ANÁLISIS COMPARATIVO DE TECNOLOGÍAS DE …

ANÁLISIS COMPARATIVO DE TECNOLOGÍAS DE POTABILIZACIÓN DEL AGUA DE LAS PLANTAS JEBEL ALI (DUBÁI) Y EL DORADO (BOGOTÁ)

PARA DETERMINAR LA APLICABILIDAD TÉCNICA DE LA OSMOSIS INVERSA EN LA GUAJIRA

YESICA ALEJANDRA LÓPEZ NIÑO PAULA ANDREA MARTINEZ MESA

KAREN DANIELA QUEVEDO ACUÑA

Trabajo de investigación para optar al título de INGENIERO CIVIL

Director FELIPE SANTAMARÍA ALZATE

UNIVERSIDAD PILOTO DE COLOMBIA FACULTAD DE INGENIERÍA

INGENIERÍA CIVIL BOGOTÁ

2018

ANALISIS COMPARATIVO DE TECNOLOGIAS DE POTABILIZACION DEL AGUA DE LAS PLANTAS JEBEL ALI (DUBAI) Y EL DORADO (BOGOTA

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RESUMEN

Existen varias tecnologías para potabilizar el agua con el fin de abastecer a la

población humana, no obstante, en distintos países es un problema debido a la

escasez del recurso. En el caso particular de Colombia se da una problemática de

abastecimiento en la Guajira, a causa de la escasez de tecnologías para purificar

el agua.

De acuerdo a la problemática presente en esta región del país se ha visto la

necesidad de desarrollar una investigación, basada en analizar comparativamente

la tecnología de desalinización con el sistema de osmosis inversa desarrollada por

la planta Jebel Ali en Dubái - Emiratos Árabes y el sistema tradicional de la PTAP

El Dorado en Bogotá – Colombia, para generar agua potable en la zona costera de

la Guajira.

En busca de dar una solución a la problemática se da a conocer inicialmente los

mecanismos de cada sistema, se nombran las etapas del sistema convencional de

agua compuestas por coagulación, floculación, sedimentación, filtración rápida, y

tanque de desinfección, luego se mencionan las fases de osmosis inversa como

pretratamiento, filtrado, micro-filtrado, osmosis inversa y re-mineralización.

Además se evalúan comparativamente variables como consumo energético, costo

de producción, calidad del agua e impacto ambiental de cada uno de los sistemas

para argumentar una posible aplicabilidad técnica del sistema de desalinización

del agua por osmosis inversa en Colombia; también se analizan cuantitativamente

y cualitativamente las variables en mención para comparar cada sistema de

potabilización, enfocando las ventajas y desventajas de un proceso frente al otro.

Por último, se determina el sistema que se podría implementar en Colombia en la

región de la Guajira como solución a la escasez de agua potable.

Palabras clave: osmosis inversa, osmosis, presión osmótica, desalinización,

purificación del agua, sistema convencional, tecnología convencional,

desalinización, planta de tratamiento de potabilización, energía, costo, impacto

ambiental, calidad de agua.


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ABSTRACT

There are several technologies to purify water in order to supply the human

population, however, in different countries is a problem due to the scarcity of the

resource. In the particular case of Colombia there is a problem of supply in La

Guajira, because of the scarcity of technologies to purify the water.

According to the problems present in this region of the country has seen the need

to develop an investigation, based on comparative analysis of the desalination

technology with the reverse osmosis system developed by the Jebel Ali plant in

Dubai- Arab Emirates and the traditional system of the Powpa El Dorado in Bogotá

– Colombia, to generate potable water in the coastal area of La Guajira.

In search of giving a solution to the problem is initially known the mechanisms of

each system, are named the stages of the conventional water system composed

by coagulation, flocculation, sedimentation, rapid filtration, and disinfection tank,

then The reverse osmosis phases are mentioned as pre-treatment, filtering, micro-

filtering, reverse osmosis and re-mineralization. In addition we evaluate

comparatively variables such as energy consumption, cost of production, water

quality and environmental impact of each of the systems to argue a possible

technical applicability of the water desalination system by reverse osmosis in

Colombia; the variables in mention are also quantitatively and qualitatively

analyzed to compare each purification system, focusing the advantages and

disadvantages of one process against the other. Finally, it determines the system

that could be implemented in Colombia in the region of La Guajira as a solution to

the

Key words: reverse osmosis, osmosis, osmotic pressure, desalination, water

purification, conventional system, conventional technology, desalination,

purification treatment plant, energy, cost, environmental impact, water quality.


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TABLA DE CONTENIDO RESUMEN ......................................................................................................................................... 2

ABSTRACT ....................................................................................................................................... 3

INTRODUCCIÓN .............................................................................................................................. 8

1. CAPÍTULO I – MARCO DE REFERENCIA ............................................................... 11

1.1 POTABILIZACIÓN DEL AGUA ................................................................................... 11

1.2 TECNOLOGÍAS DE POTABILIZACIÓN DEL AGUA .............................................. 12

1.3 SISTEMA CONVENCIONAL ........................................................................................ 12

1.3.1 COMPONENTES DEL SISTEMA CONVENCIONAL ............................................... 13

1.4 DESALINIZACIÓN DEL AGUA ................................................................................... 14

1.41 OSMOSIS ........................................................................................................................ 15

1.4.1 PRESIÓN OSMÓTICA ................................................................................................... 16

1.4.2 OSMOSIS INVERSA ..................................................................................................... 16

1.4.3 COMPONENTES DE LA OSMOSIS INVERSA ....................................................... 17

1.5 CASOS DE ESTUDIO ................................................................................................... 19

1.5.1 PLANTA DE TRATAMIENTO DE AGUA POTABLE (PTAP) EL DORADO-

BOGOTÁ/COLOMBIA. ................................................................................................................. 19

1.5.2 PLANTA JEBEL ALI M-STATION -DUBÁI/EMIRATOS ÁRABES ....................... 21

1.6 NORMATIVIDAD COLOMBIANA ............................................................................... 22

2 CAPITULO II – RESULTADOS Y PROCESO METODOLÓGICO ........................ 23

2.1 DISEÑO METODOLÓGICO ......................................................................................... 23

2.1.1 FASE I DOCUMENTACIÓN PRELIMINAR. .............................................................. 24

2.1.2 FASE II RECONOCIMIENTO ....................................................................................... 24

2.1.3 FASE III ANÁLISIS Y RESULTADOS ........................................................................ 24

2.2 RESULTADOS OBTENIDOS ...................................................................................... 24

2.4 COSTO DE PRODUCCIÓN .......................................................................................... 26

2.5 CALIDAD DEL AGUA ................................................................................................... 27

2.6 IMPACTO AMBIENTAL ................................................................................................ 28

3. CAPITULO III – ANÁLISIS DE RESULTADOS ........................................................ 30

4. CAPITULO IV - CONCLUSIONES .............................................................................. 35

BIBLIOGRAFÍA .............................................................................................................................. 36


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TABLA DE ILUSTRACIONES

Ilustración 1. Escasez de agua en el mundo, Fuente: Foro Económico

Mundial y el Blog el Salmón ................................................................................. 9

Ilustración 2. Acueducto Roma. Fuente: Roma: 2014 ...................................... 11

Ilustración 3. Proceso de tratamiento convencional, Fuente: Propia ........... 144

Ilustración 4. Proceso de osmosis, Fuente Voutchkov 2013 ......................... 155

Ilustración 5. Proceso de osmosis inversa, Fuente: Biología 2017 .............. 177

Ilustración 6. Fases de osmosis inversa, Fuente: Propia .............................. 188

Ilustración 7. Fotografía Planta tratamiento el Dorado, Fuente:Propia...…….20

Ilustración 8. Fotografía Planta Jebel Ali, Fuente: Spencer Lowell……...……22


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LISTA DE TABLAS

Tabla 1 Comparación caso de estudio-Fuente: Propia .................................... 22

Tabla 2. Diferencia entre las tecnologías, Fuente: Propia ............................... 25

Tabla 3. Consumo de energía, Fuente: Propia .................................................. 26

Taba 4. Consumo de energía, Fuente: Propia ................................................... 27

Tabla 5. Calidad ambiental, Fuente: propia ....................................................... 28

Tabla 6. Impacto ambiental, Fuente: Propia ...................................................... 29

Tabla 7. Comparación de variables, Fuente: Propia ........................................ 30

Tabla 8. Producción de agua y consumo de energía, Fuente: Propia ............ 32

Tabla 9. IRCA, Fuente: Resolución 2115 de 2007 ............................................. 33

Tabla 10. Solidos totales, Fuente: NTC 2005 .................................................... 32


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GLOSARIO

Solución: Es la mezcla homogénea entre dos o más sustancias, donde una de

ellas se denomina solvente y otro soluto.

Solvente: Es la sustancia que se encuentra en mayor proporción dentro de la

solución.

Soluto: Es la sustancia que se disuelve en otra y se encuentra en menor

proporción dentro de la solución.

Agua cruda: Es aquella que no ha sido sometida a proceso de tratamiento.

(ANLA, 2015)

Agua potable: Es aquella que por reunir requisitos físicos, químicos y

bacteriológicos, se consume por la población humana no produce efectos

adversos a su salud. (ANLA, 2015)

Polución del agua: Es la alteración de sus características físicas, químicas o

bacteriológicas como resultado de las actividades humanas o procesos naturales.

(ANLA, 2015)

Contaminación del agua: Es la polución de ésta que produce o puede producir

enfermedad y aún la muerte al consumidor. (ANLA, 2015)

Análisis físico-químico del agua: Es aquel que se efectúa para determinar sus

características físicas, químicas o ambas. (ANLA, 2015)


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INTRODUCCIÓN

El agua cubre el 70 % de la superficie de la tierra, la cual está distribuida en

mayoría entre los océanos, mares, y una menor porción de agua dulce constituida

por fuentes como ríos, lagos y provenientes del subsuelo (Guillermo, 2008). El

agua dulce constituye el 2.5% del total de la superficie terrestre, por ello hoy en

día una de las mayores preocupaciones se centra en la escasez de agua potable,

aunque algunos países no contemplaban este problema ya lo ven como una

opción prioritaria a estudiar, debido a esto, se han venido implementando

diferentes alternativas para revertir el agotamiento de este recurso de fuentes que

anteriormente no se consideraban asequibles. Tal es el caso del agua de mar y

océanos, los cuales abarcan un 97,5% del total del agua de todo el planeta, y es

ahora esa fuente a la que se están enfocando las tecnologías de desalación por

ósmosis inversa que permite obtener agua potable en grandes cantidades (Piña,

2010).

Simultáneamente Colombia a pesar de que no sufre de escasez de agua tipo

física argumentándose en la ilustración 1, sufre de escasez de agua tipo

económica debido a que no puede suministrar agua a ciertas zonas del país, uno

de estos territorios es la zona costera de la Guajira, en la cual no logran abastecer

del recurso vital de agua potable a gran parte de la población. No obstante, se

puede observar que esto no ocurre en los Emiratos Árabes en la ciudad de Dubái,

donde se presenta una escasez de agua de tipo física, sin embargo, toda la

población de los Emiratos Árabes esta abastecida con este recurso.


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Ilustración 1. Escasez de agua en el mundo, Fuente: Foro Económico Mundial y el Blog el Salmón

En rojo: Escasez de agua física

En amarillo: Escasez de agua económica

En azul oscuro: Poca o ninguna escasez de agua

En azul claro: Sin estimar

Ahora bien, contextualizado el problema de la escasez de agua en Colombia, se

plantea ¿Cuál de los dos sistemas estudiados puede ser una posible solución al

problema de escasez de agua en la Guajira, partiendo de la comparación del

sistema de osmosis inversa desarrollada por la planta desalinizadora Jebel Ali en

Dubái - Emiratos Árabes y el sistema tradicional de la PTAP El dorado en Bogotá?

Por consiguiente, se parte de la siguiente hipótesis conceptual “la tecnología de

desalinización mediante osmosis inversa da una mejor solución de suministro de

agua potable para abastecer a la población colombiana ubicada en la Guajira”

Razón por la cual se realiza la investigación para resolver el problema social

planteado mediante la comparación de las tecnologías en mención, con lo cual se

puede traer un beneficio para las zonas costeras de Colombia y se hará un aporte

en conocimiento de nuevas tecnologías para aplicar en el País.


10

Así mismo el alcance de la investigación se centra en analizar comparativamente

las tecnologías planteadas para dar solución a la pregunta de investigación con su

respectiva hipótesis conceptual.

Adicionalmente se contempla analizar variables como costos, impacto ambiental,

calidad del producto y energía consumida, a partir de la comparación de procesos

que se utilizan para el consumo de agua potable, luego se describe el proceso de

osmosis inversa y sistema convencional de potabilización de agua, con el fin de

dar a conocer una alternativa para realizar un tratamiento del agua adecuado

frente a la problemática de abastecimiento de agua que se está presentando en

Colombia. En donde se evalúan las etapas de cada uno de los métodos que se

utilizan para llevar a cabo la purificación del agua, con ello se determina la

aplicabilidad en Colombia del tratamiento por osmosis inversa que utiliza Dubái

como solución de abastecimiento de agua en la Planta de Tratamiento Jebel Ali.

Finalmente, la investigación se apoya en la línea de sostenibilidad de la

infraestructura, con lo cual se quiere aportar a las investigaciones de nuevas

tecnologías aplicadas en Colombia, comprendiendo las variables descritas con sus

beneficios y perjuicios durante su desarrollo.


11

1. CAPÍTULO I – MARCO DE REFERENCIA

Con el propósito de comprender los diferentes procesos llevados a cabo para

potabilizar el agua la cual cuenta con diversos procesos que permiten que esta

sea potable (Agua, 2015). Se hace necesario comprender el concepto de

potabilización del agua, así como las tecnologías utilizadas en dicho proceso y sus

componentes.

1.1 POTABILIZACIÓN DEL AGUA

La potabilización del agua es un proceso mediante el cual el agua es sometida

para eliminar cualquier organismo o sustancia toxica presente en ella y

posteriormente pueda ser apta al consumo humano, es un procedimiento que se

ha dado a lo largo de la historia del ser humano, con lo cual se ha demostrado que

todas las civilizaciones sabían de la importancia que tenía el agua para poder

garantizar la supervivencia de la especie, es por ello que todas las tribus situaron

sus asentamientos cercanos a zonas geográficas con abundancia de agua, los

ríos aportaban agua para el riego, para el consumo y como vía de comunicación

(Agua Potable, 2017). Este procedimiento comenzó desde los 4000 años antes de

cristo en Roma, en donde utilizaban acueductos [Figura 2] para transportar el

agua, el sistema de ellos consistía en captación del agua, sedimentación,

transporte y almacenamiento.

Ilustración 2. Acueducto Roma. Fuente: Roma: 2014


12

1.2 TECNOLOGÍAS DE POTABILIZACIÓN DEL AGUA

Como se ha mencionado anteriormente, a lo largo de la historia se hizo necesario

purificar el agua para que sea apta para el consumo humano, lo cual ha arraigado

el desarrollo de diferentes tecnologías según la ubicación geográfica de la

población o su necesidad, por ello para contextualizar el presente subcapítulo se

mencionaran únicamente dos, el sistema convencional para la purificación del

agua y la desalinización.

1.3 SISTEMA CONVENCIONAL

Para describir el concepto de sistema convencional se expone los antecedentes

del sistema en Colombia, por ende en la configuración de los sistemas de

servicios públicos domiciliarios en agua potable y saneamiento básico en

Colombia se remontan a las últimas décadas del siglo XIX. En ciudades grandes

como Bogotá, Barranquilla y Medellín, era corriente la intervención de las

autoridades locales en la provisión colectiva de agua mediante la conducción por

canales rudimentarios; acequias descubiertas, con revestimientos o cubiertas de

lajas de piedra en algunos casos; hacia el casco poblado, por lo general hacia

pilas en plazas públicas. Con el crecimiento de las ciudades aparecen las primeras

plantas de tratamiento formando un sistema de acueductos, que incluyeron

conexiones en los domicilios, construidos en un comienzo con tuberías de barro

cocido y posteriormente en las primeras décadas del siglo XX, con instalaciones

de tuberías de hierro. Los sistemas surgieron por iniciativa de empresarios

privados en los centros urbanos de mayor dinamismo en las actividades

económicas y el crecimiento demográfico, bajo la modalidad de contratos de

concesión otorgados por el municipio: Barranquilla (1880), Bogotá (1886), Medellín

(1891), Cartagena (1905), Pereira (1918)” .(Noya y Pulgar, 2016)


13

Ahora bien, se describe que es el Sistema Convencional el cual consiste en la

remoción de partículas suspendidas y coloidales. Generalmente, se realizan

procesos de coagulación – floculación y filtración, utilizando coagulantes de sales

trivalentes de aluminio y hierro. En el proceso convencional de potabilización se

controlan las condiciones de pH y alcalinidad del agua, debido a la influencia de

estos parámetros en la eficiencia de la coagulación (ODS,2005).

1.3.1 COMPONENTES DEL SISTEMA CONVENCIONAL

Existen diferentes tipos de solidos los cuales se deben analizar para realizar la

purificación del agua. Dichos sólidos se dividen en dos, los sólidos en reposo y los

sólidos dispersos que normalmente se llaman coloides, en el sistema convencional

del agua se manejan 5 procesos básicos [Figura 3] teniendo en cuenta el concepto

anterior para la purificación del agua, siendo estos:

Coagulación

Floculación

Sedimentación

Filtración Rápida

Tanque de desinfección

La coagulación es un proceso que permite incrementar la tendencia de las

partículas de agregarse unas a otras para formar partículas mayores y así

precipitar más rápidamente (Castillo Juberzay, 2011, p. 4). Es decir, aquellos

solidos dispersos o coloides se repelen ente si debido a que contienen cargas

superficiales iguales, lo que causa que estén en suspensión, para ello se agrega

un químico o coagulante que desestabiliza a los coloides.


14

Ilustración 3. Proceso de tratamiento convencional, Fuente: Propia

Dicho de otra manera, los procesos de coagulación y agregando el concepto de

floculación son procesos fisicoquímicos para mejorar la eficiencia de reducción de

material particulado y de coloides de los siguientes procesos de sedimentación o

filtración. La coagulación incluye la dosificación de sustancias químicas para

desestabilizar las partículas suspendidas con cargas similares. Esto permite que

se unan y que se inicie la formación de flóculos. La floculación, que en parte se

superpone al proceso de coagulación, requiere la mezcla suave de las partículas

desestabilizadas para formar flóculos sedimentables. (OPS, 2001)

A su vez el proceso de sedimentación consiste en el asentamiento de las

partículas sedimentables para realizar el proceso de filtración. La filtración consiste

en el paso del agua a través de un medio filtrante poroso que puede ser arena,

antracita u otro material granulado para remover impurezas en partículas y

flóculos, y el tanque de desinfección consiste en un proceso de destrucción de

organismos patógenos con cloro, ciertos compuestos que liberan cloro u otras

sustancias o métodos con capacidad desinfectante. (OPS, 2001)

1.4 DESALINIZACIÓN DEL AGUA

Se comienza por describir los antecedentes de la desalinización del agua, en lo

cual las embarcaciones transoceánicas que pasaban largos periodos lejos de

tierra firme fueron algunos de los primeros en implementar este tipo de técnicas

para obtener agua potable y con el paso de los años se han ido tecnificando y

aumentando su implementación en todos los continentes, sin embargo fue hasta

los años 80 que se introdujo el proceso de desalación de manera comercial.

(Perera, 1999).

Coagulación 1 Floculación 2 Sedimentación 3 Filtración

rápida 4

Tanque de desinfeccion

5


15

La desalinización ofrece el potencial de una fuente ilimitada de agua dulce

purificada de los vastos océanos de agua salada que rodean(Prihasto,2009),

consiste en un proceso de separación de sales disueltas de aguas salubres o de

mar para convertirlas en aguas adecuadas para consumo humano, uso industrial o

riegos (Juan, 2000). A lo largo de la historia se han desarrollado diferentes

tecnologías para desalinizar el agua, en contexto se menciona la osmosis y

osmosis inversa.

1.41.1 OSMOSIS

La osmosis es un proceso natural donde el solvente, principalmente agua, fluye a

través de una membrana semi-permeable, lo que significa que solo deja pasar las

moléculas más pequeñas de solvente, de una solución con una baja concentración

de sólidos disueltos a una solución con una alta concentración de sólidos

disueltos. El solvente, fluye a través de la membrana hasta que la concentración

se iguale en ambos lados de la membrana. (Benavides Moreno, 2011)

Ilustración 4. Proceso de osmosis, Fuente Voutchkov 2013


16

1.4.1 PRESIÓN OSMÓTICA

Es la fuerza natural que se ejerce entre la solución diluida para que fluya a través

de la membrana semipermeable a la solución concentrada, es decir a donde se

encuentra el agua con mayor concentración de sal según el autor Benavides.

1.4.2 OSMOSIS INVERSA

Los antecedentes de la osmosis inversa comenzaron desde los autores Charles E.

Reid y E. J. Breton quienes en 1953 describieron por primera vez en qué consistía

el fenómeno de osmosis inversa. Reid y Breton realizaron una investigación en la

que trataban de conseguir agua potable procedente del agua del mar, el principal

problema de la investigación fue el hecho de conseguir una membrana osmótica

con unas determinadas cualidades físicas y químicas que permitiera realizar ese

proceso sin sufrir alteraciones en su naturaleza ni interferir químicamente con el

disolvente. Este problema se solucionó cuando se descubrió en 1959 una

membrana de acetato de celulosa que permitía realizar perfectamente el

experimento planteado. (León, 2013)

La Osmosis Inversa consiste en la purificación del agua de mar, mediante la

separación de la sal del agua (soluto y solvente), proceso que se da a través de

una membrana semipermeable la cual no solo retiene la sal sino también los

minerales como calcio, magnesio, sodio, hierro, cloruro y fluoruro, dejando pasar

únicamente el agua sin minerales, dicho proceso se hace aplicando una mayor

presión a la presión osmótica mediante una bomba de alta presión. [Figura 5].

Luego se debe re-mineralizar para colocar los minerales que necesita el agua apta

para el consumo humano.


17

Ilustración 5. Proceso de osmosis directa y osmosis inversa, Fuente: Biología 2017

La ósmosis inversa se trata de un proceso con membranas, en él se debe aplicar

una presión mayor a la presión osmótica, esta presión es ejercida en el

compartimiento que contiene la más alta concentración de sólidos disueltos. Esta

presión obliga al agua a pasar por la membrana semi-permeable en dirección

contraria al del proceso natural de osmosis, dejando las impurezas detrás. La

permeabilidad de la membrana puede ser tan pequeña, que prácticamente todas

las impurezas, moléculas de la sal, bacterias y los virus, son separados del agua.

(Benavides, 2011).

1.4.3 COMPONENTES DE LA OSMOSIS INVERSA

La osmosis inversa está compuesta de cinco fases:

Pretratamiento.

Filtrado

Micro-filtrado

Osmosis inversa

Re mineralización


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Pretatamiento Filtrado Micro-filtrado Osmosis inversa

Remineralización

Ilustración 6. Fases de osmosis inversa, Fuente: Propia

Desalar agua de mar para un uso doméstico, industrial o agrícola, tiene una serie

de procesos o etapas:

En la primera fase necesitamos captar el agua, lo cual se realizará mediante

tuberías que lleven la misma desde el mar a la zona donde será tratada. En esta

primera fase, el agua será separada de los sólidos que tuviera en suspensión y

además, pre-tratada con hipoclorito de sodio que actuará como antimicrobiano.

(Gallegos, 2016). El pretratamiento consiste en que el agua de mar cruda fluye

hacia la estructura de entrada a través de los bastidores de basura y las pantallas

de desplazamiento para eliminar los desechos en el agua de mar.

En la segunda fase, se suministra el proceso de filtrado mediante un filtro de

gravedad multimedia utilizando arena y coagulantes (cloruro férrico, por ejemplo) y

eliminando también los sólidos suspendidos (Gallegos, 2016). Los medios típicos

del filtro son antracita, sílice, granito o solo arena y antracita, desde los medios

fluye al filtro de micrones que elimina partículas de más de 10 micrones. El agua

de mar filtrada brinda protección a las bombas de alta presión y a la planta.

(Khawaji, Kutubkhanah, & Wie, 2008). Después, habrá un filtrado más exhaustivo

para las partículas microscópicas mediante un micro-filtrado con carbón activo.

(Gallegos, 2016)

Esta cuarta etapa es la más importante del proceso donde la ósmosis inversa se

encargada de convertir agua salada en dulce, el fluido irá de la mezcla más

concentrada (la salada) a la menos concentrada, “perdiendo las sales por el

camino”, retenidas en algunos de los muchos filtros porosos que contiene el

mecanismo. (Gallegos, 2016). El inverso a la presión osmótica se realiza por


19

Fotografía 1 Estructura de entrada

medio de la bomba de alta presión la cual aumenta la presión del agua de

alimentación pre tratada a la fuerza adecuada para la membrana semipermeable

que restringe el paso de las sales disueltas mientras permite el paso del agua y la

salmuera concentrada se vierte al mar (Khawaji, Kutubkhanah, & Wie, 2008).

El proceso acaba con la etapa final de tratamiento y almacenaje, donde debe ser

remineralizada ya que perdió absolutamente todas las sales. Dicha reabsorción se

realiza con cal y dióxido de carbono, mediante la cual, se obtendrá un agua

adaptada al consumo”. (Gallegos, 2016)

1.5 CASOS DE ESTUDIO

Con el fin de establecer una posible solución al agotamiento de agua potable, se

implementan nuevas tecnologías para abastecer a la población, como el

tratamiento de agua potable por osmosis inversa que consiste en un proceso de

separación de sales disueltas de aguas salobres o de mar para convertirlas en

aguas adecuadas para el consumo humano, uso industrial o riegos” (Medina,

2000). Para analizar si es posible aplicar la tecnología de osmosis inversa en

Colombia se describen dos casos de ciudad [Tabla 1]:

1.5.1 PLANTA DE TRATAMIENTO DE AGUA POTABLE (PTAP) EL DORADO-

BOGOTÁ/COLOMBIA.


20

Fotografía 4 Sedimentación Fotografía 3 Sedimentación

Fotografía 2 Floculación mecánica

Ilustración 7. Fotografías Planta de tratamiento de agua potable el Dorado, Fuente: propia

Está localizada en Bogotá, en el departamento de Cundinamarca, tiene un sistema

convencional, es decir que tiene los procesos de coagulación, floculación,

sedimentación, filtración y tanque de desinfección. Así miso la planta de


21

tratamiento de agua potable El Dorado pertenece a la Empresa de Acueducto y

Alcantarillado de Bogotá (E.A.A.B), se encuentra localizada en el área rural de

Bogotá D.C., en el barrio Uval (Localidad de Usme) y entró en funcionamiento en

el año 2001 (EAAB, 2006, p. 150).

1.5.2 PLANTA JEBEL ALI M-STATION -DUBÁI/EMIRATOS ÁRABES

Dubái desde el año 1988 se provee de agua dulce mediante plantas de

desalinización que bombean agua de mar del Golfo Pérsico. Hoy en día cerca del

70 % de la producción total de agua en la región del Golfo es proveniente de

plantas desalinizadoras (Alfalasi, 2010). Una de las plantas desalinizadoras es

Jebel Ali- está Localizada en Dubái en los Emiratos Árabes a 700 metros de

distancia de la costa, posee dos sistemas de desalinización, osmosis inversa y

multi stage flash. La planta fue construida por Sumitomo Heavy Industries Co. en

1979.(Fukumoto, Isobe, Moriyama, & Pujadas, 1991) .


22

Ilustración 8. Fotografía Planta Desalinizadora Jebel Ali, Fuente: Spencer Lowell

Tecnología Sistema PTAP

Sistema convencional Convencional Dorado

Desalinización Osmosis Inversa Jebel Ali

Tabla 1. Resumen de caso de estudio-Fuente: Propia

1.6 NORMATIVIDAD COLOMBIANA

A lo largo de la historia se ha avanzado en el proceso de potabilización del agua,

debido principalmente a que el agua cruda tiene consecuencias en la salud del


23

cuerpo humano. En Colombia en 1992 una de las consecuencias fue el cólera

debido a que aún no se contaba con la tecnología y normatividad para realizar el

proceso de potabilización del agua. En este contexto y recogiendo las aún

vigentes orientaciones, en abril de 1996, la OPS por intermedio de su

Representación en Colombia, promocionó en el Ministerio de Desarrollo

Económico, en el Departamento Nacional de Planeación y en otras instituciones

del sector, la realización del análisis sectorial de agua potable y saneamiento en el

país. (CRA, 1997).

Una de las principales normas de Colombia es la Resolución 2115 por medio de la

cual se señalan características, instrumentos básicos y frecuencias del sistema de

control y vigilancia para la calidad del agua para consumo humano (Resolución

2115, 2007), por otro lado, otra norma de gran importancia es la NTC 2005, en la

cual se mencionan las características físicas admisibles del agua.

El Reglamento Técnico del Sector de Agua Potable y Saneamiento Básico RAS

que se aplica en todo el territorio de Colombia contiene los requisitos,

procedimientos y prácticas de potabilización en los manuales de prácticas de

ingeniería en el titulo C.

2 CAPITULO II – RESULTADOS Y PROCESO METODOLÓGICO

En el presente capitulo, se describe el diseño metodológico de la investigación y

los resultados en cuanto a la comparación de la planta de tratamiento de agua

potable ubicada en el dorado como la planta desalinizadora Jebel Ali ubicada en

Dubái Emiratos Árabes.

2.1 DISEÑO METODOLÓGICO

Para la realización de esta investigación se sintetizo la información teórico-práctica

recopilada mediante variables cuantitativas y cualitativas, donde se utilizaron


24

diferentes fuentes de información, con el fin de comparar la viabilidad de la

implementación de tecnologías como la osmosis inversa aplicada en la Planta

Desalinizadora JEBEL ALI en Emiratos Árabes Unidos y el tratamiento

convencional aplicado en la PTAP El Dorado en Colombia, se realizo una

metodología en las siguientes fases:

2.1.1 FASE I DOCUMENTACIÓN PRELIMINAR.

La investigación se desarrolló a partir del estudio de casos aplicados, tanto en la

Planta Desalinizadora JEBEL ALI como en la PTAP El Dorado, con la finalidad de

conocer los procesos empleados en la potabilización del agua mediante las

técnicas de osmosis inversa y el tratamiento convencional, determinados como la

unidad de análisis en donde evalúa aspectos como costos, calidad del producto,

impacto ambiental y energía consumida.

2.1.2 FASE II RECONOCIMIENTO

Se realizó una clasificación de la información pertinente para analizar las variables

objeto de estudio aplicadas en cada técnica.

2.1.3 FASE III ANÁLISIS Y RESULTADOS

En esta fase se dan a conocer los resultados obtenidos y el análisis para

determinar la aplicabilidad técnica de la implementación de nuevas tecnologías en

Colombia como solución a una problemática de escasez de agua en la Guajira.

2.2 RESULTADOS OBTENIDOS


25

El tratamiento y el acondicionamiento del agua por medios mecánicos y químicos,

pueden ser complementarios para la producción de agua potable (Gonzales,

2013), es por ello que el desarrollo del proyecto de investigación se centró en

diferenciar los procesos de tratamiento del agua entre la osmosis inversa y el

sistema convencional, siendo tratamientos mecánicos-químicos para potabilizar el

agua, sus diferencias se centran en [Tabla 2]:

Clase

potabilización

Energía

utilizada Componentes Sistema

Sistema convencional Eléctrica

Coagulación

Floculación

Sedimentación

Filtración

Desinfección

Tanque de contacto

Convencional

Desalinización Eléctrica/presión

Pretratamiento.

Filtrado.

Micro-filtrado

Osmosis inversa

Re-mineralización

Osmosis Inversa

Tabla 2. Resumen de energía y componentes de cada sistema, Fuente: Propia

Así mismo, para realizar un análisis acerca de la aplicabilidad de la

implementación de una nueva tecnología como lo es la osmosis inversa, se deben

analizar las variables tales como: consumo de energía, costo de producción,

calidad del agua e impacto ambiental.

2.3 CONSUMO DE ENERGÍA

El consumo de energía de las tecnologías de sistema convencional y

desalinización del agua por osmosis inversa, varía según la demanda de la


26

población a la cual se le suministra agua, la calidad del servicio, y el

mantenimiento que se realiza [Tabla 3].

Por un lado la PTAP El Dorado potabiliza aproximadamente 500 litros por segundo

es un aporte de casi el 5% del consumo de agua potable en Bogotá, para la

producción y el funcionamiento de la PTAP El Dorado se le suma el consumo de

energía anual que asciende aproximadamente a 890.339 kWh con un costo de

$6.267.484.411,50 (Vargas & Baquero, 2017). La PTAP El Dorado produce 30

m3/h y el consumo por hora de energía es 2.4 kWh.

Por otro lado la planta desalinizadora Jebel Ali con el sistema de osmosis inversa

obtiene 4.750 m3/h con un consumo de energía por hora de aproximadamente 6-8

kWh debido a que no tienen un sistema de recuperación de energía como lo dice

el autor Khawaji además menciona que la instalación de un dispositivo de

recuperación de energía reduce drásticamente a tan solo 2 kW h /m3. Este logro

es dramático y posible debido a la innovación en el campo de recuperación de

energía (Khawaji et al., 2008). Es decir la energía residual de la ósmosis inversa

se puede recuperar lo que puede representar el 25-30% de la energía requerida

para superar la presión osmótica del agua de mar. Esto reduce el requerimiento

total de energía de plantas de desalinización de forma espectacular (Bennett,

2011)

Tabla 3. Consumo de energía, Fuente: Propia

2.4 COSTO DE PRODUCCIÓN

Tecnología Consumo de energía PTAP

Sistema convencional 2.4kWh Dorado

Osmosis inversa 6-8kWh Jebel Ali


27

Los costos de producción de metro cubico de agua tratada de la PTAP el Dorado

según Patricia Baquero en la tesis pre-factibilidad del estudio de implementación

de energía eléctrica en la PTAP el dorado de la EAB-ESP del año 2006 son $

7.150 M/CTE por hora para obtener la producción de 30 m3/h.

Así mismo en la planta desalinizadora Jebel-Ali de acuerdo con Global Water

Intelligence, los costos de operación del agua desalinizada han disminuido en los

últimos 20 años de un promedio de US $ 1.25-1.50 por m3 de agua tratada de

principios a mediados de la década de 1990 a menos de US $ 0.75 por m3

tratados hoy por hora. La reducción en el costo de producción es impulsada tanto

por mejoras técnicas a los procesos que reducen los costos operativos como por

las mejoras en las prácticas de fabricación. Estos últimos han reducido

significativamente la inversión inicial de capital requerida para construir una planta

de desalinización (Bennett, 2011). Es decir que el costo por hora del m3 en la

planta Jebel Ali es aproximadamente $9´796.875 M/CTE para una producción de

4750 m3/h

Tecnología Costo de producción /hora PTAP

Sistema convencional $7.150 Dorado

Osmosis inversa $9´796.875 Jebel Ali

Tabla 4. Consumo de energía, Fuente: Propia

2.5 CALIDAD DEL AGUA

La calidad del agua se mide según la normatividad de cada país, en Colombia una

de las normatividades más relevantes para clasificar el agua para consumo

humano como se dijo anteriormente es la Resolución 2115 de 2007. Por medio de

la cual se señalan características, instrumentos básicos y frecuencias del sistema

de control y vigilancia para la calidad del agua para consumo humano (Ariza

Cañizares, 2016). Hecha esta salvedad según un estudio realizado en la


28

Universidad Javeriana en donde se calculó el Índice de Riesgo de la Calidad del

Agua para consumo humano (IRCA) durante el periodo de tiempo comprendido

entre los años 2007 y 2015 se obtuvo un promedio general de 0,06%. (Guali,

Cristina, & Redondo, 2016)

En cuanto al tratamiento de osmosis inversa generado en Dubai/Emiratos Árabes

no existe normatividad vigente referente al proceso de desalinización de aguas

marinas y salobres, que regule o controle los impactos ambientales al medio

marino que pudiesen generar sus productos y desechos (González y Dévora

2009). Por ello se miran los sólidos totales disueltos <40mg/L (Dévora Isiordia,

González, & Ponce , 2015)

Tecnología IRCA Solidos disueltos

Sistema convencional 0.06 % -

Osmosis inversa - <40mg/L

Tabla 5. Calidad ambiental, Fuente: propia

2.6 IMPACTO AMBIENTAL

Uno de los temas con mayor preocupación en cuanto a la construcción de una

obra de infraestructura es el impacto ambiental, debido a que todas las

generaciones deben estar encaminadas hacia un desarrollo sostenible procurando

no comprometer las generaciones futuras. En el caso de las plantas de

desalinización del agua, el impacto más abrupto que sufre la planta de tratamiento

Jebel Ali son los vertidos de salmuera; que es una solución constituida por agua y

una muy alta concentración de sales. Ésta se caracteriza por poseer diferentes

niveles de pH y temperatura, agregando que también contiene diferentes

productos químicos dañinos; como son los metales pesados, anti-espumantes,

anti-incrustantes y biosidas. La salmuera es vertida en el mar, lo que produce

importantes cambios tanto en el hábitat como en la vida marina. Las sales


29

contenidas en la salmuera se depositan sobre el lecho marino y sobre éste viven

especies que son estenohalinas, es decir, que no toleran grandes cambios de

salinidad, trayendo consigo cambios en la población vegetal y animal. (Guaita,

Muñoz, Rivera, Tobar, 2009). Por otra parte en el componente de pretratamiento

los métodos de filtración convencionales son inadecuados. Las floraciones

orgánicas estacionales, la alta actividad biológica y la turbidez han causado

problemas con muchas plantas. (Khawaji et al., 2008, p. 52)

Además el uso de tecnologías de desalinización de agua de mar a nivel mundial

ha aumentado significativamente en las últimas décadas y ha mostrado muchos

beneficios en diferentes actividades humanas, aunque se ha prestado poca

atención al impacto del subproducto principal (agua de rechazo o salmuera) en los

ecosistemas y especies (Gacía y Ballesteros 2001, Lattemann y Höpner 2007,

Morillo et al. 2014)

Así mismo la planta de tratamiento de potabilización de agua con el tratamiento

convencional tiene el problema de los productos químicos o coagulantes que se

utilizan para quitar las cargas superficiales de los coloides estos compuestos

químicos que además de tener efectos perjudiciales al medio ambiente afectan el

equilibro hormonal de seres humanos y animales y usualmente son ingeridos a

través del consumo de agua (Vargas & Silva, 2015).

Tecnología Impacto ambiental Afectación

Sistema convencional Coagulantes Seres humanos

Osmosis inversa Salmuera

Pretratamiento Ecosistema

Tabla 6. Impacto ambiental, Fuente: Propia


30

3. CAPITULO III – ANÁLISIS DE RESULTADOS

Al realizar una discusión sobre la OI se evalúa una posible implementación de un

sistema de Osmosis Inversa en Colombia, donde es necesario abordar bastantes

aspectos simultáneamente y conjugarlos para llegar a un resultado razonable y

sobre todo acoplado a la realidad. (Ramírez, 2006) por ello en los resultados se

mencionaron 5 variables, producción de agua, consumo de energía, costos de

producción, calidad del agua, e impacto ambiental. La comparación de las 5

variables se refleja en la tabla [7] en cuanto al sistema convencional de agua que

se aplica en la PTAP el dorado-Bogotá y el sistema de desalinización por osmosis

inversa aplicada en Jebel Ali- Dubai

Tabla 7. Resumen de variables, Fuente: Propia

Las medidas de cada sistema en cuanto a la producción de agua se utilizaron en

m3/h para comparar la proporción de consumo de energía referente a la potencia

requerida en una hora, se obtuvo un mayor requerimiento de potencia en la

Tecnología Producción

de agua

Consumo

de

energía

Costos

producción

/h

Calidad

agua

Impacto

ambiental

Sistema

Convencional 30 m3/h 2.4kWh $7.150

0.06%

IRCA Coagulante

Osmosis

Inversa 4750 m3/h 6-8kWh $9´796.875

<40mg/L

STD

Salmuera

Pretratamiento


31

osmosis inversa, debido a que consume 6-8 kWh, a diferencia del sistema

convencional que requiere una potencia de 2.4kWh [Tabla 8].


32

Tecnología Producción de agua Consumo de

energía

Sistema convencional 30m3/h 2.4kWh

Osmosis inversa 4750 m3/h 6-8kWh

Tabla 8. Producción de agua y consumo de energía, Fuente: Propia

Se analizan los costos de producción por m3/h en el sistema convencional cuestan

$7.150 mientras que en osmosis inversa cuesta $9´796.875, el sistema de

osmosis inversa es más costoso que el sistema convencional, lo cual se reafirma

en la proyección del caudal de agua que produce la PTAP el dorado por el sistema

de osmosis inversa, se obtuvo un valor de $ 61.875 pesos para dicho caudal, por

lo tanto se puede determinar que el costo por osmosis inversa es mayor al que se

produce por sistema convencional.

Simultáneamente en cuanto a la calidad de agua según las normatividad

Colombiana el sistema convencional tiene un IRCA de 0.06% es decir sin riesgo

[Tabla 9] y en el sistema de osmosis inversa tiene unos solidos totales disueltos

<40mg/L STD aceptables según las normas oficiales para la calidad del agua en

Colombia [Tabla 10] es decir, el tratamiento convencional de agua aplicado en la

PTAP El Dorado y el sistema de desalinización por osmosis inversa aplicado en

Jebel Ali, son aptas para el consumo humano según la normatividad colombiana.


33

Clasificación

IRCA (%) Nivel de Riesgo IRCA mensual (acciones)

80.1 - 100 INVIABLE

SANITARIAMENTE

Agua no apta para consumo humano, gestión directa de

acuerdo a su competencia de la persona prestadora,

alcaldes, gobernadores y entidades del orden nacional.

35.1 - 80 ALTO

Agua no apta para consumo humano, gestión directa de

acuerdo a su competencia de la persona prestadora y de

los alcaldes y gobernadores respectivos.

14.1 - 35 MEDIO Agua no apta para consumo humano, gestión directa de

acuerdo a su competencia de la persona prestadora.

5.1 - 14 BAJO El agua no es apta para el consumo humano y es

susceptible de mejoramiento.

0 - 5 SIN RIESGO El agua es apta para el consumo humano y se debe

continuar la vigilancia

Tabla 9. IRCA, Fuente: Resolución 2115 de 2007

Requisitos Valor

Color, expresado en unidades de la escala Pt-Co, máx. 15

Olor y sabor Inobjetable

Turbiedad, expresada en unidades nefelométricas de turbiedad UNT, máx. 2

Sólidos totales, expresado en mg/l, máx. 200

Tabla 10. Solidos totales, Fuente: NTC 2005

Ambos sistemas de desalinización producen impacto ambiental, por un lado, el

sistema convencional de la PTAP El Dorado, en su fase de coagulación utiliza

sales metálicas como el sulfato de aluminio, que provoca una descomposición de

la alcalinidad del agua, generando así un precipitado que se sedimenta formando

un lodo que afecta al medio ambiente por su contenido de materia orgánica,

microorganismos y metales pesados. Adicionalmente en algunas ocasiones

manejan la cloración en el proceso de desinfección, utilizando cloro o algunos de


34

sus derivados y su interacción con el agua puede producir los trihalometanos que

son compuestos cancerígenos que afectan al ser humano o animales que

consuman esta agua.

Por otro lado, el sistema de osmosis inversa genera un impacto ambiental en el

pretratamiento, afectando a las plantas que están dentro del área de influencia,

por ello se dice que, analizando los resultados obtenidos, la osmosis inversa es el

proceso más aplicable en cuanto a producción, energía consumida, en las fuentes

de abastecimiento, sin olvidar que se tiene que seguir mejorando dicho sistema de

producción para que sea sustentable. (Isiordia, Enríquez, & Fernández, 2012).

Hay que mencionar además el vertimiento de la Salmuera al mar, a nivel mundial

no existe normatividad vigente referente al proceso de desalinización de aguas

marinas y salobres, que regule o controle los impactos ambientales al medio

marino que pudiesen generar sus productos y desechos (González y Dévora

2009). Más sin embargo Bleninger et al. (2010) señala que los sistemas de

descargas de salmuera eventualmente no se ubican correctamente y no están

optimizados respecto a las condiciones de mezcla y la distribución de sustancias

(Dévora 2013). Creando impactos ambientales negativos y problemas de

funcionamiento de la planta desalinizadora (Lattemann 2010).


35

4. CAPITULO IV – CONCLUSIONES

En la osmosis inversa se obtuvo un mayor requerimiento de potencia, debido a

que maneja muchos procesos mecánicos, a diferencia del sistema convencional

que requiere menos potencia debido a que la mayoría de sus procesos son

hidráulicos

La tecnología de desalinización por osmosis inversa aplicada en Dubái es más

costosa que el sistema convencional de Bogotá, debido a que el proceso de

osmosis inversa incrementa el costo debido al pretratamiento que se le realiza al

agua como a la remineralización y el mantenimiento de los equipos.

En cuanto al impacto ambiental, ambas generan una marca negativa en la

purificación del agua, sin embargo las nuevas tecnologías e investigaciones no

prácticas están encaminadas para reducir este riesgo. El vertimiento de la

salmuera, se está dando en corrientes marina para generar una dispersión de la

misma y no una sedimentación, lo cual disminuye el impacto negativo en el

ecosistema en el cual se vierte.

La osmosis inversa y el tratamiento convencional cumplen con la normatividad

colombiana de calidad de agua sin embargo la osmosis inversa utiliza un proceso

de micro filtración y nano filtración muy potente a diferencia del sistema

convencional, ya que hace que se retenga cualquier partícula disuelta en el agua,

como metales pesados entre ellos plomo, cadmio y zinc y deja que pase

únicamente la molécula de agua, presentado una ventaja ya que elimina partículas

nocivas para salud.

En conclusión, se puede dar una posible solución al problema de

desabastecimiento de agua potable en la región Guajira en zonas aledañas a la

costa, implementando una planta desalinizadora por osmosis inversa, de acuerdo

al análisis comparativo en cuanto a energía consumida, costo, calidad e impacto

ambiental, en donde dos variables son favorables frente al sistema convencional y

adicionalmente otro factor aprovechable es la localización geografía ya que la


36

Guajira es un lugar desértico, el cual presenta una evapotranspiración muy alta y

se encuentra cerca al mar.

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