradicionalmente, hay dos formas de realizar esta compensación: A) Con válvula de regulación de presión en el colector de aspiración de las B.A.P. B) Con variadores de velocidad en las bombas de agua de mar carie controlen la presión de aspiración del colector de las B.A.P.

Nota. No se recomienda la compensación de presión ron el arranque directamente de las B.A.M Sólo en instalaciones que requieran reducida presión en la aspiración de las B.A.P. y las curvas características de las B.A.M. sean relativamente planas.

— 12 —

•

El arranque de un tren con uno o varios trenes en servicio. Durante el arranque se producen perturbaciones tanto en los trenes en servicio corno en el tren que se está arrancando. Es muy recomendable tener activos (en automático) los lazos de control de los trenes en servicio, antes de arrancar un nuevo tren. Estas perturbaciones se van mitigando conforme el nº de trenes en servicio es mayor. Sucede algo similar a lo establecido entre el bombeo de agua de mar y el sistema de filtración.

3.2. Transitorios originados por disparos o parados Como en el caso del arranque, las perturbaciones originados por disparos del tren de alta presión o (as bombas de agua de mar se verá mitigados por el nº de trenes que baya en servicio. La parada de un tren (B.A.P.) debe provocar la parada de la B.A.M. que corresponda o la reducción del nº de revoluciones del variador o la apertura de la válvula de drenaje del colector de aspiración de la B.A.P. 3.3. Transitorios originados por lavados de filtros, bastidores o reposición de filtros de cartucho Las operaciones de lavados de filtros y reposición de cartuchos en los filtros de cartuchos son actividades que se realizan con cierta frecuencia, manteniendo la producción de la instalación desaladora. No sucede lo mismo con los bastidores de membranas cuya limpieza exige la parada de producción del bastidor afectado. Reposición de cartuchos Se aísla el equipo cerrando sus válvulas entrada-salida. Esta operación conlleva un cierto incremento de presión en el sistema que será menor cuanto mayor sea el nº de filtros de cartuchos en servicio. Si el sistema está con los lazos de regulación en automático y la maniobra de aislamiento se hace despacio, el sistema se posicionará en un nuevo punto de equilibrio caracterizado por: •

Una apertura mayor de la válvula de control de permeado.

•

Un grado de apertura mayor para el caso, tanto de sistemas de recuperación de energía con turbinas como con S.I.P.

Para la puesta en servicio sucede lo contrario a lo anterior, si bien en este caso es esencial verificar que se ha eliminado por completo el aire en la instalación.

— 13 —

Lavado de filtros multimedia EL aislamiento de los filtros y su puesta en servicio conlleva una problemática similar a lo expuesto para tos filtros de cartucho, si bien en aquellos casos en que la fase de desplazamiento y maduración se realiza con las mismas B.A.M. En estos casos para mantener un adecuado equilibrio en el resto del sistema, el arranque de la B.A.M. para desplazamiento debe realizarse concatenadamente con la apertura de la válvula de regulación de lavado. Lavado de bastidores El lavado de bastidores existe la parada completa del tren correspondiente. Los transitorios que se originan son los descritos para el caso de disparos, si bien las fases de lavado son actividades normalmente programadas por el personal de operación, por lo que las paradas pueden llevarse a cabo de una manera más controlada.

4. EL PROBLEMA DEL ENSUCIAMIENTO Y EL EFECTO DE LA TEMPERATURA. COMPORTAMIENTO DEL SISTEMA 4.1. Ensuciamiento en filtros multimedia y filtros de cartuchos El ensuciamiento en estos elementos produce una disminución de la presión en el colector de aspiración de la B.A.P. y un incremento de presión y reducción de caudal de las B.A.M. Efecto sobre los trenes de ósmosis: •

Apertura progresiva de la válvula de control de permeado para mantener el caudal de consigna fijado de permeado.

•

Apertura progresiva de la válvula de regulación de entrada a turbina o de descarga de salmuera en los 5 cisternas S.I.P.

4.2. Ensuciamiento de membranas. El efecto de la temperatura EL fenómeno del ensuciamiento de membranas y la variación de temperatura producen efectos contrapuestos en el comportamiento. Se puede decir que el ensuciamiento provoca efectos análogos a los producidos por la disminución de la temperatura del agua de alimentación a bastidores. Ensuciamiento.



Temperatura.



Ensuciamiento



Temperatura



A)

B)

Se requiere un ∆  de presión de alimentación al bastidor para producir el mismo caudal de permeado. Se requiere menor presión de alimentación al bastidor para producir el mismo caudal de permeado.

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Reacción de los lazos de regulación

5. PROBLEMAS EN ELEMENTOS ESPECÍFICOS DE LA INSTALACIÓN 5.1. El aire en las instalaciones El aire es un fluido muy compresible y tiende a acumularse en las zonas altas de las tuberías y equipos. El aire provoca obstrucciones al paso del agua por estrechamiento de la vena líquida  Incremento de pérdida de carga del sistema. Además el paso de bolsas de aire de la zona de baja presión a la de alta, produce presurizaciones súbitas, grandes esfuerzos en las zonas de contacto con flujos pulsantes que se manifiesta en ruidos y vibraciones de equipos y tuberías. Especialmente grave es este fenómeno en las zonas de despresurización de las cámaras de alta y baja presión de los S.I.P. El aire se introduce en el sistema por inadecuadas purgas en las fases de llenado del sistema, lavado de filtros, reposición de filtros de cartucho o reparaciones de elementos, que exigen vaciados previos y también por desprendimiento de oxígeno/aire disuelto en el agua a tratar. El diseño de la instalación debe contemplar la inserción de purgadores en todas las partes susceptibles de acumulación de aire. Durante la operación el purgado se establece como una rutina periódica.

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5.2. Válvulas de macho, retención y válvulas de control Válvulas de macho Se utilizan para aislamiento de equipos en la zona de alta presión y para el arranque de la B.A.P. Esta última aplicación se da en instalaciones con grandes bombas de alta presión, donde la utilización de variadores de velocidad es prohibitiva por coste. La utilización de válvulas de macho para el arranque de los B.A.P., provoca cavitación en los primeros rangos de apertura de la válvula y si el número de arranques es elevado esto produce el deterioro de la camisa de teflón intermedia entre el macho y el cuerpo de la válvula.

Dada la característica cuadrática de la válvula con pendiente decreciente

,

pequeñas variaciones del grado de apertura producen grandes incrementos de caudal hasta aperturas en el entorno de [0 a 35%]; para aperturas mayores, grandes variaciones del grado de apertura producen pequeños incrementos en el caudal. La maniobra de arranque por tanto de la B.A.P. requiere un especial cuidado. Válvulas de retención Son de especial significación las válvulas de retención del circuito de alta presión. Las válvulas más utilizadas son las «rubber check» o retención de doble claveta con muelle, con sello de neopreno entre claveta y cuerpo. La elección del material de los internos de la válvula es crítica ya que los fallos en el cierre provocan reflujos de presión elevada a la zona de boja presión (colector de aspiración de la B. A.P.)  rotura de tuberías. Además tos frecuentes arranques y paradas producen el deterioro ¡progresivo del elastómero de sellado. Válvulas de control Son elementos críticos en la estabilidad de funcionamiento del sistema y deben reaccionar con rapidez y precisión para amortiguar o anular las perturbaciones que se produzcan durante la operación de la instalación. Preferiblemente se deben buscar válvulas de globo con características lineal, especialmente para la regulación de caudal. En las válvulas de control hay que prestar atención a la posición segura de las mismas ante fallos de alimentación de aire y alimentación eléctrica. — 16 —

En equipos sensibles a excesos de caudal, las válvulas de control deben equiparse con dispositivos limitadores del grado de apertura. 5.3. Filtros multimedia y cartuchos Gran parte de los problemas en estos filtros se deben a la corrosión de las envolventes por defectuosa aplicación de los recubrimientos interiores (caucho, neopreno, etc.). En los filtros multimedia se observan episodios de fugas de material filtrante hacia el proceso, por rotura de boquillas filtrantes del falso fondo o inadecuado apriete de las mismas. Estas fugas colapsan los filtras de calducho, lo que obliga a la reposición de los mismos y la parada, revisión y reparación de las boquillas defectuosas en los filtros multimedia. Durante las fases de lavado a contracorriente hay que limitar el caudal ya que en filtros multicapa con lechos ligeros de antracita, las velocidades excesivas pueden dar lugar a la pérdida de las capas menas densas. En cuanto a los filtros de cartucho, también aparecen fugas por defecto en la fijación y apriete de los cartuchos a las placas soporte. Esto se debe principalmente a que las longitudes de los elementos filtrantes (cartuchos) no son homogéneas lo que dificulta un apriete uniforme sobre las placas rígidas superior e inferior. A veces hay que suplementar anillos, para igualar longitudes y poder proporcionar pares de apriete homogéneos sobre cada uno de los cartuchos. Las fugas de filtros de cartuchos, teniendo en cuenta que son la última barrera para las membranas, pueden ocasionar graves problemas de taponamiento-ensuciamiento en los batidores. En los casos de fugas de arena, el efecto abrasivo produce la destrucción de la capa activa de las membranas. 5.4. Variadores de velocidad Son equipos electrónicos de gran aplicación en general en los procesos industriales, para el control de velocidad de los motores asíncronos. Son equipos sensibles a la temperatura ambiente y exigen unas condiciones rigurosas de refrigeración-ventilación. Necesitan gran estabilidad de la tensión de alimentación y son fuentes generadas de componentes armónicos, tanto en la red de alimentación corno en la tensión de salida hada el motor, corno consecuencia del bloque rectificador-inversor. Si bien la mayoría de los equipos incorporan filtros de entrada-salida, no anulan por completo los efectos de armónicos superpuestos a la onda principal. Estos armónicos son de frecuencia múltiplo del orden del armónico correspondiente y producen en el motor calentamientos en devanados y en el bloque metálico del estator, adicionales al calentamiento producido por la corriente principal. — 17 —

5.5. El sistema de aire comprimido Aunque se considera un sistema auxiliar de la instalación, no de la de tener su importancia. El sistema de aire comprimido alimenta a todos las válvulas neumáticas de la instalación incluyendo las válvulas de regulación que lleven actuadores neumáticos. Cuando en la red de aire hay arrastres de partículas no retenidas en purgadores y filtros, estas pueden obturar los orificios de los bloques distribuidores de electroválvulas e impedir [as maniobras de las mismas con el consiguiente riesgo para la seguridad operativa de la instalación. Además de un diseño adecuado, la red de aire requiere revisiones periódicas para reposición de filtros, limpieza de alargadores, etc.

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Miércoles 17 de junio de 2009

Aspectos ambientales de la desalación SÁNCHEZ LIZASO, JOSÉ LUIS

Aspectos ambientales de la desalación  SÁNCHEZ LIZASO, J.L.; [Profesor y director del departamento de Ciencias del Mar y Biología Aplicada, Universidad de Alicante]

La desalación es un proceso en expansión a nivel mundial y, en nuestro país, los posibles impactos ambientales han recibido una atención particular no exenta de polémica. El impacto ambiental de la desalación depende, en primer lugar, de la composición del vertido que a su vez depende calidad del agua que se somete a tratamiento y de la tecnología de desalación utilizada. Por otra parte, la magnitud de los impactos depende también de las comunidades marinas afectadas lo que esta relacionado con la sensibilidad de los organismos marinos, la localización del vertido y la zona de influencia del mismo que se puede modificar cambiando el dispositivo de vertido.

CARACTERIZACIÓN DEL AGUA DE VERTIDO Características del agua origen La desalación consiste en tratar una agua con una concentración determinada de sales de tal modo que por una parte se obtenga agua con un contenido muy bajo en sales apta para su uso mientras que el contenido en sales del rechazo aumenta. Las aguas que se pueden tratar actualmente son: •

Aguas residuales urbanas o industriales.

•

Aguas salobres procedentes de acuíferos.

•

Aguas de mar con captación abierta.

•

Aguas de mar obtenidas a través de pozos.

En los dos primeros casos, aguas residuales o aguas salobres, se obtiene un rechazo de baja salinidad en comparación con el agua de mar pero, frecuentemente con unos valores de nutrientes muy elevados. En estos casos el principal riesgo ambiental procede del riesgo de eutrofización salvo que se consiga reducir la cantidad de nutrientes (por ejemplo empleando filtros biológicos). En el vertido también aumentaría la concentración de cualquier sustancia tóxica existente en el agua origen lo que en ciertos casos (tratamiento terciario en algunos procesos industriales) puede suponer problemas importantes Cuando se emplean aguas de mar en captación abierta, y también en el caso de aguas residuales, la presencia de materia orgánica obliga a pretratamientos muy agresivos y variables lo que condiciona los aditivos químicos del proceso y las operaciones de limpieza de filtros y membranas. Además, se produce la destrucción de organismos marinos, mayoritariamente planctónicos, que son captados por la toma con un impacto muy difícil de estimar. —2—

Desde el punto de vista de minimizar el impacto ambiental resulta preferible la captación de agua de mar a través de pozos en estratos permeables. De este modo se obtiene un agua de características constantes, con escasa cantidad de materia orgánica y nutrientes, lo que reduce la carga contaminante del vertido. Sin embargo para desaladoras de gran capacidad esta solución se suele descartar por el riesgo de que el agua que se obtenga no sea suficiente. Actualmente existen sistemas alternativos a los pozos como el NEODREN que pueden asegurar la captación de grandes volúmenes y evitar los problemas asociados a las tomas abiertas.

SISTEMA DE DESALACIÓN Actualmente se están empleando dos grupos de sistemas de desalación. Los que emplean calor (técnicas de evaporación normalmente asociadas a plantas térmicas como MSFD) y técnicas de membranas (mayoritariamente ósmosis inversa pero también electrodiálisis). No es el objeto de este documento describir cada una de las técnicas pero si como afectan a las características del vertido. Para la desalación de agua de mar las principales técnicas empleadas a nivel mundial son la destilación FLASH por efecto múltiple (MSFD) y la ósmosis inversa (OI). En el cuadro 1 se comparan las características de cada tipo de vertido. Cuando la técnica empleada es MSFD se produce un vertido de salinidad ligeramente elevada (50 ups) pero muy caliente (con un incremento de temperatura entre 10 y 20º C). Este vertido no tiene oxígeno disuelto y puede presentar cantidades muy importantes de cloro libre y metales pesados, principalmente cobre procedente de la corrosión de los intercambiadores de calor. Este tipo de vertidos presenta flotabilidad positiva porque la elevación de la temperatura compensa el incremento de salinidad. El agua de rechazo procedente de desaladoras de ósmosis inversa no presenta sustancias tóxicas ya que el cloro libre es neutralizado antes de llegar a las membranas y no poseen intercambiadores de calor de cobre. El rechazo se caracteriza por salinidades muy altas (70-90 ups) con pocos cambios en la temperatura lo que provoca una flotabilidad negativa. El pH es ligeramente más bajo al agua de mar y tiene aportaciones de antincrustantes que en algún caso pueden contener fósforo y provocar eutrofización aunque existen sustancias alternativas. Puntualmente se producen vertidos procedentes de la limpieza de filtros y membranas que contienen detergentes y materia orgánica. Cuadro 1: Influencia de la técnicas de desalación de agua de mar en el tipo de efluente. Se destacan en rojo los principales impactos de cada tipo de vertido. Ósmosis inversa

Destilación (MSFD)

• Salinidad alta (70-90)

• Salinidad baja (50)

• Cloro neutralizado

• Cl aprox. 15-20% dosif.

• Temperatura ambiente

• +5-15º C

• Oxígeno algo bajo

• O2 muy bajo

• pH 7.8

• pH 7-8

• Ni, Fe

• Cu yNi

• Antiincrustrantes

• Antiincrustantes

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SENSIBILIDAD ANTE UN AUMENTO DE LA SALINIDAD Los seres vivos necesitan tener una concentración interna de sales determinada y poco variable. Al tener membranas semipermeables van a ser influidos por la concentración de sales del medio en el que viven. En un medio hiperhalino se va ha producir una deshidratación de los tejidos. En general se pueden dar dos tipos de estrategias en función de la capacidad de regulación osmótica. •

organismos osmoconformadores: no tienen capacidad de regulación osmótica y su concentración interna de sales es similar a la del medio en el que viven. Por estas características son muy sensible a pequeños cambios en la salinidad del medio (organismos siempre estenohalinos).

•

Organismos osmorreguladores: Tienen capacidad de regulación osmótica lo que consiguen de diversas maneras (acumulación de sales orgánicas en los tejidos, absorción de grandes cantidades de agua, excreción selectiva de iones). Estos organismos tienen tolerancia variable a cambios de salinidad debido a que los procesos de osmorregulación tienen un coste energético elevado que se manifiesta en menores tasas de crecimiento y una mayor mortalidad a partir de ciertos límites que dependen de la especie.

En la zona de influencia de un vertido hiperhalino se va ha producir una reducción de la diversidad debido a la desaparición de las especies más sensibles mientras que las especies tolerantes pueden proliferar. Los conocimientos actuales sobre los límites de tolerancia a la salinidad de especies marinas se han realizado sobre aquellas especies que viven en condiciones naturales en ambientes de salinidad variable (estuarios, lagunas costeras) en los que la salinidad es un factor de gran importancia para comprender sus patrones de distribución y fluctuaciones poblacionales. Sin embargo, para la gran mayoría de especies mediterráneas que viven en mar abierto y que naturalmente no están sometidas a cambios de salinidad este estudio no se ha realizado. A la hora de seleccionar especies clave para determinar el posible impacto ambiental hay que tener en cuenta: •

Especies protegidas.

•

Especies que cuenten con un papel estructural, es decir, que conformen un hábitat insubstituible para muchas otras especies (fanerógamas marinas, corales, comunidades de algas calcáreas como coralígeno y maerl).

•

De distribución amplia.

•

Perdurabilidad de los impactos. En general ligado a bajas tasas de crecimiento y recuperación.

En el Mediterráneo todas estas condiciones las cumple la fanerógama marina Posidonia oceanica por lo que fue seleccionada para realizar un estudio financiado por Aguas del Segura en el que participaron el CEDEX, la Universidad de Alicante, la Universidad de Barcelona, el Centro de Estudios Avanzados de Blanes y el Instituto Español de Oceanografía. Dicho estudio pretendía conocer la respuesta de la planta y el ecosistema asociado a vertidos hiperhalinos para —4—

determinar en que condiciones se pueden realizar los vertidos sin dañar las praderas. Para ello se trabajó en diversas líneas de actuación que van desde ensayos en condiciones controladas hasta seguimiento de vertidos in situ. Los resultados obtenidos indican que la especie es muy sensible a un aumento de salinidad (Buceta et al, 2003, Sánchez Lizaso et al, 2008). Tampoco debemos olvidar que se pueden producir interacciones entre factores (salinidad, nutrientes, pH, temperatura,...) por lo que se debe ser prudente. Tampoco hay que olvidar que en el Mediterráneo existen otros ecosistemas de características similares (formaciones de algas calcáreas, coralígeno, fondos de maërl, …) de gran importancia ambiental cuyos límites de tolerancia se desconocen.

LOCALIZACIÓN DEL VERTIDO Para minimizar el impacto ambiental de la desalación se pueden seleccionar puntos de vertido degradados o sin comunidades de alto valor ambiental como praderas de Posidonia o formaciones de algas calcáreas. Cuando sea posible es preferible un vertido en zonas previamente degradadas como puertos o zonas afectadas por otro tipo de vertidos. También es posible desplazar el vertido a zonas arenosas desprovistas de vegetación. La posibilidad de emplear largos emisarios para evitar comunidades costeras de alto valor ambiental no debe generalizarse porque, además de su alto coste, su construcción supone un impacto considerable, se vierte a profundidades en las que las posibilidades de mezcla son menores por el menor hidrodinamismo y se pueden producir roturas que provocarían la peor opción de vertido posible.

ZONA DE INFLUENCIA DEL VERTIDO El agua de rechazo vertida por desaladoras de agua de mar mediante OI tiene una densidad mayor que la del agua de mar y se va a desplazar siguiendo la línea de máxima pendiente. La capacidad de dilución de dicho vertido no se conoce con exactitud puesto que faltan estudios «in situ» pero puede ser potencialmente baja para vertidos de volúmenes altos. En general, cualquier mecanismo que permita maximizar la dilución reducirá la zona de influencia y, por tanto, el impacto ambiental. Estos mecanismos pueden requerir un consumo energético adicional (bombeo de agua, sistemas activos de mezcla) o utilizar la energía potencial de vertido para aumentar la mezcla con el agua de mar (difusores, aumento de la rugosidad de fondo, ...). Una mayor investigación al respecto es necesaria, particularmente para vertidos de gran volumen.

CONSIDERACIONES FINALES Un ejemplo de cómo se puede gestionar un vertido de una desaladora de ósmosis inversa minimizando su impacto ambiental se puede observar en la desaladora de Jávea. En este caso, se traslado el punto de vertido previsto del río Gorgos al canal de la Fontana (para evitar las praderas de Posidonia). Al mismo tiempo se realiza una mezcla previa del vertido con agua de mar para reducir su salinidad (de 70 a 44) lo que disminuye la diferencia de densidades entre masas de agua y aumenta la mezcla. El principal efecto de este vertido ha sido renovar el agua del canal de la Fontana evitando los problemas de confinamiento y malos olores. Al mismo tiempo la zona de influencia del vertido es mínima.

—5—

Sin embargo, aunque existan posibilidades técnicas para minimizar el impacto ambiental de los vertidos, no hay que olvidar algunos problemas, no exclusivos de la desalación ya que son similares a los que producirían los grandes trasvases por ejemplo. Por una parte el consumo energético se sitúa actualmente en torno a los 4 Kw/h por metro cúbico aunque los nuevos sistemas de recuperación energética lo pueden hacer bajar a unos 3 Kw/m3. Por otra parte la mayor disponibilidad de recursos hídricos puede provocar una estimulación del crecimiento poblacional y la ocupación del territorio aumentando la presión sobre los frágiles ecosistemas costeros. Por todo ello no hay que olvidar que la mejor manera de reducir los impactos ambientales de las obras hidráulicas es actuar sobre la demanda hasta donde sea posible y favorecer el reciclado de las aguas.

REFERENCIAS: •

BARBERA, C.; P. SÁNCHEZ-JEREZ, J.L. SÁNCHEZ-LIZASO 2001.Test agudo de ecotoxicidad para estimar el efecto combinado de la salinidad y la temperatura en la mortalidad del misidáceo Leptomysis posidoniae. II Congreso Nacional AEDYR. La Desalación y Reutilización del Siglo XXI. 14 pp.

•

BUCETA, J.L.; Y. FERNÁNDEZ TORQUEMADA, E. GACIA, O. INVERS, J. MAS, J.ROMERO, J.M. RUIZ, A. RUIZ-MATEO, S. SABAH & J.L. SÁNCHEZ LIZASO, 2003. Investigación conjunta sobre la tolerancia de Posidonia oceanica a incrementos de salinidad. Ingeniería Civil 132: 111-116.

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DEL PILAR RUSO, Y, J.A. DE LA OSSA CARRETERO, F. GIMÉNEZ CASALDUERO, J.L. SÁNCHEZ LIZASO, en prensa, Spatial and temporal changes in infaunal communities inhabiting softbottoms affected by brine discharge Marine Environmental Research.

•

FERNÁNDEZ TORQUEMADA, Y. & SÁNCHEZ LIZASO, J.L., 2005. Effects of salinity on leaf growth and survival of the Mediterranean seagrass Posidonia oceanica (L.) Delile. Journal of Experimental Marine Biology and Ecology 320: 57-63.

•

FERNÁNDEZ TORQUEMADA, Y. & SÁNCHEZ LIZASO, J.L. 2003. Efecto de una posible interacción entre el pH y la salinidad sobre el crecimiento de Posidonia oceanica (L.) Delile 1813. Boletín del Instituto Español de Oceanografía 19 (1-4): 247-252.

•

FERNÁNDEZ TORQUEMADA, Y.; GONZÁLEZ CORREA, J.M.; CARRATALÁ, A.; SÁNCHEZ LIZASO, J.L. 2004. Medidas de atenuación del posible impacto ambiental del vertido de las desaladoras de ósmosis inversa: El ejemplo de Jávea. IV Congreso Ibérico sobre Gestión y Planificación del Agua Libro de resúmenes: 179-180.

•

FERNÁNDEZ TORQUEMADA, Y.; GONZÁLEZ CORREA, J.M.; CARRATALÁ, A.; SÁNCHEZ LIZASO, J.L. 2005. Preliminary results of the monitoring of the brine discharge produced by the SWRO desalination plant of Alicante (SE Spain). Desalination. 182: 395–402.

•

FERNANDEZ TORQUEMADA, Y.; DURAKO, M; SANCHEZ LIZASO, J.L. 2005. Salinity effects and its possible interaction with pH and temperature variations on photosynthesis and growth of Halophila johnsonii Eiseman. Marine Biology 148: 251-260.

—6—

•

FERNÁNDEZ TORQUEMADA, Y.; SÁNCHEZ LIZASO, J.L. 2006. Effects of salinity on growth and survival of Cymodocea nodosa (Ucria) Ascherson and Zostera noltii Hornemann. Abstracts Volume, Mediterranean Seagrass Worshop.

•

FERNÁNDEZ TORQUEMADA, Y., LOYA, A., MÚGICA, Y., SÁNCHEZ LIZASO, J.L., TEMPLADO, J., CALVO, M., ANTORANZ, A., CORTÉS, J.M. 2007. Monitoring the brine discharge from a desalination plant in the Mediterranean. En: IDA World Congress-Maspalomas, Gran CanariaSpain, Ref: MP07-233.

•

LLORET, M. P. & SÁNCHEZ LIZASO, J.L. 2001. Bioensayo para la evaluación de los efectos producidos por el incremento de salinidad sobre el erizo de mar Paracentrotus lividus (Lamark, 1816). II Congreso Nacional AEDyR. La desalación y reutilización del siglo XXI. 10 pp.

•

MALFEITO, J.J, DIAZ-CANEJA, J, FARIÑAS, M.; FERNÁNDEZ-TORQUEMADA, Y.; GONZÁLEZ CORREA, J.M., CARRATALA-GIMÉNEZ, A. & SÁNCHEZ LIZASO, J.L. 2005. Brine discharge from the Javea desalination plant. Desalination 185: 87-94.

•

SÁNCHEZ LIZASO, J. L.; FERNÁNDEZ TORQUEMADA, Y. GONZÁLEZ CORREA, J.M. CARRATALÁ GIMÉNEZ, A. 2004. Impacto ambiental de la desalación. Desalación04: 23 – 26.

•

SÁNCHEZ LIZASO, J. L.; FERNANDEZ TORQUEMADA, Y; GONZALEZ CORRÉA, JM; CARRATALÁ GIMÉNEZ, A.; VALLE, C.; FORCADA, A.; CANO, F. 2004. Resultados del programa de vigilancia ambiental de la IDAM de Javea (Alicante). V congreso nacional AEDYR. La desalación en el sur del Mediterráneo: 8 pp.

•

SÁNCHEZ LIZASO, J. L, ROMERO, J., RUIZ, J.M. , GACIA, E., BUCETA, J.L., INVERS, O. FERNANDEZ TORQUEMADA, Y; MAS, J., RUIZ-MATEO, A., MANZANERA, M., en prensa, Salinity tolerance of the Mediterranean seagrass Posidonia oceanica: recommendations to minimize the impact of brine discharges from desalination plants, Desalination.

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Preliminary results of the monitoring of the brine discharge produced by the SWRO desalination plant of Alicante (SE Spain)  FERNÁNDEZ-TORQUEMADA, Y.*; [Unidad Biología Marina, Dpto. Ciencias del Mar y B. Aplicada, U. ALICANTE]  SÁNCHEZ LIZASO, J.L.; [Profesor y director del departamento de Ciencias del Mar y Biología Aplicada, Universidad de Alicante]  GONZÁLEZ-CORREA; J.M. [Profesor y director del departamento de Ciencias del Mar y Biología Aplicada, Universidad de Alicante]

ABSTRACT Data from monitoring of the dispersion and effects of the hypersaline effluents originated by desalination plants are very scarce. The objective of this paper is to present the monitoring, on time and space, of the brine discharge originated by the Alicante seawater desalination plant (SE Spain). Since the seawater reverse osmosis (SWRO) desalination plant started to operate in September 2003, to the date, three campaigns were made in order to determine the seasonal and spatial distribution of the brine plume and its dilution along the area. One year after the plant operation, the results obtained at these campaigns have shown that dilution of the brine may be lower than the usually accepted and it may affect significant extensions of marine communities. Due to the recent development of the desalination activity in our country the information obtained in this work can be considered really useful for its application to future similar projects in the Mediterranean Sea.

KEYWORDS Desalination; Brine discharge; Environmental impact; Monitoring; Posidonia oceanica; Echinoderms.

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1. INTRODUCTION Desalination in Mediterranean countries is a steadily growing industry, where seawater desalination by reverse osmosis (SWRO) has become the most extended method due to its reduced inversion costs and its lower energy and space consumption [1]. However, this activity may result on environmental impacts mainly generated from the discharge into the sea of the brine produced (44–90 psu), and also from the chemicals (anti-scalant, antifouling, hydrochloric acid, sodium hexametaphosphate, etc.) Used in desalination processes [2,3]. There are different options for the disposal brine [4–8], but ocean brine disposal is considered the least expensive one [7,9]. If the brine is discharged into the sea, the density difference between brine and seawater induce the formation of a stratified system, with the brine forming a bottom layer that can affect the benthic communities habituated to stable salinity environments [9–13]. The magnitude of this impact will depend on the characteristics of the desalination plant and its reject brine, but also on the nature of the physical (i.e., Bathymetry, hydrodynamics, etc.) And biological conditions of the receiving marine environment [6,9,14]. Although the number of scientific publications dealing with the issue are limited [3,15–17], the discharge of brine into the sea requires particular attention and scientific assessment of possible impacts on the marine environment. The main objective of the present study is to determine the seasonal and spatial distribution of the brine discharge from the SWRO desalination plant of Alicante during its first year of operation and to quantify the potential impact associated with this discharge on the Posidonia oceanica meadows and echinoderm communities present in the area.

2. MATERIALS AND METHODS 2.1. Location and description of the desalination plant The study area (Fig. 1) was located at Alicante (SE Spain), where a seawater reverse osmosis (SWRO) desalination plant started to work in September 2003. It has a capacity of 50,000 m3/d with a conversion factor of 40%. This represents a discharge of 75,000 m3/d with a salinity of 68 psu. Income water was obtained from beach wells. Discharge is produced on the shore South of Alicante Harbour since this is an area degraded by previous impacts (seawages, harbour, mooring, ...). 2.2. Field campaigns and data acquisition Three surveys have been done in February, April and August 2004. In each campaign a grid of more than 100 sampling stations near the brine discharge place was established, with the purpose of delimiting the brine plume and its dilution along the area. At each station salinity measures were taken from surface and bottom water. It was utilized a RBR CTD, with a measuring range of 0–70 psu and a resolution 0.01 psu. Each station was positioned using a GPS Garmin 50 (precision 5 m). After the results of the first survey we decided to extend the grid to cover a larger area.

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Fig. 1. Location of the Alicante SWRO desalination plant and situation of the three stations employed for the monitoring of the biological communities.

2.3. Spatial data representation An interpolation of the data obtained in each campaign was made using the kriging technique, with the purpose of getting a real representation of the salinity variable in the space. Before using this methodology, it must be probed some kind of spatial correlation between data. For this reason it was utilized the geoeas (Geostatistical Environmental Assessment Software) program developed by the US Environmental Protection Agency (EPA). With this program we obtained the experimental variogram, the model that better fits to it (subprogram VARIO) and its validation (subprogram VALID). Then the obtained model was used with the Surfer v.7 program (Golden Software Inc., Golden, Colorado) to get the graphical spatial representation of deep and salinity data in the studied area. 2.4. Monitoring of biological communities Biological organisms selected included both, Posidonia oceanica meadows, due to their ecological relevance, and echinoderms, due to their sensitiveness to changes in salinity. Three stations have been selected; one in front of the desalination plant discharge, and two controls, one two kilometers North, in front of Alicante Harbour, and the other one two kilometers South, in front of Urbanova Beach (Fig. 1). At each station 12 microcartography quadrats were established in June 2003 at the upper limit of the meadow (16 m depth) and at the continuous meadows (20 m depth). Each quadrat was a 40 40 cm frame inside of which all Posidonia shoots were marked. Survey of quadrats was done in February and August 2004 to estimate new and dead shoots. Density of echinoderms was estimated at the same localities but only in the upper limit of the meadow with 10 replicates of 10 m2 in June 2003 and in February and August 2004. —3—

3. Results Vertical profiles obtained at the different surveys in the locality in front of the discharge at 16 m depth (2000 m from the discharge) are shown in Fig. 2. During the surveys of February and April, maximum salinity was observed at the bottom. In August, maximum salinity was observed at the termocline level. This is the consequence of the low temperature under the termocline, which produced that the density under the termocline was higher that at the brine level.

Fig. 2. Temperature and salinity vertical profiles obtained at the different surveys in one point inside the Posidonia oceanica meadow.

Surface salinity is homogeneous and has no clear trend at any survey (Figs. 3a, 4a and 5a) Dispersion of the brine at the bottom is represented in Fig. 3b for the February survey. The dilution close to the discharge is very fast but a high stability could be found far from the discharge. It is possible to observe an increase higher that 0.5 psu above average salinity in the area up to 4 km from the discharge. After these results we increase the area to cover in the following —4—

surveys. In Fig. 4 results of the April survey are presented. The same trend is observed, a high dilution in the near field and a very low dilution in the far field (Fig. 4b). Brine dispersal follows the bathymetry and spread as it moves away from the discharge point. Significant increases of salinity at the bottom are observed several kilometers away from the discharge point. Salinity increases reach to all the deep localities (20 m) and to most of the shallow (16 m) localities with the exception of the northern one.

Fig. 3. Spatial representation of salinity distribution on the surface (a) and on the bottom (b) obtained in February 2004.

Fig. 4. Spatial distribution of salinity on the surface.

Results in the August survey (Fig. 5) are different since maximum salinity was not found at the bottom. At the bottom (Fig. 5b) salinity increase is observed only during the first hundreds of meters which may produce an incorrect feeling of dilution. At the termocline level, where maximum salinity is observed, the same pattern than in previous surveys was found (Fig. 5c). Echinoderms have disappeared from the meadow in front of the desalination plant and Urbanova (southern locality) after the impact (Fig. 6). At the northern locality (Alicante Harbour) an important increment is observed in February followed by a decrease to lower values than before the operation of the desalination plant. These results are coherent with the dispersion of the brine since the northern locality is the less affected by the brine.

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Fig. 5. Representation of the superficial (a), bottom (b) and the maximum salinities (c) obtained at August 2004.

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Fig. 6. Mean values (and standard errors) of the density of echinoderms (individuals per m2) in the station closest to the desalination plant discharge and the two controls (Urbanova Beach and Alicante Harbour) during Summer 2003, Winter 2004 and Summer 2004.

Survey of Posidonia oceanica shows, at all the localities, that the number of new shoots produced between June 2003 and August 2004 is higher than the number of dead shoots and, consequently, shoot balance is positive (Fig. 7). However, the higher vitality is observed at the northern locality and the lower vitality in the meadows in front of the desalination plant discharge.

4. DISCUSSION The place for the brine disposal of the Alicante desalination plant was chosen because the area was seriously damaged due to the expansion of the Alicante Harbour and several seawages that have produced the regression of Posidonia oceanica meadows. Before the desalination plant starts to operate in September 2003, P. Oceanica meadows appeared at 16 m depth and about 2 km from the disposal point. Our results showed that dilution was lower that what has been foreseen. Near the discharge point dilution is very strong but a layer of water of high density expands over the bottom to a distance of several kilometers. This low dilution is observed also in August when, due to the low temperature of water below termocline, the brine moves in the middle of the water column. However this situation is more positive for benthic organisms that are not affected by higher salinities. Echinoderms have been chosen because they are osmoconformers organisms, which are not able to regulate their osmotic pressure. Several studies have demonstrated that they are only able to tolerate a narrow range of salinities. The disappearance of the echinoderms in the area of the brine influence may be used as an indicator of changes in the marine communities produced by the brine disposal of desalination plant. The temporal increase of echinoderms in the northern locality may be related with their movement away from the brine. Posidonia oceanica meadows are important communities in the Mediterranean Sea from an economic and ecological point of view and are protected in the entire basin. They are very sensitive to human activities and their regression is common in many locations of the Mediterranean. Recently it has been demonstrated the low tolerance of this species to salinity increments [18,19]. Salinity increments measured at the meadow in front of the desalination plant discharge are close to the ones that have produced significant effects on their growth and survival. Preliminary results obtained show that, during the first year of monitoring, the desalination plant has not produced the regression of the meadow but it has affected the vitality —7—

of the plants. The higher vitality has been observed in the northern locality, which is the less affected by the brine but the more affected by other sources of pollution.

Fig. 7. Division and mortality rates of the Posidonia oceanica shoots in the station closest to the desalination plant discharge and the two controls (Urbanova Beach and Alicante Harbour).

Our results show that dilution of the brine from a RO desalination plant may be lower than the usually accepted and may affect important extensions of marine communities. In order to minimize the impact of desalination plants it is important to select a correct location of the plants and to maximize the dilution of its brine. This may be achieved using a previous dilution of the brine with seawater that has been proved useful in other plants [20,21].

ACKNOWLEDGEMENTS We thank Just Bayle Sempere who assisted in the winter campaign of 2004. We also would like to thank Marina of Alicante for use of equipment and facilities. This work was funded by UTE Desaladora de Alicante and Mancomunidad de Canales del Taibilla and by a FPI grant from the Generalitat Valenciana (FPI 01 A 002). —8—

REFERENCES [1] A.J. Morton, I.K. Callister and N.M. Wade, Environmental impacts of seawater distillation and reverse osmosis processes. Desalination, 108 (1996) 1–10. [2] T. Höpner and J. Windelberg, Elements of environmental impact studies on coastal desalination plants. Desalination 108 (1996) 11–18. [3] J.L. Pérez Talavera and J.J. Quesada Ruiz, Identification of the mixing processes in brine discharges carried out in Barranco del Toro Beach, south of Gran Canaria (Canary Islands). Desalination 139 (2001) 277–286. [4] P. Glueckstern and M. Priel, Optimized brackish water desalination plants with minimum impact on the environment. Desalination 108 (1996) 19–26. [5] D. Squire, J. Murrer, P. Holden and C. Fitzpatrick, Disposal of reverse osmosis membrane concentrate. Desalination 108 (1996) 143–147. [6] M. Ahmed, W.H. Shayya, D. Hoey, A. Mahendran, R. Morris and J. Al-Handaly, Use of evaporation ponds for brine disposal in desalination plants. Desalination 130 (2000) 155–168. [7] M. Ahmed, W.H. Shayya, D. Hoey and J. Al-Handaly, Brine disposal from reverse osmosis desalination plants in Oman and the United Arab Emirates. Desalination 133 (2001) 135–147. [8] M. Ahmed, A. Arakel, D. Hoey, M. R. Thumarukudy, M.F.A. Goosen, M. Al-Haddabi and A. AlBelushi, Feasibility of salt production from inland RO desalination plant reject brine: a case study. Desalination 158 (2003) 109–117. [9] S. Lattemann and T. Höpner, Seawater desalination. Impacts of Brine and Chemical Discharges on the Marine Environment, Desalination Publications, L’Aquila, Italy, 2003. [10] J.V. Del Bene, G. Jirka and J. Largier, Ocean brine disposal. Desalination 97 (1994) 365– 372. [11] E. Gacia and E. Ballesteros, El impacto de las plantas desalinizadoras sobre el medio marino: la salmuera en las comunidades bentónicas mediterráneas. in: Conferencia Internacional: El Plan Hidrológico Nacional Y la Gestión Sostenible Del Agua. Aspectos medioambientales, reutilización y desalación, Zaragoza, Junio 2001, 10pp. [12] R. Einav and F. Lokiec, Environmental aspects of a desalination plant in Ashkelon. Desalination 156 (2003) 79–85. [13] A. Purnama, H.H. Al-Barwani and M. Al-Lawatia, Modeling dispersion of brine waste discharges from a coastal desalination plant, Desalination 155 (2003) 41–47.

—9—

[14] R. Einav, R. K. Harussi and D. Perry, The footprint of the desalination processes on the environment. Desalination 152 (2002) 141–154. [15] R.H. Chesher, Biological impact of a large-scale desalination plant at Key West, Florida. in: Tropical Marine Pollution, E.J. Ferguson and R.E. Johanes, eds., Elsevier Scientific Publishing Company, Amsterdam, 1975, pp. 99–81. [16] D.A. Tomasko, N.J. Blake, C.W. Dye and M.A. Hammond, Effects of the disposal of reverse osmosis seawater desalination discharges on a seagrass meadow (Thalassia testudinum) offshore of Antigua, West Indies. in: Seagrasses: Monitoring, Ecology, Physiology and Management, 1999, pp. 99–112. [17] L. Castriota, C¸ .M. Beltrano, O. Giambalvo, P. Vivona and G. Sunseri, A one-year study of the effects of a hyperhaline discharge from a desalination plant on the zoobenthic communities in the Ustica Island Marine Reserve (Southern Tyrrhenian Sea). in: CIESM, 2001. [18] J.L. Buceta, Y. Fernández-Torquemada, E. Gacía, O. Invers, J. Mas, J. Romero, J.M. Ruiz, A. Ruiz-Mateo, S. Sabah and J.L. Sánchez-Lizaso, Investigación conjunta sobre la tolerancia de Posidonia oceanica a incrementos de salinidad. Ingeniería Civil 132 (2003) 111–116. [19] Y. Fernández-Torquemada and J.L. Sánchez-Lizaso, Effects of salinity on leaf growth and survival of the Mediterranean seagrass IPosidonia oceanicaX (L.) Delile. Journal of Experimental Marine Biology and Ecology, 2005. [20] J.L. Sánchez Lizaso, Y. Fernández Torquemada, J. M. González Correa, A. Carratala´ Giménez, C. Valle, A. Forcada and F. Cano, Resultados del programa de vigilancia ambiental de la IDAM de Jávea (Alicante). V Congreso Nacional AEDyR. La Desalación En El Sur Del Mediterra´ neo, Almeria, Noviembre 2004. [21] Y. Fernández Torquemada, J.M. González Correa and J.L. Sánchez Lizaso, Medidas de atenuación del posible impacto ambiental del vertido de las desaladoras de osmosis inversa: E1 Ejemplo de Jávea (Alicante). IV. Congreso Ibérico Sobre Gestión Y Planificación Del Agua, Tortosa, Diciembre 2004.

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Medidas de atenuación del posible impacto ambiental del vertido de las desaladoras de osmosis inversa: el ejemplo de Jávea (Alicante)  FERNÁNDEZ TORQUEMADA, Y.; [U. Biología Marina, Dpto. Ciencias del Mar y B. Aplicada, U. ALICANTE]  GONZÁLEZ CORREA, J.M.; [U. Biología Marina, Dpto. Ciencias del Mar y B. Aplicada, U. ALICANTE]  CARRATALÁ GIMÉNEZ, A.; [U. Biología Marina, Dpto. Ciencias del Mar y B. Aplicada, U. ALICANTE]  SÁNCHEZ LIZASO, J.L.; [Profesor y director del departamento de Ciencias del Mar y Biología Aplicada, Universidad de Alicante]

RESUMEN La información existente sobre la dispersión de vertidos hipersalinos originados por plantas desaladoras y sobre los efectos de estos en el ecosistema marino es muy escasa. En el presente trabajo se exponen las medidas de atenuación aplicadas para evitar el posible impacto del vertido de la desaladora de Jávea (Alicante, SE España), junto con los resultados del posterior programa de vigilancia ambiental realizado por la Unidad de Biología Marina de la Universidad de Alicante. La planta desaladora por osmosis inversa de Jávea comenzó a funcionar en junio del 2002. Hasta la fecha los resultados obtenidos en las campañas efectuadas confirman que la dilución inicial del vertido y la ubicaciónpropuesta para su descarga eran los apropiados. Únicamente en verano se ha detectado un ligero incremento de la salinidad intersticial y profunda, de extensión muy localizada y que no llega a afectar a las praderas de Posidonia oceanica más cercanas. 1. Introducción Actualmente la desalación de agua de mar se ha convertido en una de las soluciones más empleadas ante la escasez de agua existente en algunos países de la cuenca mediterránea (Medina, 2001). Tal es el caso de España, donde el número de instalaciones desaladoras, tanto proyectadas como en construcción, se ha incrementado de una forma significativa en los últimos años (Medina, 2001). De entre las distintas técnicas existentes, la desalación de agua de mar por ósmosis inversa (OI) es el método más empleado, debido al desarrollo de nuevas tecnologías y a su menor consumo de energía y espacio (Morton et al., 1996; Valero et al., 2001; Purnama et al., 2003). Durante el funcionamiento de una planta desaladora por OI se puede producir un importante volumen de agua de rechazo, producto secundario compuesto por una salmuera de elevada salinidad (43 - 90 ups) y por otros aditivos que se emplean en el proceso de desalación (Höpner y Windelberg, 1996; Morton et al., 1996; Gacia y Ballesteros, 2001; Lattemann y Höpner, 2003). En las desaladoras próximas al litoral este agua de rechazo es vertida principalmente al medio marino, donde debido a su mayor densidad forma una capa hiperhalina que se dispersa sobre

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el fondo, pudiendo afectar a los organismos allí presentes (Del Bene et al., 1994; Gacia y Ballesteros, 2001; Einav y Lokiec, 2003; Purnama et al., 2003). La magnitud de este impacto dependerá de las características de la planta desaladora y de su vertido, pero también de la naturaleza física (batimetría, hidrodinamismo, etc.) y de las condiciones biológicas del ambiente marino receptor (Ahmed et al., 2000; Einav et al., 2002). Hasta la fecha existe muy poca información publicada sobre el comportamiento y la dilución de estos vertidos, así como sobre sus posibles efectos en las comunidades marinas (Chesher, 1975; Tomasko, 1999; Castriota et al., 2001; Pérez y Quesada, 2001). Entre las comunidades más susceptibles de sufrir este tipo de impacto hay que destacar las formadas por las fanerógamas marinas (Gacia y Ballesteros, 2001). En el mar Mediterráneo Posidonia oceanica es una especie endémica, protegida y de gran importancia ecológica y biológica (Boudouresque y Meinesz, 1982), pero muy sensible ante las actuaciones humanas en la línea de costa (Ruiz, 2000) y como se ha demostrado recientemente, también ante los vertidos hipersalinos (Autores Varios, 2003). Se debe evitar, por tanto, que los vertidos de las desaladoras en el Mediterráneo afecten a esta comunidad. Para ello, interesa por una parte, seleccionar zonas degradadas o con una baja calidad ambiental donde situar la descarga del vertido y, por otro lado, maximizar la dilución del mismo para reducir las zonas afectadas. Esto se puede conseguir mediante una dilución previa adecuada, empleando la propia energía potencial del vertido o utilizando mecanismos de mezcla activa, como difusores artificiales o determinadas condiciones hidrodinámicas locales (Einav et al., 2002).

OBJETIVOS El principal objetivo del presente trabajo es exponer las medidas de atenuación aplicadas para evitar el posible impacto del vertido de la desaladora por OI de Jávea, junto con los resultados del seguimiento realizado por la Unidad de Biología Marina de la Universidad de Alicante. A continuación se describe como unas adecuadas recomendaciones previas a la construcción de la desaladora han facilitado la dilución del vertido de sus aguas de rechazo, evitando a las

Figura 1. Localización del vertido de la desaladora de Jávea (Canal de la Fontana) y de las praderas de Posidonia oceanica presentes en la zona.

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praderas de Posidonia oceanica presentes en la zona, como se ha podido comprobar posteriormente dentro del programa de vigilancia ambiental.

2. MATERIAL Y MÉTODOS 2.1. Situación y descripción de la planta desaladora La instalación desaladora de agua marina (IDAM) mediante OI de Jávea comenzó a funcionar en Junio del 2002 en la Provincia de Alicante (Fig. 1). Para su abastecimiento emplea agua de mar procedente de pozos costeros profundos (200 m). Produce un caudal de 6720 m3 d-1 de agua potable por línea, con una conversión de 44.8 % y una producción máxima de 26800 m3 d-1 (que se espera aumentar en el futuro a 40320 m3 d-1). Sin embargo, esta producción puede variar significativamente de forma estacional, con un incremento considerable durante los meses estivales. El agua procedente de la limpieza de los filtros de arena y membranas es tratada antes de su descarga al mar, mezclada con la salmuera. Previamente a la construcción de la desaladora se realizó un estudio sobre las posibles alternativas de vertido de su agua de rechazo (Ramos et al., 2001). El proyecto original de la planta desaladora localizaba el punto de vertido en el Río Gorgos (Fig. 1), pero debido a la proximidad de las praderas de Posidonia oceanica (80 m) se recomendó mover dicho punto al Canal de la Fontana (Ramos et al., 2001), un canal artificial de 700 m que desemboca cerca de la playa del Arenal (Fig. 1). También se propuso una mezcla inicial de la salmuera (68 ups) con el agua del Río Gorgos para conseguir una salinidad menor de 44 ups, y realizar la descarga mediante dieciséis difusores para incrementar su dilución en el canal. 2.2. Campañas de muestreo y vigilancia ambiental Desde la puesta en marcha de la desaladora, y para detectar cualquier posible impacto de su vertido, se está realizando un seguimiento anual de la dispersión y dilución de la salmuera, así como de las comunidades más sensibles presentes en la zona. Entre agosto del 2002 y septiembre del 2003 se realizaron tres campañas, una en invierno y dos en verano, debido a la influencia de la estacionalidad en las condiciones hidrodinámicas. En dichas campañas se muestreó en una cuadrícula de aproximadamente 30 estaciones equidistantes distribuidas en las cercanías del vertido. Cada punto de muestreo se posicionó mediante un GPS Garmin 50 (precisión ± 5 m). La profundidad se midió con una sonda de mano digital LCD Hondex PS-7 (precisión ± 0.1 m). En cada estación se tomó una medida de salinidad en la superficie, en el fondo y en el agua intersticial, empleando un conductivímetro Thermo Orion modelo 1230 (rango de 0 - 70 ups, resolución ± 0.1 ups). En cuanto al seguimiento de especies sensibles y de alto valor ambiental, se seleccionó entre otras, a la fanerógama marina Posidonia oceanica. Anualmente se realiza un estudio de su dinámica poblacional, estimando sus tasas de reclutamiento y de mortalidad. Para ello se han instalado parcelas permanentes en las cercanías del vertido, a diferentes profundidades, y en zonas suficientemente alejadas del mismo como para que actúen a modo de controles.

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2.3. Representación espacial y análisis de datos Los datos de salinidad obtenidos en cada campaña se trataron empleando la técnica de interpolación conocida como kriging, con el propósito de conseguir una representación real

Figura 2. Representación espacial de la profundidad (m) y de los datos de salinidad superficial, intersticial y de fondo, obtenidos en las tres campañas.

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de la salinidad en el espacio. Previamente y para utilizar esta metodología debe demostrarse algún tipo de correlación espacial entre los datos. Por esta razón se utilizó el GeoEAS (Geostatistical Environmental Assessment Software) programa desarrollado por la Agencia de Protección Ambiental Americana (EPA). Con este programa obtuvimos el variograma experimental, el modelo que más se aproximaba a él (empleando el subprograma VARIO) y su validación (con el subprograma VALID). El modelo obtenido se trasladó al programa Surfer © v.7 para conseguir la representación espacial gráfica de los datos de salinidad en el área estudiada. Los datos de dinámica poblacional de Posidonia oceanica (tasa de mortalidad, división de plantas marcadas y balance total) fueron tratados estadísticamente mediante el análisis de la varianza (Underwood, 1997) con el fin de determinar si existían diferencias entre las estaciones más próximas al vertido con las que actuaban a modo de control.

3. RESULTADOS Los datos obtenidos en las tres campañas muestran como la salinidad del efluente en el Canal de la Fontana nunca ha llegado a superar las 44 ups. A la salida del canal la extensión de la zona afectada por el vertido suele ser muy reducida (verano) o nula (invierno). En cualquier caso, en las aguas superficiales se puede observar una dilución total, mientras que la salinidad en el fondo llega a extenderse hasta unos 300 metros a partir de la desembocadura del canal (Fig. 2C). La forma y dirección de esta pluma de mayor salinidad parecen estar relacionadas con la batimetría (Fig. 2A) dentro del área de la descarga, donde el vertido sigue la dirección marcada por la línea de mayor pendiente (Figs. 2C y 2I). Además de esta variación a escala espacial en el comportamiento del vertido también se detectó una fuerte respuesta estacional en el mismo. Así, en la primera campaña de verano (agosto del 2002), con dos bastidores operando en la desaladora, se obtuvieron valores de salinidad más elevados y una mayor extensión de la zona de influencia. Los valores de salinidad obtenidos para el agua superficial en el área del estudio fueron bastante homogéneos, exceptuando dentro del Canal de la Fontana dónde las salinidades fueron de 38 a 41.8 ups (Fig.2B). En el fondo la salinidad fue más elevada en los primeros metros alrededor de la desembocadura del cauce (38 - 42 ups). Para el agua intersticial la tendencia era similar pero con valores comprendidos entre 38 y 40.6 ups (Fig. 2D). En la segunda campaña correspondiente a invierno (marzo del 2003), la planta desaladora utilizó solo un bastidor, y el área de influencia, así como sus valores de salinidad se vieron reducidos significativamente. La salinidad superficial estuvo comprendida entre 33.9 y 39.5 ups (Fig. 2E), la salinidad del fondo entre 34.9 y 36 ups (Fig. 2F), mientras que los valores más bajos se obtuvieron para el agua intersticial con 30.3 - 36 ups (Fig. 2G). En la última campaña, en septiembre de 2003, con dos bastidores operando, se repitió la misma tendencia observada en la otra campaña estival. Las salinidades más elevadas se detectaron dentro del Canal de la Fontana y en las cercanías de su desembocadura. Las salinidades del agua superficial estuvieron comprendidas entre 37.3 y 43.5 ups (Fig. 2H), en el fondo entre 37.4 y 42.3 ups (Fig. 2I), y en el agua intersticial entre 37.4 y 39.9 ups (Fig. 2J). Respecto a la composición del vertido se observan valores muy bajos o indetectables de fósforo y nitritos mientras que los aportes de nitratos oscilan ente 1 y 3 ppm. A lo largo del canal de la Fontana se observa un aumento de la concentración de nitratos lo que indica que existen

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otros vertidos al canal. Dentro del Canal de la Fontana la circulación de agua ha pernitido eliminar la anoxia y sus problemas asociados. En cuanto a la dinámica poblacional de Posidonia oceanica, ésta mostró un comportamiento homogéneo. No se detectaron diferencias significativas entre las localidades que actuaban a modo de control y la situada más próxima al vertido. Las tasas de reclutamiento y de mortalidad se caracterizaron por presentar valores bajos y similares entre sí, generando un balance total próximo a cero. Del mismo modo, organismos muy sensibles a cambios de salinidad que se han empleado como bioindicadores, los equinodermos, no muestran diferencias respecto a estaciones control.

4. DISCUSIÓN La salinidad de las aguas costeras de la Provincia de Alicante es relativamente estable y normalmente oscila entre 36 y 38 ups (observación personal). Por lo tanto, cualquier aumento a partir de ese valor podría ocasionar un impacto significativo en las comunidades marinas de la zona, dependiendo siempre del grado de este incremento. En el presente estudio, las salinidades más elevadas asociadas al vertido de la IDAM de Jávea se detectaron dentro del canal de la Fontana, debido a la descarga de la salmuera en su interior y a su reducida circulación de agua. Debe recordarse que éste es un canal artificial sin una comunidad bentónica importante (Ramos et al., 2001), lo que lo convierte en una localización ideal para dicho vertido. Además, se ha observado que esta descarga ha disminuido los problemas de anoxia generados por la falta previa de circulación del agua dentro del canal. Fuera del canal, las mayores salinidades se observaron cerca de su desembocadura, donde el efluente, de mayor densidad que el agua de mar, se desplaza por el fondo siguiendo la pendiente batimétrica y evitando a las praderas de Posidonia oceanica más superficiales presentes en el área. Durante su desplazamiento la salmuera se diluye en una velocidad que es proporcional a la agitación de la columna de agua. En este caso se ha detectado que la dilución total del efluente tiene lugar en una distancia corta (300 metros), lo que podría explicarse por la dilución de la salmuera antes de la descarga y por el hidrodinamismo de la zona. La salinidad además de variar en el espacio también lo hizo de forma estacional. Las salinidades más elevadas, así como una mayor dispersión de estas, se observaron en verano. Durante este periodo la instalación desaladora tiene una mayor producción (opera con 2 bastidores) y además las condiciones hidrodinámicas son más suaves, facilitándose cierta estratificación al reducirse la mezcla vertical de la columna de agua. Durante el invierno el área afectada por las salinidades más elevadas resulto ser de menor tamaño. En esta época la planta trabaja con un bastidor, pero además las condiciones hidrodinámicas son más fuertes y el incremento de las precipitaciones genera flujos de agua dulce próximos a la desembocadura del canal, provocando una mayor dilución del efluente. No obstante y considerando que hasta la fecha la planta desaladora de Jávea ha estado operando con un número de bastidores limitado (uno en invierno y dos en verano), es posible que el comportamiento de su efluente cambie cuándo la instalación se amplíe a 6 líneas. Ya que aunque se aumentaría la dilución inicial de forma proporcional, el volumen del vertido también se incrementaría, pudiendo extenderse las zonas afectadas por el mismo. El seguimiento de la dinámica poblacional de Posidonia oceanica, además de ser considerado indispensable por la protección e importancia de dicha especie, nos puede ayudar a detectar si el vertido ha alcanzado a esta comunidad en cualquier otro momento. En el caso de la desa—6—

ladora de Jávea se ha comprobado que las praderas de P. oceanica se encuentran en un estado estacionario, lo que indica que por hasta ahora no se han visto afectadas por el vertido. En general, y a raíz de los resultados obtenidos en el presente trabajo, con el fin de reducir el impacto de un vertido de una desaladora de agua de mar por OI se recomienda: •

Diluir el agua de rechazo antes de su descarga en el mar. En el presente estudio, la salmuera se mezcló previamente con agua de mar en una proporción de 4 a 1 para disminuir su salinidad de 69 ups a 44 ups.

•

Realizar la descarga preferentemente en zonas ya degradadas. En este caso el canal de la Fontana fue construido artificialmente para crear un puerto deportivo. Previamente a la descarga se caracterizó, resultando ser eutrófico y de una circulación limitada. Con el efluente se ha aumentado la circulación del agua en el canal, reduciendo la situación anóxica inicial.

•

Descargar en áreas muy hidrodinámicas. El canal de la Fontana desemboca en una playa en una zona de poca profundidad, dónde las olas y corrientes actúan dinámicamente mezclando las diferentes capas de salinidad.

•

Realizar un correcto y estricto programa de vigilancia ambiental durante el funcionamiento de la desaladora, en el que se verifique que su vertido no produce impactos negativos e irreversibles sobre el medio marino.

5. CONCLUSIÓN La información obtenida en este trabajo puede ser considerada muy útil para su aplicación a futuros proyectos similares en la cuenca mediterránea. En este trabajo se ha mostrado cómo los posibles impactos ambientales asociados a la descarga de salmuera de una planta desaladora pueden minimizarse mediante una planificación y recomendaciones apropiadas. Las dimensiones de estos efectos serán diferentes según el tipo y tamaño de la planta desaladora, las condiciones hidrogeológicas y las comunidades biológicas presentes en el área de la descarga. Hasta la fecha, la descarga de salmuera en el medio marino se ha descrito como el método más económico, y puede ser considerado para pequeñas desaladoras que empleen una dilución previa junto a una correcta localización del vertido. Sin embargo, y debido al reciente desarrollo de esta actividad en nuestro país, es importante que la construcción y el funcionamiento de las nuevas instalaciones desaladoras vayan acompañados por una rigurosa evaluación de impacto medioambiental. Posteriormente, además, debe realizarse un estricto programa de vigilancia ambiental para conocer la conducta de su descarga y disminuir cualquier tipo de impacto asociado.

AGRADECIMIENTOS Gracias a Fernando Cano y a Carlos Valle por su colaboración en los primeros muestreos. A José Emilio Martínez por prestarnos la cartografía base del área. Y a la Marina del Canal de la Fontana por dejarnos un puesto de amarre y facilitarnos el trabajo en el mar. El presente estudio ha sido financiado por la empresa Pridesa y por una beca FPI de la Generalitat Valenciana (CTBPRR/2002/83).

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BIBLIOGRAFÍA •

Ahmed, M., W.H. Shayya, D. Hoey, A. Mahendran, R. Morris y J. Al-Handaly (2000): Use of evaporation ponds for brine disposal in desalination plants. Desalination 130, 155-168.

•

Autores Varios (2003): Estudio de los efectos de incrementos de salinidad sobre la fanerógama marina Posidonia oceanica y su ecosistema, con el fin de prever y minimizar los impactos que pudieran causar los vertidos de aguas de rechazo de plantas desaladoras. Documento de síntesis. 10 pp.

•

Boudouresque, C.F. y A. Meinesz (1982): Decouverte de l’hervier de Posidonie. Cahier Parc Nation. Port-Cross 4, 1-79.

•

Castriota, L., Ç.M Beltrano, O. Giambalvo, P. Vivona y G. Sunseri (2001): A one-year study of the effects of a hyperhaline discharge from a desalination plant on the zoobenthic communities in the Ustica Island Marine Reserve (Southern Tyrrhenian Sea). En: CIESM, 2001.

•

Chesher, R.H. (1975): Biological impact of a large-scale desalination plant at Key West, Florida. In: Tropical marine pollution. (E.J. Ferguson and R.E. Johanes, eds.). Elsevier Scientific Publishing Company, Amsterdam, pp. 99-181.

•

Del Bene, J.V., G. Jirka y J. Largier (1994): Ocean brine disposal. Desalination 97, 365-372.

•

Einav, R., K. Harussi y D. Perry (2002): The footprint of the desalination processes on the environment. Desalination 152, 141-154.

•

Einav, R. y F. Lokiec (2003): Environmental aspects of a desalination plant in Ashkelon. Desalination 156, 79-85.

•

Gacia, E. y E. Ballesteros (2001): El impacto de las plantas desalinizadoras sobre el medio marino: la salmuera en las comunidades bentónicas mediterráneas. En: Conferencia Internacional: El Plan Hidrológico Nacional y la Gestión Sostenible del Agua. Aspectos medioambientales, reutilización y desalación. Zaragoza, Junio 2001. 10 pp.

•

Höpner, T. y J. Windelberg (1996): Elements of environmental impact studies on coastal desalination plants. Desalination 108, 11-18.

•

Lattemann, S. y T. Höpner (2003): Seawater desalination. Impacts of brine and chemical discharges on the marine environment. Desalination Publications, L’Aquila, Italy. 142 pp.

•

Medina San Juan, J.A. (2001): La desalación en España. Situación actual y previsiones. Conferencia Internacional: El Plan Hidrológico Nacional y la Gestión Sostenible del Agua. Aspectos medioambientales, reutilización y desalación. Zaragoza, junio 2001.

•

Morton, A.J., I.K. Callister y N.M. Wade (1996): Environmental impacts of seawater distillation and reverse osmosis processes. Desalination 108, 1-10.

•

Pérez Talavera, J.L. y J.J. Quesada Ruiz (2001): Identification of the mixing processes in brine discharges carried out in Barranco del Toro Beach, south of Gran Canaria (Canary Islands). Desalination 139, 277–286. —8—

•

Purnama, A., H.H. Al-Barwani y M. Al-Lawatia (2003): Modeling dispersion of brine waste discharges from a coastal desalination plant. Desalination 155, 41 – 47.

•

Ramos, A.A., Y. Fernández, J.M. González, J.E. Martínez y C. Valle (2001): Valoración ambiental de posibles zonas de vertido de planta desaladora en el litoral de Xàbia (Alicante). Informe técnico, Unidad de Investigación de Biología Marina e Instituto del Agua y de las Ciencias Ambientales, Universidad de Alicante.

•

Ruiz, J.M. (2000): Respuesta de la fanerógama marina Posidonia oceanica (L.) Delile a perturbaciones antrópicas. Tesis doctoral. Universidad de Murcia. 212 pp.

•

Tomasko, D.A., N.J. Blake, C.W. Dye y M.A. Hammond (1999): Effects of the disposal of reverse osmosis seawater desalination discharges on a seagrass meadow (Thalassia testudinum) offshore of Antigua, West Indies. In: Seagrasses: Monitoring, Ecology, Physiology and Management, 99-112.

•

Underwood, A.J. (1997): Experiments in Ecology. Their logical design and interpretation using analysis of variance. Cambridge University Press. Cambridge, Reino Unido, 504 pp.

•

Valero, A., J. Uche y L. Serra (2001): La desalación como alternativa al PHN. Informe técnico, CIRCE y Centro Politécnico Superior de la Universidad de Zaragoza. 108 pp.

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Monitoring the brine discharge from a desalination plant in the Mediterranean  FERNÁNDEZ TORQUEMADA, Y.; [U. Biología Marina, Dpto. Ciencias del Mar y B. Aplicada, U. Alicante]  LOYA, A.  MÚGICA, Y.  GONZÁLEZ CORREA, J.M.; [U. Biología Marina, Dpto. Ciencias del Mar y B. Aplicada, U. Alicante]  TEMPLADO, J.  CALVO, M.  ANTORANZ, A.  CORTÉS J.M.  SÁNCHEZ-LIZASO, J. L.; [Profesor y director del departamento de Ciencias del Mar y Biología Aplicada, Universidad de Alicante]

ABSTRACT Desalination of seawater has been considered as a potential solution for water shortage problem and the number of projected and constructed desalination plants have significantly increased over the recent years. However available information regarding the behaviour of desalination brine effluents and about their effects in the marine ecosystem is scarce. These potential effects may be minimized by selecting an appropriated discharge location or with previous dilution of the effluent, but also establishing a carefully designed monitoring program in order to assess the brine plume distribution over time and taking appropriate measurements when necessary. The objective of this paper is to present the results of the monitoring, on time and space, of the brine effluent originated by the SWRO desalination plant of the New Channel of Cartagena in San Pedro del Pinatar (Murcia, SE Spain), as well as to quantify the potential effects associated with this discharge on the most sensitive communities present in the area (Posidonia oceanica meadows, bioherms of the vermetid gastropod Dendropoma petraeum, and echinoderms). The desalination plant began to work in May of 2005. As the construction of the main pipe line for the brine discharge had not been concluded, the brine was provisionally discharged in the coast line, at - 2 m of depth after its dilution with seawater. The seabed of this area mainly consisted on sand with a few patches of rocks, dead Posidonia matte and Dendropoma petraeum formations in the lower mid-littoral in some emerging rocks. The endemic and protected seagrass Posidonia oceanica appeared at - 4 m depth and approximately 200 m from the discharge point. Due to the peculiarities of this provisional brine disposal, the operation of this desalination plant was carried out in a progressive way, increasing the number of effective lines at the same time that the dilution of its brine, with the purpose of avoiding any adverse and irreversible effect on the P. oceanica meadows. —1—

In January of 2006 the construction of the main pipe line for the desalination plant was concluded, finishing the provisional monitoring program. During all this time we have detected only one episodic event of elevated salinity (> 39 psu) in the upper P. oceanica limit, but we have not identified any significant effects on the Posidonia, Dendropoma, and faunal communities next to the brine discharge area.

I. INTRODUCTION During the last decades existing freshwater sources are becoming increasingly limited at some Mediterranean countries, due to the elevated consumption and the low precipitation occurring in these zones [1]. Desalination is a maturing technology that has been widely utilised for freshwater supply throughout the world for many years [2]. Therefore seawater desalination has been considered as a feasible alternative available for this current water shortage problem, and the number of projected and constructed desalination plants have increased along this region over the recent years [1]. The most employed desalination method in these new facilities is reverse osmosis (RO), but this technique can generate a considerable volume of reject waters that are usually discharged into the marine environment [3]. The discharge is mainly composed by brine of elevated salinity (44-90 psu), so it is denser than the receiving seawater (negatively buoyant) and without mixing it will sink to the seafloor producing the formation of a stratified system, with highest salinities expanding along the sea bottom. This hypersaline mass of water may affect several benthic marine organisms that are habituated to more stable and lower salinity environments [4-6]. The most sensitive communities will be the most affected, perhaps resulting in total disappearance of these species inside the area of brine influence. The magnitude of this impact will depend on numerous factors, including the characteristics of the desalination plant and its reject brine, the location and the area of influence of the discharge, but also on the nature and tolerance of the marine organisms affected by this effluent [7-9]. Seagrasses constitute an important ecosystem susceptible of being affected by the seawater desalination activity, due to their coastal location and their elevated sensitivity to changes in the environmental quality [10-12]. Particularly, Posidonia oceanica (L.) Delile is an endemic and protected seagrass in the Mediterranean Sea, where it forms one of the most relevant and productive communities [13]. However, this species is considered very vulnerable and has suffered a notable regression commonly attributed to several human activities [14-15]. Recent studies have demonstrated the low tolerance of this species to salinity increments [16-17]. Consequently, affecting this community with the brine discharge from desalination plants should be avoided, by selecting an appropriated discharge location not inhabited by this species or by mitigating any possible effects with a previous dilution of the effluent, but also establishing a carefully designed monitoring program in order to assess the brine plume distribution over time and taking appropriate measurements when necessary [8, 18]. Monitoring programs consist in the repeated observation of a system with the purpose of detecting a change [19-20]. These programs should be designed to identify any potential signs of disturbance in an ecosystem at an early stage; therefore they need a regular sampling in time with an adequate replication at more than one location. Environmental monitoring usually focuses on data collected from relevant biological or physical parameters that are considered useful targets for assessing the studied impact. As seawater desalination is a relatively recent activity, available information regarding the monitoring of desalination brine effluents and about to their effects in the marine ecosystem is limited [21-24]. In Spain, the desalination —2—

activity is properly regulated through state and local policy, in this legislation it is included a strict implementation of the Environmental Impact Assessment and its associated monitoring programs. The main objective of this paper is to present the results of the monitoring, on time and space, of the brine effluent originated by the SWRO desalination plant of the New Channel of Cartagena in San Pedro del Pinatar (Murcia, SE Spain), as well as to quantify the potential effects associated with this discharge on the most sensitive and relevant communities present in the area (Posidonia oceanica meadows, bioherms of Dendropoma petraeum, and echinoderms).

II. MATERIAL AND METHODS 2.1. Situation And Description Of The Desalination Plant The desalination plant of the New Channel of Cartagena went online in May of 2005 in Murcia (SE Spain; Figure 1). It uses seawater reverse osmosis (SWRO) technology and has nine lines with a freshwater maximum production of 65000 m3 d-1. For seawater supply it utilises a superficial reception of seawater by means of horizontal directed drilled wells. The average recovery rate of the plant is approximately 44%, implying a reject water with an elevated salinity (≈ 70 psu).

Figure 1. Location of the New Channel of Cartagena SWRO desalination plant and situation of the sampling stations (control and desalination localities) employed for the monitoring of the biological communities.

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Initially, as the construction of the main pipe line for the brine discharge had not been concluded, the brine was provisionally discharged at the coastline, at - 2 m of depth after its dilution with seawater. The seabed of this area mainly consisted on sand with a few patches of rocks, dead Posidonia matte and Dendropoma petraeum formations in the lower mid-littoral in some emerging rocks. The endemic and protected seagrass Posidonia oceanica appeared at - 4 m deep and approximately 200 m from the discharge point (Figure 1). D. petraeum forms crusts and ledges in the lower mid-littoral of the four emerging rocks close to the discharge point (Figure 1). Due to the peculiarities of this provisional brine disposal, the operation of this desalination plant was carried out in a progressive way, increasing the number of effective lines at the same time that the dilution of its brine, with the purpose of avoiding any adverse and irreversible effect on the P. oceanica meadows. 2.2. Monitoring Of The Effluent Dispersion (On Time And Space) The monitoring program was carried out from May 2005 to the moment in which the main pipeline for the brine discharge was finished in January 2006. During this monitoring program it was necessary to control the temporal and spatial dispersion of the effluent, by measuring the physical properties of the seawater in the vicinity of the desalination plant discharge. 2.2.1. Brine Distribution On The Space In order to know the spatial distribution and the dilution of brine in the closest area to the effluent discharge we carried out eight surveys, coinciding with the increment of the desalination production or with new dilutions of the brine. In each campaign a grid of 60 sampling stations near the brine discharge point was established. Each station was positioned using a GPS1 (precision ± 5 m) and salinity measurements were taken from the seawater column. It was utilised a CTD2 (conductivity, temperature and depth device), with a measuring range of 0–70 psu and a resolution ± 0.01 psu. 2.2.2. Temporal Changes Of Salinity Due to the vicinity of the Posidonia oceanica meadow to the discharge point (≈ 200 m) it should be necessary to control and have a continuous register of salinity values on this community. With this purpose five CTs3 (conductivity and temperature sensors), with incorporated data loggers, were deployed in the Posidonia oceanica upper limit (- 4 m deep), two of them connected to buoys that transmitted directly the salinity values to the plant, while salinity data of the rest of the CTs were weekly acquired. Another CT was located before the discharge, to monitor changes in the salinity effluent due to changes in the dilution. A protocol was established in order to increase the dilution of the brine or reduce the number of desalination lines in operation, when salinity increments over the reference limits were observed in the Posidonia meadow.

Garmin 50. RBR model XR-420 CTD. 3 RBR model XR-420 CTs and FSI NXIC-CT-BIO. 1 2

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2.3. Monitoring Of The Biological Communities In addition to control salinity on the receiving environment, representative biological communities were also monitored in this area. Biological organisms selected for the monitoring program included both, Posidonia oceanica meadows and Dendropoma petraeum formations, due to their ecological relevance, and echinoderms, due to their sensitiveness to changes in salinity. Five stations were selected (Figure 1): two localities were situated as near as possible to the outlet of the desalination plant, and the other three (controls) far enough to be not affected by the brine however with similar conditions as the previous ones. This sampling design will allow us to determine if observed changes are due to the influence of the brine discharge or to natural variability. At each station and at two different depths (in the upper limit, at - 4 m, and in the continuous meadow at - 7 m), three sites with four permanent parcels for P. oceanica were established. Each parcel was a 20 x 20 cm frame at - 4 m deep and 40 x 40 cm at - 7 m, inside of which all Posidonia shoots were counted. In addition seagrass cover was determined and ten shoots were haphazardly collected and transported to the laboratory, where the morphology, biomass, load of epiphytes and herbivore pressure of plants were determined [25]. Echinoderms density was estimated at the same localities but only in the upper limit of the seagrass meadow (- 4 m) with 10 replicate transect of 10 m2, and over a substrata of dead matte and rock at -3 m depth. The distribution of Dendropoma petraeum bioherms around the brine discharge point was evaluated by means of visual inspection/census before the desalination plant began to operate. In addition samples of the observed colonies were obtained as reference to detect sublethal effects when comparing with posterior samples. Monitoring of these organisms was done before and after the desalination plant went online (every three months). 2.4. Statistical Analysis And Spatial Representation Of Data An interpolation of the data obtained in each campaign was made using the kriging technique, with the purpose of getting a real representation of the salinity variable in the space. Before using this methodology, it must be probed some kind of spatial correlation between data. For this reason it was utilised the GeoEAS (Geostatistical Environmental Assessment Software) program4. With this program we obtained the experimental variogram, the model that better fits to it (subprogram VARIO) and its validation (subprogram VALID). Then the obtained model was used with the Surfer v.7 program5 to get the graphical spatial representation of salinity data in the studied area. We used a Before-After Control-Impact (BACI) analysis to detect any potential impact of the brine discharge on the biological organisms selected [26]. This technique compares an impacted area with a control or reference area, after and before a disturbance has happened. The data of structure of meadows (permanent parcels density and cover) and shoot metrics of Posidonia oceanica, as well as those of echinoderms density, were statistically evaluated using analysis of variance (ANOVA) with the purpose of determining differences between locations close to the brine discharge and controls [27]. All calculations were performed using the GMAV.5 program6 with a minimum significance level established at p < 0.05.

US Environmental Protection Agency (EPA). Golden Software Inc., Golden, Colorado. 6 Underwood and Chapman, 1997; University of Sydney. 4 5

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III. RESULTS AND DISCUSSION In January of 2006 the construction of the main pipe line for the desalination plant was concluded, finishing the provisional monitoring program. During this period of time no significant environmental variations attributable to the brine discharges from the desalination plant were found, as it will be exposed in the next paragraphs. 3.1. Monitoring Of The Brine Effluent Behaviour (On Time And Space) Figure 2 shows two examples of the results obtained in the surveys carried out with the CTD in order to estimate the spatial dispersion of brine in the area. We detected the highest salinities in the survey performed in June 8, when the desalination plant was working with 2 lines and 4:1 dilution. But even in this case the spatial distribution of the brine plume is quite reduced and salinity values did not exceed 38.2 psu. In this figure we can also observe that brine dispersion is guided by the direction in which the bathymetry increases and by the predominant north to south coastal currents of the area. Afterwards the dilution was enlarged and in the rest of the surveys it was detected a smaller spatial dispersion of brine or the absolute mix of the same one.

Figure 2. Spatial representation of salinity distribution on the seafloor close to the brine discharge point obtained in two different surveys (June and July).

Salinity evolution on time recorded by the CTs in the different stations, situated in the upper limit of the P. oceanica meadow, is reflected in the Figure 3. It can be observed that during April the salinity was similar in all the stations and oscillated between 37.5 and 38 psu. During this period of time we did not detect any increase of the salinity because just cleaning operations —6—

with seawater of the desalination devices took place. However, a significant salinity increase was observed (> 39 psu) when the desalination plant began to operate in May, with a very low dilution considering the number of working lines. When this salinity value was reached on the Posidonia oceanica meadow the previous dilution of brine was increased in order to accomplish the limits established at the monitoring program. Later the number of lines in operation was enlarged until a maximum of four lines in August, while the rest of the time the desalination plant worked with three. Regarding the salinity recorded by the CT located before the discharge point, in the Figure 4 it can be observed that the brine, once diluted, did not reach a salinity of 47 psu during this time.

Figure 3. Representation of the average salinity data (psu) obtained in the control stations (blue line) and in the locality in front of the brine discharge point (orange line).

Figure 4. Average salinity values (psu) registered before the discharge in order to control the real dilution of brine with the seawater.

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3.2. Monitoring Of The Biological Communities During this monitoring program of the provisional brine disposal we have not detected any evidence of affection on the studied biological communities in the area surrounding to the discharge (Posidonia oceanica meadows, bioherms of Dendropoma petraeum, and echinoderms). Population dynamics and metrics of Posidonia oceanica showed a quite homogeneous behaviour between localities and before and after the desalination plant went online only seasonal changes were observed. Significant differences were not detected between control areas and the ones located next to the brine disposal. The same trend was detected for the other sensitive organisms to salinity changes. Echinoderms of the closest station to the discharge point did not show any significant differences regarding the control stations and no changes were observed in the bioherms of Dendropoma petraeum after the brine discharge.

SUMMARY Up to the moment, few studies have evaluated the potential effects associated to the brine discharge of a desalination plant on the surrounding environment, and those that do generally do not compare biological communities before and after the disturbance [21-24]. The information obtained in this work can be considered very useful for its application to future similar projects in the Mediterranean region. In this paper it has been studied the provisional brine discharge in the coastline (at - 2 m deep) of the New Channel of Cartagena SWRO desalination plant in San Pedro del Pinatar (Murcia, SE Spain). In spite of the discharge was done in an area of very high environmental value, the environmental impact of desalination brine discharges can be minimized by means of a proper dilution of the concentrate and reducing the production of the desalination installation when it was considered necessary. In this case, priority for the owner of the plant has been the environmental protection and not the water production. In order to allow the desalination plant to work at its full capacity a pipeline of more than 5 km of longitude has been constructed and the discharge is now at – 35 m deep, below the more sensitive communities.

ACKNOWLEDGMENTS This project was financially supported by the Water Consortium “Mancomunidad de Canales del Taibilla”.

REFERENCES 1. Medina San Juan, J.A. (2001) La desalación en España. Situación actual y previsiones. Conferencia Internacional: El Plan Hidrológico Nacional y la Gestión Sostenible del Agua. Aspectos medioambientales, reutilización y desalación. 2. Meerganz von Medeazza, G.L. (2005). “Direct” and socially-induced environmental impacts of desalination. Desalination, 185: 57-70. 3. Jibril, B.E.; Ibrahim, A.A. (2001) Chemical conversions of salt concentrates from desalination plants. Desalination, 139: 287-295.

—8—

4. Del Bene, J.V.; G. Jirka, G.; Largier, J. (1994) Ocean brine disposal. Desalination, 97: 365-372. 5. Gacia, E.; Ballesteros, E. (2001) El impacto de las plantas desalinizadoras sobre el medio marino: la salmuera en las comunidades bentónicas mediterráneas. Conferencia Internacional: El Plan Hidrológico Nacional y la Gestión Sostenible del Agua. Aspectos medioambientales, reutilización y desalación. 6. Einav, R.; Lokiec, F. (2003): Environmental aspects of a desalination plant in Ashkelon. Desalination, 156: 79-85. 7. Ahmed, M.; Shayya, W.H.; Hoey, D.; Mahendran, A.; Morris, R.; Al-Handaly, J. (2000) Use of evaporation ponds for brine disposal in desalination plants. Desalination, 130: 155-168. 8. Einav, R.; Harussi, K.; Perry, D. (2002) The footprint of the desalination processes on the environment. Desalination, 152: 141-154. 9. Lattemann, S.; Höpner, T. (2003) Seawater desalination. Impacts of brine and chemical discharges on the marine environment. Desalination Publications, L’Aquila, Italy, 142 pp. 10. Short, F.T.; Wyllie-Echeverria, S. (1996) Natural and human-induced disturbances of seagrasses. Environmental Conservation, Vol. 32: 17–27. 11. Bianchi, C.N.; Morri C. (2000) Marine biodiversity of the Mediterranean Sea: situation, problems and prospects for future research. Marine Pollution Bulletin, Vol. 40(5): 367–376. 12. Ferrat, L.; Pergent-Martini, C.; Romeó, M. (2003) Assessment of the use of biomarkers in aquatic plants for the evaluation of environmental quality: application to seagrasses. Aquatic Toxicology, Vol. 65: 187-204. 13. Boudouresque, C.F.; Meinesz, A. (1982) Decouverte de l’hervier de Posidonie. Cahier Parc Nation. Port-Cross, 4: 1-79. 14. Sánchez-Lizaso, J.L.; Guillen Nieto, J.E.; Ramos Esplá, A.A. (1990) The regression of Posidonia oceanica meadow in El Campello Spain. Rapp. Comm. Int. Mer Medit. 32, 10. 15. Ruiz, J.M. (2000) Respuesta de la fanerógama marina Posidonia oceanica (L.) Delile a perturbaciones antrópicas. Tesis doctoral. Universidad de Murcia. 212 pp. 16. Buceta, J.L.; Fernández-Torquemada, Y.; Gacía, E.; Invers, O.; Mas, J.; Romero, J.; Ruiz, J.M.; Ruiz-Mateo, A.; Sabah, S.; Sánchez-Lizaso, J.L. (2003). Investigación conjunta sobre la tolerancia de Posidonia oceanica a incrementos de salinidad. Ingeniería Civil, 132: 111-116. 17. Fernández-Torquemada, Y.; Sánchez-Lizaso, J.L. (2005) Effects of salinity on leaf growth and survival of the Mediterranean seagrass Posidonia oceanica (L.) Delile. Journal of Experimental Marine Biology and Ecology, 320 (1): 57-63. 18. Höpner, T. (1999) A procedure for environmental impact assessments (EIA) for seawater desalination plants. Desalination, 124: 1-12.

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19. Kingsford, M. (1998) Studying temperate marine environments: a handbook for ecologists. Ed. Canterbury University Press, 335 pp. 20. Short, F.T.; McKenzie, L.J.; Coles, R.G.; Vidler, K.P. (2002) SeagrassNet manual for scientific monitoring of seagrass habitat (QDPI, QFS, Cairns). 56 pp. 21. Chesher, R.H. (1975) Biological impact of a large-scale desalination plant at Key West, Florida. In: Tropical marine pollution. (E.J. Ferguson and R.E. Johanes, eds.). Elsevier Scientific Publishing Company, Amsterdam, pp. 99-81. 22. Tomasko, D.A.; Blake, N.J.; Dye, C.W.; Hammond, M.A. (1999) Effects of the disposal of reverse osmosis seawater desalination discharges on a seagrass meadow (Thalassia testudinum) offshore of Antigua, West Indies. In: Seagrasses: Monitoring, Ecology, Physiology and Management, pp. 99-112. 23. Castriota, L.; Beltrano, Ç.M.; Giambalvo, O.; Vivona, P.; Sunseri, G. (2001) A one-year study of the effects of a hyperhaline discharge from a desalination plant on the zoobenthic communities in the Ustica Island Marine Reserve (Southern Tyrrhenian Sea). In: CIESM, 2001. 24. Pérez Talavera, J.L.; Quesada Ruiz, J.J. (2001) Identification of the mixing processes in brine discharges carried out in Barranco del Toro Beach, south of Gran Canaria (Canary Islands). Desalination, 139: 277–286. 25. Sánchez Lizaso, J.L. (1993) Estudio de la pradera de Posidonia oceanica (L.) Delile de la Reserva Marina de Tabarca (Alicante): Fenología y producción primaria. Tesis doctoral. Universidad de Alicante. 121 pp. 26. Short, F.T.; Coles, R.G. (2001) Global seagrass research methods. Amsterdam: Elsevier Science, 473 pp. 27. Underwood, A.J. (1997) Experiments in Ecology. Their logical design and interpretation using analysis of variance. Cambridge University Press, Cambridge, 504 pp.

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Salinity tolerance of the Mediterranean seagrass Posidonia oceanica: recommendations to minimize the impact of brine discharges from desalination plants  SÁNCHEZ-LIZASO, J.L.; [Profesor y director del departamento de Ciencias del Mar y Biología Aplicada, Universidad de Alicante]  ROMERO, J.; [Centre for Advanced Studies of Blanes, Spanish Council of Scientific Research (CEAB-CSIC)]  RUIZ, J.; [Centre of Oceanography of Murcia, Spanish Institute of Oceanography (IEO)]  GACIA, E.; [Department of Ecology, University of Barcelona (Dept. Ecologia, UB)]  BUCETA, J.L.; [Centre of Studies and Experimentation of Public Works (CEDEX)]  INVERS, O.; [Centre for Advanced Studies of Blanes, Spanish Council of Scientific Research (CEAB-CSIC), Centre of Studies and Experimentation of Public Works (CEDEX)]  FERNÁNDEZ TORQUEMADA, Y.; [Department of Marine Sciences, University of Alicante (DCMBA, UA)  MAS, J.; [Centre of Oceanography of Murcia, Spanish Institute of Oceanography (IEO)]  RUIZ-MATEO, A.; [Centre of Studies and Experimentation of Public Works (CEDEX)]  MANZANERA, M.;[Centre for Advanced Studies of Blanes, Spanish Council of Scientific Research (CEAB-CSIC)]

ABSTRACT Desalination of seawater has become an important and growing industry due to the present water shortage in some Mediterranean countries. This activity may result in some environmental impacts, mainly generated by the discharge into the sea of the brine produced, which can affect marine benthic communities. Posidonia oceanica (L.) Delile is an endemic seagrass of the Mediterranean Sea, where its meadows represent a relevant ecosystem susceptible to being affected by these desalination effluents. The present study was planned in order to investigate the effects of hypersaline discharges on P. oceanica and its main associated organisms, and to provide adequate knowledge to help managers in the taking of decisions related to hypersaline discharges potentially affecting Posidonia meadows, particularly in the Spanish Mediterranean. The research included three different approaches conducted by distinct research teams whose results indicate that P. oceanica is very sensitive to salinity increases. Laboratory and field experiments showed significant effects on seagrass structure and vitality at salinities of 39.1 and 38.4, respectively. Due to this high sensitivity of P. oceanica to salinity increases, we recommend to avoid design and construction of brine discharges in areas where these ecosystems or others that are potentially sensitive occur. However, when this option is not possible, we suggest not to exceed neither 38.5 psu of salinity in any point of the meadow for more than 25% of the observations (on an annual basis) nor 40 psu of salinity in any point of the meadow for more than 5% of those observations.

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KEYWORDS Desalination; Environmental impact; Posidonia oceanica; Salinity tolerance.

1. BACKGROUND The present document summarizes the conclusions achieved in a first attempt to investigate the effects of hypersaline brine discharges of desalination plants on the Mediterranean seagrass Posidonia oceanica. This work was promoted by the State Company Aguas de la Cuenca del Segura (ACSEGURA) which was planning to build a large desalination plant (140,000 m3 day−1) in a locality on the Southeastern coast of Spain (Rambla de Matalentisco, Murcia, Spain). At this locality a continuous meadow of the seagrass P. oceanica is present between the coastline, and the 25 m depth line. P. oceanica is an endemic seagrass species of the Mediterranean and its meadows are protected by environmental regulations in accordance with their great ecological value and relevant services they provide [1–3]. In particular, Mediterranean seagrasses are included in the high priority conservation natural habitats catalogue of the European Council (Directive 92/43/ EEC, 21 of May, 1992). Salinity of brine discharges (60–90 psu) is considerably higher than ambient values to which seagrasses are adapted. Therefore, a possible conflict between habitat conservation and water production by desalination was perceived. Given that the seagrass habitat extends over a large part of the Mediterranean coast, and that it is foreseen a substantial increase in the installation of new desalination plants (in Spain and other Mediterranean countries), the capacity of P. oceanica to tolerate a salinity increase become an issue of general interest. Yet, to date, there is no information related to salinity tolerance thresholds of P. oceanica and its main associated organisms. To cover this gap and with the aim of providing some directives to managers for brine water discharges, the State Society ACSEGURA and the Centre of Studies and Experimentation of Public Works (CEDEX) subscribed in May 2000 an agreement of collaboration to «Investigate sea discharges of reject waters from desalination plants». This work consists of two parts; the first one addresses the physical study of the discharge, including optimization of the device that maximizes the dilution of the brine, the second one, oriented to determine the biota tolerance thresholds to salinity increases. This document summarizes the conclusions arising from the second block of the work that was conducted under a collaborative agreement of CEDEX with the Centre of Advanced Studies of Blanes - CSIC, the Oceanography Centre of Murcia of the Spanish Institute of Oceanography (IEO), the Department of Ecology of the University of Barcelona and the Department of Marine Sciences of the University of Alicante.

2. RESEARCH PROGRAM Despite the call for this knowledge being requested for a single study case (Desalination Plant of Rambla de Matalentisco) the study was planned not only to prevent and foresee the possible impact of this desalination plant, but also to provide directives for the management of any hypersaline discharge that may affect P. oceanica meadows, particularly in the Spanish Mediterranean coast. Thus, the research includes three different approaches that correspond to different subprojects, each one conducted by different teams:

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1) Experimental work in the laboratory: a number of P. oceanica shoots were maintained in 300 l tanks during 15 days under different controlled salinity treatments (salinity range: 23–57 psu). The work was conducted by the University of Alicante team using the facilities of MUNDOMAR Company at Benidorm (Alicante) 2) Experimental work in the field: a series of plots, 1 m2 surface and located in a natural stand of P. oceanica were treated in situ with two different concentrations of a hypersaline water discharge obtained from a pilot desalination plant constructed by ACSEGURA for experimental purposes. Research was conducted by the Centre of Oceanography of Murcia of the Spanish Institute of Oceanography. 3) Field surveys: study of the long term impact of desalination plant discharge on a P. oceanica meadow in the Balearic Islands. Research was conducted together by the teams of the CEAB-CSIC and UB.

3. RESULTS Laboratory experiments [4] showed that the increase in seawater salinity results in a reduction of seagrass vitality (leaf growth, necrotic spots in leaf tissue and premature senescence of the leaves) and higher plant mortality. These effects were statistically significant at salinities of 39.1 psu and above. In some cases, affected plants that had been exposed to short hypersaline episodes were able to recover their normal growth once returned to normal salinities. Plant mortality increased with salinity, being the differences significant at 40 psu and above. At 45 psu, approximately 50% of the plants died within 15 days. The results obtained were the same if the whole plant was exposed to the treatment salinity or if the aquarium was stratified with only the basal portions of leaves being under the hypersaline water. Experiments in similar aquaria were also performed to test the tolerance to hypersalinity of some important and frequent animals in the meadows; the mysid Leptomysis posidoniae and the sea urchin Paracentrotus lividus. In both cases, mortality increases were detected at salinities over 40.5–41 psu, although always depending on temperature. In general, at the same salinity the survival decreased as temperature increased. The field experiment was of notable technical difficulty but also showed significant effects of brine treatments on seagrass meadow structure and vitality associated with salinity increase. During the experimental 3-month period, salinity values were of 39.2 ± 0.8 psu (standard deviation) in the parcels with «very high salinity» (VS) and of 38.4 ± 0.3 in the «high salinity» ones (HS). This represents an average increase of 1.52 and 0.71 psu, respectively, over the ambient seawater salinity measured in control plots (37.7 ± 0.12). Spatial variability within the plots was higher in the experimental plots than in the controls (note increase in standard deviation) and was not constant throughout the experimental period. In the HS plots, the frequency of salinity values equal to or higher than the mean treatment was only of 26.9 and 44.4% for the VS plots. At the end of the experiment, plant mortality was higher in plots with brine treatment than in control plots, being higher in the VS treatment (20%) than in the HS treatment (14%). In addition, other indicators (i.e. number of leaves, maximum leaf length, presence of necrotic marks, leaf growth rate and biomass) showed lower seagrass vitality in the plots with the brine than in control ones. Differences were found from null to moderate in plots of «HS», and from moderate to very important in parcels of «VS». Furthermore, both in HS and VS treatments total non-structural carbohydrates decreased in rhizomes up to 27.2% of mean values measured in control plots. This result may be explained by the decrease in the total and available photosynthetic surface caused by brine as was reported by the reduced leaf vitality descriptors. —3—

The study of the long-term effects of brine produced by an active desalination plant in a natural meadow was conducted in Formentera, and has to cope with the complexity and heterogeneity of the natural meadow studied. Nonetheless, we detected a very important impact on P. oceanica plants in the nearest area to the emissary (salinities between 38.4 and 39.8 psu) with very low shoot abundance, a significant reduction in leaf size, an overload of epiphytes and some alterations in the physiology of plants compared to unaffected homologous areas. The analysis of the emissary waters revealed elevated nutrient contents (particularly nitrates but also phosphates), higher than detected on receiving waters. The high nutrient concentrations of the brine may be the result of organic pollution not related to the desalination plant. This fact, together with other plant symptoms, such as the extremely high epiphyte abundance, the higher nitrogen and phosphorous concentration in tissues and the higher herbivore activity, leads us to think that, even without discarding a possible salinity stress, the main cause of the degradation of the meadow in the near field of the emissary is eutrophication. However, in the far field of impact of the saline plume, with salinity fluctuating from 37.8 to 39.3 psu, the plants were no longer having eutrophication symptoms. The meadow did not show differences in shoot densities compared to reference sites, however changes in the structural pattern of the shoot distribution, increase in the frequency of necrosis marks in the leaves, and a significant lower abundance of the accompanying macro fauna, compared to homologous meadows not affected by the discharge. We can thus attribute the alterations in the far field of the meadow to salinity stress.

4. EVALUATION OF THE RESULTS The results obtained here indicate that P. oceanica is very sensitive to salinity increases. Laboratory and field experiments showed significant effects on seagrass structure and vitality at salinities of 39.1 and 38.4, respectively. This means that the threshold of salinity tolerance of this seagrass species is very low, only 1–2 psu higher than the mean ambient salinity (37–38). This also means that both independent experiments produce similar results and that they are consistent with those obtained in field surveys. The experimental results therefore support the hypothesis that variability of seagrass descriptors measured in the field surveys (desalination plant in Formentera) can be attributed to the observed salinity increase both in the far fields and, at least partly, in the near field of the brine discharge. Thus, despite the differences in the type and scale of the research approach used by each group, the results obtained are highly coherent among them and can provide answers to basic questions raised by coastal managers (i.e. recommendations on critical salinity thresholds). Nonetheless, there are still many issues that need to be addressed in future research. Both laboratory and field experiments demonstrated the sensitivity of P. oceanica at the short-term (15days and 3 months, respectively), so their results cannot be extrapolated to field conditions where many environmental parameters (i.e. light, temperature, hydrodynamics) interact. We do not know what would happen if the situation persisted, such as if the identified effects would be cumulative or synergistic, causing higher mortality or degradation than those detected until now, or, on the other hand, a certain change and acclimation of P. oceanica to osmotic stress would occur diminishing the range of impact. Doubts also exist about response variability, depending upon seasonality, depth or other natural environment components that could modulate the plant response. Other preliminary results (not reported here) also suggest that plants at deeper depths may be much more sensitive to the brine that those living near the surface.

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Field studies of seagrass meadows under chronic osmotic stress are also subject to many uncertainties, mainly because environmental heterogeneity (substrate, topography, etc.) can mask the effect of the brine effluent. The nature and composition of the brine is also important. In the case studied here, the significant impact of the eutrophication in the very shallow meadow hid the effect of the salinity increase. Also, it is difficult to characterize the salinity regime over time in the different points of the meadow affected, as well as its associated heterogeneity. Moreover, these results can certainly not be extended to other discharge situations, particularly if the volume of the effluent, the depth ranges of the meadows and hydrodynamics of the system are different from those in our study site. Finally, the experimentation with accompanying animals has not been as extensive as it has been with the plant and, although it has evidenced great sensitivity to increases in salinity, it was not able to determine precise salinity thresholds. Moreover, it should be stated that fauna and flora together are one of the most out-standing patrimonial values of the P. oceanica ecosystem. In summary, when producing recommendations about critical values, one should act with caution, taking into consideration: 1) the sense of «environmental caution» which means leaving some margins of security that guarantee the persistence of the affected meadows, and 2) not giving as definitive results that (though they are very important because they are the only ones) should be open to later verifications. Further studies are needed in order to corroborate or modify and improve the critical thresholds that provisionally are provided in this paper.

5. RECOMMENDATIONS ON CRITICAL SALINITY THRESHOLDS As a general recommendation and given the high sensitivity of P. oceanica and its associated fauna to even moderate to salinity increases, it is recommended to avoid the design and construction of brine discharges in areas containing these ecosystems (or others that are potentially sensitive), with sandy bottoms without vegetation being preferable. In the event of impossibility to fulfill of this recommendation due to constructive, economic or of any other type of restrictions, and keeping in mind the results presented here and, in particular, the principle of environmental vigilance formulated in Rio de Janeiro Summit, the following alternative recommendations are made to be applied to any hypersaline discharge that could impinge on meadows of P. oceanica in the Western Mediterranean: •

It should not be allowed to exceed 38.5 psu of salinity in any point of the meadow for more than 25% of the observations on an annual basis.

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It should not be allowed to exceed 40 psu of salinity in any point of the meadow for more than 5% of the observations on an annual basis.

Any observational study should be performed with a frequency period in accordance with the general regime of variability of the parameter in question. Therefore, when referring to the meadow salinity, it is important to refer to salinities measured inside the leaf stratum, within —5—

a height embedded between the surface of the sediment and 5 cm above the foliar meristem of the plant. The proposed values seem in the present state of knowledge, to be compatible with the meadows’ maintenance and its associated fauna. It also seems more adequate, regarding the receiving environment and the performance of the desalination plant, not to give it in the form of a reference value but as a certain frequency distribution. It is important to notice that these proposed values are only applicable to Western Mediterranean. Other P. oceanica populations may have different tolerance thresholds that must be estimated, mainly in the Eastern Mediterranean where populations are naturally submitted to higher salinities. The suggestions mentioned above are the most realistic that can be provided with the acquired and available knowledge; they can, and they should, be revised as soon as new information on this topic is available. 6. Other suggestions In the context of design and implementation of hypersaline discharges on P. oceanica meadows, it is fundamental to emphasise two following aspects: •

Critical values pointed out above, probably represent an adequate dilution as to minimize or suppress the effects of other pollutants that could be contained in the discharge (in a continuous or sporadic way). However, when executing impact studies it is necessary to know which substances, as a result of the desalination plant managing (i.e. cleaners, antiscalants and other products) or even as result of natural composition of the treated water (i.e. phosphates, nitrates and ammonium) are present in the reject water. It will be also necessary to determine the possible impact on the biota of these other substances, either by the available literature or experimentally.

•

Although the execution of environmental monitoring programs is a usual practice in almost any significant intervention in the marine environment, we want to emphasize the importance of these practices in the context of saline management discharges. The monitoring programs should be designed and performed with maximum rigor and scientific quality. This strictness must be reflected in selecting an appropriate sampling design (detailed space characterization of the meadow, sampling in several control stations, etc.), with statistically acceptable replication degree. The accompanying biota also requires special attention. Environmental monitoring programs are an important source of information, allowing verification of the proposed ideas and, if it is the case, adjust and improve the recommendations.

REFERENCES 1. J.M. Pérès and J. Picard, Causes de la raréfaction et de la disparition des herbiers de Posidonia oceanica sur les côtes françaises de la Méditerranée, Aquat. Bot., 1 (1975) 133–139. 2. C.F. Boudouresque and A. Meinesz, Découverte de l’hervier de Posidonie, Cahier Parc Nation, Port-Cross, 4 (1982) 1–79.

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3. J. Romero, G. Pergent, C. Pergent-Martini, M.A. Mateo and C. Regnier, The detritic compartment in a Posidonia oceanica meadow: litter features, decomposition rates and mineral stocks, Mar. Ecol., 13 (1992) 73–83. 4. Y. Fernández Torquemada and J.L. Sánchez Lizaso, Effects of salinity on leaf growth and survival of the Mediterranean seagrass Posidonia oceanica (L.) Delile, J. Exp. Mar. Biol. Ecol., 320 (2005) 57–63.

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Monitoring of brine discharges from seawater desalination plants in the Mediterranean

 FERNÁNDEZ-TORQUEMADA, Y.; [Unidad de Biología Marina, Dpto. de Ciencias del Mar y Biología Aplicada, Universidad de Alicante]  SÁNCHEZ-LIZASO, J. L.; [Profesor y director del departamento de Ciencias del Mar y Biología Aplicada, Universidad de Alicante]

ABSTRACT Desalination of seawater has become an important and growing industry due to the water shortage in some Mediterranean countries. This activity may result in environmental impacts, mainly generated by the discharge into the sea of the concentrate (brine) produced. Data regarding the dispersion of these hypersaline effluents, and about their effects in the marine ecosystem, are very scarce. The objective of this paper is to present some strategies for the monitoring, in time and space, of the brine discharge, and to describe the marine organisms selected as bioindicators for these studies (seagrasses and echinoderms), due to their relevance and high sensitivity to salinity changes.

KEYWORDS Brine disposal; desalination; echinoderms; monitoring of biological communities; Posidonia oceanica.

REFERENCE To this paper should be made as follows: Fernández-Torquemada, Y. and Sánchez-Lizaso, J.L. (2007) «Monitoring of brine discharges from seawater desalination plants in the Mediterranean», Int. J. Environment and Health, Vol. 1, No. 3, pp.449–461.

BIOGRAPHICAL NOTES Yolanda Fernández-Torquemada is a Graduate in Biology and in Marine Sciences at the University of Alicante, Spain. Her PhD research is focused on salinity tolerance of seagrasses and the impact of desalination. Currently, she works at the Marine Biology Unit of the Department of Marine Sciences and Applied Biology at the University of Alicante, where she collaborates in some monitoring studies of the brine discharge produced by SWRO desalination plants. José Luis Sánchez-Lizaso is a Professor of Marine Biology and Marine Sciences in the University of Alicante, with a PhD on seagrass ecology. His research is focused on the management of marine living resources and the impact of human activities on marine ecosystems. Among the main topics of his research are the effects of the discharge of desalination plants and the mitigation measures that may be adopted. Copyright © 2007 Inderscience Enterprises Ltd. —1—

1. INTRODUCTION During the last decades, water resources have been intensively used in some Mediterranean countries, which together with the low precipitation occurring in the zone has resulted in water scarcity (Medina San Juan, 2001). Desalination of seawater has been proposed as a possible solution for this problem, and the number of projected and constructed desalination plants has increased in this region in recent years (Medina San Juan, 2001). Currently, the Reverse Osmosis (RO) method is the preferred desalination process mainly due to the low energy and space consumption and the reduction in the cost of the potable water obtained (Morton, Callister and Wade, 1996; Einav, Harussi and Perry, 2002; Purnama, Al-Barwani and Al-Lawatia, 2003). But this activity may cause some environmental impacts, mainly generated by the discharge into the sea of the concentrate (brine) produced (44–90 psu), and of chemicals (antiscalant, antifouling, hydrochloric acid, ferric chloride, sodium hexametaphosphate, etc.) used in desalination processes (Höpner and Windelberg, 1996; Pérez Talavera and Quesada Ruiz, 2001). When the brine is discharged into the sea, the density difference between brine and seawater will induce the formation of a stratified system, with brine forming a bottom layer that can affect the benthic communities that usually live in stable salinity environments (Del Bene, Jirka and Largier, 1994; Gacia and Ballesteros, 2001). The magnitude of this impact will depend on the characteristics of the desalination plant and its reject brine, not only the location and the area of influence of the discharge, but also on the nature and tolerance of the marine communities affected by this discharge (Ahmed et al., 2000; Einav, Harussi and Perry, 2002; Lattemann and Höpner, 2003). Available information regarding the behaviour of these hypersaline effluents and about their effects in the marine ecosystem is limited (Pérez Talavera and Quesada Ruiz, 2001; Castriota et al., 2001; Chesher, 1975; Tomasko et al., 1999). However, the discharge of brine into the sea requires particular attention and scientific assessment of possible impacts on the marine environment. These potential impacts may be minimised by selecting an appropriate discharge location or with previous dilution of the effluent, and also by establishing a carefully designed monitoring programme in order to assess the brine plume distribution over time and taking appropriate measurements when necessary (Höpner, 1999; Einav, Harussi and Perry, 2002). Monitoring programmes consist of the repeated observation of a system with the purpose of detecting a change (Kingsford, 1998; Short et al., 2002). These programmes should be designed to identify any potential signs of disturbance in an ecosystem at an early stage; therefore, they need a regular sampling in time with an adequate replication at more than one location. Environmental monitoring usually focuses on data collected from relevant biological or physical parameters that are considered as useful targets for assessing the studied impact, and acceptable ranges of variation for these parameters must be established. The objective of this paper is to provide some strategies for monitoring, in time and space, a desalination plant discharge, and to describe the marine organisms selected as bioindicators for these kinds of studies (seagrasses and echinoderms), due to their relevance and high sensitivity to salinity changes.

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2. PREVIOUS STUDIES Environmental impact assessment is necessary before the desalination plant starts to operate. This process must produce a good selection of the discharge point in order to avoid sensitive communities. It is also of great relevance to carry out preliminary studies, in order to know the bathymetry and hydrodynamics of the area close to the discharge point. Data can be analysed by a computer model, like CORMIX, to predict dispersion and mixing of brine discharges in a preliminary way (Del Bene, Jirka and Largier, 1994; Doneker and Jirka, 2001). The results obtained by those models will be of great utility when planning later programmes of environmental monitoring, because it will help us to estimate the possible area affected by hypersalinity. Nevertheless, the aim of a preliminary study is also to know the state of marine communities that could be affected by the brine in order to establish a baseline situation for key species. These key species have to be selected by their ecological relevance or their sensitivity. This baseline studies will also allow before-after comparison to detect changes on marine biota. An efficient environmental monitoring is only possible through the use of tools that allow a rapid and interpretable evaluation of the environmental conditions over time. This monitoring must involve more than just the analysis of the classical physicochemical parameters (Blandin, 1986). With this purpose, researchers propose the use of living organisms that are able to provide information about changes in the quality of existing environmental conditions (Blandin, 1986).

3. MONITORING OF THE EFFLUENT DISPERSION (ON TIME AND SPACE) It is necessary to control the temporal and spatial dispersion of the effluent by measuring the physical properties of the seawater in the vicinity of the desalination plants. 3.1. Brine distribution in space It is essential to know the spatial distribution of brine in the closest area to the effluent discharge. For this reason, surveys should be carried out through the year to consider the seasonal variability (different winds, calms, breezes, etc.) and to include the possible formation of thermoclines. It is recommended to achieve at least two campaigns per year, one in summer, with calm sea conditions, which could mean a lower dilution of the brine discharge, and the other one at the end of winter, with stronger hydrodynamics conditions and a more elevated brine dilution. In each campaign, a grid of sampling stations near the brine discharge point must be established (Figure 1). The extension of the studied area and the grid spacing will depend on the production of the desalination plant, on the type of discharge, on the receiving environment (bathymetry and hydrodynamic regimes) and on the existence of predictive models. The samplings require Conductivity, Temperature and Depth devices (CTDs) or other equipment that can be used to obtain temperature, salinity and density profiles of the water column, with the purpose of delimiting the brine plume and its dilution throughout the area (Figure 2).

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Figure 1. Spatial representation of the salinity distribution close to a desalination effluent. Marks represent the grid of sampling stations employed.

Figure 2. Example of salinity profile illustrating the vertical brine distribution in front of a desalination discharge.

3.2. Temporal changes of salinity When sensitive communities are near the discharge point, it may be interesting to have a continuous register of salinity. In addition, these measurements give us temporal fluctuations in salinity due to natural or anthropogenic causes. Conductivity and Temperature devices (CTs), with incorporated data loggers, moored near the bottom can be used for measuring simultaneously the salinity and temperature with great accuracy at multiple locations. These locations can be selected due to the presence of biological communities of interest, like the limit of the P. oceanica meadow, with the purpose of detecting if the brine affects this community, or in control localities. When the brine is diluted with seawater it may be necessary to deploy a CT —4—

before the discharge, to monitor changes in the salinity due to changes in the dilution. When previous dilution is not required, it may not be necessary for continuous salinity monitoring since the salinity of the discharge is quite constant.

4. MONITORING EFFLUENT COMPOSITION The main characteristic of the discharge of a RO seawater desalination plant is its high salinity. However, it may be interesting to analyse the composition of the discharge in order to detect the presence of other substances with biological relevance. In particular, the nutrient level must be controlled since it may be high if the intake is through beach wells or if compounds with phosphates are used as antiscalants. In addition, the amount of organic matter must be monitored when seawater open intakes are used. Several samples may be taken along the year but it is not necessary for a high frequency since the composition is relatively constant.

5. ORGANISMS SELECTED AS BIOINDICATORS Effective environmental monitoring programmes involve the identification of biological indicators or bioindicator species. These species must be sedentary since high mobility species do not necessary to reflect the local conditions, of ecological relevance, with a broad distribution, extensively studied and particularly sensitive to environmental variations (Molfetas and Blandin, 1981). The presence and abundance of a bioindicator can be considered as representative and integrative measures of changes on the environmental conditions. On the other hand, the combined use of different organisms and descriptors makes it possible to integrate the complexity of the ecological system and may allow a rapid detection of potential impacts. The selection of bioindicators has to be adapted to local conditions, although a wide distribution of the bioindicators is always preferable. 5.1. Posidonia oceanica meadows Seagrasses represent an important ecosystem susceptible to being affected by desalination effluents, due to their location in the littoral zone and their elevated sensitivity to changes in the environmental quality (Short and Wyllie-Echeverria, 1996; Bianchi and Morri, 2000; Ferrat, Pergent-Martini and Romeó, 2003). Particularly, P. oceanica (L.) Delile is an endemic and protected seagrass of the Mediterranean Sea, where it forms one of the most relevant and productive communities (Boudouresque and Meinesz, 1982). However, this species is considered very vulnerable and has suffered a notable regression commonly attributed to several human activities (Sánchez-Lizaso, Guillen Nieto and Ramos Espla, 1990; Ruiz, 2000). Recent studies have demonstrated the low tolerance of this species to salinity increments (Buceta et al., 2003; Fernández-Torquemada and Sánchez-Lizaso, 2005). Consequently, given its broad distribution throughout the Mediterranean Sea and its sensitivity to augments in salinity, P. oceanica would be an interesting bioindicator for monitoring the brine discharges from desalination plants. Several descriptors/variables of this species can be used in the monitoring programmes. The variables most employed in other studies are density, cover, dead matte, phenology, foliar growth, shoot balance, and rhizome production (Pergent et al., 1995; Francour et al., 1999; Buia et al., 2004; Fonseca et al., 2004). Most of these data are acquired by destructive methods, collecting P. oceanica shoots from the studied area. However, ideally monitoring should be non-destructive to reduce interference with

—5—

the system studied. Permanent parcels are non-destructive techniques that allow estimating population dynamics, shoot mortality and recruitment rate of P. oceanica. The size of the frame depends on the depth and the shoot density of the meadow. Fixed line transects or marks in the meadow limits can also be employed. All these microcartography techniques are very useful to detect small changes and cause minimal perturbation of the meadow. 5.2. Echinoderms Echinoderms (such as Paracentrotus lividus, Echinaster sepositus, Holothuria spp, etc.) are considered as good bioindicator organisms because of their abundance and their wide distribution. They have been selected for these monitoring programmes because they are osmoconformers, which are not able to regulate their osmotic pressure. Several studies have demonstrated that they are able to tolerate only a narrow range of salinities (Irlandi, Maciá and Serafy, 1997; Basuyaux, Mathieu and Day, 1998). The decrease or total disappearance of the echinoderms in the area close to the effluent may be used as an indicator of changes in the marine communities produced by the influence of the brine from a desalination plant. Echinoderms density may be estimated by transect lines (10 m u 1 m) or using quadrates (1 m2). A preliminary sampling is necessary to determine the best sample unit size. In general, the lower the abundance of these species, the larger the sample unit size needs to be. 5.3. Soft bottom fauna Ideally, brine discharge of desalination plants must avoid vegetated bottoms. When the discharge is produced on sandy or muddy bottoms without seagrasses and with very low density of echinoderms it may be interesting to use soft bottom infauna as a bioindicator. Samples may be obtained by dredging or diving. These samples require a long processing time and a high taxonomic competence to be identified. Effort may be reduced by focusing on some groups or identifying only down to family level. It has been observed that some families of polychaeta are quite sensitive to salinity increase. Molluscs and crustaceans may also be used since they are important components of soft bottom fauna.

6. EXPERIMENTAL DESIGN After the selection of bioindicators, the next step is to define a correct experimental design able to deal with the natural spatial and temporal variability of these organisms and to detect effects of predetermined importance. An optimal sampling design should commence before the brine discharge has occurred in order to perform baseline studies, then once the desalination plant starts to operate it can be detected any change from the preliminary state. If the monitoring programme starts once the desalination discharge has occurred, asymmetrical designs should be used, and effects should be demonstrated only by comparison with controls. By definition, monitoring studies involve repeated sampling in time. Sampling frequency will depend on the objectives of the monitoring programme, and has to consider the natural seasonal variability and the desalination production. But sampling should also be replicated in space. Monitoring programmes should produce statistically interpretable results, so sampling design must be well-planned with sufficient replicates and controls. At least three, but usually —6—

more replicates (Posidonia shoots, quadrates, transects, etc.) should be chosen in each locality. One locality must be situated as near as possible to the outlet of the desalination plant, and the other must be far enough away to be unaffected by the brine, although with similar conditions to the first one.

7. SOME EXAMPLES OF MONITORING PROGRAMMES Examples of some monitoring programmes of brine discharges from desalination plants carried out by the Marine Biology Unit from the Alicante University are presented in the next sections. 7.1. Monitoring of the Seawater Reverse Osmosis (SWRO) desalination plant of Jávea (Alicante, SE Spain) In June 2002, a SWRO desalination plant began operation at Jávea (Alicante, SE Spain), using seawater obtained from coastal deep wells as feedwater. Currently, the plant produces 6720 m3 day–1 of potable water per line, with a water conversion of 44.8% and a maximum production of 26,800 m3 day–1. However, water production can vary significantly between seasons, with a significant increment during summer. Brine (68 psu) is initially mixed with seawater to get salinity lower than 44 psu, and it is emitted by 16 outfalls to increase its dilution, into an artificial channel of 700 m long (Fontana Channel) that discharges close to a beach. The seabed

Figure 3. Location of the brine discharge from the Jávea desalination plant and situation of the three localities employed for the monitoring of the biological communities.

—7—

of the area next to this channel mainly consists on sand with a few patches of rocks. P. oceanica meadows appear at both sides of the beach at a distance of approximately 400 m from the channel outfall. Monitoring was carried out from August 2002 to August 2005. During this time, a total of six campaigns were done in summer, with calm sea conditions, and in the end of winter, with stronger hydrodynamics conditions and more elevated brine dilution. In each campaign, a grid of 30 sampling stations near the brine discharge place was established. At every station, salinity measurements were taken from surface and bottom water using a CTD. Biological organisms selected for the monitoring programme included both P. oceanica and echinoderms (P. lividus, Arbacia lixula and Holothuria spp), due to their high sensitiveness to changes in salinity. Three stations were selected; one close to the desalination plant discharge, and two controls (Figure 3). At each station and at three different depths ( 3, 7 and 15 m), four permanent parcels were established. Each quadrate was a 40 u 40 cm frame, inside of which all or at least 50 Posidonia shoots were marked using a cable tie. Density of echinoderms was estimated at the same localities but only at 3 m depth in the P. oceanica meadow and over rocky substrata, with ten replicates of 1 m2 quadrates. Monitoring of these organisms was done regularly in summer of subsequent years to estimate new and dead P. oceanica shoots and changes in echinoderms density. During these years, we have observed a rapid dilution of the brine discharged and no effect on the P. oceanica meadows and echinoderm communities of the area. The only effect observed on biological communities is the attraction of fishes near the discharge and the renewal of water from the previously anoxic channel (Fernández-Torquemada et al., 2004; Malfeito et al., 2005). 7.2. Monitoring of the SWRO desalination plant of Alicante (SE Spain) A SWRO desalination plant started to work in September 2003 at Alicante (SE Spain). It has a capacity of 50,000 m3 day–1 with a conversion factor of 40%, which represents a discharge of 75,000 m3 day–1 with a salinity of 68 psu. Discharge is produced directly on the coastline, on the shore south of Alicante Harbour, because this is an area degraded by previous impacts (sewages, harbour, anchoring, etc.). From the time the SWRO desalination plant started to operate until nowadays, eight campaigns were made in February, April and August of each year. In all the surveys, a grid of more than 100 sampling stations near the brine discharge place was established. At each station, salinity, temperature and depth profiles were taken employing a CTD. P. oceanica meadows that appear at 16 m depth and 2 km from the discharge point, and echinoderms were selected as bioindicators. Three stations were selected; one in front of the desalination plant discharge, and two controls, one of them, 2 km North and another one 2 km South (Figure 4). At each locality, three sites with four permanent quadrates were established in June 2003 at the upper limit of the meadow (16 m depth) and at the continuous meadows (20 m depth). Each permanent parcel was a 40 u 40 cm frame, inside of which all Posidonia shoots were marked. Five shoots per location and depth were collected for obtaining posterior biometric data. Close to the shallow locations, CT devices were moored in order to get a continuous registration of the salinity. Density of echinoderms was estimated at the same —8—

localities but only in the upper limit of the meadow with ten replicated transects of 10 m. Campaigns to monitor these organisms were done regularly in summer and winter of successive years to detect any changes. Soft bottom fauna has been monitored in three transects one of them in front of the discharge, at 5, 10 and 15 m depth. Three samples per survey and locality and two surveys per year have been done.

Figure 4. Location of the brine discharge from the Alicante desalination plant and situation of the localities employed during the monitoring programme.

Significant increases of bottom salinity were observed several kilometres away from the discharge point, reaching the P. oceanica meadow, except in summer months when, due to the low temperature below the thermocline, the brine moves in the middle of the water column. A reduction of the echinoderms was observed and some changes in soft bottom fauna but no permanent damage to P. oceanica meadows. 7.3. Monitoring programme of the SWRO desalination plant of San Pedro del Pinatar (Murcia, SE Spain) In May 2005, the SWRO desalination plant of the New Channel of Cartagena in San Pedro del Pinatar began to work. Since the construction of the main outfall for the brine discharge had not been completed, brine was provisionally discharged at the coastline, at 2 m depth, after its dilution with seawater. Six CTs were deployed, one by the discharge point and five in the P. oceanica upper limit, two of them connected to buoys that transmit the salinity values to the plant. A protocol was established in order to increase the dilution of the brine or reduce the number of lines in operation, when salinity increments over the reference limits were observed in the meadow. During this time, a total of eight campaigns were done, coinciding with

—9—

the increment of the desalination production or with new dilutions of the brine. In each campaign, a grid of 60 sampling stations near the brine discharge place was established, with the purpose of delimiting the brine plume and its dilution along the area. At each station, salinity measurements were taken from surface and bottom water. Biological organisms selected for the monitoring programme included both, P. oceanica meadows and Dendropoma petraum formations, due to their ecological relevance, and echinoderms, due to their sensitiveness to changes in salinity. Five stations were selected: two close to the brine disposal and three controls (Figure 5). At each station, and at two different depths ( 5 and 7 m), three sites with four permanent parcels were established. Each quadrate (square) was a 20 u 20 cm frame at 5 m depth and 40 u 40 cm at 7 m, inside of which all Posidonia shoots were counted. Ten shoots per site were collected for obtaining biometric data. Density of echinoderms was estimated at each site but only in the upper limit of the meadow ( 5 m) with ten replicates of 10 m2, and over a substratum of dead matte and rock at 3 m depth. Monitoring of biological organisms was done at each three months. During this monitoring programme, we have detected only one episodic event of elevated salinity (>40 psu) in the upper P. oceanica limit, but we have not identified significant effects on the Posidonia and faunal communities. In January 2006, the construction of the main outfall was concluded, finishing the provisional monitoring programme. No evidence has been detected of environmental impacts on the organisms in the area of discharge.

Figure 5. Location of the brine discharge from the San Pedro desalination plant and situation of the five localities employed during the monitoring programme

— 10 —

ACKNOWLEDGEMENTS The authors would like to thank Dr. Sofia Oliveira Pires for proof-reading the English. We thank José Miguel Gonzalez Correa, Just Bayle Sempere, Marta Diaz-Valdes, Angel Loya and Yolanda Múgica who assisted in some of these monitoring programmes. We also would like to thank Marina of Alicante and Marina of Fontana Channel (Jávea) for use of equipment and facilities.

REFERENCES •

Ahmed, M., Shayya, W.H., Hoey, D., Mahendran, A., Morris, R. and Al-Handaly, J. (2000)«Use of evaporation ponds for brine disposal in desalination plants», Desalination, Vol. 130, pp.155–168.

•

Basuyaux, O., Mathieu, M. and Day, C. (1998) «Effets de la salinité sur la consommation alimentaire et sur la croissance de l’oursin Paracentrotus lividus et de l’ormeau Haliotis tuberculata en élevage en circuit semi-fermé», Bulletin de la Société zoologique de France, Vol. 132, pp.141–150.

•

Bianchi, C.N. and Morri, C. (2000) «Marine biodiversity of the Mediterranean Sea: situation, problems and prospects for future research», Marine Pollution Bulletin, Vol. 40, pp.367– 376. Blandin, P. (1986) «Bioindicateurs et diagnostic des systèmes écologiques», Bulletin d’Ecologie, Vol. 17, pp.211–307. Boudouresque, C.F. and Meinesz, A. (1982) «Decouverte de l’hervier de Posidonie», Cahier Parc Nation. Port-Cross, Vol. 4, pp.1–79.

•

Buceta, J.L., Fernández-Torquemada, Y., Gacía, E., Invers, O., Mas, J., Romero, J., Ruiz, J.M., Ruiz-Mateo, A., Sabah, S. and Sánchez-Lizaso, J.L. (2003) «Investigación conjunta sobre la tolerancia de Posidonia oceanica a incrementos de salinidad», Ingeniería Civil, Vol. 132, pp.111–116.

•

Buia, M.C., Gambi, M.C. and Dappiano, M. (2004) «Seagrass system», Biologia Marina Mediterranea, Vol. 10, pp.133–183.

•

Castriota, L., Beltrano, Ç.M., Giambalvo, O., Vivona, P. and Sunseri, G. (2001) «A one-year study of the effects of a hyperhaline discharge from a desalination plant on the zoobenthic communities in the Ustica Island Marine Reserve (Southern Tyrrhenian Sea)’. In: 36 CIESM, Monaco.

•

Chesher, R.H. (1975) «Biological impact of a large-scale desalination plant at Key West, Florida», in E.J. Ferguson and R.E. Johanes (Eds),Tropical marine pollution (pp.81–99). Amsterdam: Elsevier Scientific Publishing Company.

•

Del Bene, J.V., Jirka, G. and Largier, J. (1994) «Ocean brine disposal», Desalination, Vol. 97, pp.365–372.

•

Doneker, R.L. and Jirka, G.H. (2001) «CORMIX-GI systems for mixing zone analysis of brine wastewater disposal», Desalination, Vol. 139, pp.263–274

•

Einav, R., Harussi, K. and Perry, D. (2002) «The footprint of the desalination processes on the environment», Desalination, Vol. 152, pp.141–154. — 11 —

•

Fernández-Torquemada, Y. and Sánchez-Lizaso, J.L. (2005) «Effects of salinity on leaf growth and survival of the Mediterranean seagrass Posidonia oceanica (L.) Delile», Journal of Experimental Marine Biology and Ecology, Vol. 320, pp.57–63.

•

Fernández-Torquemada, Y., González Correa J.M., Carratalá Giménez, A. and Sánchez Lizaso, J.L. (2004) «Medidas de atenuación del posible impacto ambiental del vertido de las desaladoras de osmosis inversa: El ejemplo de Jávea (Alicante)», in IV Congreso Ibérico sobre Gestión y Planificación del Agua. Tortosa, p.9.

•

Ferrat, L., Pergent-Martini, C. and Romeó, M. (2003) «Assessment of the use of biomarkers in aquatic plants for the evaluation of environmental quality: application to seagrasses», Aquatic Toxicology, Vol. 65, pp.187–204.

•

Fonseca, M.S., Whitfield, P.E., Kenworthy, W.J., Colby, D.R. and Julius, B.E. (2004) «Use of two spatially explicit models to determine the effect of injury geometry on natural resource recovery», Aquatic Conservation: Marine and Freshwater Ecosystems, Vol. 14, pp.281–298.

•

Francour, P., Ganteaume, A. and Poulain, M. (1999) «Effects of boat anchoring in Posidonia oceanica seagrass beds in the Port-Cros National Park (north-western Mediterranean Sea)», Aquatic Conservation: Marine and Freshwater Ecosystems, Vol. 9, pp.391–400.

•

Gacia, E. and Ballesteros, E. (2001) «El impacto de las plantas desalinizadoras sobre el medio marino: la salmuera en las comunidades bentónicas mediterráneas», in Conferencia Internacional: El Plan Hidrológico Nacional y la Gestión Sostenible del Agua. Aspectos Medioambientales, Reutilización y Desalación. Zaragoza, p.10.

•

Höpner, T. (1999) «A procedure for environmental impact assessments (EIA) for seawater desalination plants», Desalination, Vol. 124, pp.1–12.

•

Höpner, T. and Windelberg, J. (1996) «Elements of environmental impact studies on coastal desalination plants», Desalination, Vol. 108, pp.11–18.

•

Irlandi, E., Maciá, S. and Serafy, J. (1997) «Salinity reduction from freshwater canal discharge: effects on mortality and feeding of an urchin (Lytechinus variegatus) and a gastropod (Lithopoma tectum)», Bulletin of Marine Science, Vol. 61, pp.869–879.

•

Kingsford, M. (1998) Studying Temperate Marine Environments: a Handbook for Ecologists. Christchurch: Canterbury University Press (p.335).

•

Lattemann, S. and Höpner, T. (2003) Seawater Desalination. Impacts of Brine and Chemical Discharges on the Marine Environment. L’Aquila, Italy: Desalination Publications (p.142).

•

Malfeito, J.J., Díaz-Caneja, J., Fariñas, M., Fernández-Torquemada, Y., González-Correa, J.M., Carratalá-Gímenez, A. and Sánchez-Lizaso, J.L. (2005) «Brine discharge from the Jávea desalination plant», Desalination, Vol. 185, pp.87–94.

•

Medina San Juan, J.A. (2001) «La desalación en España. Situación actual y previsiones», in Conferencia Internacional: El Plan Hidrológico Nacional y la Gestión Sostenible del Agua. Aspectos medioambientales, reutilización y desalación. Zaragoza (p.7). — 12 —

•

Molfetas, S. and Blandin, P. (1981) «Quelques éléments de réflexion sur la notion d’indicateur écologique», in Ecologie appliquée-Indicateurs biologiques et techniques d’études (pp. 167– 173). Journées d’étude de l’association française des ingénieurs écologues. Grenoble: Afic. publ.

•

Morton, A.J., Callister, I.K. and Wade, N.M. (1996) «Environmental impacts of seawater distillation and reverse osmosis processes», Desalination, Vol. 108, pp.1–10.

•

Pérez Talavera, J.L. and Quesada Ruiz, J.J. (2001) «Identification of the mixing processes in brine discharges carried out in Barranco del Toro Beach, south of Gran Canaria (Canary Islands)», Desalination, Vol. 139, pp.277–286.

•

Pergent-Martini, C., Leoni, V., Pasqualini, V., Ardizzone, G.D., Balestri, E., Bedini, R., Belluscio, A., Belsher, T., Borg, J., Boudouresque, C.F., Boumaza, S., Bouquegneau, J.M., Buia, M.C., Calvo, S., Cebrian, J., Charbonnel, E., Cinelli, F., Cossu, A., Di Maida, G., Dural, B., Francour, P., Gobert, S., Lepoint, G., Meinesz, A., Molenaar, H., Mansour, H.M., Panayotidis, P., Peirano, A., Pergent, G., Piazzi, L., Pirrotta, M., Relini, G., Romero, J., Sanchez-Lizaso, J.L., Semroud, R., Shembri, P., Shili, A., Tomasello, A. and Velimirov, B. (2005) «Descriptors of Posidonia oceanica meadows: use and application», Ecological Indicators, Vol. 5, pp.213–230.

•

Purnama, A., Al-Barwani, H.H. and Al-Lawatia, M. (2003) «Modelling dispersion of brine waste discharges from a coastal desalination plant», Desalination, Vol. 155, pp.41–47.

•

Ruiz, J.M. (2000) Respuesta de la fanerógama marina Posidonia oceanica (L.) Delile a perturbaciones antrópicas. PhD Thesis. Universidad de Murcia, Spain (p.212).

•

Sánchez-Lizaso, J.L., Guillen Nieto, J.E. and Ramos Espla, A.A. (1990) «The regression of Posidonia oceanica meadow in El Campello Spain», Rapport Committee International de la Mer Mediterranee, Vol. 32, p.10.

•

Short, F.T. and Wyllie-Echeverria, S. (1996) «Natural and human-induced disturbances of seagrasses», Environmental Conservation, Vol. 32, pp.17–27.

•

Short, F.T., McKenzie, L.J., Coles, R.G. and Vidler, K.P. (2002) SeagrassNet manual for Scientific Monitoring of Seagrass Habitat (QDPI, QFS, Cairns), p.56.

•

Tomasko, D. A., Blake, N. J., Dye, C. W. and Hammond, M. A. (1999) «Effects of the disposal of reverse osmosis seawater desalination discharges on a seagrass meadow (Thalassia testudinum) offshore of Antigua, West Indies», in S.A. Bortone (Ed.), Seagrasses: Monitoring, Ecology, Physiology and Management (pp.99-112). Boca Raton, Florida, EE UU: CRC Press.

— 13 —

Jueves 18 de junio de 2009

Sistemas de Ósmosis Inversa: Aspectos Relevantes en la Operación y Mantenimiento SALAS ORTA, JORGE

Sistemas de Ósmosis Inversa: Aspectos Relevantes en la Operación y Mantenimiento  SALAS ORTA, J.: [Director del Departamento de Desalación, Befesa Agua]

SUMARIO Pretratamientos y diseño de la planta La influencia del diseño en la O&M Economía de la desalación por ósmosis inversa Costes de la O&M Operación de la planta

—2—

PRETRATAMIENTOS Y DISEÑO DE LA PLANTA •

Pretatamientos en ósmosis inversa.

•

Origen del agua: - Pozos costeros y drenes horizontales: Pretratamientos sencillos (filtración simple o doble etapa). - Tomas abiertas: tratamientos más complejos (Ultrafiltración).

La calidad del agua a tratar depende de su origen: las tomas abiertas, en general tienen peor calidad que agua de pozo o drenes.

—3—

Pretratamiento convencional para agua de pozo/drenes horizontales y tomas abiertas con agua poco cargada: Filtración con arena y filtros de cartucho.

Pretratamiento para agua de tomas abiertas: Decantación / DAF y filtración con arena y filtros de cartucho.

—4—

•

Toma abierta: Filtros de cartuchos como seguridad de un sistema de Ultrafiltración como pretratamiento.

•

Datos previos: análisis de agua y plantas piloto. - Análisis tipo. - Análisis completo.

•

Pilotaje del agua a tratar: actuaciones en fase de construcción y pruebas. - Importancia del pilotaje. - Objetivos y alcance del piloto. - Ejemplo práctico: Idam Chennai (India).

—5—

Análisis de agua de mar: •

Análisis típico: para diseño de las etapas de O.I. - Aniones y cationes para proyección. - TDS, Tº y otros.

•

Análisis completo: para el diseño del pretratamiento. - Sólidos en suspensión y jar test. - Materia orgánica. - Contenido en microbiología. - Grasas y aceites, detergentes, ... - Otros aniones y cationes: cálculo de incrustaciones.

Análisis de agua de mar tipo: ANIONES CO3--

mg/l

HCO3-

mg/l

Sulfatos

SO4--

mg/l

Cloruros

Cl-

mg/l

Fluoruros

F-

mg/l

NO3--

mg/l

Boro

B

mg/l

Sílce

SiO2

mg/l

Ca++

mg/l

Mg++

mg/l

Na+

mg/l

Potasio

K+

mg/l

Amonio

NH4+

mg/l

Bario

Ba++

mg/l

Estroncio

Sr++

mg/l

Carbonatos Bicarbonatos

Nitratos

CATIONES Calcio Magnesio Sodio

—6—

OTROS Temperature

T

ºC

Sólidos totales en suspensión

TSS

mg/l

Carbono orgánico total

TOC

mg/l

Turbidez

NTU

Sólidos totales disueltos

TDS

mg/l

Cond.

microS/cm

pH

Conductividad

Análisis de agua de mar completo

—7—

Actuación durante las fases de construcción y de pruebas: Importancia de los pilotajes previos a la operación de un sistema Objetivos básicos de un piloto: •

Verificación del funcionamiento.

•

Optimización de proceso.

•

Operación del proceso.

Alcance mínimo de un sistema o subsistema a pilotar. Programación de las pruebas. Análisis de resultados desde pº de vª de: •

Eficacia y Eficiencia.

•

Disponibilidad.

•

Viabilidad económica.

Objetivos básicos de un piloto •

Capacidad del pretratamiento para producir agua de alimentación de forma constante y con la calidad esperada.

•

Determinación de dosis y verificación de la idoneidad de los distintos reactivos. Pruebas previas en laboratorio.

•

Verificación del funcionamiento de la membrana.

•

Optimizar el diseño del proceso.

•

Estimación del coste de operación y mantenimiento del sistema.

¡Todo lo anterior bajo las distintas condiciones locales de operación! —8—

Actuación durante las fases de construcción y de pruebas Alcance mínimo de un sistema o subsistema a pilotar. Una planta piloto debe contener todos los componentes críticos del sistema real a emular. Las condiciones en que se opera deben ser sobre todo bajo los mismos parámetros de velocidades, tasas de rechazo y flujos (tanto para el pretratamiento como la O.I.). El agua de captación del piloto ha de ser correlacionada con la de la planta real. Aplicaciones de los pilotajes: • Tipos de agua: Aguas de mar, salobres, reutilizaciones... •

Subprocesos típicos a pilotar: Pretratamientos, O.I., postratamiento.

Actuación durante las fases de construcción y de pruebas Programación de las pruebas. Ej. Chennai Ej. Cuadro básico de pruebas de modos de operación Operation Mode

Coagul. Flocul.

Lamella Clarifier

Gravity Filter

Pressure Filter

1

1º

2º

3º

4º

2

1º

2º

3º

3

1º

4

1º

Flotation

2º 2º

Ej. Distintos medios filtrantes a probar Gravity filter (media size, mm) Media Filter Anthracite (0.45 m) Expanded Clay (0.45 m) Sand (0.45 m)

1

2

3

4

Pressure filter (media size, mm)

1.2

2

_____

_____

________

_____

_____

1.2

2

________

0.6

1.2

0.6

1.2

0.6

—9—

Evaluación de Resultados. Ej. Pilotaje Chennai Conclusiones de los pilotos de Chennai (provisionales): 1. El pretratamiento diseñado tiene capacidad para controlar la calidad del agua de entrada pero afectará a las garantías a negociar con los membraneros y a las tasas de reposición a considerar y lavados de membranas (eficacia / viabilidad económica). 2. Hay oportunidad de optimizar más las dosificaciones y los medios filtrantes a utilizar (eficiencia). 3. Las frecuencias de lavado del pretratamiento están por debajo de las de diseño (eficiencia / Disponibilidad). 4. Con objeto de optimizar económicamente la O&M hay que incidir en el punto 2, seguir pilotando el pretratamiento e idealmente introducir a continuación un piloto de O.I. (viabilidad económica).

— 10 —

Fases de Pruebas y Puestas en Marcha de la Planta. Relevancia para la O&M Unas buenas pruebas y puesta en marcha de una planta facilitan el buen desarrollo de una O&M en el corto y medio plazo y aportan una cantidad de datos para la optimización de la misma. En estas fases, a modo de ejemplo, es importante considerar: •

Incorporar de forma ordenada el personal definitivo de O&M durante estas fases.

•

Realización de un buen flushing del sistema previo a sus pruebas en carga.

•

Desinfección y limpiezas a chorro de agua de los elementos y uso de conservantes, biocidas, realización de pruebas bacterianas.

•

Registrar y anticiparse a la influencia final de la captación en la calidad, cantidad y variabilidad del agua de alimentación (SDI, turbidez, caudales...).

•

Durante la carga de membranas hacer un buen registro de su posición.

•

Pruebas hidráulicas de los sistemas de tuberías, alta y baja presión: - Pruebas de integridad, de flujo, de presión hidrostática. - Purgas de aire del sistema. - Aseguramiento de presurizaciones lentas.

•

En los sistemas de bombeo: - Alineación de componentes. - Comprobación del sentido de giro. - Prueba en carga y medida de eficiencias.

— 11 —

Fases de Pruebas y Puestas en Marcha de la Planta. Relevancia para la O&M •

En el sistema de control e instrumentación: - Prueba de funcionalidad y fiabilidad, uso de simuladores, pruebas específicas (disparos, enclavamientos). - Prueba en campo. Prueba de señales, calibración de instrumentos, tiempos de refresco, operación en continuo...

•

Probar sistemas de limpieza.

•

Estudiar y disponer de lo necesario para la seguridad del personal.

•

Realización detallada y correcta del Manual de operación y mantenimiento y del proyecto As-built.

•

Comprobar el impacto ambiental de la planta.

•

Desde los primeros arranques de cada unidad: - Llevar un registro exhaustivo y metódico (fichas de puestas en marcha, analíticas de agua, consumos, dósis,...). - Llevar un libro de incidencias. - Hacer una lista de pendientes con el constructor antes de tomar posesión de la planta. - Utilizar desde el principio el software de normalización de datos.

— 12 —

LA INFLUENCIA DEL DISEÑO EN LA O&M: •

Idoneidad del diseño para el medio y largo plazo.

•

Complejidad del proceso para la O&M (y cualificación del personal disponible para la operación).

•

Coste de inversión y su repercusión en la tarifa.

•

Influencia de los consumos energéticos / uso de reactivos.

•

Coste del mantenimiento del proceso elegido.

•

Vida esperada de los elementos de la planta y vida útil residual.

•

Disponibilidad y Flexibilidad del sistema.

•

Marco regulador: contrato, tarifas eléctricas, impuestos, aranceles, cánones de vertidos, volatilidad reguladora...

Idoneidad del diseño para el medio y largo plazo La elección de un buen diseño del proceso es crítico para asegurar la viabilidad de la planta en el medio y largo plazo, la robustez de la tecnología, su eficiencia para alcanzar los objetivos propuestos son en general directamente proporcionales a su coste, pero también inversamente proporcionales al riesgo que se asume:

— 13 —

Complejidad del proceso: El operador ha de valorar juntamente con el diseñador la dificultad de operar el diseño elegido teniendo en cuenta: •

Exigencia del agua a tratar y garantías de efectividad que nos da un diseño más o menos complejo.

•

Número de operadores mínimo requerido por el proceso.

•

Capacidad del personal de operación.

•

Capacidad tecnológica local para dar respuesta a una incidencia (tiempos de respuesta).

Costes de Inversión y su repercusión en la tarifa: Cuanto más complejo / avanzado sea el proceso, mayor será su peso dentro de la tarifa. En un proyecto con financiación privada (periodos de retornos menores y ratios de coberturas mínimos exigidos por los accionistas), la parte de la amortización viene a suponer entre un 45 y 60% de la tarifa del agua. Un diseño avanzado puede limitar en competitividad pero definitivamente elimina riesgos.

— 14 —

Influencia de los consumos energéticos y de reactivos: El coste energético supone entre un 45 y 50% de los costes puros de explotación. La planta no consume igual a lo largo de su vida útil: •

Envejecimiento medio de las membranas en cada momento de la explotación.

•

Desgaste de los equipos rotativos.

•

Pérdidas e ineficiencias en equipos eléctricos.

•

Falta de equipos que doten de flexibilidad a la planta.

•

Incertidumbres asociadas a las tolerancias de la norma de aceptación de los equipos (DIN, ASME,...).

— 15 —

Influencia de los consumos energéticos y de reactivos: •

El diseño del proceso (ej. centro de presión vs. bomba-bastidor) también afecta al consumo.

Influencia de los consumos energéticos y de reactivos: •

La flexibilidad del pretratamiento y la decisión sobre como operar la O.I. afecta también sensiblemente a los consumos de reactivos.

— 16 —

Coste del mantenimiento del proceso elegido y Vida esperada de los elementos de la planta y vida útil residual.

Disponibilidad vs flexibilidad del sistema.

— 17 —

Marco regulador: •

Tipos de contratos (concesión, explotación,...) y condiciones de la compra de agua («takeor-pay», fijo + variable, ...).

•

Penalizaciones.

•

Estructura de la tarifa contractual.

•

Periodos de evaluación de la calidad y cantidad.

•

Periodo de evaluación de la disponibilidad.

•

Fuentes de energía / mercado energético local.

•

Tarifas nocturnas.

•

Posibilidad de regulación de la red de distribución.

•

Límites y cánones de vertido.

•

Exigencias medioambientales concretas: - Dilución de salmuera. - Tratamiento de lodos, retirada a vertedero. - Desmantelamiento / cesión de la planta al final de la explotación.

— 18 —

ECONOMÍA DE LA DESALACIÓN Distribución de los costos de explotación anuales Idam A: pretratamiento con UF (0,593 €/m3).

Distribución de los costos de explotación anuales Idam A: pretratamiento con UF (0,676 €/m3).

Distribución de los costos de explotación anuales Idam A: pretratamiento con UF (0,325 €/m3).

— 19 —

Distribución de los costos anuales de explotación Idam B: pretratamiento convencional (0,285 €/m3).

Posible evolución a lo largo del ciclo de explotación de los costes y márgenes anuales de una operación de una planta desaladora.

— 20 —

Viabilidad Posible del Resultado del Operador.

COSTES DE LA O&M •

Personal: necesidades de la O&M, organigrama y formación.

•

Reactivos: Pretratamiento, O.I., postratamiento, otros (limpiezas y conservación de membranas.

•

Mantenimiento y conservación: obra civil y equipos electromecánicos.

•

Reposición de membranas y cartuchos.

•

Administración y varios: seguro de la explotación.

•

Energía eléctrica: tarifas locales, funcionamiento de la planta con capacidad de regulación de la producción (EPC vs O&M).

— 21 —

Costes de la O&M: Personal (organigrama típico)

Costes de la O&M. Necesidades del personal de O&M •

El proceso de desalación es continuo: 365 días/año, 24 h/día.

•

Necesario personal a turnos: planificar turnos, vacaciones, retenes,...

•

Previsión de emergencias: teléfonos de contacto 24 h/d.

•

Formación del personal: proceso inicial de formación muy intenso.

•

Tareas a realizar en función del puesto.

•

Responsabilidad, profesionalidad, y ...disponibilidad.

— 22 —

Costes de la O&M •

Reactivos del pretratamiento: - Ajuste de coagulación-floculación: mejora del SDI (ensayos jar test). - Dosificación de hipoclorito (dosis de choque). - Limpiezas químicas (retrolavados) para las Ultrafiltraciones.

•

Reactivos para la Osmosis. - Dosificación de ácido sulfúrico versus dispersante en 1º paso. - Reducción del cloro mediante bisulfito. - Sosa y dispersante para los 2º pasos. - Limpiezas químicas de membranas. - Conservación de membranas.

•

Otros (tratamiento de fangos): - Dosificación de coagulante y floculante.

Proyecciones para cálculo del dispersante

— 23 —

Reactivos de posttratamiento: necesidades de remineralización y cloración •

Legislación local vigente: parámetros a conseguir.

•

Utilización de Cal y CO2.

•

Utilización de calcitas/dolomitas y CO2.

Reactivos para limpiezas •

Ante un ensuaciamiento de membranas se requiere la limpieza con reactivos específicos.

•

Se respetarán los límites indicados por los fabricantes de las membranas.

— 24 —

Costes de la O&M.Mantenimiento y Conservación •

Una desaladora es una instalación industrial de funcionamiento continuo, se debe asegurar la máxima disponibilidad.

•

Se debe establecer un plan de mantenimiento, preventivo y predictivo. Utilizaremos para ello el proyecto, manuales de equipos.

•

Hay que disponer de repuestos en planta en previsión de averías, para parar el proceso lo mínimo posible: desde un fusible a bombas de alta presión de reserva.

•

Se suele disponer de una parada anual programada (varios días) para las labores de mantenimiento.

•

La formación del personal de mantenimiento debe ser elevada, tienen que ser independientes de los especialistas de los equipos comprados, para evitar en lo máximo sus visitas a menos que sea imprescindible.

Costes de la O&M. Mantenimiento mecánico Las tareas son: •

Cambios de aceites y engrases.

•

Seguimiento de equipos: control de Tº, vibraciones, rendimientos, etc.

•

Control de fugas de agua, aire.

•

Revisión general de la instalación: corrosiones, espesores tuberías, limpieza.

•

Chequeo periódico de la alineación de bombas, dosificaciones de reactivos, equipos a presión.

•

Verificación de los parámetros de la instrumentación.

— 25 —

Costes de la O&M. Mantenimiento mecánico Equipos con los que nos encontramos

Costes de la O&M. Mantenimiento mecánico Equipos con los que nos encontramos

— 26 —

Costes de la O&M. Mantenimiento mecánico Equipos con los que nos encontramos

Costes de la O&M. Mantenimiento eléctrico e instrumentación •

Revisión periódica de cuadros eléctricos en funcionamiento: medidas de consumos, aislamientos, ruidos y vibraciones, temperaturas de circuitos.

•

Limpieza preventiva de los cuadros, eliminación de humedades.

•

Verificación periódica de las protecciones de los circuitos.

•

Revisión de las líneas eléctricas (megueado de cables).

•

Mantenimiento de los centros de transformación.

•

Comprobación del estado de las conexiones de motores, instrumentación y control distribuido.

•

Verificación de las medidas de la instrumentación utilizando otros medios: patrones de medida, instrumentación de laboratorio, curvas de bombas, fórmulas.

•

Chequeo de conexiones de instrumentación: comprobación señales campo-PLC, ausencia de tensiones que distorsionen las lecturas, ausencia de corrosiones, conexionado de puestas a tierra.

— 27 —

Costes de la O&M. Mantenimiento eléctrico e instrumentación Equipos con los que nos encontramos

Costes de la O&M. Conservación Incluyen las operaciones que se encargar del aspecto general de la planta: Tratamientos superficiales de tubería, depósitos, estructuras, obra civil,... Entre otros: •

Reparaciones de pintura, galvanizado, limpieza del inoxidable, etc.

•

Protección de los elementos sumergidos.

•

Tareas de jardinería.

•

Limpieza de los edificios, viales, etc.

•

Limpieza periódica del interior los depósitos de agua: vaciado, limpieza y desinfección.

•

Inspección periódica de la instalación de reactivos químicos que están legalizados en industria.

— 28 —

Costes de la O&M. Administración y varios Se engoblan en este concepto: Material de oficina y comunicaciones. Formación del personal. •

Vestuario y equipos de protección del personal.

•

Vigilancia de las instalaciones.

•

Vehículos al servicio de la explotación.

•

Seguros de responsabilidad civil, a todo riesgo.

•

Asesoría jurídica.

Costes de la O&M. Consumos energéticos Dependerá de la salinidad del agua de mar, temperatura, conversión, membranas seleccionadas, flujo específico, tipo de pretratamiento y recuperadores de energía. Se muestra a título indicativo el reparto de consumos según las distintas unidades de proceso:

— 29 —

Costes de la O&M. Consumos energéticos La evolución de los consumos específicos ha experimentado una tendencia a la baja en los últimos años, debido fundamentalmente a: •

La mejora del rendimiento de los equipos rotativos.

•

Recuperadores de energía más eficientes: ERI/DWEER.

•

Nuevas menbranas con mejores consumos específicos.

Operación de la planta •

Parámetros de funcionamiento del proceso.

•

Período de cambio de membranas.

•

Labores rutinarias.

•

Normalización de datos.

•

Problemas durante la operación.

— 30 —

Operación de la planta. Parámetros de funcionamiento •

En la planta se mantendrá un registro con las consignas y datos de planta donde quedarán anotados, entre otros: - Parámetros del agua de aporte: pH, Tº, SS, NTU, etc. - Dosificaciones de pretratamiento, O.I. y postratamiento. - Nº de líneas en producción: caudales, presiones, conversión, dP O.I. - Parámetros de agua permeada y remineralizada: TDS, LSI, ...

Parámetros de Operación que afectan al funcionamiento del sistema •

Salinidad de alimentación.

•

Temperatura de alimentación.

•

Conversión.

•

Presión de alimentación.

•

pH de alimentación.

•

Condición de los elementos.

Efecto de recuperación en la presión de alimentación, el flujo y el consumo de energía

Funcionamiento proyectado de la membrana

— 31 —

Operación de la planta. Parámetros de funcionamiento

Operación de la planta. Período de cambio de las membranas Restauración del rechazo de sal. Sistema de ósmosis inversa, Agua de mar del Mediterráneo: 40,000 ppm TSS, Temperatura: 29 ºC, Recuperación: 45%, Flux: 13.8 l m h, Salinidad media de alimentación: 56,350 ppm TSS, Elementos de OI con rechazo nominal de sal: 99.7 %. Salinidad inicial del permeado: 240 ppm. Límite de salinidad de diseño: 400 ppm. Límite de salinidad: 500 ppm. Salinidad del permeado, ppm TSS

Paso de sal actual, %

Paso de sal nominal, %

Elementos a reemplazar, %

240

0.43

0.30

100

300

0.52

0.38

80

350

0.62

0.44

58

400

0.71

0.50

37

500

0.88

0.63

-

— 32 —

Operación de la planta. Período de cambio de las membranas Restauración del flujo Sistema de ósmosis inversa, Agua de mar del Mediterráneo: 40,000 ppm TSS, Temperatura: 29 ºC, Recuperación: 45%, Flux: 13.8 l m h, Salinidad media de alimentación: 56,350 ppm TSS, Declinación del flujo de diseño: 20 %, Declinación del flujo actual: 30 – 40 %. Modo de restauración del flujo

Capacidad actual, %

Capacidad objetivo, %

Elementos a reemplazar o añadir, %

Cambiar

70

80

33

Cambiar

60

80

50

Añadir

70

80

10

Añadir

60

80

20

Distribución de la salinidad del permeado

Flujo acumulativo del permeado

Distribución de la conductividad del permeado.

— 33 —

Operación de la planta. Labores rutinarias Entre otras: Control del proceso: toma de muestras, análisis de agua, chequeo de datos de control distribuido y toma de datos realizando rondas por la planta. •

Medida diaria del SDI.

•

Lecturas de totalizadores y consumos eléctricos.

•

Preparación de los reactivos, revisión mediante aforos de las dosis.

•

Lavado de filtros de arena, limpiezas químicas.

•

Arranque – parada de líneas del proceso.

•

Ajuste de la remineralización y cloración del agua de potable entregada.

Operación de la planta. Normalización de datos Los parámetros que afectan a la ósmosis inversa son: agua de alimentación (TDS, conductividad, temperatura), presión de alimentación, conversión. Los fabricantes de membranas ofrecen programas de cálculo para poder comparar los datos de planta actuales con un valor de referencia, teniendo en cuenta los parámetros que afectan a la O.I.

— 34 —

Operación de la planta. Normalización de datos Los valores normalizados se compararán con los valores de diseño (calculados según proyecciones) y los valores de arranque de la instalación. Contrastando los datos actuales normalizados con las condiciones de inicio se tomarán medidas para la realización de limpiezas químicas o sustitución de membranas.

Normalización del funcionamiento •

El índice del agua que atraviesa una membrana es proporcional al Diferencial de Presión Neto (NDP) de la membrana.

•

El índice de flujo de sal es proporcional al diferencial de concentración a través de la membrana e independiente a la presión aplicada.

•

La salinidad del permeado disminuye con el incremento de la tarifa del flujo (efecto de la dilución).

Salinidad del permeado:

Cp = Qs / Qw

Qs: Transporte de sal Qw: Transporte de agua. Paso de sal:

SP = 100 % x (Cp / Cfavg)

Ratio de recuperación del permeado (conversión):

R = 100 % x (Qp / Qf )

Factor de concentración: CF

CF = In (1 / (1 – R)) / R

Concentración media de alimentación: CFavg

CFavg = Cf x CF

Rechazo de sal:

SR = 100 % - SP

Presión osmótica: Posm

Posm = 1019 x (T + 273) x (mi)

Acercamiento práctico para calcular la presión osmótica:

1000 ppm = 11 psi (0.76 bar)

Presión osmótica media: Posm avg

Posm avg = Posm x CF

— 35 —

Normalización del funcionamiento Presión neta de conducción: Donde:

NDP = Pf – 0.5 x Pd – Pp – Posm avg

Pf – presión de agua de alimentación. Pd – caída de presión. Pp – presión de permeado. Posm avg – presión osmótica media.

Factor de corrección de la temperatura: Donde:

TCF = exp (Kt x (1 / (273 + t) – 1 / 298))

Kt – constante, depende del material de la membrana; rango 2100 – 2800 (2700 para CPA2) t – temperataura de alimentación del agua, C

Normalización del funcionamiento Parámetros del sistema de OI a seguir: •

Parámetros de medida: - Presión de alimentación.

•

Caudal de permeado. - Conductividad de permeado. - Caída de presión. - Temperatura.

•

Parámetros calculados: - Flux permeado específico. - Paso de sal. - Paso de sal normalizado. - Caída de presión normalizada.

•

Flujo medio del permeado: APF

APF = Qp / Am

- Qp – caudal de permeado de la unidad de ósmosis inversa. - Am – superficie total de la membrana en operación. •

Flujo específico del permeado: SPF

PF = APF / (NDP x TCF)

- NDP – presión de conducción neta. - TCF – factor de corrección de la temperatura. — 36 —

Normalización del funcionamiento Ejemplo de cálculo de paso de sal y caudal específico de permeado Unidades

Valores iniciales (1)

Valores actuales (2)

Salinidad de alimentación

ppm TSS

2000

2500

Salinidad de permeado

ppm TSS

30

50

Presión de alimentación

Bar

14

16

Presión de concentración

Bar

11.5

12

Presión de permeado

Bar

1.5

1.5

ºC

22

18

Caudal de permeado

m3/h

50.0

45

Concentración de caudal

m /h

8.8

8.8

60

60

35

35

Temperatura de alimentación

3

Número de elementos Área de la membrana

m /elemento 2

— 37 —

Normalización del funcionamiento Ejemplo de cálculo de paso de sal y caudal específico de permeado Tarifa de reconversión:

R (1) = 50 / (50 + 8.8) = 0.85 R (2) = 45 / (45 + 8.8) = 0.84

Factor de concentración:

CF (1) = In (1 / (1 – 0.85)) / 0.85 = 2.23 CF (2) = In (1 / (1 – 0.84)) / 0.84 = 2.18

Salinidad media de alimentación:

Cfavg(1) = 2000 x 2.23 = 4460 ppm

Cfavg(2) = 2500 x 2.18 = 5450 ppm Presión osmótica media:

Posm avg(1) = 0.76 x 4460 / 1000 = 3.4 bar Posm avg(2) = 0.76 x 5450 / 1000 = 4.1 bar

APF (1) = 50 x 1000 / (35 x 60) = 23.8 APF (2) = 45 x 1000 / (35 x 60) = 21.4 Factor corrección temperatura:

TC F (1) = exp (2700 x (1 / (273 + 22) – 1 / 298) = 1.096 TC F (2) = exp (2700 x (1 / (273 + 18) – 1 / 298) = 1.243

Presión neta de conducción:

NDP (1) = 14.0 – 0.5 x (14.0 – 11.5) – 1.5 – 3.4 = 7.9 bar NDP (2) = 16.0 – 0.5 x (16.0 – 12.0) – 1.5 – 4.1 = 8.4 bar

Flujo específico:

SF (1) = 23.8 x 1.096 / 8.1 = 3.22 l/m2 – h - bar SF (2) = 21.4 x 1.243 / 8.4 = 3.17 l/m2 – h - bar

— 38 —

Normalización del funcionamiento Ejemplo de cálculo de paso de sal y caudal específico de permeado Paso de sal normalizado:

SP (1) = 100 x 30 / 4460 = 0.67 SP (2) = 100 x 50 / 5450 = 0.92 NSP = SP (2) x APF (2) / APF (1) NSP = 0.92 x 21.4 / 23.8 = 0.83 %

Caída de presión normalizada:

Flujo medio de alimentación Qfav = (Qf + Qc) / 2 NPD = ∆P x (Qfav1 / Qfav2)1.4 NPD = 4 x (29.4 / 26.9)1.4 = 4.5

VALORES DE OPERACIÓN NORMALIZADOS

Flujo específico normalizado Paso de sal normalizado Caída de presión normalizada

Unidades

Valores iniciales (1)

Valores actuales (2)

Diferencia, %

l/m2-h-bar

3.22

3.10

4

%

0.67

0.89

+ 33

bar

2.5

4.5

+ 180

— 39 —

— 40 —

Operación de la planta. Normalización de datos

Operación de la planta. Normalización de datos

— 41 —

Operación de la planta. Problemas durante la operación La toma de datos de la planta, especialmente la de los bastidores de ósmosis, permite la evaluación y análisis tras su normalización. Son varios los problemas que pueden presentarse, su rápida detección y la corrección del problema permite alargar la vida de las membranas.

— 42 —

Operación de la planta. Problemas durante la operación Proceso de ensuciamiento de la membrana – Síntomas de ensuciamiento de la membrana •

Incremento de alimentación – presión diferencial de la salmuera.

•

Descenso del flujo producto normalizado.

•

Aumento de flujo producto normalizado.

•

Aumento del paso de sal normalizado.

•

Disminución del paso de sal normalizado.

Procesos comunes de ensuciamiento Degradación de la membrana:

- Hidrólisis (ácido – base). - Riesgo de oxidación (Cl2, H2O2, KMnO4). - Riesgo mecánico (contrapresión, telescoping).

Precipitados:

- Carbonato (Ca, Fe). - Sulfato (Ca, Ba, Sr). - Sílice (SiO2).

Otros:

- Coloides (óxidos de metales, légamo). - Orgánicos (NOM, aceite, polímeros). - Basura biológica (bacteria, limo, alga).

— 43 —

Operación de la planta. Problemas durante la operación Proceso de ensuciamiento de la membrana – Identificación de las condiciones de ensuciamiento •

Análisis de alimentación, concentrado y permeado.

•

Evaluación detallada del funcionamiento del sistema.

•

Testeo individual de los tubos de presión.

•

Inspecciones visuales de los elementos del sistema y de la membrana.

•

Análisis de la solución de limpieza.

•

Chequeo de elementos y autopsia.

•

Análisis de los depósitos de ensuciamiento.

•

Operación del dispositivo de muestreo de la membrana.

— 44 —

Operación de la planta. Problemas durante la operación Proceso de ensuciamiento de la membrana – Procedimiento de inspección de los elementos • Examen visual:

- Exterior de los depósitos:

* Depósitos minerales. * Limo.

- Obstrucción de los canales de alimentación. - Telescoping. - Acumulación en el espaciador de la salmuera. • Prueba de elementos. • Peso de los elementos. • Pruebas de presión y vacío. • Prueba en húmedo del funcionamiento de las membranas. • Prueba de paso de tintura. • Examen de la membrana:

- Integridad del sellado de la membrana. - Defectos de superficie. - Patrones superficiales. - Prueba de funcionamiento de las celdas de la membrana

• Superficie de análisis:

- Microscopía Electrónica de Exploración. - Microradiografía.

— 45 —

Operación de la planta. Problemas durante la operación

Cristales de carbonato cálcico.

Carbonato cálcico en presencia de ácido maleico.

Operación de la planta. Problemas durante la operación

— 46 —

Operación de la planta. Problemas durante la operación

Tolerancia al cloro en presencia de hierro.

Operación de la planta. Problemas durante la operación Es habitual el incremento de la conductividad del agua producto, provocado por el anormal funcionamiento de alguna membrana en concreto: membrana dañada, juntas que no hacen el cierre adecuadamente. Se puede realizar medidas de conductividad individuales para cada caja de presión (tomamuestras) e incluso de cada membrana dentro del tubo para localizar exactamente el problema.

— 47 —

Una Compañía Global como Referencia en Desalación

— 48 —

Jueves 18 de junio de 2009

Módulo de mantenimiento de plantas desaladoras por ósmosis inversa RODRÍGUEZ CABRERA, ANDRÉS

—1—

Módulo de mantenimiento de plantas desaladoras por ósmosis inversa  RODRÍGUEZ CABRERA, A.; [Ingeniero Técnico, C.A.A.F.]

MANTENIMIENTO DE PLANTAS DESALADORAS POR ÓSMOSIS INVERSA 1. Mantenimiento de las Instalaciones 2. Ensuciamientos-Lavados Membranas 3. Práctica de Lavado de Membranas

—2—

DIAGRAMA BÁSICO DE UNA PLANTA DESALADORA DE ÓSMOSIS INVERSA

MANTENIMIENTO PLANTAS DESALADORAS DE ÓSMOSIS INVERSA •

Captaciones agua de mar.

•

Filtros de arena.

•

Dosificación pretramiento agua mar.

•

Filtros de cartucho.

•

Tren alta presión y rack membranas.

•

Equipo lavado y desplazamiento de membranas.

•

Equipos auxiliares.

•

Bombeo agua producida.

•

Cuadros eléctricos, sistema control e instrumentación.

—3—

CAPTACIONES AGUA DE MAR •

(Pozo playero-toma abierta) limpiezas-dragados interiores desinfección periódicas, analíticas agua, muestras sdi.

•

Equipos de bombeo (cierres mecánicos, rodamientos motores).

•

Medición de vibraciones.

•

Revisión bridas colector impulsión y soportes.

•

Revisión antiariete (presión aire membrana interior).

•

Equipo vacío (cambios aceites y filtros-circuitos).

•

Válvulas-actuadores (neumáticos).

•

Instrumentación.

POZO AGUA DE MAR-BOMBAS DE CAPTACIÓN

—4—

EQUIPOS DE CEBADO DE BOMBAS DE AGUA DE MAR

POZOS–TOMAS DE CAPTACIÓN (TUBERÍAS Y ANTIARIETES)

—5—

DRAGADO Y LIMPIEZA POZO PLAYERO CAPTACIÓN AGUA DE MAR

POZOS–TOMAS DE CAPTACIÓN ABIERTAS

—6—

DRAGADOS POZOS–TOMAS DE CAPTACIÓN ABIERTAS

—7—

ALGAS EXTRAIDAS DE UNA CAPTACIÓN DE AGUA DE MAR ABIERTA EN UNA ZONA PREVIA A LA ASPIRACIÓN DE LAS BOMBAS

DRAGADO Y LIMPIEZA CÁNTARA INTERIOR DE LA CAPTACIÓN AGUA DE MAR ABIERTA. PLANTA DESALADORA GRAN TARAJAL (Isla de Fuerteventura)

—8—

FILTROS DE ARENA •

ARENA SILICEA Y CARBÓN ACTIVO (RECARGA).

•

VALVULERIA-ACTUADORES-LÍNEAS AIRE SERVICIO.

•

REVISIÓN BRIDAS Y SOPORTES COLECTORES.

•

MOTOSOPLANTES (FILTROS–ACEITES).

•

BOQUILLAS COLECTORAS.

FILTROS DE ARENA PLANTA DESALADORA FUERTEVENTURA IV 5.300 M3/DÍA

—9—

FILTROS DE ARENA PLANTA DESALADORA FUERTEVENTURA IV 5.300 M3/DÍA

BOQUILLAS COLECTORAS EN FILTROS DE ARENA

— 10 —

MANTENIMIENTO FILTROS DE ARENA

VÁLVULAS MARIPOSA–MACHO–RETENCIÓN–AGUJA Y SUS STOCKS DE REPUESTOS

— 11 —

VÁLVULA MACHO MANUAL O ACTUADOR ELÉCTRICO Y VÁLVULA DE GLOBO CON ACTUADOR NEUMÁTICO

EQUIPOS AUXILIARES •

COMPRESORES AIRE.

•

MOTOSOPLANTES.

•

HIDROS.

•

ANTIARIETES.

•

PUENTES DE GRÚA.

— 12 —

SOPLANTES, COMPRESORES E HIDROS

ANTIARIETES

— 13 —

DOSIFICACIÓN PRETRAMIENTO AGUA MAR •

REVISIÓN CIRCUITOS INYECCIÓN.

•

DOSIFICADORAS (MEMBRANAS, RETENCIONES, FILTROS).

•

AGITADORES (RODAMIENTOS–EJES).

•

DEPÓSITOS PREPARACIÓN.

DOSIFICACIÓN REACTIVOS

— 14 —

DEPOSITOS DE PREPARACIÓN REACTIVOS QUIMICOS, BOMBA DOSIFICADORAS Y AGITADORES

FILTROS DE CARTUCHO •

REVISIÓN BRIDAS CIRCUITO Y SOPORTES.

•

REVISIÓN INTERIOR CARCASA FILTRO.

•

CARGA CARTUCHOS («SUPERVISIÓN DE LA CARGA»).

•

VALVULERIA.

— 15 —

FILTROS DE CARTUCHO

MANTENIMIENTO FILTROS DE CARTUCHO

— 16 —

MANTENIMIENTO FILTROS DE CARTUCHO

— 17 —

MANTENIMIENTO FILTROS DE CARTUCHO

— 18 —

MANTENIMIENTO FILTROS DE CARTUCHO

CUADROS ELÉCTRICOS, SISTEMA CONTROL E INSTRUMENTACIÓN •

REVISIÓN CONTACTORES, RELES MANIOBRA, ETC.

•

REVISIÓN BORNAS MOTORES, TRAFOS, CELDAS M.T., ETC.

•

CALIBRACIÓN INSTRUMENTACIÓN.

— 19 —

REVISIÓN DE SEÑALES Y ENCLAVAMIENTOS DE CONTROL Y FUNCIONAMIENTO DE LA INSTALACIÓN

CAUDALÍMETROS ELECTROMAGNÉTICOS–TRANSMISORES DE PRESITRANSMISORES PRESIÓN

— 20 —

ESTACIÓN TRANSFORMADORA (CELDAS–TRAFOS)

CUADROS ELÉCTRICOS DE MANDO Y PROTECCIÓN B.T.

— 21 —

MOTORES ELÉCTRICOS

REPUESTOS EQUIPOS DE BOMBEO

— 22 —

GRIFERÍA PURGAS–TOMA MUESTRAS PRESIONES–JUNTAS EXPANSIÓN

STOCKS REPUESTOS

— 23 —

TREN ALTA PRESIÓN •

CIERRES MECÁNICOS–RODAMIENTOS Y COJINETES–TOBERAS.

•

MEDICIONES DE VIBRACIONES.

•

PRESOSTATOS.

•

REVISIÓN BRIDAS -VICTAULICS.

•

VALVULERIA MACHO–GLOBO–MARIPOSA.

•

PURGAS–GRIFERIA.

TREN ALTA PRESIÓN

— 24 —

MEDICIÓN DE VIBRACIONES

BOMBAS DE ALTA PRESIÓN-TURBINAS

— 25 —

BOMBAS DE ALTA PRESIÓN-TURBINAS

BOMBAS DE ALTA PRESIÓN

— 26 —

BOMBAS DE ALTA PRESIÓN-TURBINAS

BOMBAS DE ALTA PRESIÓN

— 27 —

BOMBAS DE ALTA PRESIÓN

BOMBAS DE ALTA PRESIÓN

— 28 —

BOMBAS DE ALTA PRESIÓN

BOMBAS DE ALTA PRESIÓN

— 29 —

BOMBAS DE ALTA PRESIÓN

BOMBAS DE ALTA PRESIÓN

— 30 —

TURBINA ALTA PRESIÓN Y REVISIÓN BOMBA

BOMBAS DE ALTA PRESIÓN-TURBINAS

— 31 —

TURBINAS ALTA PRESIÓN (PELTON)

TURBINAS PELTON CON UNA Y DOS TOBERAS

— 32 —

BOMBAS DE ALTA PRESIÓN DE PISTONES Y SISTEMA DE RECUPERACIÓN (ERI)

BOMBEO AGUA PRODUCIDA •

REVISIÓN EQUIPOS (CIERRES MECÁNICOS, RODAMIENTOS).

•

MEDICIÓN DE VIBRACIONES.

•

COLECTOR IMPULSIÓN, BRIDAS, VÁLVULAS, RETENCIONES.

— 33 —

BOMBEO AGUA PRODUCIDA A DEPOSITOS REGULADORES DE LA ISLA CENTRO DE PRODUCCIÓN PTO. DEL ROSARIO (ISLA DE FUERTEVETURA)

BOMBAS DE AGUA PRODUCTO

— 34 —

BOMBAS DE AGUA PRODUCTO

— 35 —

RACK MEMBRANAS •

SUSTITUCIÓN MEMBRANAS DE ÓSMOSIS INVERSA.

•

REVISIÓN CAJAS DE PRESIÓN.

•

INTERCONECTORES.

•

SONDEOS SALINIDAD.

•

LAVADO DE MEMBRANAS.

•

INSTRUMENTACIÓN.

•

EQUIPO DE LAVADO.

FRAGMENTOS DE MEMBRANAS PRECEDENTES

— 36 —

CAJAS DE PRESIÓN Y MEMBRANAS

— 37 —

CAJAS DE PRESIÓN Y MEMBRANAS

— 38 —

CAJAS DE PRESIÓN Y MEMBRANAS

CAJAS DE PRESIÓN (REPUESTOS)

— 39 —

CAJAS DE PRESIÓN Y COLECTORES INOXIDABLE ALT PRESIÓN (ACOPLAMIENTOS VICTAULICS)

NUEVA INTERCONEXIÓN ENTRE MEMBRANAS (DOWN DOW-FILMTEC --> ILEC

— 40 —

NUEVOS SISTEMAS DE CIERRE CAJAS DE PRESIÓN

CAJA DE PRESIÓN CONVENCIONAL CON ENTRADA Y SALIDA FRONTAL

— 41 —

DETALLE DE OTRO SISTEMA DE CIERRE Y SOPORTE DE MEMBRANA QUE A SU VEZ SIRVE DE DIFUSOR DEL AGUA

LIMPIEZA BACTERIOLÓGICA DE MEMBRANAS CON PERMEADO SOLAMENTE

— 42 —

— 43 —

Mantenimiento de plantas desaladoras por ósmosis inversa Ensuciamientos y limpiezas de membranas

LIMPIEZA DE MEMBRANAS Antes de proceder a la parada de cualquier planta para ser sometida a una limpieza química, ha de tomarse siempre los parámetros de la misma en funcionamiento, ya que éstos nos van a servir de referencia para saber si la limpieza ha sido efectiva o no. Estos parámetros de referencia serán: •

Presión de alimentación.

•

Presión de rechazo.

•

Conductividad del permeado en us/cm.

•

Caudal de alimentación.

•

Caudal de rechazo.

•

Caudal de producto.

•

Conversión en %.

Antes de proceder a una limpieza química, han de conocerse las prescripciones técnicas de las membranas que se van a lavar, ya que cada «Marca» de membranas de ósmosis inversa tiene características técnicas distintas y tienen que ser consultadas con los técnicos que representan la firma de las membranas instaladas. Muchas veces se facilitan manuales técnicos de las mismas donde se indican los rangos de PH que pueden soportas las mismas. Se recomienda siempre que sean los mismos suministradores de las membranas los que acudan a asesorar técnicamente el proceso de lavado y que se realicen los primeros en su presencia. Una vez que se conoce en profundidad la instalación se pueden realizar los lavados de las membranas sin asesoramiento técnico presente, pero manteniendo siempre el contacto y las posibles consultas.

— 44 —

MOTIVOS POR LOS QUE SE ATASCAN LAS MEMBRANAS POR PARTÍCULAS DE GRAN TAMAÑO

Se corrigen con la filtración de 5 a 10 micras

POR DEPÓSITOS COLOIDALES

Por la coagulación de los coloides sobre la superficie de la membrana

POR PRECIPITACIÓN DE SALES MINERALES (por que sobrepasan su solubilidad)

Ca CO3 Ca SO4 Sr SO4 Ca Fr Si O2 (Coloidal reactiva)

POR PRECIPITACIÓN DE OXIDOS METÁLICOS

Fe Mn Al

POR DEPÓSITOS DE MICROORGANISMOS EN SUSPENSIÓN

FITOPLANCTOM –ZOOPLANCTON Cuando el agua bruta contiene elementos nutritivos que pueden formar un rápido desarrollo de microorganismos.

POR CIRCUNSTANCIAS ESPECIALES

AZUFRE COLOIDAL COMPUESTOS ORGANICOS (Aceites, etc.)

INSTRUMENTACIÓN DEL RACK DE ÓSMOSIS INVERSA

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MONITORIZACIÓN DEL RACK DE MEMBRANAS CAMBIOS EN LAS LECTURAS

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MONITORIZACIÓN DEL RACK DE MEMBRANAS Cambios en las lecturas CAMBIO EN LA PRESIÓN DE ALIMENTACIÓN: Incrustaciones Obstrucción Alto =

Membrana Dañada

Alto TDS alimentación

Bajo =

Baja Tª alimentación

Bajo TDS alimentación Alta Tª alimentación

Problemas con las válvulas

CAMBIO EN PRETRAMIENTO DE ALIMENTACIÓN: PH demasiado Alto

=

Membrana Dañada

PH demasiado Bajo

=

Membrana Dañada

Paso de Cloro Libre

=

Membrana Dañada

Incrustaciones de Iones

=

Incrustaciones

Incremento de la Turbidez y SDI

=

Ensuciamiento

CAMBIO EN PRESIÓN DIFERENCIAL: Incrustaciones Ensuciamiento Biológico Alto =

Ensuciamiento Inorgánico

Bajo =

Baja Tª alimentación

Baja Conversión Alta TDS alimentación

Alto Factor de Conversión

CAMBIO EN TDS DEL PERMEADO: Juntas Tóricas Interconectores Membrana Dañada Alto =

Alto Tª alimentación

Bajo=

Bajo Caudal alimentación

Bajo TDS alimentación Ensuciamiento Biológico

Ensuciamientos -Incrustaciones

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ROTURA DE MEMBRANAS POR ENSUCIAMIENTO

ENSUCIAMIENTOS EN LAS MEMBRANAS

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ENSUCIAMIENTO BIOLOGICO (BIOFOULING) EN LAS MEMBRANAS DE ÓSMOSIS INVERSA

¿Cómo ocurren los Ensuciamientos Biológicos en las membranas de osmosis inversa? Partículas Vivas: (Microorganismos) Algas –Hongos –Bacterias Protozoos -Virus

Síntomas del ensuciamiento biológico: 1º Inicialmente se incrementa el rechazo de sales. 2º Se incrementa la Presión Diferencial. 3º Disminuye el Caudal de permeado.

— 49 —

ENSUCIAMIENTO BACTERIOLÓGICO

ROTURA DE MEMBRANAS POR ENSUCIAMIENTO BACTERIOLÓGICO

LIMPIEZAS QUÍMICAS EN LAS MEMBRANAS DE ÓSMOSIS INVERSA (RECHAZO DE SALES)

INICIALMENTE

LIMPIEZA QUIMICA (Membrana no dañada

— 50 —

LIMPIEZAS QUÍMICAS EN LAS MEMBRANAS DE ÓSMOSIS INVERSA (Rechazo de sales)

Después de la Limpieza (alguna membrana dañada o limpieza inadecuada)

Después de la Limpieza (Daños serios en la Membrana)

ENSUCIAMIENTO POR INCRUSTACIONES EN LAS MEMBRANAS DE ÓSMOSIS INVERSA (La presión diferencial en el 2º paso)

— 51 —

LIMPIEZAS QUÍMICAS EN LAS MEMBRANAS DE ÓSMOSIS INVERSA (Equipos de limpieza)

— 52 —

LIMPIEZAS QUÍMICAS EN LAS MEMBRANAS DE ÓSMOSIS INVERSA (Equipos de limpieza)

RANGOS DE PH Y LIMITES DE Tª DURANTE LAS LIMPIEZAS DE MEMBRANAS SW30-SW30HR SIGUIENDO LAS INDICACIONES DE OPERACIÓN DE LAS MEMBRANAS FILMTEC FT30 RANGO PH

TEMPERATURA MÁXIMA

3 -10

50ºC

2 -11

35ºC

2 -11,5

30ºC

2 -12

25ºC

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SOLUCIONES DE LIMPIEZAS PARA MEMBRANAS FT-30 (FILMTEC) PRODUCTOS DE LIMPIEZA

0,1% (W) Na OH 0,1% (W) Na-EDTA PH 12 30ºC Max.

0,1% (W) Na OH 0,05% (W) Na-DDS PH 12 30ºC Max.

1% (W) STP 1% (W) TSP 1% Na-EDTA

0,2% HCL Acido Clohídrico

0,5% (W) H3PO4 Acido Fosfórico

2% (w) Acido Cítrico

0,2% (W) NH2SO3H A.Sulfámico

OPTIMO

CORRECTO

CORR.

CORRECTO

1% (W) Na2S2O4 Sulfito Sod.

SUCIEDAD Incrustaciones de Ca SO4, Br SO4

CORRECTO

Incrustaciones de Ca CO3 Oxidos Metálicos Fe, Mn, Al

BUENO

Coloides Inorgánicos Silice

CORRECTO

BUENO

BUENO CORRECTO

Biopelicula

OPTIMO

BUENO

BUENO

Organismos

CORRECTO

BUENO

BUENO

Na-EDTA: Acido Etileno Diamina Tetraacetico de Sodio / Na-DDS: Dodecilsulfato de Sodio / STP: Trifosfasto de SodioTSP: Fosafto Trisódico

COMPROBACIONES PARA DETERMINAR EL TIPO DE ENSUCIAMIENTO Si no se puede determinar de entrada el tipo de ensuciamiento de nuestro rack de membranas, se procederá de la siguiente forma: 1º Se abren varias cajas de presión por su parte delantera, y se observa lo siguiente: a) Si se observa como una especie de baba o gelatina, se supone que la suciedad es de tipo bacteriano. b) Si se observa algún tipo de arena o un color ocre, se supone que la suciedad ha sido motivada por Fe+++. A continuación se dan las instrucciones de forma general para proceder en un Lavado Bacteriológico y en un Lavado por Incrustaciones.

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LAVADO PARA EL ENSUCIAMIENTO BACTERIOLÓGICO Si se confirmara que la suciedad es de tipo bacteriano, proceder de la siguiente forma: 1º Se abren todas las cajas de presión por donde entra el agua de alimentación a las mismas, y se lavan con agua a presión del modo más tangencial posible, para retirarles la baba de las entradas del agua de alimentación, dejándoles el camino expedito a la solución de limpieza. 2º Se prepara una solución con agua permeada y acido clorhidrico (ClH) a un PH = 3 (mínimo 2,5) y se hace recircular por un espacio de 1-2 o 3 horas, dependiendo del grado de ensuciamiento, con el fin de dejar al descubierto a las bacterias. 3º Sin tirar la solución anterior, se va dosificando ULTRASIL –10 controlando en todo momento el PH, dejándolo en PH = 10,9 ( máximo 11), y mientras se está recirculando hay que seguir controlando el PH para irlo llevando a una situación de 10,9 de modo permanente. A partir de los 30 o 35´ ya se empezará a observar suciedad en el agua. El tiempo de circulación en continuo será de 2 o 3 horas. Entre estos períodos de funcionamiento es conveniente dejas la solución en reposo por un tiempo de media hora. 4º Una vez dada por concluida esta limpieza, se enjuagará todo el circuito con agua de mar mientras esté saliendo espuma. 5º Si una vez hecha la limpieza ácida y alcalina con ClH y ULTRASIL-10 respectivamente, las condiciones de trabajo no han mejorado con relación a las tomadas antes de la parada, se parará la instalación y se abrirán una o dos tapas a las cajas de presión y poniéndolas en posición vertical, se les echa agua. Si les entra con relativa facilidad todavía son recuperables, pero si por el contrario no entra o lo hace de modo muy lento y con evidente dificultad, estas hay que rechazarlas por inservibles.

— 55 —

LAVADO PARA EL ENSUCIAMIENTO POR INCRUSTACIONES Si la suciedad se trata de Fe+++ o metales pesados, hay que hacerles la siguiente limpieza: 1º Se prepara una solución de ácido cítrico al 1%. 2º Se prepara una solución de EDTA de tal manera que si por ejemplo la cuba para la limpieza tiene 300 litros se haría el siguiente cálculo: 300 Litros x 6,68 : 1000 = 2 litros de EDTA de concentración 40% líquido. La misión del EDTA es doble, la de proteger las membranas del ácido cítrico y la de disolver los metales pesados. Una vez circulando estas soluciones se les va añadiendo amoniaco para subirle el PH a PH=5 y en estas condiciones dejarlo recircular durante 1 o 2 horas. Si la solución recirculante va tomando un color amarillento, habrá algún elemento que esté formando hierro Fe+++. Si no se observara coloración alguna la suciedad podría ser debida a metales pesados que habría que cuantificar mediante análisis del agua circulante en la limpieza comparativamente con la utilizada para la solución. Si se detecta en los análisis metales pesados se seguirán cuantificando los mismos hasta que no presente incremento alguno en cuyo caso ya se considera que ha sido eliminado de las membranas y se encuentra en suspensión en el agua de Limpieza. Luego se hace una buena circulación con agua permeada hasta que el agua salga limpia. Seguidamente se preparará el tratamiento alcalino: 1º Añadir ULTRASIL –10 hasta llegar el PH a 10,9 y se recircula 1 o 2 horas sin nada apreciable pues se trata de estabilizar la membrana. En el caso de que la suciedad se debiera a SiO2 habría de solubilizarla con NaOH. Para ello se prepara una solución con agua permeada en un recipiente a parte, y se le añade NaOH. Luego se va dosificando al tanque de limpieza agitando el agua —¡Ojo ! el PH puede subir muy deprisa— hasta llevarlo a 10,9 (nunca más de 11 ) , la tendencia en el tiempo es de bajar por lo que hay que ir rectificando muy poco a poco para volverlo a los 10,9. Mientras el químico tendrá que ir evaluando el contenido de SiO2 en el tanque de limpieza hasta que se estabilice, lo que nos indicará que ya no hay más desprendimiento de ese elemento por haberse eliminado.

— 56 —

EQUIPOS DE PRUEBA DE MEMBRANAS

CAMBIO DE MEMBRANAS DE UN RACK Y ALMACENAMIENTO PARA RECUPERARLAS POSTERIORMENTE

— 57 —

Funcionamiento de las instalaciones Realización práctica de un lavado de membranas de ósmosis inversa de un módulo de desalación

REALIZACIÓN DE LAVADO DE MEMBRANAS Caso práctico de lavado de membranas Módulo de desalación por Ósmosis Inversa de 2.000 m3/día ( 24 cajas de Presión y 7 membranas) EN ESTE CASO EL ENSUCIAMIENTO DEL RACK DE MEMBRANAS SE PRODUCE EN POCAS HORAS Y SE DETECTA DE LA FORMA SIGUIENTE: 1º Bajada del caudal de agua producida +10%; 2º Subida de la presión de alimentación; 3º Mejora la salinidad del agua producto; ESTE TIPO DE ENSUCIAMIENTO SUELE PRODUCIRSE POR EL ÁCIDO HÚMICO (PROVOCADO POR LA DESCOMPOSICIÓN DE MICROALGAS Y PEQUEÑOS MOLUSCOS)

— 58 —

Parámetros de funcionamiento del Rack de membranas antes del ensuciamiento: Caudal Alimentación

209,6 m3/h 84 m3/h

Caudal Permeado

2.016 m3/día

Producción

125,6 m3/h

Caudal Rechazo Factor Conversión

42%

Presión Entrada

66 Kg/cm2

Presión Salida

65 Kg/cm2

Presión diferencial

1 Kg/cm2

Conductividad Permeado

385 μS/cm

Parámetros de funcionamiento del Rack de membranas con el problema de ensuciamiento: Caudal Alimentación

202 m3/h 74 m3/h

Caudal Permeado

1.776 m3/día

Producción

128 m3/h

Caudal Rechazo Factor Conversión

36,5%

Presión Entrada

69 Kg/cm2

Presión Salida

68 Kg/cm2

Presión diferencial

1 Kg/cm2

Conductividad Permeado

268 μS/cm

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Parámetros antes del ensuciamiento: Caudal Alimentación

209,6 m3/h 84 m3/h

Caudal Permeado

2.016 m3/día

Producción

125,6 m3/h

Caudal Rechazo Factor Conversión

42%

Presión Entrada

66 Kg/cm2

Presión Salida

65 Kg/cm2

Presión diferencial

1 Kg/cm2

Conductividad Permeado

385 μS/cm

Parámetros con el problema de ensuciamiento: Caudal Alimentación

202 m3/h 74 m3/h

Caudal Permeado

1.776 m3/día

Producción

128 m3/h

Caudal Rechazo Factor Conversión

36,5%

Presión Entrada

69 Kg/cm2

Presión Salida

68 Kg/cm2

Presión diferencial

1 Kg/cm2

Conductividad Permeado

268 μS/cm

Diferencia de Parámetros antes y en el momento del ensuciamiento: Caudal Alimentación

Baja más 10% (11,9%) -10 m3/h

Caudal Permeado

240 m3/día

Producción

aumenta casi 3 m3/h más

Caudal Rechazo Factor Conversión

cae casi 6 puntos%

Presión Entrada

aumenta 3 Kg/cm2

Presión Salida

aumenta 3 Kg/cm2

Presión diferencial

se mantiene 1 Kg/cm2

Conductividad Permeado

mejora la salinidad

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LIMPIEZAS QUÍMICAS EN LAS MEMBRANAS DE ÓSMOSIS INVERSA (EQUIPOS DE LIMPIEZA)

REALIZACIÓN PRÁCTICA DE UN LAVADO DE MEMBRANAS

— 61 —

REALIZACIÓN DE LAVADO DE MEMBRANAS

Se tienen preparados desde un inicio todos los medios de protección (EPIS), guantes, máscara con filtro, etc.

Para este caso práctico se tiene preparado el producto químico ULTRASIL (compuesto de Sosa Caústica y EDTA), para la realización de un lavado alcalino para la eliminación de organismos y biopeliculas en las membranas. Y por otro lado se tiene cerca un poco de HCl por si hace falta para la regulación del PH.

SOLUCIONES DE LIMPIEZAS PARA MEMBRANAS FT-30 (FILMTEC) PRODUCTOS DE LIMPIEZA

0,1% (W) Na OH 0,1% (W) Na-EDTA PH 12 30ºC Max.

0,1% (W) Na OH 0,05% (W) Na-DDS PH 12 30ºC Max.

1% (W) STP 1% (W) TSP 1% Na-EDTA

0,2% HCL Acido Clohídrico

0,5% (W) H3PO4 Acido Fosfórico

2% (w) Acido Cítrico

0,2% (W) NH2SO3H A.Sulfámico

OPTIMO

CORRECTO

CORR.

CORRECTO

1% (W) Na2S2O4 Sulfito Sod.

SUCIEDAD Incrustaciones de Ca SO4, Br SO4

CORRECTO

Incrustaciones de Ca CO3

BUENO

Oxidos Metálicos Fe, Mn, Al Coloides Inorgánicos Silice

BUENO CORRECTO

Biopelicula

OPTIMO

BUENO

Organismos

CORRECTO

BUENOBUENO

BUENO

Na-EDTA: Acido Etileno Diamina Tetraacetico de Sodio / Na-DDS: Dodecilsulfato de Sodio / STP: Trifosfasto de SodioTSP: Fosafto Trisódico

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CORRECTO

BUENO

REALIZACIÓN DE LAVADO DE MEMBRANAS 1º) Preparar un Phmetro para controlar el PH de la solución química que se va ha preparar.

2º) Llenar de agua producto el depósito de preparación y luego poner en marcha el agitador del depósito.

3º) Realizar el vertido del producto químico en el depósito de preparación y mezclar con el agua producto, en este caso, solución Alcalina, ULTRASIL y controlar con el Phmetro, el PH de solución química hasta que se quede próximo a PH