Tratamiento y desalinización del agua de mar

La desalinización del agua de mar es una solución fundamental para hacer frente a la escasez de agua dulce en regiones con acceso limitado a fuentes naturales de agua dulce. Al eliminar las sales disueltas, los minerales y las impurezas del agua de mar, los procesos de desalinización la convierten en agua potable apta para el consumo, la agricultura y las aplicaciones industriales. Gracias a los avances tecnológicos, los sistemas modernos de desalinización son cada vez más eficientes, sostenibles y rentables, lo que los convierte en una herramienta esencial para la gestión mundial del agua.

La desalinización es especialmente vital en regiones áridas, zonas costeras e islas donde la demanda de agua dulce supera la oferta. Estos sistemas no sólo proporcionan una fuente fiable de agua limpia, sino que también apoyan el desarrollo económico y la sostenibilidad medioambiental al reducir la dependencia excesiva de las fuentes tradicionales de agua.

Aplicaciones de la desalinización del agua de mar

1. Abastecimiento municipal de agua: Suministra agua potable a poblaciones urbanas y rurales, sobre todo en regiones con escasez de agua.
2. Aplicaciones industriales: Suministra agua de alta calidad para procesos como refrigeración, limpieza y fabricación.
3. Riego agrícola: Apoya el riego en zonas áridas, permitiendo prácticas agrícolas sostenibles.
4. Uso marítimo y en alta mar: Suministra agua dulce a buques, plataformas marinas e instalaciones costeras remotas.

Ventajas de la desalinización del agua de mar

La desalinización del agua de mar ofrece numerosas ventajas, sobre todo para las regiones que sufren escasez de agua o una gran demanda. Al transformar un recurso abundante en agua dulce utilizable, la desalinización ofrece soluciones que abordan los retos hídricos tanto inmediatos como a largo plazo:

• Suministro fiable de agua: Los sistemas de desalinización garantizan una fuente constante de agua dulce, independientemente de las condiciones meteorológicas o de la disponibilidad natural de agua dulce, lo que los hace muy valiosos para las zonas propensas a la sequía.
• Escalabilidad: Desde pequeños pueblos costeros hasta grandes ciudades metropolitanas, las plantas desalinizadoras pueden diseñarse para satisfacer diversas necesidades de agua, lo que garantiza su flexibilidad y adaptabilidad.
• Garantía de calidad: Las tecnologías avanzadas de desalinización producen agua que cumple o supera las estrictas normas sobre agua potable, cumpliendo los requisitos de salud y seguridad.
• Resistencia a la sequía: Al reducir la dependencia de las fuentes tradicionales de agua, la desalinización aumenta la resiliencia frente a sequías prolongadas y escasez de agua.
• Crecimiento económico: El acceso fiable al agua favorece las actividades industriales y agrícolas, impulsando el desarrollo económico en regiones donde, de otro modo, la escasez de agua podría limitar el progreso.

Avances tecnológicos en la desalinización del agua de mar

Las tecnologías modernas de desalinización del agua de mar evolucionan rápidamente, haciendo que el proceso sea más eficiente, sostenible y asequible. Las principales innovaciones son:

1. Membranas avanzadas: Las membranas más avanzadas ofrecen mayor durabilidad, mejores índices de rechazo de sales y menores requisitos energéticos, lo que hace que los sistemas de desalinización sean más eficientes y rentables.
2. Desalinización con energía solar: La integración de fuentes de energía renovables, como la solar, reduce la dependencia de los combustibles fósiles y minimiza la huella de carbono de las desaladoras.
3. Sistemas híbridos: Combinar la ósmosis inversa con procesos térmicos maximiza las tasas de recuperación de agua y reduce el consumo de energía, optimizando el rendimiento global de las plantas desalinizadoras.
4. Integración de IA e IoT: La supervisión en tiempo real y los análisis predictivos permiten a los operadores detectar y resolver problemas de forma proactiva, garantizando un rendimiento constante del sistema.
5. Ósmosis inversa de baja presión: los innovadores sistemas de ósmosis inversa de baja presión consiguen altos índices de recuperación con un consumo de energía significativamente menor, lo que reduce los costes operativos.

Retos y soluciones en la desalinización del agua de mar

A pesar de sus ventajas, la desalinización del agua de mar se enfrenta a retos que requieren soluciones innovadoras:

• Alto consumo energético: Los dispositivos de recuperación de energía y la integración de fuentes de energía renovables, como la eólica o la solar, reducen significativamente la demanda de energía operativa, lo que hace que la desalación sea más sostenible.
• Eliminación de la salmuera: La salmuera, un subproducto de la desalinización, puede plantear riesgos medioambientales si no se gestiona adecuadamente. Los sistemas avanzados de gestión de salmueras, incluidas las tecnologías de vertido cero de líquidos, mitigan eficazmente estos impactos.
• Incrustaciones e incrustaciones: Las tecnologías de pretratamiento, como la ultrafiltración y la dosificación de antiincrustantes, protegen los sistemas de desalinización de la incrustación y el ensuciamiento, garantizando un funcionamiento fiable y prolongando la vida útil del sistema.

Preguntas frecuentes sobre la desalación de agua de mar

1. ¿Hasta qué punto son eficientes los sistemas modernos de desalinización? Las tecnologías actuales, especialmente la ósmosis inversa, consiguen tasas de recuperación de agua de hasta el 50% con un consumo energético reducido.
2. ¿Es potable el agua desalada? Sí, el agua desalinizada cumple las normas internacionales sobre agua potable cuando se trata y controla adecuadamente.
3. ¿Cuáles son los problemas medioambientales de la desalinización? El consumo de energía y la eliminación de la salmuera son los principales problemas, pero los avances modernos los resuelven con eficacia.
4. ¿Cuánto duran los sistemas de desalinización? Con un mantenimiento adecuado, la mayoría de los sistemas tienen una vida útil de 20-30 años.
5. ¿Se puede combinar la desalinización con las energías renovables? Sí, los sistemas de desalinización alimentados por energía solar y eólica se utilizan cada vez más para mejorar la sostenibilidad.

Agua de mar Sistemas de desalinización y ósmosis inversa

El método de ósmosis inversa (OI) basado de membranas es el más utilizado en las instalaciones de instalaciones de desalinización. La ósmosis inversa se basa en el principio de eliminar las sales disueltas y otras impurezas haciendo pasar el agua a través de una membrana semipermeable a alta presión. Este método La ósmosis inversa se basa en el principio de eliminar las sales disueltas y otras impurezas haciendo pasar el agua por una membrana semipermeable a alta presión. eficiencia energética y escalabilidad frente a otras alternativas, como la destilación térmica. se ha convertido en aproximadamente el 66% de la capacidad mundial de desalinización a partir de de la década de 2010. Las instalaciones modernas de ósmosis inversa de agua de mar pueden reducir el consumo de energía consumo de energía a niveles de ~3 kWh por unidad de volumen de agua gracias a las unidades de recuperación de energía y a las membranas avanzadas. Este informe explica en detalle las etapas de los sistemas de ósmosis inversa en la purificación de agua de mar, los tipos de filtros y membranas utilizados los procesos químicos y los parámetros que deben controlarse en el proceso.

Figura 1: Unidad de ósmosis inversa de la desalinizadora de El Prat, cerca de Barcelona, España. Las grandes tuberías verdes representan las de alta presión, mientras que los haces cilíndricos azules del fondo representan las membranas de ósmosis inversa enrolladas en espiral. las membranas de ósmosis inversa enrolladas en espiral. Las plantas de esta escala pueden convertir cientos de miles de metros cúbicos de agua salada en en agua potable al día.

Etapas del proceso de ósmosis inversa

Agua de mar El tratamiento del agua de mar por ósmosis inversa consta de varias etapas desde la recepción del agua bruta hasta la distribución del agua agua de producto purificada. A continuación se describen las principales etapas de una ósmosis inversa de agua de mar y las funciones de cada una de ellas:

Figura 2: Diagrama de flujo de una planta típica de ósmosis inversa de agua de mar (Tampa Bay, 25 mgd de capacidad). Este diagrama muestra todos los pasos, desde la pretratamiento hasta los procesos de membrana de ósmosis inversa en dos etapas y el postratamiento final. final. Después de extraer el agua de mar de la planta mediante tamices y sedimentación, se eliminan los sólidos grandes y pesados y se de arena y tierra de diatomeas para eliminar las partículas finas. partículas finas. El agua, que pasa por filtros de cartucho, se a la membrana de ósmosis inversa mediante bombas de alta presión. se separa de sus sales y se convierte en producto. La corriente salina concentrada se elimina mediante la turbina de recuperación de energía y el agua tratada se somete a procesos finales de equilibrado. agua tratada se somete a procesos finales de equilibrado.

1. Toma de agua y filtración inicial

El proceso de tratamiento del agua de mar en proceso de tratamiento del agua de mar comienza con la toma de agua bruta del del mar. En la captación de agua de mar abierto, grandes sedimentos y organismos como hojas, algas y fragmentos de madera suelen capturarse mediante pantallas móviles móviles o gruesos en la estructura de entrada . Por ejemplo, en las instalaciones de Tampa Bay, objetos como conchas y y ramas de más de 6 mm se eliminan en esta fase. esta etapa. Tras la filtración gruesa, el crecimiento biológico puede controlarse biológico puede controlarse aplicando pretratamiento químico, como dosis bajas de cloro en la estructura de de agua (para algas y organismos marinos). A continuación, el agua se transporta a las unidades de pretratamiento de la planta. El objetivo principal de la etapa de de entrada de agua bruta es proporcionar una entrada de agua relativamente estabilizada relativamente estabilizada, eliminando los contaminantes de gran tamaño para equipos y membranas sensibles.

2. Pretratamiento (coagulación, sedimentación y filtración)

Tratamiento previo es un paso crítico para el funcionamiento eficaz y duradero de las las membranas de ósmosis inversa. El agua de mar contiene muchos sólidos en suspensión, turbidez, materia orgánica y microorganismos. Si estos contaminantes Si estos contaminantes se introducen directamente en las membranas, se acumulan en la superficie de la membrana y provocan obstrucciones. superficie de la membrana y provocarán (incrustaciones coloidales), crecimiento biológico (bioincrustaciones) y problemas de incrustación. incrustaciones. Por lo tanto, el agua de alimentación debe limpiarse tanto como sea posible antes de entrar en las membranas. antes de entrar en las membranas. Una técnica fiable de pretratamiento fiable es un requisito previo para el funcionamiento satisfactorio del proceso SWRO y de SWRO y su objetivo es minimizar el ensuciamiento biológico, orgánico y de partículas de las membranas. en las membranas.

El El primer paso del pretratamiento suele ser la coagulación y floculación . Mediante la adición al agua de coagulantes como sales metálicas (por ejemplo, cloruro de hierro (III) o sulfato de aluminio) y polímeros, se eliminan las partículas finas en suspensión. sulfato de aluminio) y polímeros al agua, se eliminan las partículas finas en suspensión, el plancton y la materia orgánica. finas en suspensión, el plancton y la materia orgánica del agua. Los microorganismos y los coloides se unen para formar flóculos con estas sustancias químicas. A continuación, el agua se hace pasar lentamente por un tanque de equilibrio/sedimentación para sedimentación para sedimentar los flóculos formados. Durante este proceso, las partículas pesadas se depositan en el fondo y se separan del agua. Ajustando correctamente las condiciones químicas (pH, dosis de coagulante, etc.), la materia orgánica materia orgánica disuelta también puede adsorberse parcialmente y adherirse a los flóculos. flóculos.

rápido filtros de arena o multimedia columnasfiltrantes se utilizan para eliminar las partículas más pequeñas y ligeras del agua. Estos filtros contienen medios como arena de cuarzo, antracita o granate con granulometrías especiales. A medida que el agua se filtra de arriba abajo a través del lecho filtrante, la mayoría de los sólidos en suspensión quedan quedan atrapados entre los granos. La turbidez del agua que sale de un medio gran ular típico granular típica puede reducirse a ~0,1 NTU. Si el agua filtrada todavía contiene muy finos (submicrónicos), algunos sistemas utilizan filtros auxiliares adicionales. auxiliares. Por ejemplo, en las instalaciones de Tampa Bay se utiliza un filtro de tierra de diatomeas. filtro de tierra de diatomeas después del filtro de arena para retener el material coloidal de tamaño micrométrico. micras. Los filtros de tierra de diatomeas (kieselguhr) pueden filtrar incluso partículas muy finas haciendo pasar el agua a través de un lecho de tierra porosa. poroso.

Por último, justo antes de entrar en las membranas de ósmosis inversa, el agua pasa a través de filtros de cartucho . Los filtros de cartucho son elementos filtrantes cilíndricos finos con poros de 5 micras o menos. Sirven para proteger las membranas capturando las últimas partículas de sedimento que puedan haber escapado de etapas anteriores. En cierto sentido, los filtros de cartucho se colocan como filtros de seguridad y ayudan a reducir el Índice de Densidad de Sedimentos (IDS) de la agua de entrada de la membrana por debajo cierto nivel. Los sistemas de ósmosis inversa de agua de mar suelen estar diseñados para tener un SDI del agua de alimentación < 3; las plantas modernas aspiran a un SDI < 2. Por ejemplo, una secuencia avanzada de pretratamiento (coagulación + aire disuelto flotación + filtración) puede reducir la turbidez del agua bruta de 5-20 NTU a <0,25 NTU y un SDI de ~1,5. El SDI más bajo permite que las membranas resistan el ensuciamiento durante más tiempo y funcionar a su capacidad de diseño original. diseño.

Nota: Como alternativa al pretratamiento clásico con filtros de arena, las aplicacionesde pretratamiento con membranasde baja presión se han generalizado . membranas de baja presión se han generalizado en muchas muchas instalaciones en los últimos años . Las membranas de microfiltración (MF) o membranas de microfiltración (MF) o ultrafiltración (UF) pueden sustituir a los filtros de arena en aguas de origen difíciles, como el agua de mar. difíciles, como el agua de mar. Este tipo de pretratamiento reduce los valores de turbidez y SDI del agua a niveles mucho más bajos (SDI < 2 o incluso < 1) y proporciona agua casi completamente clara a las membranas de ósmosis inversa. membranas de ósmosis inversa. Con el pretratamiento UF/MF, es más fácil hacer funcionar la unidad de ósmosis inversa de forma estable, especialmente en zonas costeras. especialmente en aguas costeras con floraciones de algas o fluctuaciones de turbidez. Sin embargo, el pretratamiento con membranas también tiene sus Sin embargo, el pretratamiento de membrana también tiene sus propios requisitos de mantenimiento, como la necesidad de limpieza química; El método que se elija dependerá de la calidad del agua bruta y de las condiciones de funcionamiento. condiciones de funcionamiento.

A Un pretratamiento bien diseñado y operado prepara la alimentación de la ósmosis inversa para valores objetivo como turbidez <0,5 NTU y SDI <3 . Esto minimiza la acumulación de incrustaciones y biológica biológica en las membranas, reduce la frecuencia de las limpiezas químicas y reduce los costes generales de funcionamiento.

3. Bomba de alta presión y recuperación de energía

El El agua de mar clara y con un contenido de partículas relativamente bajo que se ha sometido a pretratada ya está lista para ser desalinizada a través de las membranas de ósmosis inversa. Sin embargo, para superar el equilibrio osmótico las moléculas de agua a través de la membrana, se aplica una presión al agua. Para ello se utilizan bombas de alta presión de alta presión. Un sistema típico de ósmosis inversa de agua de mar de unos 60-70 bar . En la bibliografía se dan valores de 69-80 bar para las bombas SWRO bombas SWRO convencionales. En la práctica, se utilizan presiones entre 55 bar y 80 bar, dependiendo de la salinidad del agua de alimentación y de la tasa de recuperación deseada. tasa de recuperación deseada. Por ejemplo, para agua de mar con una salinidad de 35.000 mg/L (3,5% de sal), una presión de ~65-70 bar puede ser suficiente para eliminar la mitad del agua como agua dulce. para eliminar la mitad del agua como agua dulce (aproximadamente un 45-50% de recuperación). de recuperación). La presión aumentará si se desea una mayor salinidad o una mayor recuperación.

El agua agua que sale de la bomba de alta presión llega a los módulos de membrana colocados en serie dentro de las carcasas de membrana de acero (recipientes a presión). presión). Mientras el agua de alimentación fluye a través de los elementos de membrana desde el punto de entrada a estos recipientes, parte del agua se filtra a través de las membranas y pasa a la tubería de recogida (tubo de permeado) del interior debido a la presión aplicada. De este modo se obtiene agua dulce, mientras que las sales y otros retentados permanecen en el lado de entrada de las membranas y se condensan durante el flujo. Cada recipiente a presión suele alojar entre 5 y 8 elementos de membrana enrollados en espiral ; la concentración de sal aumenta a medida que el agua pasa del primer primer elemento hasta el último. Por esta razón, los sistemas suelen diseñados en varias etapas : El concentrado (agua salada restante) de la primera etapa se utiliza como la alimentación de la etapa siguiente, aumentando así la recuperación de agua.

El proceso de ósmosis inversa proceso de ósmosis inversa es un proceso que consume mucha energía. La mayor parte de la presión dada al agua permanece en el flujo concentrado, y si esta energía se desperdicia, los costes de funcionamiento aumentan. Para evitarlo, energía de recuperación de energía (ERD) (ERD) en las plantas de ósmosis inversa modernas. El flujo concentrado pasa a través de estos a alta presión y transfiere su energía al agua de alimentación que acaba de llegar. energía al agua de alimentación recién llegada. Por ejemplo, los ERD (dispositivos isobáricos isobáricos) del tipo tipo cámara de intercambio de presión o turbinas hidráulicas como la turbina Pelton pueden recuperar ~90% de la presión del flujo concentrado. De este modo, la de la bomba de alta presión se reduce considerablemente. presión. Hoy en día, gracias a las unidades ERD de alta calidad, el consumo energético de la ósmosis inversa de agua de mar se ha reducido a aproximadamente 3 kWh/m³, muy cerca del mínimo teórico. . Este progreso es bastante sorprendente si se tiene en cuenta que las plantas de ósmosis inversa hace 20-30 años consumían entre 5 y 8 kWh/m³. En En resumen, las bombas de alta presión y los equipos de recuperación de energía trabajan juntos para formar la fuente de energía y el núcleo de mejora de la eficiencia del proceso de ósmosis inversa .

4. Etapa de membrana de ósmosis inversa

El corazón del sistema de ósmosis inversa son los módulos de membrana . Casi todas las plantas desalinizadoras de agua de mar actuales utilizan membranas compuestas de película fina (TFC ) de poliamida y poliimida. de película fina (TFC) de poliamida y poliimida . Estas membranas consisten en una capa separadora de poliamida extremadamente fina (<0,5 µm) sobre una capa microporosa. sobre una capa de soporte microporosa (generalmente polisulfona). Los diámetros de los poros de las membranas de poliamida están en el rango angstrom (~0,0001 micras), lo que permite el paso de las moléculas de agua y es impermeable a los iones salinos disueltos. impermeable a los iones salinos disueltos y a contaminantes de mayor tamaño. Según datos de la planta de Tampa Bay, el tamaño de los poros de las membranas de ósmosis inversa utilizadas es de aproximadamente 0,001 micras , o 100 milésimas de un cabello humano. De este modo, iones como el sodio y cloruro son retenidos en un 99%+, mientras que las moléculas de H₂O pueden pasar.

Las membranas membranas se suelen empaquetar en configuración de módulo enrollado en espiral . En un elemento de ósmosis inversa enrollado en espiral, las membranas de hoja plana y las mallas de flujo se envuelven alrededor de un tubo colector central. Cada hoja de membrana membrana está pegada por tres lados y los bordes restantes están conectados al tubo central. conectados al tubo central. A medida que el agua de alimentación fluye por los canales entre las hojas de la membrana a alta presión, parte del agua pasa a través de las envolturas para llegar al centro (tubo de permeado). permeado); el agua restante fluye hacia la salida del elemento como un concentrado más salino. El diagrama de flujo de la figura 2 muestra este proceso en dos etapas (1er paso y 2º paso de la OI). Aunque un sistema de Aunque un sistema de un solo paso suele ser suficiente para el tratamiento del agua de mar, en algunos casos puede aplicarse la ósmosis inversa en dos pasos. algunos casos puede aplicarse la ósmosis inversa en dos pasos para mejorar la calidad del agua de producto. mejorar la calidad del agua producida. El agua permeada de la salida de la ósmosis inversa de primer paso se alimenta a un segundo conjunto de ósmosis inversa para reducir aún más su sal (por ejemplo, para obtener agua de muy baja conductividad, <50 mg/L). En instalaciones de agua potable como Tampa Bay, una sola pasada suele ser suficiente para cumplir las normas de agua requeridas (menos de 500 mg/L TDS); sin embargo, en aplicaciones industriales de agua ultrapura, es habitual un doble doble.

El tasa de retención de sal de de las membranas de ósmosis inversa suele ser superior al 99%. Por ejemplo, una membrana típica de agua de mar puede obtener <0,5 g/L (500 mg/L) de producto a partir de una alimentación de 35 g/L de salinidad. Los dos indicadores principales del rendimiento de la membrana son el flujo (tasa de producción) y sal rechazo de sales . Estos valores varían en función de parámetros como la presión la temperatura y la salinidad de la alimentación. Cuando se aplica una presión elevada, el el flujo de agua a través de la membrana aumenta y la salinidad del permeado disminuye (la permeación de sal disminuye). permeado disminuye (la permeación salina disminuye). Al aumentar la temperatura del agua temperatura del agua, el flujo aumenta porque la viscosidad viscosidad, pero también aumenta ligeramente la tendencia de los iones salinos a atravesar la membrana. a través de la membrana. Los efectos detallados de estos parámetros se discutirán en las secciones siguientes.

Agua de mar Las membranas de ósmosis inversa son sensibles al cloro y a los oxidantes debido a su material . Dado que la capa de poliamida puede oxidarse y dañarse rápidamente por el cloro libre libre, los desinfectantes como el cloro utilizados en el pretratamiento se antes de entrar en las membranas de ósmosis inversa. Para ello productos químicos reductores como el bisulfito bisulfito sódico (NaHSO₃) se en el agua de alimentación antes de la membrana para neutralizar el cloro residual. cloro residual. Alternativamente, en algunos sistemas, la desinfección con cloramina se cloramina en lugar de cloración, que daña menos la poliamida. poliamida; sin embargo, esto no suele ser deseable y la mayoría de los sistemas SWRO gestionan el control biológico en forma de cloración a corto plazo cloración + decloración completa en el pretratamiento. Aunque celulosa acetato de acetato de celulosa se utilizaron como materiales de membrana en el pasado, hoy en día no se prefieren porque tienen un rechazo de sales y un flujo más bajos. hoy en día porque tienen valores más bajos de rechazo de sales y flujo. Además, las membranas de celulosa son difíciles de utilizar Además, las membranas de celulosa son difíciles de manejar, ya que requieren una cloración continua. En consecuencia, casi todos los membranas de las modernas plantas de ósmosis inversa son de poliamida TFC y su funcionamiento se lleva a cabo teniendo en cuenta su sensibilidad.

La supervisión y el mantenimiento regulares de La supervisión y el mantenimiento regulares también son esenciales para obtener la eficacia deseada de las membranas de ósmosis inversa. de las membranas de ósmosis inversa. Con el tiempo, el ensuciamiento puede en las superficies de las membranas: En los casos en que el pretratamiento insuficiente, sedimentos coloidales, biopelículas o sedimentos inorgánicos (por ejemplo, escamas como CaCO₃, CaSO₄) membranas, reduciendo el flujo y deteriorando la calidad del efluente. efluente. En este caso, las unidades de ósmosis inversa se someten periódicamente a limpieza química química(CIP: Cleaning in Place) . Soluciones especiales de limpieza que contienen ácidos, bases o desinfectantes para disolver la suciedad acumulada. suciedad acumulada. Aunque los fabricantes de membranas suelen recomendar la limpieza CIP cada 3-6 meses , lo ideal es realizar la limpieza cuando indicadores de suciedad superen determinados umbrales (estos (estos indicadores se tratan en la sección de parámetros de la sección siguiente). Por ejemplo, algunos fabricantes recomiendan iniciar la limpieza química química cuando el caudal de permeado disminuya un 10% o la permeación salina aumente un 5-10% . Regularmente CIP puede restaurar el rendimiento de la membrana en gran medida, pero en casos de ensuciamiento/incrustación grave, puede ser necesario sustituir la membrana. Por lo tanto, la supervisión continua del funcionamiento y las limpiezas preventivas.

5. Post-tratamiento (Estabilización del agua del producto y desinfección)

El permeado (agua producto) de de una unidad de ósmosis inversa es esencialmente agua pura que ha sido desalinizada en gran medida. El permeado típico del agua de mar puede ser corrosivo ser corrosivo y tener un sabor desagradable cuando se utiliza directamente como agua potable porque contiene muy pocos minerales totales. contiene muy pocos minerales totales . Por lo tanto, el efluente de ósmosis inversa suele someterse a una serie de post-tratamiento para estabilizarlo y ajustarlo a las normas. normas.

En primer lugar En primer lugar, algunos gases que no se eliminan durante la ósmosis inversa (como el CO₂) pueden permanecer en el agua producida y acidificarla. acidificar el agua. El pH del agua permeada suele ser ligeramente 5,5-6,5 (ya que los bicarbonatos del agua de alimentación se convierten en CO se convierten en gas CO₂). Esta agua ácida puede disolver los metales de las líneas de transmisión. La neutralización y la adición de minerales para evitarlo y aportar equilibrio mineral al agua. El método más común consiste en hacer pasar el agua por un lecho de piedra caliza (calcita) . Este lecho, que contiene minerales de carbonato cálcico, aumenta el pH del agua y añade iones como Ca_{2+ y HCO3^-, haciendo el agua más equilibrada y alcalina . Alternativamente, la dureza y la alcalinidad pueden ajustarse de forma similar cal (Ca(OH)2) o carbonato sódico (Na2). (Na2CO3). El objetivo es pH recomendado de 7-8 y un cierto nivel de dureza para el agua potable. dureza del agua potable.}

En Además, el agua del producto suele desinfectarse en el punto final . Dado que las membranas retienen en gran medida bacterias y virus, el permeado está bastante limpio desde el punto de vista microbiológico. Sin embargo, dado que existe el riesgo de recontaminación durante el transporte y el almacenamiento, se recomienda la cloración con cloro en dosis bajas. cloración con cloro o cloramina se para garantizar la seguridad biológica del agua en la red de distribución. distribución. La desinfección UV también puede utilizarse en algunos sistemas, pero como protección residual, suele preferirse bombear algo de cloro. bombear algo de cloro. Se indicó que los productos químicos de equilibrio se añaden después de la ósmosis inversa en las instalaciones de Tampa Bay, y el agua de alta calidad resultante se envía a la red regional. agua de alta calidad resultante se envía a la instalación de la red regional y se mezcla con otras aguas tratadas. Con la mezcla y los ajustes finales, se obtiene un agua final que cumple todos los parámetros de la la normativa sobre agua potable.

Otro aspecto del postratamiento es la eliminación (concentrado) . En el proceso de ósmosis inversa, un cierto porcentaje del agua de alimentación se convierte en agua dulce (la tasa de recuperación suele ser del 35-50%), mientras que el resto sale como una corriente concentrada más salina. Este concentrado concentrado suele verterse al mar o al medio ambiente. Sin embargo ya que la descarga directa puede causar problemas ambientales, una dilución o dilución o vertido controlado. Por ejemplo, el concentrado vertido por la planta de Tampa Bay se mezcla con el agua de refrigeración de la central térmica vecina y se vierte para que la concentración de sal no aumente bruscamente en el entorno receptor. el medio receptor. En muchas centrales, el vertido se realiza en el lecho marino, y el concentrado se diluye rápidamente en un gran volumen. rápidamente en un gran volumen. La salinidad aproximada del corriente de concentrado es aproximadamente el doble que la del agua de mar a la que se alimenta (por ejemplo 35 g/L de alimentación con un 45% de recuperación → ~65 g/L de concentrado). Esta corriente suele salir con una temperatura ligeramente elevada (el bombeo de bombeo). Por este motivo, el impacto ambiental ambiental y se selecciona el método de vertido más adecuado. más adecuado.

Por último, como parte del postratamiento, el agua tratada suele llevarse a al depósito de agua de producto de la instalación y bombeada desde allí a la red. Si el agua de producto debe mezclarse con agua de distintas fuentes (mezcla), se mezcla en la proporción adecuada. proporción adecuada. El agua potable final, que ha sido sometida a todos los procesos de equilibrado y desinfección, se mezcla en la proporción adecuada. los procesos de equilibrado y desinfección, ya está lista para su distribución.

Parámetros Medidos y controlados en el proceso

En para que los sistemas de ósmosis inversa funcionen de forma eficaz y segura, ciertos parámetros de funcionamiento deben supervisarse y controlarse continuamente . Estos parámetros son importantes tanto para controlar el rendimiento del sistema como para intervenir a tiempo en posibles problemas. Las principales magnitudes en los procesos de ósmosis inversa con agua de mar y su interpretación. y su interpretación:

• Presiones (Alimentación, Concentrado, Diferencial): La presión de alimentación a la salida de la bomba de alta presión es la fuerza aplicada a las membranas y suele ser de decenas de bares en el caso de SWRO. En caída de presión en cada recipiente a presión; la diferencia entre la entrada y la salida se controla como la presión diferencial (ΔP) . En condiciones normales, se observa una caída de presión de unos pocos bares a través de las membranas de la primera etapa de un sistema de ósmosis inversa. Si ΔP aumenta con el tiempo, puede indicar que las membranas o las redes espaciadoras están ensuciadas y bloqueadas. Por ejemplo, un aumento del 15% en la primera etapa ΔP suele considerarse una alarma de mantenimiento/limpieza. Los operadores controlan la ΔP de cada etapa por separado para ver dónde empieza el ensuciamiento comienza. Las presiones de alimentación anormalmente altas también son una indicación de ensuciamiento de la membrana o fallo de la bomba. La presión de salida del concentrado se para comprobar el rendimiento de la unidad de recuperación de energía. En condiciones óptimas funcionamiento óptimo, la mayor parte de la presión del concentrado se transfiere al ERD y no se desperdicia.

Flujo y la tasa de recuperación: En Hay tres flujos básicos en el sistema: Alimentación de alimentación , permeado permeado y concentrado concentrado . La relación entre estos se expresa mediante la tasa de recuperación :  Recuperación(%)=Caudal caudalPermeado caudal ×100. La recuperación se selecciona generalmente en el rango del 35-50% en los sistemas de agua de mar. Una recuperación alta significa menos aguas residuales, pero también conlleva una mayor concentración de sales durante la alimentación y aumenta el riesgo de incrustaciones. A medida que aumenta la recuperación, el efecto de presión osmótica osmótico sobre la membrana aumenta; a partir de cierto punto, el flujo neto de agua puede llegar a estancarse. Por lo tanto, una recuperación excesivamente alta no es objetivo. En funcionamiento, la variación del caudal de permeado con respecto a los valores de diseño es un indicador crítico. valores de diseño es un indicador crítico. A disminución del caudal de permeado puede puede indicar que las membranas están empezando a ensuciarse o que el rendimiento de la bomba está disminuyendo. o que el rendimiento de la bomba está disminuyendo. Los fabricantes de membranas recomiendan la limpieza cuando se produce una disminución del 10% del caudal respecto al valor inicial. Del mismo modo, un caudal de permeado anormalmente bajo puede indicar un problema con la bomba de alimentación o las válvulas, por lo que es esencial calibrar y controlar periódicamente de todos los caudalímetros.

• Salinidad, Conductividad y TDS: La concentración de sal (TDS, en mg/L) o la conductividad eléctrica (µS/cm) del agua de alimentación y del permeado se miden continua o periódicamente. La conductividad es un indicador indirecto de la cantidad de iones disueltos en el agua y se utiliza para controlar la eficacia de la ósmosis inversa. La eficacia de eliminación de sales de las membranas calcularse con la fórmula  Sal (%)=(1-Feed TDSPermeate TDS)×100. Una membrana SWRO nueva y limpia suele eliminar el 99% o más de sales. Por ejemplo, si 200 mg/L de permeado se toman de 35.000 mg/L de alimentación, esto significa 99,4% de eliminación. Si la conductividad del permeado empieza a aumentar en la planta, el rendimiento de las membranas puede estar disminuyendo. Esto puede Esto puede ocurrir cuando algunos iones empiezan a filtrarse debido a daños causados por el cloro . cloro (oxidación oxidación de la capa activa) en las membranas . En particular aumento repentino y brusco de la conductividad puede indicar una membrana rota o una junta tórica con fugas, lo que puede indicar que el agua bruta está mezclada - en tal caso, los componentes en En tal caso, deben comprobarse los componentes del recipiente a presión correspondiente. Un aumento lento de la conductividad con el paso del tiempo suele indicar que la superficie de la membrana está sucia y la superficie efectiva de los poros se ha reducido, lo que significa que la tasa de retención de sal se ha reducido. la tasa de retención de sales. Según las recomendaciones del fabricante recomendaciones del fabricante, un aumento del 5-10% en la conductividad del permeado (o permeación de sal) indica que ha llegado el momento de la limpieza. La permeabilidad permeabilidad a la sal también puede aumentar ligeramente con el de las membranas, pero esto suele ser muy lento; los cambios rápidos indican un problema. problema. Por consiguiente, tanto la conductividad del agua de alimentación como la del agua de producto debe controlarse y registrarse con sensores en línea.
• pH y condición química: El pH del del agua de alimentación y del permeado es importante tanto para el control químico del proceso y para la formación de escamas. El pH del agua de alimentación suele reducirse ligeramente en función de la estrategia de dosificación de antiescalante (por ejemplo, el pH natural del agua de mar es de 8,2, pero para reducir la tendencia a la formación de incrustaciones puede reducirse el pH del agua de alimentación). reducir la tendencia a la formación de incrustaciones, puede reducirse a aproximadamente pH 7 con ácido mineral). Por lo tanto, el pH del agua que entra en la bomba se mide constantemente y se mantiene dentro del intervalo deseado. se mide constantemente y se mantiene dentro del rango deseado. Un aumento del pH en Un aumento del pH puede significar un fallo o un agotamiento químico de las bombas dosificadoras y aumenta el riesgo de precipitación de carbonato cálcico. de carbonato cálcico. Por el contrario, un pH excesivamente bajo es indeseable ya que puede acelerar la corrosión. También se controla el pH del agua de permeado. Si es demasiado bajo, puede indicar una neutralización insuficiente en el postratamiento. Los sensores de pH también proporcionan información crítica en los procesos de limpieza de membranas (ácido/básico). los procesos de limpieza de membranas (circulación ácido/base durante la limpieza CIP).
• Limo (SDI) y turbidez: Los indicadores más importantes de la calidad del pretratamiento son el SDI y turbidez y la turbidez. El SDI es un índice basado en el tiempo de obstrucción de un papel de filtro específico y expresa numéricamente el potencial de ensuciamiento coloidal del papel de filtro. y expresa numéricamente el potencial de ensuciamiento coloidal del agua. del agua. Las normas suelen exigir un SDI < 5 para la alimentación de ósmosis inversa; SDI < 3 está para aplicaciones difíciles como el agua de mar, y SDI < 2 indica muy buen pretratamiento. Las pruebas de SDI se realizan a determinados intervalos (por ejemplo, diariamente) en la instalación para verificar el rendimiento del pretratamiento. Si el valor SDI es inusualmente alto, hay un problema en el sistema de filtración (por ejemplo, rotura del filtro, error de dosificación de coagulante coagulante) y es necesario intervenir de inmediato, ya que una SDI elevada puede causar una rápida obstrucción de las membranas. Turbidez (NTU) es un parámetro que puede controlarse en tiempo real; la turbidez de entrada a la ósmosis inversa suele mantenerse por debajo de 0,2-0,5 NTU. Los turbidímetros en línea dan alarma cuando se produce un deterioro repentino de la calidad del agua (por ejemplo floración de plancton o migración de lodos). De este modo, los operadores pueden tomar tomar precauciones, como ralentizar o detener el sistema y lavado a contracorriente de los filtros si aumenta la turbidez. En resumen, SDI y NTU son indicadores de la salud del pretratamiento; si se mantienen bajos todo el tiempo se garantiza una larga vida útil de las membranas. garantiza una larga vida a las membranas.
• Temperatura: Agua La temperatura del agua es un factor importante que afecta al rendimiento de la membrana. El agua más caliente aumenta la permeabilidad de la membrana, incrementando así el flujo, pero también puede aumentar en cierta medida la migración de sales. A la inversa, cuando la temperatura del agua de mar desciende en los meses fríos de invierno, el caudal de permeado obtenido a la misma presión disminuye. Por ello, las grandes instalaciones se diseñan teniendo en cuenta los cambios estacionales de la temperatura del agua; para compensar la disminución del flujo en invierno, puede ser necesario aumentar ligeramente la presión o poner en funcionamiento elementos de membrana adicionales. La temperatura no suele ser un parámetro controlable (porque temperatura del agua de mar es un factor ambiental); sin embargo, es importante medirla y normalizar los datos de rendimiento en función de la temperatura. En ejemplo, los fabricantes de membranas dan una garantía de rendimiento para 25°C; podemos comprender el estado real de la membrana normalizando la normalizando a 25°C el rendimiento obtenido en agua a 15°C en la instalación. Para Para ello, se registra la temperatura instantánea con sensores sensores digitales de temperatura y se comparan otros parámetros. en consecuencia.
• Cloro/ORP: Si cloro para controlar el crecimiento biológico durante la fase de fase de pretratamiento, el cloro debe neutralizarse completamente antes de llegar a la entrada de la ósmosis inversa. Por lo tanto, puede ser necesario realizar una medición (o ORP: medición del potencial de reducción de oxidación) justo antes de la membrana. El nivel de cloro libre debe ser de 0,0 mg/L. Si se detectan Si se detectan trazas de cloro en las mediciones, debe corregirse (aumentar la dosis del producto químico reductor o reducir la cloración). o reducir la cloración); de lo contrario, pueden producirse daños irreversibles en las membranas. las membranas. Los sensores de ORP proporcionan una indicación rápida de la presencia de residuos de cloro mediante el control instantáneo del nivel de oxidación del agua. Este parámetro se utiliza especialmente para verificar que el balance de dosificación/neutralización de cloro funciona correctamente. funciona correctamente.

muchos pueden recogerse muchos más datos del diseño y el funcionamiento del sistema (por ejemplo, conductividades en cada salida del recipiente a presión, diferencias de presión de entrada/salida de cada filtro, transmitancia UV si hay un sistema de desinfección UV, etc.). Sin embargo, valores como la presión caudal, conductividad, pH, SDI/turbidez son indicadores que todo operador de ósmosis inversa sigue de cerca. Estos datos suelen registrarse continuamente con un sistema SCADA y se tendencias de tendencias. El seguimiento de las tendencias de rendimiento permite prever cuándo membranas necesitarán limpieza o si hay algún problema en el pretratamiento. Por ejemplo, si un operador sólo inicia el mantenimiento cuando se produce un problema en un sistema, se ha informado de que pueden observarse canales de no retorno en las membranas cuando la limpieza se realiza sólo cuando el aumento de ΔP alcanza 40-50 psi (3-4 bar). Por lo tanto, la proactiva y actuación temprana son fundamentales para el funcionamiento eficaz de las plantas de ósmosis inversa.

La siguiente tabla proporciona valores resumidos de algunos parámetros importantes que suelen controlarse en el proceso de ósmosis inversa con agua de mar:

Los valores Los valores anteriores se consideran generalmente rangos típicos para sistemas de ósmosis inversa de agua de mar. sistemas de ósmosis inversa. Cada instalación puede tener sus propios parámetros por lo que los valores "normales" pueden variar de un proyecto a otro. proyecto. Lo importante es determinar los valores de referencia para su propio sistema durante el funcionamiento y seguir la tendencia en consecuencia . Por ejemplo, los valores de presión, flujo y conductividad registrados durante la primera operación con membranas nuevas limpias sirven de referencia a lo largo del tiempo. Cuando se supera un determinado umbral de desviación los operadores reciben una alarma y se ponen en marcha planes de intervención. intervención. De este modo, los pequeños problemas se solucionan antes de que antes de que se agraven, se maximiza la vida útil de la membrana y se mantiene la del agua de producción.

Conclusión y evaluación

Inversa La tecnología de ósmosis inversa en la desalinización del agua de mar es un proceso integrado que se extiende desde desde el pretratamiento hasta la filtración por membrana a alta presión y la final del agua. Cada etapa determina la eficiencia global del del sistema al preparar las condiciones adecuadas para la siguiente. Filtros rugosos y pretratamiento acondicionan el agua de entrada protegiendo las membranas. membranas de poliamida en espiral separan el agua de sus sales a presión; el postratamiento equilibra el agua pura obtenida y la prepara para su uso. Control de parámetros parámetros críticos como presiones caudales, conductividad, pH, SDI durante todo este proceso es vital para mantener el rendimiento del sistema.

El mundo académico estudios académicos e industriales muestran que la fiabilidad del tratamiento previo y regular control operativo son esenciales para el éxito de una operación de SWRO. Como afirman Valavala et al, es esencial utilizar técnicas de pretratamiento fiables (coagulación+filtración o UF/MF) en los procesos de SWRO debido a los riesgos de ensuciamiento de las membranas. membranas.

De nuevo, con el uso de dispositivos de recuperación de energía en las instalaciones modernas los costes energéticos se han reducido significativamente y la obtención de de agua dulce a partir del agua de mar. La tecnología de membranas de ósmosis inversa La tecnología de membranas de ósmosis inversa también se ha desarrollado a lo largo de los años y se ha mejorado para lograr una alta eficiencia a bajas presiones. Por ejemplo membranas compuestas de película fina proporcionan agua potable a millones de personas. millones de personas con un rechazo de sales superior al 99% y elevados flujos de permeado. permeados. Como resultado, los sistemas de ósmosis inversa en el tratamiento de agua de mar proporcionan una fuente fiable y continua de agua dulce cuando se diseñan y funcionan correctamente. Dominar los detalles de cada una de las etapas de cada una de las etapas analizadas en este informe. funcionamiento eficaz del sistema. Con el con el pretratamiento adecuado, la selección apropiada de las y un mantenimiento regular, las plantas de ósmosis de ósmosis inversa pueden funcionar de forma estable durante años y convertir agua de mar en agua potable. Así, el agua de mar puede considerarse una reserva inagotable para las poblaciones que viven en regiones o islas donde los recursos hídricos son limitados. La aplicación práctica de la ósmosis inversa la convierte en una tecnología estratégica para el estratégica de abastecimiento de agua para las generaciones actuales y futuras.

Fuentes: La información y datos se recopilaron a partir de diversas publicaciones académicas informes técnicos y guías industriales. Por ejemplo, Valavala et al. (2011) proporcionaron una comparación de las técnicas de pretratamiento de ósmosis inversa, mientras que Tampa Bay Tampa Bay Water Authority proporcionaron un diagrama de flujo y datos de funcionamiento de una planta de SWRO real. planta SWRO real. Los parámetros de rendimiento de las membranas se recopilaron de fuentes técnicas como Lenntech, mientras que la información práctica sobre la sobre la interpretación de los indicadores de funcionamiento expertos del sector, como Chemtreat. Este enfoque holístico pretende ofrecer una visión global de los procesos de ósmosis inversa de ósmosis inversa con agua de mar, combinando tanto experiencia práctica.