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Día mundial del agua

día mundial del agua

El 22 de Marzo es el día mundial del agua, cuyo objetivo es sensibilizar a la opinión publica sobre el uso responsable del agua y sobre la importancia de que todos los habitantes de este planeta tengamos acceso a un agua en las condiciones adecuadas para su uso y consumo.

Este año, la ONU quiere hacer especial hincapié en la gran cantidad de agua que se desperdicia a diario y en la importancia de su recuperación y  reutilización en todos los niveles de la sociedad: hogares, industria, organismos públicos, agricultura, etc.

Compartimos algunos datos destacados que la ONU refleja en su página web:

  • 663 millones de personas viven sin suministro de agua potable cerca de casa, lo que les obliga a pasar horas haciendo cola o trasladándose a fuentes lejanas, así como a hacer frente a problemas de salud debido al consumo de agua contaminada.
  • Mundialmente, más del 80% de las aguas residuales que generamos vuelve a los ecosistemas sin ser tratada ni reciclada.
  • 1800 millones de personas usan una fuente de agua contaminada por material fecal, poniéndolas en riesgo de contraer el cólera, la disentería, el tifus o la polio. El agua no potable, y unas pobres infraestructuras sanitarias, así como la falta de higiene, causa alrededor de 842 000 muertes al año.
  • Las oportunidades de explotar las aguas residuales como un recurso son enormes. El agua tratada de una forma segura es una fuente sostenible y asequible de agua y energía, así como para obtener nutrientes y otros materiales recuperables.

Aquí os dejamos un enlace a la página que la ONU dedica al día mundial del agua: http://www.un.org/es/events/waterday/

También queremos compartir con vosotros un vídeo, que os animamos también a compartir, para tomar conciencia sobre el uso responsable del agua.

Tratamiento de aguas salinas, o salmueras, en la industria

sal concentradaLa producción de aguas salinas se asocia tradicionalmente a los procesos de desalación de agua de mar. En el pasado no se llevaba a cabo ningún tratamiento de aguas salinas y simplemente se procedía a la reincorporación de esta salmuera al océano. Este sistema se ha visto que generaba un gran impacto ambiental en el medio de origen, por lo que se han puesto en marcha alternativas que disminuyesen el impacto ambiental del vertido directo y contemplan a también, cualquier tipo de salmuera producida en distintos procesos industriales. Estas alternativas pueden dividirse en:

  • Procesos de dilución: En este caso la salmuera generada se diluye con los efluentes de otras plantas de tratamiento que tengan como destino su vertido al océano, cuya concentración salina sea muy baja y cuyo caudal de salida sea más elevado que el de salmuera, con el fin de asegurar la dilución adecuada. Normalmente se emplean efluentes de plantas de tratamiento de aguas residuales o de centrales térmicas.
  • Procesos de gestión: Estos procesos incluyen diferentes procesos de tratamiento de los efluentes salinos producidos tanto en plantas desaladoras como en otros tipos de sectores. El tratamiento de las salmueras, permite garantizar una mayor sostenibilidad ambiental y una disminución de su impacto en el medio.

A continuación se tratan los procesos de gestión de efluentes salinos más destacables.

Gestión de las salmueras

La gestión de salmuera es sin duda un punto determinante para cualquier tipo de industria o sector en el que se genere un efluente salino, ya que, aún al carecer de peligrosidad, deben ser correctamente gestionados, porque su descarga no controlada puede causar un elevado impacto ambiental.

Existe una amplia diversidad de industrias que por uno u otro motivo generan salmueras, como es el caso de las plantas desaladoras, las dedicadas a las perforaciones de gas y petróleo, las plantas de generación de energía, las de curtidos de pieles, las que elaboran conservas de alimentos, olivas, salazones, aceites, jamones y embutidos, así como todas aquellas que tratan elevados volúmenes de agua (descalcificación, desmineralización, ósmosis inversa, etc.).

Su gestión no siempre es sencilla y la opción más idónea depende siempre de una larga lista de factores, como caudal, concentración, situación geográfica, disponibilidad de fuentes residuales de energía, etc. Entre las opciones posibles de gestión de las salmueras, no cabe duda que la más sostenible ambientalmente consiste en abordar su tratamiento.

Producción de salmueras

La variedad de industrias que generan efluentes salinos es amplia, a continuación se analizan las más representativas:

I. Desalación de agua de mar

La desalación consiste en la obtención de agua dulce para consumo humano, uso industrial o agrícola a partir de agua de mar o salmuera. Esta práctica se ha ido generalizando en las últimas décadas en todas aquellas zonas donde existe déficit hídrico y el abastecimiento no está por tanto garantizado. Actualmente es posible la producción intensiva de agua desalada a unos precios moderados, hecho que hace que en muchos casos sea la solución practicada para solucionar los problemas de abastecimiento. De acuerdo con UN Water, el mecanismo de inter-agencias para todo lo relacionado con el agua de Naciones Unidas, en febrero de 2014 existían más de 16.000 plantas desaladoras en todo el mundo, con una capacidad de producción de unos 70 hm3/día.

Sea cual sea la tecnología utilizada para la desalación, en todos los casos se produce un efluente de agua dulce y un efluente residual o rechazo. Éste último contendrá una concentración de sales elevada, que dependerá del agua cruda que se desala y del rendimiento de la separación, el cual depende de la técnica utilizada. Este residuo no debe ser devuelto al medio sin tratamiento por el elevado impacto que esto tendría sobre el mismo, además de suponer un aumento progresivo de los costes de desalación consecuencia directa del aumento de los niveles salinos de las aguas de origen.

Así pues considerando la gestión como la alternativa más adecuada, las técnicas que obtengan un elevado rendimiento de separación generarán un rechazo muy concentrado en sales, y al revés.

II. Industria textil

La industria textil se caracteriza por un elevado consumo de agua, la cual debe ser de gran calidad. Es habitual que el agua, tanto de red como de captaciones propias, sea sometida a un proceso de purificación, generalmente, de ablandamiento. Históricamente, para eliminar la dureza del agua se han utilizado resinas de intercambio iónico, las cuales generan en su proceso de regeneración un efluente de elevada concentración salina.

Por otro lado, en el proceso de teñido de la fibra textil, se necesitan elevadas concentraciones salinas en el medio para que el pigmento se fije sobre la pieza de tela. Las aguas de teñido, aún después de haber sido tratadas, conservan un elevado contenido en sales.

III. Vertederos de RSU

Los vertederos de residuos sólidos urbanos (RSU) generan efluentes de lixiviados, los cuales deben ser tratados para poder ser vertidos sin que causen impacto ambiental. Generalmente, después de varios procesos, el efluente tratado es sometido a un proceso de ósmosis inversa, con la finalidad de obtener una corriente de agua pura la cual reutilizar o verter, y una corriente más pequeña con los contaminantes concentrados. Este efluente presenta una elevada concentración salina, puesto que se han concentrado todas las sales presentes originalmente en los lixiviados.

IV. Elaboración de alimentos

Con la finalidad de que los alimentos se conserven durante largos periodos de tiempo y no sean atacados por los microorganismos, históricamente se han utilizado técnicas de salazón y de conservación en salmueras. Las salmueras se suelen preparar con agua fría, cloruro sódico, nitrito de sodio, además de productos saborizantes.

Para que la salmuera ejerza su efecto como conservante es necesario concentraciones salinas en el producto de entre el 15% y el 20%. Así pues, la industria de salazones y la dedicada a la conservación de alimentos en general producen efluentes de elevada concentración de sal.

La elaboración de encurtidos (olivas, pepinillos, zanahorias, cebollas, etc. marinados con salmuera y vinagre) es una actividad que genera efluentes con carga orgánica además de con una elevada salinidad. Estos efluentes deben ser tratados previamente a su vertido y es aconsejable recuperar la máxima cantidad posible de agua para su reutilización en el proceso.

V. Efluentes de plantas de tratamientos del agua

Una amplia variedad de industrias necesitan disponer de agua de elevada calidad, ultra pura, para su uso en el proceso productivo; es el caso de las industrias farmacéutica, alimentaria, textil, etc. Generalmente utilizan resinas de intercambio iónico para ablandar el agua, o bien procesos basados en membranas (nanofiltración u ósmosis inversa) para tratamientos más completos. Los efluentes generados en estos procesos concentran todas las sales e impurezas eliminadas del agua cruda. Cuando el consumo de agua en el proceso es elevado, se generan caudales de efluentes residuales importantes, los cuales se caracterizan por una elevada concentración de sales disueltas.

VI. Industria del curtido de pieles

La industria dedicada al curtido de pieles se caracteriza por su elevado potencial contaminante tanto por los reactivos que se utilizan como por los efluentes que se generan en los diferentes procesos.

Generalmente, los procesos que se siguen en el curtido de las pieles son el de salado (con NaCl), el de ablandamiento (utilizando sulfuro de sodio, polisulfuro de sodio o carbonato de sodio), el de apelambrado (usando sulfuro de sodio, sulfhidrato de sodio, aminas, hidróxido de calcio y sosa caústica), el de encalado (mediante un baño con sosa caústica), el de desencalado (utilizando ácido clorhídrico, ácido sulfúrico, ácido bórico, cloruro de amonio, acetato de amonio y ésteres cíclicos), el de curtido (sales de cromo y formaldehido), el de teñido, el de engrase, el de secado, el de acondicionado y el de acabado (usando pigmentos, y anilina). Estos productos químicos empleados en los diferentes procesos se van incorporando a las aguas residuales a medida que se van utilizando.

Las tecnologías utilizadas en estos procesos cada vez son más limpias, economizan agua, reutilizan efluentes y la contaminación final de las aguas es menor. Finalmente, una vez que las aguas son tratadas, la mayor parte de la contaminación es eliminada de las aguas. No obstante, las sales disueltas contenidas en los efluentes no son eliminadas, de modo que a la salida de la planta de tratamiento, salen inalteradas y las aguas tienen concentraciones de sales de hasta 10.000 mg/L. Estas aguas, con este contenido en sales, no pueden ser vertidas ni a cauce público ni a la red de alcantarillado.

VII. Tratamiento de agua para plantas de generación de energía

Las plantas de generación de energía necesitan para su funcionamiento disponer de agua de la máxima calidad, para poder transformarla en vapor de alta temperatura, el cual moverá el alternador. Generalmente, el agua ultra pura que se utiliza se obtiene sometiendo el agua de red, o de captación, a un proceso de tratamiento. Como consecuencia de este proceso, se genera un efluente residual que concentra todas las impurezas eliminadas del agua. Estos efluentes se caracterizan por poseer una elevada concentración de sales, los cuales deben ser tratados para poder ser vertidos.

VIII. Extracciones de gas y petróleo

La industria dedicada a la extracción de gas y de petróleo también es capaz de producir grandes efluentes de salmuera. Un elevado número de yacimientos de gas y de petróleo suelen aparecer junto a vetas de sal gema. La técnica utilizada para la extracción del petróleo consiste en la perforación de pozos por los que se inyecta agua dulce, que disuelve la sal y aparece en la superficie en forma de salmuera. La recuperación del petróleo se consigue desplazándolo hacia la superficie mediante la inyección de agua o de salmuera. El excedente de salmuera debe ser tratado, o vertido al mar si se trata de un yacimiento submarino.

Tratamiento de aguas salinas, o salmueras

La gestión de las salmueras no es una tarea sencilla en la mayoría de los casos. En función de factores como el caudal, la ubicación geográfica, si existen más contaminantes o no a parte de las sales, etc. se deberá optar por una u otra opción. En muchas ocasiones la única salida será el tratamiento de las salmueras, aunque pueden existir otras vías de gestión diferentes en función de las características de cada caso.

tratamiento de aguas salinas

A continuación se realiza un análisis de las diferentes opciones de gestión posibles, haciendo especial hincapié en las técnicas que permiten el tratamiento de las salmueras.

Tratamiento de aguas salinas mediante un sistema de vertido cero (ZLD)

Esta opción es la alternativa de gestión viable en el mayor número de situaciones diferentes, se puede adaptar a cualquier escala de producción de salmueras y, sin duda, es la más respetuosa con el medio ambiente.

El objetivo de una planta de vertido cero para el tratamiento de un efluente de salmuera consiste en la conversión del residuo salino en una corriente de agua de elevada calidad por un lado, y las sales en estado sólido cristalizadas por otro lado. El agua puede ser reutilizada en el propio proceso por su elevada calidad, o en cualquier otra aplicación, y las sales cristalizadas gestionadas para su posible revalorización. Por tanto, mediante un sistema de vertido cero se transforma el residuo líquido en dos corrientes diferentes, inocuas, revalorizables y de fácil gestión.

La obtención de cloruro de sodio, sulfato cálcico, hidróxido de magnesio y cloruro cálcico es posible mediante diferentes procesos de evaporación de forma secuencial. Esta opción es viable cuando la salmuera es de origen marino y las producciones son moderadas.

El tratamiento consiste, en función de la concentración inicial de sales de la salmuera, en un primer proceso de concentración del efluente mediante ósmosis inversa. Si la concentración de la salmuera ya es elevada, la etapa de ósmosis inversa es prescindible. A continuación, la salmuera concentrada se somete a un proceso de evaporación al vacío en el que se concentra aún más y se genera una corriente de agua que puede ser mezclada con la producida en la ósmosis inversa. Finalmente, mediante un proceso de cristalización se obtienen las sales en estado sólido, cristalizadas y secas (imagen 1). Las sales pueden ser revalorizadas para su uso en el control de heladas, en la regeneración de resinas, etc.

El proceso de ósmosis inversa puede ser substituido por un sistema de electrodiálisis, el cual también permitiría concentrar el efluente de salmuera y producir un caudal de agua con una muy baja concentración de sales.

Si se dispone de alguna fuente de energía residual, puede ser ésta aprovechada en el proceso de evaporación al vacío, obteniendo unos resultados excelentes a un precio muy competitivo.

También existe una alternativa actual a la ósmosis inversa que es la forward ósmosis, u ósmosis forzada. Éste tipo de tecnología permite tratar aguas marinas o salmueras con un menor consumo de energía y una reducción del rechazo producido por lo que los evaporadores posteriores serán más pequeños. Reduce a su vez los costes de inversión y operación en las aplicaciones de vertido cero en comparación con otras tecnologías y puede utilizarse en una amplia variedad de aplicaciones. Se trata de una tecnología emergente y que ha demostrado una gran eficiencia en el tratamiento de aguas salinas.

Gestionar los efluentes salinos mediante un sistema de vertido cero es especialmente ventajoso cuando, a parte de las sales, existen otros contaminantes de complejo tratamiento. Es el caso de los efluentes procedentes de los lixiviados de los vertederos de residuos sólidos urbanos, de los efluentes generados por la industria dedicada al curtido de pieles o de los efluentes producidos en la elaboración de encurtidos. En las plantas de tratamiento de agua –para producir agua ultra pura – también es una alternativa idónea, sobre todo en aquellos casos en los que se genera una energía residual que pueda ser aprovechada para el proceso de evaporación al vacío.

Inyección profunda (ISP)

La técnica de la inyección en sondeos profundos (ISP) consiste en inyectar el residuo líquido en el subsuelo a través de un pozo profundo. Se puede utilizar para gestionar las salmueras, así como otros residuos líquidos, siempre que se determine que no existe impacto ambiental en el subsuelo. Esto sucede cuando se dan las siguientes cuatro condiciones, las cuales son necesarias y suficientes:

  • Existe una formación permeable capaz de admitir el residuo.
  • Existe una formación impermeable que mantiene el residuo confinado el tiempo suficiente hasta su inocuidad.
  • Las condiciones de ambas operaciones no cambian con el desarrollo de la operación.
  • La operación de ISP no hipoteca otros recursos más importantes.

Así pues, esta técnica de gestión será viable cuando, por un lado se cumplan las cuatro condiciones, y por el otro lado el caudal de salmuera sea suficientemente importante como para justificar económicamente la actuación.

Lagunas de evaporación

La técnica de confinar las salmueras en una balsa es una opción que se ha utilizado en zonas áridas donde se dispone de suficiente superficie. En función del caudal de salmuera, se puede diseñar el área superficial y la profundidad mínima de la balsa. Uno de los puntos sensibles de la técnica es la contaminación ambiental de acuíferos cercanos por la posible fuga de lixiviados.

Pozos

Consiste la extracción de agua de pozos cercanos al mar, con altos contenidos en sal, para su uso principalmente en complejos hoteleros de zonas con escasez de agua dulce.
Este tipo de agua tiene 3 usos diferenciados:

  • Refrigeración de los sistemas de aire del complejo.
  • Abastecimiento de agua de red para el complejo.
  • Refrigeración de los filtros empleados previo tratamiento con ósmosis inversa.

Una vez empleada, se recogen todos los efluentes resultantes en un depósito que vuelve a reicorporarse a otro pozo con un contenido total en sal ligeramente superior al de entrada.
Este tipo de sistemas es específicos para agua marina y son de uso común en este tipo de zonas.

Conclusiones

Una amplia variedad de procesos generan importantes efluentes de salmuera, que constituye un residuo líquido que no puede ser vertido directamente al medio por el elevado impacto ambiental que esto supone.

No siempre es fácil encontrar una vía de gestión competitiva. Existen diferentes alternativas para su gestión, como la inyección profunda, las lagunas de evaporación, la obtención de productos revalorizables y el tratamiento de la salmuera mediante un sistema de vertido cero. De entre todas las opciones posibles, esta última se presenta como la más universal, ya que puede ser aplicada en la mayoría de situaciones, es la más respetuosa con el medio ambiente, no produce vertido alguno, genera un efluente de agua de elevada calidad, que puede ser reutilizada en el proceso productivo, y se obtiene sal cristalizada que puede ser revalorizada.

 

Desalación de agua mediante sistemas de evaporación al vacío

Secciones

Clasificación

Las tecnologías empleadas a fecha de hoy, en los procesos de desalación de agua pueden clasificarse en función de varios criterios, principalmente:

  1. Cambio de fase del agua a tratar.
  2. Tipo de energía.
  3. Proceso empleado.

En base a estos criterios de clasificación las principales tecnologías asociadas se dividen en:

Tecnologías de desalación de agua

Tecnologías de evaporación vs tecnologías de filtración

Actualmente existen pequeñas plantas de evaporación para desalar agua de mar o agua de pozos salobres, que consumen pequeñas cantidades de energía eléctrica, que puede ser obtenida mediante molinos de viento, placas fotovoltaicas u otras formas de obtener energía eléctrica renovable.

En los procesos de evaporación para la obtención de agua potable a partir de agua salada, el consumo energético no depende la salinidad del agua a tratar, por lo que son más ventajosos desde este punto de vista, cuanto más salina sea el agua de entrada, con respecto a los procesos de ósmosis inversa.

Comparando ambas tecnologías, puede decirse que las de evaporación son muy efectivas para la producción de agua potable a partir de agua salada, independientemente de la salinidad del agua de entrada, en cuanto a su bajo consumo energético, solo comparable con la ósmosis forzada (tecnología de filtración), cuyos consumos energéticos son también muy bajos.

En este artículo se pretende repasar de manera general las distintas tecnologías relativas a ambos procesos, así como tratar de recoger la evolución y perspectivas de las mismas, empezando por los procesos de evaporación precursores de las tecnologías de desalinización.

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Procesos de desalacion mediante evaporación

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.

Antes de la aparición e industrialización de las membranas de osmosis inversa, allá por la mitad de la década de los 60, el método para desalar agua de mar y potabilizarla era exclusivamente mediante equipos de evaporación que consumían una importante cantidad de energía.

Compresión Térmica de Vapor (TCV)

La compresión térmica de vapor obtiene el agua destilada con el mismo proceso que una destilación por múltiple efecto, pero utiliza una fuente de energía térmica diferente: son los llamados compresores térmicos (o termocompresores), que consumen vapor de media presión proveniente de la planta de producción eléctrica (si tenemos una planta dual, sino sería de un vapor de proceso obtenido expresamente para ello) y que succiona parte del vapor generado en la última etapa a muy baja presión, comprimiéndose y dando lugar a un vapor de presión intermedia a las anteriores adecuado para aportarse a la 1ª etapa, que es la única que consume energía en el proceso.

El rendimiento de este tipo de plantas es similar a las de las plantas MED (destilación por múltiple efecto), sin embargo, su capacidad desaladora puede ser mucho mayor al permitirse una mayor adaptabilidad de toma de vapor de las plantas productoras del mismo. Muchas veces se las considera el mismo proceso, pero aquí se tratarán individualmente ya que el consumo de energía de la planta se realiza por un equipo diferente.

Destilación por Múltiple efecto (MED)

En los procesos MED, el agua a tratar pasa a través de una serie de evaporadores puestos en serie. El vapor de una de las celdas se usa para evaporar el agua de la siguiente mientras que el aporte de energía primaria se hace sobre la primera de las etapas.

Este tipo de plantas son de tamaño medio y están especialmente indicadas en los casos de poder aprovechar calores residuales procedentes de instalaciones de cogeneración, turbinas…

Evaporador al vacío múltiple efecto

Destilación súbita (MSF)

El agua a desalar se calienta a baja presión lo que permite una evaporación súbita e irreversible, repitiéndose este proceso en sucesivas etapas en las que la presión disminuye según distintas condiciones.

Está indicado para aguas cuya salinidad es elevada. También lo está en aguas de temperaturas más altas y mayor contaminación. El mayor inconveniente que presentan las plantas MSF es el alto consumo energético.

Actualmente existen instalaciones donde se combina la producción de energía eléctrica de los campos solares con la producción de agua potable a partir de plantas de evaporación tipo flash.

Compresión mecánica de vapor (CMV)

Los evaporadores al vacío por compresión mecánica de vapor (CMV) evaporan el líquido, en este caso el agua salada, en un lado de la superficie de intercambio, y se comprime lo suficiente para que condense en el otro lado y pueda así mantenerse el ciclo de destilación de agua, salvando las pérdidas del proceso y la elevación de la temperatura de ebullición del agua salada respecto a la pura.

Estos pequeños equipos son mucho más fiables y sencillos de operar que los equipos de osmosis inversa y casi no tienen mantenimiento, lo que los hace ideales para abastecer de agua dulce a pequeños núcleos de población, zonas remotas, zonas insulares, etc.

El consumo específico de estas instalaciones es más bajo que el de los otros procesos de destilación: normalmente el consumo eléctrico equivalente está sobre los 10 kWh/m3. El limitante mayor de este tipo de tecnología está en el tamaño máximo de los compresores volumétricos empleados. Su capacidad máxima no permite producciones altas de agua desalada.

evaporador al vacío compresión mecánica vapor

Otras alternativas de evaporación: Evaporación de agua al vacío

Otra forma de obtener agua potable proveniente del mar o fuentes salobres es mediante evaporadores de agua al vacío, que aprovechan fuentes de calor residual procedente de circuitos de refrigeración de motores de cogeneración. Esto permite incrementar el porcentaje de recuperación de energía y alcanzar los objetivos mínimos para poder cobrar las primas de energía vendida a la red.

Procesos de desalacion mediante filtración

No fue hasta después de la Segunda Guerra Mundial que empezaron a construirse las primeras plantas desaladoras.

Ósmosis Forzada

Profundizando en el campo de las aplicaciones industriales, en las que la ósmosis inversa goza de una hegemonía clara por su eficacia, alrededor de ésta existe una serie de técnicas complementarias que en situaciones concretas pueden incluso mejorar sus prestaciones. Es el caso de 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 semipermeable. Produce agua desalada y se lleva a cabo a presiones muy bajas y a temperatura ambiente hecho que provoca un muy bajo consumo energético

Esta tecnología 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.

Destilación por membranas

Esta tecnología es relativamente reciente y 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.

Ósmosis Inversa (RO): Actualidad y Perspectivas

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.

Actualmente esta tecnología se emplea para la desalinización de aguas salobre y de agua de mar de acuerdo a los siguientes datos generales de operación:

  • Aguas Salobres: La salinidad de este tipo de aguas es de 2000 mg/L – 10000 mg/L. En su tratamiento se utilizan presiones de 14 bar – 21 bar para conseguir coeficientes de rechazo superiores al 90 % y obtener aguas con concentraciones salinas menores de 500 mg/L, que son los valores recomendados por WHO como condición de potabilidad. Las plantas de tratamiento utilizan módulos de membranas enrolladas en espiral. Se estima que los costes de capital de este tipo de plantas son del orden de 0.25 $US/L de agua tratada/día, siendo los costes de operación del mismo orden.

  • Agua de Mar: Dependiendo de la zona geográfica, la salinidad de este tipo de aguas es de 30000 mg/L – 40000 mg/L. Para conseguir condiciones de potabilidad se utilizan membranas de poliamida de tipo fibra hueca que permiten conseguir coeficientes de rechazo superiores al 99.3 % con presiones de trabajo de 50 bar – 70 bar. Los costes de operación de este tipo de plantas de tratamiento se estiman en 1 – 1.25$US/ L de agua tratada/día, lo que hace que este sistema de tratamiento no sea competitivo, frente a otros sistemas como los procesos de evaporación multietapa, si las necesidades de agua superan los 40000 m3 de agua tratada/día.

Retos de la desalación

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.

Futuro de la desalación

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 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:

  • 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%.

  • 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.

  • 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.

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.

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Sistemas con reactores aeróbicos para tratar aguas residuales

Los tratamientos biológicos de aguas residuales (reactores aeróbicos y anaeróbicos) aprovechan la capacidad de determinados microorganismos (entre los que destacan las bacterias) de asimilar la materia orgánica y los nutrientes disueltos en el agua residual a tratar para su propio crecimiento, llevando a cabo la eliminación de componentes solubles en el agua. La materia orgánica soluble es asimilada por los microorganismos como fuente de carbono. Tras esta operación se separa por decantación la biomasa generada del sobrenadante. Para el crecimiento de los microorganismos es necesario, aparte de la materia orgánica, la presencia de nitrógeno y fósforo en el efluente. Si su concentración no es suficiente, se deberán aportar al tratamiento.

La aplicación tradicional consiste en la eliminación de materia orgánica biodegradable, tanto soluble como coloidal, así como la eliminación de compuestos que contienen nitrógeno y fósforo. Es uno de los tratamientos más habituales, no solo en el caso de aguas residuales urbanas, sino en buena parte de las aguas industriales, por su sencillez y su bajo coste económico de operación.

Los únicos requisitos para la aplicación satisfactoria de estas tecnologías son que la contaminación sea biodegradable y que no haya presencia de ningún compuesto biocida en el efluente a tratar.

Los microorganismos pueden asimilar la materia orgánica consumiendo oxigeno, o bien en completa ausencia de éste, lo que nos lleva a disponer de 2 sistemas de tratamiento biológico de aguas residuales:

La selección del tipo de proceso biológico más conveniente se debe analizar caso a caso en función de las características del efluente a tratar.

SISTEMAS MEDIANTE REACTORES AERÓBICOS

Los sistemas aérobicos de tratamiento de aguas residuales, aprovechan la capacidad de los microorganismos de asimilar materia orgánica y nutrientes (nitrógeno y fósforo) disueltos en el agua residual para su propio crecimiento, en presencia de oxígeno, que actuará como aceptor de electrones en el proceso de oxidación de la materia orgánica.

Esta particularidad conlleva unos rendimientos energéticos elevados y una importante generación de fangos, consecuencia del alto crecimiento de las bacterias en condiciones aeróbicas.

etapas de los sistemas aeróbicos

ETAPAS DE LOS TRATAMIENTOS CON REACTORES AERÓBICOS

Un sistema de tratamiento aeróbico se compone de las siguientes etapas:

1. Pretratamiento: En esta etapa se procede a la eliminación de los sólidos de gran tamaño que llegan a la planta de tratamiento de agua. Estos materiales, si no son eliminados eficazmente, pueden producir serias averías en los equipos. Las piedras, arena, latas, etc. producen desgaste de las tuberías y de las conducciones así como de las bombas. Los aceites y grasas que puedan llegar también son eliminados en esta etapa con el fin de evitar que el tratamiento biológico se ralentice, su rendimiento disminuya así como la calidad del efluente. Se emplean para ello tanto operaciones físicas como mecánicas. Las principales operaciones que pueden emplearse en función de la procedencia del agua residual a tratar, de su calidad o de los tratamientos posteriores son:

  • Separación de grandes sólidos: siempre que las aguas a tratar puedan contener sólidos de gran tamaño se emplea este sistema que consiste en un pozo situado a la entrada del colector que permita concentrar los sólidos y las arenas decantadas en una zona especifica donde se puedan extraer de una forma eficaz.
  • Desbaste: Esta operación evita obstrucciones de partes posteriores de la instalación por la llegada masiva de grandes sólidos. Consiste en el uso de rejas con distintas separaciones entre barrotes que permiten separar los sólidos según su tamaño.
  • Tamizado: Esta operación está indicada cuando las aguas residuales contiene grandes cantidades de sólidos flotantes o residuos. Se emplean tamices de distinto grosor.
  • Desarenado: permite eliminar partículas sólidas superiores a 200 micras que puedan ocasionar problemas de taponación de conducciones o bombas o abrasiones en los distintos equipos.
  • Desaceitado-desengrasado: Permite es eliminar grasas, aceites, espumas y demás materiales flotantes más ligeros que el agua, que puedan distorsionar los procesos de tratamiento posteriores. Se efectúan normalmente por insuflación de aire con el fin de desemulsionar y aumentar la flotación de las grasa.

2. Tratamiento Primario: En esta etapa del tratamiento se eliminan los sólidos en suspensión de las aguas a tratar empleándose para ello, distintos procesos físico-químicos Estos sólidos pueden ser: sedimentables, flotantes o coloidales.

  • Sedimentación: Separación por gravedad que permite que las partículas más densas que el agua se depositen en el fondo del sedimentador. Será más eficaz cuanto mayor sea el tamaño y la densidad de las partículas a separar del agua, es decir, cuanto mayor sea su velocidad de sedimentación, siendo el principal parámetro de diseño para estos equipos. A esta operación de sedimentación se le suele denominar también decantación. La decantación primaria permite eliminar los sólidos en suspensión (60%, aprox) y la materia orgánica (30%, aprox) y protege los procesos posteriores de oxidación biológica de la intrusión de fangos inertes de densidad elevada. Pueden emplearse sedimentadores rectangulares, circulares y lamelares.
  • Flotación: Se fundamenta en la diferencia de densidades y permite separa la materia sólida o líquida de menor densidad que la del fluido que asciende a la superficie. Se utiliza aire como agente de flotación, y en función de cómo se introduzca en el líquido, se tienen dos sistemas de flotación: Flotación por aire disuelto (DAF) en el que el aire se introduce en el agua residual bajo una presión de varias atmósferas y Flotación por aire inducido donde la generación de burbujas se realiza a través de difusores.
  • Coagulación – Floculación: si hay presencia de partículas de tamaño muy reducido se forman suspensiones coloidales, de gran estabilidad debido a las interacciones eléctricas entre las mismas, con una lenta velocidad de sedimentación. Así, para mejorar su eliminación, se añaden reactivos químicos que desestabilizan la suspensión coloidal (coagulación) y favorecen la floculación de las mismas para obtener partículas fácilmente sedimentables. Los coagulantes suelen ser productos químicos que en solución aportan carga eléctrica contraria a la del coloide.
  • Filtración: La filtración es una operación en la que se hace pasar el agua a través de un medio poroso, con el objetivo de retener la mayor cantidad posible de materia en suspensión. El medio poroso tradicionalmente utilizado es un lecho de arena, de altura variable.

3. Tratamiento secundario: Los tratamientos secundarios se fundamentan en procesos biológicos en los que se emplean microorganismos (entre las que destacan las bacterias) para llevar a cabo la eliminación de materia orgánica biodegradable, tanto coloidal como disuelta, así como la eliminación de compuestos que contienen elementos nutrientes (N y P). En la mayor parte de los casos, la materia orgánica es oxidada por los microorganismos que la usan como fuente de energía para su crecimiento.  Los procesos aerobios se basan en la eliminación de los contaminantes orgánicos por su transformación en biomasa bacteriana con la ayuda de oxígeno (que actuará como aceptor de electrones en el proceso de oxidación), CO2 y H2O.

  • Digestión: En los sistemas aeróbicos el agua residual pasa a un reactor-digestor aeróbico, donde se encuentran los microorganismos responsables de oxidar la materia orgánica disuelta, empleando para ello un flujo de oxígeno.
  • Decantación: la separación de los lodos formados se produce por gravedad en los sedimentadores secundarios.

4. Tratamiento Terciario: en función de la calidad del efluente obtenido, del destino final del mismo y de la legislación vinculada en cada caso, se aplica un tratamiento terciario al mismo, con el fin de eliminar la carga orgánica residual y aquellas otras sustancias contaminantes no eliminadas en los tratamientos secundarios, como por ejemplo, los nutrientes, fósforo y nitrógeno. Puede usarse cualquier combinación de proceso, desde tratamientos físicos, químicos o biológicos. Generalmente serán:

  • Procesos de filtración: microfiltración, ultrafiltración
  • Intercambio iónico
  • Ósmosis inversa
  • Adsorción
  • Membrana
  • Desinfección: La desinfección consiste en eliminar o inactivar los microorganismos patógenos o cualquier otro microorganismo vivo con el fin de asegurar la reutilización del agua tratada. Los principales procesos de desinfección son:
    • Cloración
    • Ozonización
    • Electrodesinfección

CLASIFICACIÓN DE LOS REACTORES AERÓBICOS

En función del sistema empleado para el crecimiento de la biomasa, los sistemas de tratamiento aeróbico se clasifican en:

1. Biomasa en Suspensión (lodos activados): la biomasa crece libre o en suspensión en el interior del biorreactor, produciendo la formación de flóculos.

  • Proceso convencional.
  • Reactores secuenciales (SBR): Este tipo de reactor opera en discontinuo y se dan todos los procesos en el mismo tanque de forma secuencial en el tiempo. Es una buena alternativa para aquellas industrias que producen pequeños efluentes pero con una elevada variabilidad en cuanto a sus características.reactores anaeróbicos secuenciales SBR
  • Reactores de Biomembrana (MBR): Este reactor es similar al de fangos activos con la singularidad de que dispone de un módulo de membranas de ultrafiltración en su interior. Este módulo permite la separación del fango y el líquido mediante membranas, obteniendo importantes ventajas en relación a los tradicionales decantadores secundarios. Es una alternativa para aquellos casos en los que se dispone de poco espacio.Reactores de biomembrana MBR
  • BIOCARB®: Es un modelo exclusivo patentado por Condorchem Envitech y se basa en el desarrollo de un reactor aeróbico de lecho fijo cuyo material de relleno es carbón lignítico granulado. El carbón filtra, adsorbe y hace de soporte para la biopelícula, además de alimentar a los microorganismos de minerales y elementos traza. Por otro lado, el proceso de adsorción realiza una doble contribución al proceso al laminar los picos de carga de contaminantes y al hacer que el tiempo de residencia de los contaminantes en el interior del reactor aumente con lo que es posible la degradación de compuestos orgánicos persistentes. El reactor BioCarb® se ha demostrado especialmente efectivo en el tratamiento de contaminantes difíciles de biodegradar y con color. Además, la inmovilización de la biomasa en la superficie del carbón lignítico permite realizar en una sola etapa un tratamiento biológico y fisicoquímico de las aguas residuales.

Depuradoras biológicas biocarb

2. Biomasa Fija: la biomasa crece adherida a un soporte que puede ser natural o artificial, formando una lama o película.

  • Biodiscos: conjunto de discos de un material determinado (madera, polietileno corrugado, poliestireno corrugado, pvc) que giran en torno a un eje horizontal, situados dentro en el reactor. Sobre este soporte se desarrolla gradualmente una película de biomasa bacteriana, que emplea como sustrato para su metabolismo la materia orgánica soluble presente en el agua residual. Cuando la superficie del disco se encuentra en contacto con el aire, la biomasa adherida al disco toma el oxígeno necesario para que durante el período de inmersión se produzca la degradación de la materia orgánica presente en el agua residual.Biodiscos
  • Biofiltros: El aire es aspirado cerca del foco de emanación y habitualmente guiado a una cámara de acondicionamiento. Aquí es saturado de humedad y luego guiado a un lecho de biomasa fijada. Las sustancias contaminantes se absorben a la biopelícula de biomasa formada sobre el relleno y aquí posteriormente son digeridos por microorganismos. En el proceso de digestión y metabolización son transformados en compuestos que ya no huelen.
  • Filtros percoladores: Se “deja caer” o rocía agua de desecho decantada sobre el filtro. Al migrar el agua por los poros del filtro, la materia orgánica se degrada por la biomasa que cubre el material del filtro.Filtros percoladores
  • Filtros de lecho móvil (MBBR)El cultivo bacteriano encargado de la depuración se encuentra en forma de biopelícula adherido a soportes de alta superficie específica (relleno filtrante). Estos soportes se encuentran sumergidos y en movimiento en el reactor biológico.

Filtros de lecho móvil

La selección de un proceso biológico de biomasa fija o biomasa en suspensión de más conveniente sólo se puede hacer después de analizar las características del efluente, el tipo de proceso industrial que lo genera, el grado de depuración requerido y las necesidades globales del usuario:

biomasa fija vs biomasa en suspensión

VENTAJAS Y DESVENTAJAS DE SISTEMAS AERÓBICOS FRENTE A ANAERÓBICOS: CRITERIOS BÁSICOS PARA SU SELECCIÓN

Los criterios que ayudan a seleccionar si es más conveniente un proceso aerobio, o bien si un proceso anaerobio será mayor provechoso, son la concentración de materia orgánica a eliminar, si es necesaria la eliminación de nitrógeno, la disponibilidad de espacio físico y la relación entre el OPEX y el CAPEX del proyecto. En la siguiente tabla se puede observar cómo en función de estos criterios, qué tipo de proceso (aerobio o anaerobio) es más conveniente:

sistemas aeróbicos vs sistemas anaeróbicos

Ventajas:

  • Permite tratar una gran variedad de aguas residuales: los dos requisitos que deben cumplir es que sean biodegradables.
  • La digestión aerobia nos proporciona un mayor rendimiento. Y = 0,4 lo que quiere decir que de 1 gramo de materia orgánica se sacan 0,4 gramos de biomasa.
  • Facilidad de operación.
  • CAPEX bajos.
  • Minimiza la producción de olores.
  • Reduce los coliformes y organismos patógenos, así como las grasas.
  • Produce sobrenadante clarificado.
  • Pueden emplearse una mayor número de tipos de bacterias para la digestión.
  • Reduce la tasa de respiración de los lodos.

Desventajas:

  • OPEX elevados debido al gasto energético continuado asociado a la aireación.
  • Muchos parámetros a controlar para que los resultados sean óptimos: pH, Temperatura, % Materia Orgánica, Caudal de entrada, % tóxicos (biocidas).
  • En una parada por mantenimiento o avería los costes aumentan frente a la necesidad de mantener los niveles de Materia Orgánica necesaria para la supervivencia de los microorganismos.

LODOS GENERADOS: EL RETO DE LOS SISTEMAS AERÓBICOS

Uno de los mayores retos de los sistemas aeróbicos, es la gestión de los lodos generados. En el siguiente esquema se puede ver de forma general la gestión de los mismos, en función del contenido de los mismos. Cabe destacar que actualmente en muchos casos y siempre que sea posible, tras el tratamiento aeróbico se aplica un tratamiento anaeróbico para la gestión de los lodos.

tratamientos de lodos de reactores aeróbicos