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Tecnologías de desalación: evolución y perspectivas

tecnologías de desalación

Autor: Mike Blake/Reuters

Los orígenes de las tecnologías de desalación datan de la época de Aristóteles (384-322 a.C.) cuando éste fabricó el primer evaporador conocido y en sus obras hablaba de la desalación del agua del mar. No obstante, no fue hasta después de la Segunda Guerra Mundial que empezaron a construirse las primeras plantas desaladoras.

En 1960, en la Universidad de California se construye la primera membrana de ósmosis inversa, de acetato de celulosa, que es capaz de impedir el paso de sales y permitir el paso de un flujo de agua razonable. A partir de esta membrana básica, la tecnología no ha dejado de evolucionar para conseguir una mayor eficiencia energética y un menor coste de operación.

La eficiencia energética no puede incrementarse sin límite, puesto que termodinámicamente hay un coste energético mínimo que no se puede reducir. Éste depende de las características fisicoquímicas del agua a desalar, del porcentaje de recuperación del proceso y de la salinidad. Así, de forma teórica, el mínimo consumo energético necesario para desalar el agua de mar con una salinidad de 35 g/L y con una recuperación estándar del 45% es 1,97 kWh/m3.

Con la mejor tecnología actualmente disponible, el consumo mínimo industrial está en 2,51-2,74 kWh/m3 en función de si se utilizan turbinas Pelton o cámaras isobáricas –más eficientes– para la recuperación de la presión. A tenor de estos valores, se observa que los márgenes disponibles para reducir los consumos energéticos son ya muy reducidos.

Actualmente, se pueden construir plantas desaladoras con un consumo energético en la fase de ósmosis de 2 kWh/m3, con un índice de recuperación del 45%, que equivaldría a un consumo global de 2,5 kWh/m3. Un factor importante para mantener controlado el consumo energético en la desalación se centra en impedir el ensuciamiento de las membranas (fouling), el cual centra los objetivos de numerosas líneas de investigación. El fouling afecta directamente al rendimiento energético, a la vida útil de las membranas y a la ratio de producción de agua.

Para continuar reduciendo el consumo energético, cabe descartar avances en los equipos auxiliares a las membranas y circuitos hidráulicos, ya que prácticamente no disponen de margen de mejora. Las líneas de investigación más prometedoras se centran en la reducción de las presiones de trabajo sin que por ello se vea disminuido el flujo de permeado. Los principales fabricantes de membranas están trabajando en esta dirección y ya existen membranas con un funcionamiento muy satisfactorio trabajando a una presión total de 55 atm, en vez de 70 atm como se venía haciendo desde hace poco tiempo.

El futuro a medio plazo es preocupante, puesto que las reservas de agua dulce cada vez serán menos fiables además de estar menos disponibles. Se calcula que en 2016 un 1% de la población mundial se abastece de agua desalada y que en 2025 este porcentaje alcanzará el 14%. Ante este escenario, los avances en la reducción del consumo energético en la desalación permitirán que siga proliferando la construcción de plantas desaladoras basadas en la ósmosis inversa por todo el mundo.

El consumo energético depende fuertemente de la salinidad del agua a tratar, por lo que se hará necesario priorizar las fuentes de las cuales obtener agua dulce. El futuro pasa inexorablemente por la reutilización de las aguas residuales, primero, y por la desalación de las aguas salobres del interior, después. La desalación de agua de mar deberá ser el último recurso. En Israel, país a la vanguardia en el uso eficiente del agua y de las tecnologías hídricas, se reutiliza el 80% de las aguas residuales.

Una alternativa económica y que actualmente se empieza a barajar su implementación consiste en el tratamiento mediante ósmosis inversa de las aguas residuales urbanas, ya depuradas, para su inyección en acuíferos subterráneos. La recarga de éstos mediante esta técnica es rápida y controlada, permitiendo que posteriormente la potabilización de esta agua no sea compleja. En España, la reutilización de las aguas residuales urbanas para su uso como agua potable, aunque técnicamente es posible, la legislación no lo permite. La única excepción está precisamente si el agua residual tratada mediante ósmosis inversa es inyectada previamente en un acuífero subterráneo antes de su potabilización.

El informe de 2014 de las Naciones Unidas sobre el desarrollo del agua en el mundo (http://www.unesco.org/new/es/natural-sciences/environment/water/wwap/wwdr/2014-water-and-energy/#c1464954) constata que existen más de 16.000 plantas desaladoras repartidas por todo el mundo en un total de más de 150 países, con una capacidad de producción que podría llegar a doblarse en 2020. Existen proyectos de investigación alrededor de la ósmosis inversa que hacen pensar que: (1) esta técnica seguirá siendo en los próximos 10 años la tecnología de referencia para la producción de agua dulce con algunas mejoras, algunas sustanciales, y (2) algunos proyectos de investigación son muy prometedores y acabarán proporcionando resultados útiles y valiosos que permitirán reducir aún más los costes energéticos y ambientales, además de los económicos.

Entre los proyectos de investigación más prometedores para nuevas tecnologías de desalación se encuentran los siguientes:

1. Tecnología ReFlex de la compañía Desalitech (USA)

Esta tecnología se basa en un sistema equiparable a un sistema de ósmosis inversa convencional que opera en batch. El porcentaje de recuperación lo determina la frecuencia de las etapas de purga que son ordenadas por un software específico, en vez del diseño mecánico y el número de etapas como sería en un sistema de ósmosis inversa convencional. El sistema ReFlex empieza realizando batchs a baja presión y va incrementando ésta gradualmente a medida que la concentración aumenta, hasta llegar al grado de recuperación indicado. Este funcionamiento hace que la presión media sea inferior a la presión constante del sistema convencional. Además, la presión de la purga es mínima, a diferencia del sistema convencional. Mediante este tipo de operación, el consumo de energía respecto al sistema convencional se reduce en un 20-35%.

2. Tecnología de la compañía IDE Technologies (Israel)

IDE Technologies ha desarrollado unas membranas de 16” en arreglo vertical, de forma que se reducen recipientes a presión, colectores, equipos de control y reduce el tamaño de la planta. Mediante esta tecnología se construyen plantas muy compactas y es especialmente importante cuando se trata de diseñar plantas desaladoras de elevada capacidad. Con esta avanzada tecnología, esta empresa ha diseñado y construido la planta desaladora más grande y avanzada del mundo hasta la fecha, en Sorek (Israel), la cual tiene una capacidad de 624.000 m3/día.

3. Membranas de óxido de grafeno, Universidad de Berkeley (USA)

Un grupo de investigadores de la Universidad de Berkeley (USA) ha diseñado y construido una membrana de óxido de grafeno perforada con un grosor de un átomo, que hace posible la desalación con una mínima parte del coste originado por la ósmosis inversa convencional. Los poros se pueden manipular para variar la permeabilidad de la membrana. De confirmarse su aplicación a escala industrial, se revolucionará los sistemas actuales de ósmosis inversa y se reducirán significativamente los costes económicos de operación.

Las mejoras innovadoras que se están introduciendo en la ósmosis inversa, fruto de la investigación, hacen que esta tecnología sea el referente para la eliminación de sales a corto y medio plazo, tanto para la producción de agua para el consumo como a nivel industrial. Cabe destacar la idoneidad de esta tecnología para aquellas aplicaciones industriales basadas en el concepto de vertido cero.

Profundizando en el campo de las aplicaciones industriales, en las que la ósmosis inversa goza de una hegemonía clara por su eficacia, alrededor de la ósmosis inversa existe una serie de técnicas complementarias que en situaciones concretas pueden incluso mejorar sus prestaciones. Es el caso de la ósmosis forzada y de la destilación por membranas. La ósmosis forzada, en la que la elevada presión osmótica creada por la adición de un compuesto fácilmente separable es la fuerza impulsora del flujo a través de la membrana, presenta una elevada eficiencia energética y en algunos casos puede ser una gran competidora de la ósmosis inversa. Se trata de una técnica con un futuro prometedor. Por otro lado, existe una tecnología relativamente reciente, la destilación por membranas, la cual se presenta como una solución para aquellas mezclas difíciles de separar y que la combinación de la diferencia de presiones de vapor y de diferente permeabilidad a través de una membrana semi-permeable hacen que la separación pueda ser efectiva y viable. Ambas tecnologías complementan la ósmosis inversa y allanan el camino en el diseño del tratamiento óptimo en numerosas industrias.

Por todo lo expuesto, en un futuro previsible la ósmosis inversa –con las tecnologías asociadas–seguirá siendo la primera opción para la separación de sales, tanto en la desalación de agua para el consumo humano como para las variadas aplicaciones industriales. Actualmente, el coste del agua desalada para el consumo humano es el doble del agua dulce superficial. Pero ésta cada vez será más escasa y menos fiable. Se prevé que en 2025 los costes de desalación igualen a los costes de extracción de agua dulce.

Biorreactores de membranas (MBRS) para el tratamiento de aguas residuales

MBREn  este artículo presentaremos los aspectos de los  biorreactores de membranas (MBRS) que los convierten en  una buena alternativa a los sistemas convencionales de depuración biológica por fangos activos para el tratamiento de aguas residuales. Este sistema consiste en una modificación del sistema convencional de fangos, ya que se reemplazan los tanques secundarios de sedimentación, propios del sistema convencional, por unidades de membranas.

Las principales ventajas del sistema MBRS respecto a  los fangos activos es que consta de instalaciones relativamente pequeñas y que permite obtener un efluente de alta calidad con baja producción de lodos. Este sistema es adecuado tanto para el tratamiento de aguas residuales urbanas como para las aguas residuales industriales biodegradables. La mayor parte de aplicaciones de este sistema los encontramos en el sector alimentario, farmacéutico, cosmético y en vertederos.

Por otra lado el sistema MBRS presente un inconveniente respecto a los fangos activos. Se trata del coste, ya que el ensuciamiento progresivo de la membrana supone un coste de mantenimiento superior a otros sistemas.

Los biorreactores de membranas son la combinación  de un biorreactor, en el que una suspensión concentrada de microorganismos degrada los contaminantes presentes en el agua, y una unidad de filtración por membranas (0.01- 0.04 µm) que separan la biomasa del agua purificada.

Como hemos mencionado la principal ventaja de este innovador sistema es la posibilidad de obtener mejores calidades del efluente ocupando poco espacio, ya que opera con una concentración de biomasa alta, lo  que genera menos lodos.  Otra  ventaja es que proporciona libertad para controlar el proceso, ya que permite la manipulación de los tiempos de residencia hidráulicos y de la biomasa.   Al no funcionar con sedimentos permite que la instalación sea de tamaño reducido y logra una mayor separación que los sistemas anteriores gracias a la tecnología de membranas. Aunque, por otra parte, genera más ensuciamiento que otros sistemas debido a que el medio está sometido a una mayor agitación respecto al sistema convencional de fangos,  lo que produce una mayor producción de SPE. Por lo que a pesar de la serie de características positivas mencionadas, esta tecnología implica altos costes de prevención y eliminación del ensuciamiento de las membranas que garantizan su funcionamiento optimo.

La permeabidiladad de las membranas está influenciada por las características del lodo. Las células, presentes en el lodo, pueden formar una capa en torno a la membrana durante la filtración, y  formar una biopelícula que reduce la permeabilidad, problema que puede verse acrecentado por el depósito de partículas y la adsorción de materiales coloidales. Factores biológicos, como la presencia de nutrientes, la edad del lodo y el nivel de agitación afectan a la producción sustancias polimericas extracelulares que son las responsables del ensuciamiento.

El ensuciamiento del biorreactor puede ser reversible, es decir, puede ser eliminado con una limpieza física,  o puede ser irreversible, es decir, que requiere una limpieza química. Esto depende de la tenacidad con la que la suciedad se une a la membrana. Aunque también existe el ensuciamiento irrecuperable, que no se puede eliminar de ninguna manera, por lo que define la vida útil de la membrana. Toas estos ensuciamiento se dan en distintas etapas del tiempo.

Durante la filtración, el aumento de presióntransmembranar es debido principalmente a la formación de la torta que obstruye la membrana. Esta puede ser eliminada mediante una limpieza física, pero a largo plazo esta limpieza no es capaz de resistir presión tranmembranainicial. Cuando la presión tras la limpieza física supera un valor determinado, se hace una limpieza química. Sin embargo como consecuencia del ensuciamiento irrecuperable la limpieza química tampoco evita el aumento gradual de la presión transmembranar a lo largo de un periodo de años.

Los biorreactores de membranas constan de varias membranas y un birreactor. El modulo de filtración puede ser externo o interno al biorreactor. La diferencia es que le consumo energético en el sistema MBR externo es diez veces superior al interno. Aún así, los MBR externos presentan algunas ventajas  respecto a los internos, como por ejemplo la posibilidad de limpiar in situ las  membranas, el fácil acceso a los módulos, permite modificar el número de módulos y  nos da la oportunidad de optimizar la aireación del biorreactor para obtener coeficientes de transferencia de oxígeno máximos.

También existe un novedosa configuración de MBRS denominada Air lift MBR, que consiste en un MBR externo, por lo que consta de un fácil acceso a las membranas y trabaja con flujos latos. Pero, por otra parte, también consta de las ventajas de un sistema interno, es decir que representa un consumo energético bajo (0,5 kwh/m3).

En definitiva, el sistema de biorreactores de membrana  es una tecnología capaz de competir con los sistemas convencionales de fangos, ya que permiten obtener un efluente de calidad y presentan una gran  versatilidad de diseño.  Aún así es necesario conocer los mecanismos y componentes del ensuciamiento para un uso y mantenimiento correcto de esta tecnología.