Guia Desalacion

Gua de Desalacin: aspectos tcnicos y sanitarios en la produccin de agua de consumo humano

INFORMES, ESTUDIOS E INVESTIGACIN 2009

MINISTERIO DE SANIDAD Y POLTICA SOCIAL

Edita y distribuye: MINISTERIO DE SANIDAD Y POLTICA SOCIAL Secretara General Tcnica Centro de Publicaciones Paseo del Prado, 18. 28014 Madrid

NIPO: 351-09-040-4 Depsito Legal: BI-2436-2009 Maquetacin e Impresin: Composiciones Rali, S.A.

Gua de Desalacin: aspectos tcnicos y sanitarios en la produccin de agua de consumo humano

ndice

Equipo de trabajo 9

1. Introduccin 15

1.1. La desalacin del agua 16

1.2. Datos sobre desalacin en Espaa 17

2. Captacin y origen de las aguas destinadas a la desalacin 21

2.1. Agua de mar 21

2.2. Contaminacin de las aguas marinas 23

2.3. Aguas continentales con exceso de algunos iones o contaminantes 26

2.4. Aguas salobres 28

2.5. Aguas residuales depuradas 29

2.6. Captacin del agua 29

3. Pretratamiento 31

3.1. Pretratamientos para los procesos de desalacin por membranas 31

3.2. Pretratamiento mediante membranas 40

3.3. Pretratamientos para procesos de destilacin/evaporacin 49

4. Tcnicas de desalacin 53

4.1. Tecnologas de membrana 54

4.1.1. smosis inversa 54

4.1.2. Nanofiltracin 67

4.1.3. Electrodilisis 68

4.2. Otras tecnologas de desalacin. Tcnicas de destilacin 73

5. Postratamiento 83

5.1. Eliminacin de CO2 o descarbonatacin 83

5.2. Intercambio inico 84

5.3. Acondicionamiento qumico 93

6. Mantenimiento, limpieza y conservacin 99

6.1. El manual de operacin y mantenimiento 99

6.2. Toma de datos de funcionamiento y registro de control 100

6.3. Limpieza de membranas 100


7. Sustancias y materiales 113

7.1. Sustancias o preparados qumicos empleados en procesos de

desalacin y otros tratamientos del agua mediante la utilizacin

de membranas 113

7.2. Productos y materiales de construccin en contacto con el agua 120

7.3. Informacin adicional 133

8. Controles especficos de la calidad del agua en plantas en produccin 137

8.1. Control del proceso 138

8.2. Controles especficos de la calidad del agua producto 149

9. Casos particulares: industria alimentaria y equipos domsticos 155

9.1. Industria alimentaria y afines 155

9.2. Equipos domsticos 159

10. Posibles incidencias en las plantas de desalacin 171

10.1. Alteraciones de la calidad del agua bruta 172

10.2. Dao estructural en el mdulo de smosis inversa 175

10.3. Incidencias debidas a la presencia de agentes qumicos de

limpieza en el permeado 177

11. Aspectos medioambientales de la desalacin 179

11.1. Repercusiones ambientales de las desaladoras 180

11.2. Relacin de los permisos principales solicitados en desaladoras 191

12. Definiciones, acrnimos y bibliografa 195

12.1. Definiciones 195

12.2. ndice de acrnimos 201

12.3. Bibliografa 203

GUA DE DESALACIN 8

Director General de Salud Pblica y Sanidad Exterior Ildefonso Hernandez Aguado

Subdirector General de Sanidad Ambiental y Salud Laboral Fernando Carreras Vaquer

Equipo de trabajo Coordinacin:

Margarita Palau Miguel Mdico Especialista en Medicina Preventiva y Salud Pblica Ministerio de Sanidad y Poltica Social

Secretara: Jaime Roset Alvarez Doctor en Ciencias Biolgicas TRAGSATEC

Autores Por la Asociacin Espaola de Desalacin y Reutilizacin (AEDYR)

Juan Mara Snchez Ingeniero Industrial ECOAGUA INGENIEROS

Antonio Casaas Gonzlez Ingeniero industrial Dow Chemical Ibrica S.L. Divisin Dow Water and Process Solutions

Manuel Ramn Garca Snchez-Colomer Doctor en Ciencias Biolgicas rea de Ingeniera Ambiental. CEDEX (Ministerio de Fomento)

Antonio Jos Zarzo Martnez Licenciado en Ciencias Qumicas Nalco Espaola S.A.


Por la Asociacin Espaola de Empresas de Tratamiento y Control de Aguas (AQUAESPAA)

Manuel Gonzalo Prez Perito Industrial - Ingeniero T. Qumico Consultor Ambiental

Silvia Gallego Lpez Licenciada en Ciencias Ambientales Genesys Membrane Products S.L.

Jorge Marc Gratacs Ingeniero Qumico CILIT S.A.

Por la Asociacin Espaola de Abastecimiento y Saneamiento (AEAS)

Beln Benito Martnez Ingeniera de Caminos, Canales y Puertos Canal de Isabel II

Lorenzo Monforte Monlen Doctor en Ciencias Qumicas Grupo Aguas de Valencia

Nicols Urgoiti Moinot Licenciado en Ciencias Qumicas Empresa Municipal de Aguas de Mlaga

Mara Roco Prez Recuerda Doctora de Ciencias Biolgicas Empresa Municipal de Aguas de Mlaga

Rafael Aznar Moz Licenciado en Farmacia AQUALIA, Gestin Integral del Agua, S.A.

Francisco Luque Montilla Ingeniero Industrial Aiges de Barcelona S.A.

Leopoldo Guerrero Gallego Licenciado en Ciencias qumicas

Por TRAGSATEC

Jaime Roset lvarez Doctor en Ciencias Biolgicas TRAGSATEC

GUA DE DESALACIN 10

Revisores

Miguel Torres Corral

Ingeniero de Caminos, Canales y Puertos Centro de Estudios Hidrogrficos. (CEDEX) AEDYR

Fernando Valero Cervera Ldo. en Farmacia y Doctor en Medicina Aiges Ter Llobregat AEAS

Lorenzo Monforte Monlen Doctor en Ciencias Qumicas Grupo de Aguas de Valencia AEAS

Jose Mara Oliver Ingeniero Industrial DEISA AQUAESPAA

Colaboradores Carlos Molina Herrero

Licenciado en Ciencias Qumicas TRAGSATEC

Esperanza Guevara Alemany Mdico Especialista en Medicina Preventiva y Salud Pblica Ministerio de Sanidad y Poltica Social


Agradecimientos

En este apartado queremos dar las gracias expresas a la Direccin de Normalizacin de la Asociacin Espaola de Normalizacin AENOR, en especial a Gonzalo Sotorro y Sonia Fernndez por su ayuda en la bsqueda de normas relacionadas con sustancias para el tratamiento y con materiales en contacto con el agua de consumo.

GUA DE DESALACIN 12

Presentacin

El control sanitario del agua de consumo humano es un objetivo prioritario de la salud pblica. Las enfermedades relacionadas con la contaminacin del agua de consumo tienen una gran repercusin sobre la salud de las personas. Las medidas destinadas a mejorar la calidad del agua, mejoran significativamente la salud y por ello la finalidad principal de esta gua es la de elevar la proteccin de la salud pblica.

Esta gua describe los requisitos mnimos en el mbito de la desalacin que constituyen prcticas seguras para proteger la salud de los consumidores.

En nuestro pas el origen del agua destinada a la produccin de agua de consumo humano procede de diversas fuentes: aguas superficiales continentales, aguas subterrneas y aguas costeras. Debido a los efectos del cambio climtico est incrementndose el uso, no solo agua de mar para las zonas costeras sino tambin el uso de aguas salobres continentales. Para este tipo de aguas, es necesario para su potabilizacin el uso de tecnologas de membranas: Osmosis inversa, Microfiltracin, Ultrafiltracin, Nanofiltracin, Electrodialisis etc.

Al tener este tipo de tecnologa una presencia muy significativa en nuestro pas, el Ministerio de Sanidad y Poltica Social, consciente de la gran importancia que est cobrando la produccin de agua destinada al abastecimiento humano por medio de la desalacin en Espaa, ha querido aportar mediante el presente trabajo informacin prctica sobre sus aspectos sanitarios y tcnicos. Esta iniciativa enlaza con el propsito del Ministerio de Sanidad y Poltica Social de destacar la importancia de los efectos que en la salud pblica tienen muchas polticas no sanitarias y por ello la necesidad de considerar estos efectos en su diseo y aplicacin.

Por estas razones es una satisfaccin presentar esta Gua sobre los aspectos sanitarios y tcnicos de la desalacin del agua destinada a la produccin de agua de consumo.

Director General de Salud Pblica y Sanidad Exterior


1. Introduccin

El presente trabajo no es un manual de desalacin ni un libro tcnico. Simplemente trata de recoger una introduccin prctica de como tienen lugar los procesos de desalacin, y de que manera incidir para salvaguardar la salubridad del agua destinada a consumo humano producida mediante estas tecnologas. La motivacin principal ha sido desarrollar una gua prctica especialmente dedicada a tcnicos sanitarios de las Comunidades Autnomas y a los abastecedores de agua de consumo.

El trabajo ha sido desarrollado durante los ltimos tres aos gracias a la participacin de especialistas del mundo de la desalacin, bajo la coordinacin del rea de Calidad Sanitaria de las Aguas de la Subdireccin general de Sanidad Ambiental y Salud Laboral de este Ministerio.

Espaa obtiene agua a travs de desaladoras desde hace ms de 30 aos, siendo un pas puntero en el desarrollo de tecnologas de desalacin, y el quinto con mayor nmero de desaladoras del mundo. En la actualidad existen ms de 700 desaladoras funcionando con una capacidad de desalacin en torno a 2.033.271 m3/da. En el marco del Programa AGUA del Ministerio de Medio Ambiente y Medio Rural y Marino, las actuaciones previstas suponen, para el 2009, un aumento de la capacidad de produccin de 1.335.200 m3/da, hasta alcanzar una capacidad total instalada prxima a los 3,4 hm3/da.

Las tecnologas de desalacin permiten un mayor ahorro y eficiencia en el uso del agua, la explotacin de recursos antes no aprovechables como el agua de mar, as como una mayor garanta de disponibilidad y de calidad en el suministro, en particular en las reas mediterrneas. En estas zonas suelen confluir diversos factores que favorecen enormemente el empleo de la desalacin. En efecto, una poblacin elevada, una gran actividad turstica, la escasez del lquido elemento y una gran demanda para regado agrcola condicionan la disponibilidad y la necesidad de nuevas fuentes de agua de gran calidad. Todo ello hace de la desalacin una nueva estrategia de abastecimiento de agua, suponiendo un importante motor de desarrollo en zonas con escasez.

Como es sabido, el agua tiene una enorme importancia econmica, social y ambiental; por lo que la desalacin del agua es un aspecto trascendente dentro de la poltica hdrica en Espaa. De igual modo, debe reconocerse la importancia prctica de trabajos como el que ahora se presenta, que servir sin duda tanto a gestores del agua, como a las autoridades competentes; contribuyendo a que los aspectos sanitarios se integren cada da ms dentro de la planificacin y la gestin hdrica, y en definitiva se proteja la salud de las personas y la del medio ambiente.


1.1. La desalacin del agua

La desalacin es el proceso de separacin de minerales disueltos (sales) y otras sustancias indeseables contenidas en las aguas salobres o marinas, para convertirlas en agua adecuada para el consumo humano, agua apta para uso industrial o agrcola.

Las tecnologas ms utilizadas a nivel mundial, son la desalacin mediante plantas de membranas semipermeables en particular mediante smosis inversa, y la destilacin.

En Espaa, actualmente se utilizan mayoritariamente los sistemas de membranas semipermeables de smosis inversa (OI), no as en los pases de oriente prximo, donde la tcnica ms utilizada sigue siendo la destilacin (evaporacin), mucho ms costosa desde el punto energtico.

A lo largo de la presente gua se describen detalladamente las principales tcnicas de desalacin, poniendo especial inters al pretratamiento o el postratamiento, en los que es preciso tratar el agua mediante procedimientos fsico qumicos modificando sus caractersticas y su calidad, con la finalidad de adecuarla al proceso de desalacin al que se somete, o para su potabilizacin y distribucin como agua de consumo humano.

Otro aspecto relevante que se trata en la presente gua, est referido a los productos de construccin y a las sustancias qumicas empleadas en los procesos de desalacin. A fin de orientar tanto a las autoridades competentes, a los gestores de las plantas, como a los productores y suministradores de productos y materiales, se establecen unas recomendaciones y unos criterios bsicos para su seleccin y para que estn correctamente documentados ante una eventual inspeccin sanitaria.

Otro aspecto de gran relevancia es la limpieza de las membranas. Se ofrecen diversas recomendaciones para llevarlas a cabo de la forma ms segura y adecuada posible.

Se dedica un captulo completo a la prevencin de incidencias en las plantas de desalacin, otorgando especial importancia a los aspectos sanitarios. Tampoco se dejan de lado los aspectos medioambientales, para los que ya existen textos especficos, pero que se consideran deben formar parte tambin de una gua como esta.

Por ltimo, parte del texto se dedica a ofrecer recomendaciones prcticas de como conseguir que el agua desalada respete la calidad legalmente establecida en el Real Decreto 140/2003.

GUA DE DESALACIN 16

1.2. Datos sobre desalacin en Espaa

A modo de referencia, se ofrecen los datos oficiales publicados en el anuario de la Asociacin Internacional de Desalacin. Corresponden a noviembre de 2008.

Figura 1. Capacidad de desalacin instalada en Espaa. Fuente IDA,

noviembre 2008


Figura 2. Las mayores desaladoras en Espaa por su capacidad. Fuente IDA,

noviembre 2008

Figura 3. Los 10 mayores abastecedores de agua desalada por capacidad de

produccin. Fuente IDA, noviembre 2007

1) Acciona 959,851 m3/d (72 plants)

2) Suez 870,676 m3/d (64 plants)

3) Ferrovial 581,995 m3/d (26 plants)

4) ACS 533,083 m3/d (88 plants)

5) Sacyr Vallehermoso 368,800 m3/d (34 plants)

6) Abengoa 275,000 m3/d (3 plants)

7) GE 267,470 m3/d (79 plants)

8) Veolia Environment 252,235 m3/d (135 plants)

9) FCC 228,420 m3/d (27 plants)

10) OHL 222,540 m3/d (14 plants)

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Figura 4. Evolucin de la capacidad de desalacin del agua en Espaa.

Fuente IDA, noviembre 2007

La puesta en marcha de grandes desaladoras no se ha detenido desde que a mediados de los aos 60 se hiciese la primera en la isla de Lanzarote (Islas Canarias).

En Espaa en los ltimos aos se han realizado grandes inversiones en plantas de smosis inversa. En este sentido, uno de los logros ms importantes que ha favorecido tal desarrollo, fue conseguir la normalizacin de las membranas, favorecindose la competencia y la bajada de precios de la tecnologa y del agua producida.


2. Captacin y origen de las aguas destinadas a la desalacin

Diversas regiones de la geografa espaola, en particular en las zonas costeras del litoral mediterrneo, sufren escasez de precipitaciones, reciben una poblacin turstica importante y demandan grandes cantidades de agua para el regado, para usos recreativos y para consumo humano. Este cmulo de circunstancias produce un dficit hdrico permanente, que se agrava en pocas de sequa, por lo que en muchos casos se hace necesario recurrir a la desalacin.

La desalacin se aplica tanto a aguas salobres como a las de mar. El empleo de la tecnologa de membranas con aguas continentales tiene una finalidad correctora ms que desalinizadora.

Para producir agua desalada pueden considerarse los siguientes orgenes:

Agua de mar. Aguas continentales con exceso de algunos iones. Aguas salobres. Aguas procedentes de EDAR urbanas o industriales.

Figura 5. Mapa pluviomtrico de la

Pennsula Ibrica. Valores medios

anuales

Fuente: Ninyerola M, Pons X y Roure JM. 2005. Atlas Climtico Digital de la Pennsula Ibrica. Metodologa y aplicaciones en bioclimatologa y geobotnica. ISBN 932860-8-7. Universidad Autnoma de Barcelona, Bellaterra. http://www. opengis.uab.es/wms/iberia/index.htm

2.1. Agua de mar

La composicin del agua del mar vara segn su origen o segn las caractersticas marinas, siendo de mayor concentracin de sales en lugares clidos con poca renovacin como en el Mediterrneo, y menor en lugares semi-


1

Tabla 1. Composicin y caractersticas tpicas del agua de mar1

Parmetro Intervalos de referencia

Temperatura, C

pH

Sales disueltas, mg/L

Conductividad, S/cm (a 20 C)

15 35

7,9 8,1

30.000 45.000

44.000 58.000

Bicarbonatos, mg/L

Sulfatos, mg/L

Cloruros, mg/L

Bromuros, mg/L

Nitratos, mg/L

Fluoruros, mg/L

Boro, mg/L

120 170

2.425 3.000

17.500 21.000

59 120

0,001 4,0

1

4 6

Amonio, mg/L

Sodio, mg/L

Potasio, mg/L

Calcio, mg/L

Magnesio, mg/L

Estroncio, mg/L

0,005 0,05

9.600 11.700

350 500

375 525

1.025 1.400

12 14

Slice (SiO2), mg/L

Carbono orgnico total, mg/L

Nitrgeno orgnico, mg/L

0,01 7,4

1,2 3,0

0,005 0,03

cerrados con abundantes aportes continentales como el mar Bltico. La variabilidad de las aguas salobres puede ser an mayor en cuanto a salinidad y otros componentes. La tabla 1 resume las concentraciones medias de los constituyentes qumicos mayoritarios del agua marina, comprobndose que se trata de una solucin con una gran cantidad de sales disueltas, pero muy pobre en nutrientes (nitrgeno, fsforo y carbono).

El agua de mar es una solucin concentrada de sales inorgnicas, y sirve de hbitat a infinidad de seres vivos. El volumen ms importante de biomasa lo compone el plancton, constituido fundamentalmente por algas (fitoplancton) y animales microscpicos (zooplancton).

1 Datos obtenidos de: Custodio, E.; Llamas, M.R. 1983. Hidrologa Subterrnea. Editorial Omega, 2 edicin. Barcelona. y K. Grasshoff, K. Kremling, M. Ehrhardt. 1999. Methods of Seawater Analysis. WILEY Verlag VCH, third edition.

GUA DE DESALACIN 22

Las aguas situadas sobre la plataforma continental son generalmente verdosas debido a la presencia de clorofila y otros fitopigmentos, y por algunas sustancias aportadas por el humus soluble de origen terrestre. En la plataforma continental se encuentran la mayor parte de las algas verdes, pardas y rojas. Es con diferencia, la zona de mayor riqueza y diversidad en especies marinas. Entre la plataforma continental y la regin de alta mar, hay una transicin de aguas verde-azuladas de acusada actividad fotosinttica.

A lo lago de la gua se comprender por qu la biomasa de las aguas destinadas a la desalacin debe ser completamente eliminada.

2.2. Contaminacin de las aguas marinas

Los contaminantes que pueden acceder al medio marino con mayor facilidad son los siguientes:

Hidrocarburos. Materia orgnica, sustancias tensioactivas (detergentes), elementos

nutrientes y microorganismos aportados por las aguas residuales urbanas y ganaderas.

Metales pesados. Compuestos organohalogenados. Sustancias slidas. Por tratarse de casos muy especficos, no se considera la contamina

cin radioactiva por vertido de radioistopos, ni la contaminacin trmica. Las principales vas de entrada de la contaminacin a la plataforma

continental son los aportes fluviales y los emisarios submarinos, pero no debe desdearse la va atmosfrica y la procedente de la navegacin, especialmente en la contaminacin de aguas profundas.

Las captaciones de agua salada para las plantas desaladoras estn en la franja litoral o costera que con diferencia, es la que soporta la mayor parte de la contaminacin marina y contiene la mayor riqueza biolgica.

La contaminacin de las aguas marinas puede incidir de manera muy importante en las diversas fases del proceso de desalacin, de modo que al elegir un emplazamiento para la captacin del agua de mar, es fundamental conocer previamente su calidad y los riesgos de contaminacin presentes en la zona.

2.2.1. Contaminacin por hidrocarburos Este tipo de contaminacin procede fundamentalmente de:

Vertidos procedentes de barcos y/o de la actividad portuaria, ya sea por fugas, derrames, o por prdidas accidentales.


Vertidos procedentes de plataformas petrolferas marinas. Vertidos que llegan al mar desde los ros, emisarios submarinos, etc. Tanto el petrleo crudo como el refinado son perjudiciales para las

membranas de smosis inversa. Concretamente, el petrleo crudo contiene hidrocarburos alifticos y aromticos, as como compuestos heterocclicos y otros que contienen nitrgeno y azufre.

Muchos de los hidrocarburos alifticos son ligeramente solubles en agua, y tienen actividad neurotxica a dosis relativamente bajas. Algunos hidrocarburos aromticos, como por ejemplo el benceno, pueden ser causantes de leucemia, y el benzo()pireno puede originar cncer de piel entre otras patologas.

De los numerosos compuestos rganosulfurados como los tioles y otros de tipo heterocclico, se puede derivar sulfuro de hidrgeno, que es muy txico y con olor especialmente desagradable a muy bajas concentraciones.

En cuanto a los efectos sinrgicos, cabe destacar que los hidrocarburos tienen un efecto solubilizante de los plaguicidas organohalogenados que por si mismos son muy poco solubles en agua.

Los hidrocarburos, aun los ms inocuos, pueden causar importantes trastornos y daos debido a su accin fsica recubriendo estructuras, as como a la flora y a la fauna bentnicas.

2.2.2. Contaminacin por aguas residuales urbanas y ganaderas

Las aguas residuales urbanas y agrcola-ganaderas aportan al medio marino, materia orgnica diversa, sustancias tensioactivas (detergentes), nutrientes (carbono, nitrgeno y fsforo) y microorganismos, siendo estos ltimos los que tienen mas probabilidades de estar presentes en el agua de captacin de una instalacin desaladora. Es correcto suponer que la casi totalidad de los microorganismos patgenos de origen humano y animal que potencialmente podran estar presentes en las aguas marinas, son transportados hasta el mar por los vertidos de aguas residuales urbanas o ganaderas.

Los tensioactivos o detergentes, tanto por si mismos como por su accin dispersante y emulsionante, son siempre a tener en cuenta a la hora de establecer el punto de captacin de agua de mar de la desaladora. Tambin deben tenerse en cuenta los aditivos que suelen incorporar los detergentes como polifosfatos, colorantes, etc. Los detergentes se encuentran especialmente en aguas costeras que son las ms importantes para las instalaciones desaladoras.

GUA DE DESALACIN 24

La entrada de aguas residuales al mar supone el aporte de sales minerales nutritivas que da lugar a una sobreabundancia de N y P, que altera la relacin ideal N/P, especialmente en zonas de estuario. La eutrofizacin tiene un efecto de aumento de poblaciones de fitoplancton en mucha mayor medida que las de zooplancton, al tiempo que ahuyenta a los consumidores de los niveles superiores de la cadena trfica, lo que supone una distorsin en el ecosistema. Por otra parte, se produce un notable aumento del detritus orgnicos sedimentados sobre el fondo, y cuya descomposicin consume gran parte del oxgeno disuelto del agua, dando lugar a fenmenos de reduccin qumica, y a una severa limitacin de las formas vivas que puede quedar reducida a determinadas especies de microorganismos. Asimismo, el vertido de aguas muy cargadas de nutrientes y a la vez calientes, puede desencadenar un fenmeno de mareas rojas debidas a la proliferacin de ciertos tipos de dinoflagelados capaces de generar diversos tipos de biotoxinas.

Las bacterias de las aguas residuales estn mayoritariamente asociadas a partculas orgnicas o minerales en suspensin, y la dispersin en el medio marino receptor es funcin de la talla de dichas partculas. La fraccin de partculas con mayor talla-peso sedimenta, junto con los microorganismos, relativamente cerca del punto de vertido; sin embargo la fraccin de partculas ms pequeas ser arrastrada a puntos ms alejados. La mayor parte de la carga de microorganismos ser la asociada a las partculas ligeras que adems se mantendr en un estrato superior debido a menor densidad del agua dulce respecto a la salada.

Mediante estudios experimentales se ha podido comprobar que el nmero de microorganismos que inicialmente se encuentran en el agua residual (2-3 millones de microorganismos/litro) disminuye, una vez en el mar, mucho ms rpidamente de lo que cabra esperar por la simple dilucin. La constatacin de este hecho llev a la conclusin de que el agua de mar posea una capacidad o poder antisptico autodepurador. La capacidad autodepuradora, que es mxima en el agua de mar fresca, disminuye mucho si el agua se filtra y desaparece si el agua se esteriliza o si envejece por largo tiempo de almacenamiento. La experiencia demuestra que las bacterias patgenas de organismos terrestres son destruidas tras un tiempo de supervivencia, que puede oscilar de 24 horas a ms de una semana. En definitiva, las aguas de mar captadas para desalar pueden contener microorganismos patgenos como bacterias, hongos, protozoos, parsitos y virus que deben ser eliminados durante el proceso.

Bajo determinadas circunstancias y como se desarrolla ms adelante, en el pretratamiento puede aadirse un desinfectante (a menudo cloro), para prevenir el ensuciamiento debido al crecimiento de microorganismos en los procesos de desalacin, tratamiento que puede resultar incompatible con la composicin de determinados tipos de membranas.


2.2.3. Otros contaminantes

La presencia de metales pesados en aguas costeras se debe al drenaje natural, por escorrenta o aportes fluviales, al propio sustrato geolgico de la zona, o a vertidos de aguas residuales sobre todo de tipo industrial. Los metales pesados tienden a asociarse a las partculas en suspensin formando complejos con las materias orgnicas, y a ser adsorbidos por crustceos planctnicos, as como por algas. Unos factores como la existencia de finas partculas en suspensin (turbidez), de detergentes, de agentes quelantes, etc., facilitarn la presencia de los metales en solucin y en la superficie, mientras que otros como partculas slidas gruesas, algas, crustceos, etc., tendern a depositarlos en los fondos marinos. La existencia de metales pesados en la superficie de las aguas costeras es la ms peligrosa para las plantas de desalacin. El mercurio, transformado por ciertas bacterias aerobias en metil-mercurio, puede ser acumulado en grandes cantidades por los seres marinos de los niveles mas altos de la cadena trfica, constituyendo un serio peligro para el hombre si llega a consumirlos. En el caso del mercurio el transporte atmosfrico es tambin de importancia.

Bajo la denominacin de sustancias organohalogenadas se engloban sustancias tales como plaguicidas organohalogenados, plastificantes como los PCB, monmeros de plsticos como el cloruro de vinilo, etc., que se caracterizan por ser molculas muy estables y poco biodegradables. El transporte atmosfrico es especialmente importante con estas sustancias, lo que hace que, adems de en las aguas costeras, puedan encontrarse en puntos muy alejados de su origen.

Al mar pueden llegar una gran diversidad de sustancias slidas, como escombros, basuras, objetos flotantes, etc., no obstante son los lodos los slidos de mayor inters ecolgico. En efecto, los lodos pueden ser de origen industrial, de origen urbano, o procedentes de tareas de dragado portuario. Aunque de composicin diversa, los lodos presentan como caracterstica comn incrementar la fraccin fina en el conjunto de la granulometra de los fondos. El vertido de los lodos se lleva a cabo casi siempre en superficie por lo que originan un aumento de la turbidez, factor de gran importancia que ha de tenerse en cuenta en las captaciones de agua de mar.

2.3. Aguas continentales con exceso de algunos iones o contaminantes

En las aguas continentales es posible encontrar diversos grados de salinidad y una composicin qumica an ms variable que en el agua de mar.

GUA DE DESALACIN 26

Tabla 2. Sustancias o factores de origen natural potencialmente presentes en

las aguas

Sustancias o factores

Materia en suspensin (turbidez).

Color, olor, precursores de THM,

microcistinas, etc.

Arsnico, mercurio, selenio,

estroncio, radiactividad.

Hierro, manganeso.

Amonio.

2-Salinidad (Cl-, SO , Na+, Mg2+, F-). 4

Causa probable o posible

Agotamiento del acufero por sequa, crecidas de

ros por efecto de las lluvias, escorrenta tras los

incendios.

Sustancias hmicas, algas y cianobacterias.

Naturaleza y estructura de los suelos.

Naturaleza y estructura de los suelos, o ambientes

reductores.

Origen fsil o ambientes reductores.

Naturaleza y estructura de los suelos y origen

fsil.

Por ejemplo, en algunas regiones, existen aguas cuya salinidad global es inferior a 1 g/L, pero que presentan una alta concentracin de algunos iones como nitratos, sulfatos, calcio o magnesio, o algunos contaminantes; lo que impide que puedan ser transformadas en agua apta para consumo humano por medio de tratamientos convencionales. En estos casos, la aplicacin de la tecnologa de desalacin permite aprovechar estos recursos hdricos para el abastecimiento humano. Frecuentemente se trata de aguas de origen subterrneo, aunque tambin pueden ser superficiales.

La tabla 2 resume las sustancias o especies de origen natural que pueden encontrarse o acompaar a una fuente de agua continental superficial o subterrnea, y que pueden plantear problemas respecto al cumplimento de la legislacin vigente.

La tabla 3 agrupa, los contaminantes que pueden encontrarse en aguas continentales, y que con mayor frecuencia pueden acarrear problemas en el proceso de desalacin.


Tabla 3. Contaminantes ms frecuentes

Sustancias o contaminantes

en el agua Causa u origen

Materia en suspensin. Arrastres por agotamiento del acufero por sobre-

explotacin.

Sales disueltas. Intrusin marina en el acufero por sobreexplota

cin. Vertidos salinos.

Nitratos y nitritos. Uso masivo de fertilizantes nitrogenados, o infil

traciones de aguas fecales procedentes de fosas

spticas o de explotaciones ganaderas. Mala ges

tin de los residuos ganaderos.

Amonio. Infiltraciones de aguas fecales procedentes de

fosas spticas o de explotaciones ganaderas.

Halogenuros orgnicos (Yodo o Por contaminacin difusa debida a antiguas prc

bromo orgnico). ticas agrcolas (empleo como herbicidas).

Plaguicidas. Uso masivo de plaguicidas (herbicidas, insectici

das) en la agricultura.

Disolventes orgnicos, Vertidos industriales y/o urbanos.

hidrocarburos, aceites, grasas.

Metales pesados, Cromo Vertidos industriales.

hexavalente y cianuros.

Radiactividad. Contaminacin artificial y natural.

Detergentes. Vertidos de aguas residuales urbanas. Vertidos

industriales.

Bacterias, virus, hongos, Infiltraciones de aguas fecales procedentes de

protozoos. fosas spticas o de explotaciones ganaderas, etc.

2.4. Aguas salobres

Se considera que el agua es salobre cuando su concentracin de sales disueltas se encuentra en el intervalo de 1 a 10 g/L. Aunque el agua salobre puede ser de origen superficial, generalmente procede de acuferos costeros en contacto directo con el mar. Los acuferos de aguas salobres de origen fsil completamente aislados del mar, son tambin potencialmente tiles en la desalacin.

GUA DE DESALACIN 28

El tratamiento previo que precisan estas aguas (pretratamiento) es uno de los problemas ms importantes a los que se enfrentan las tcnicas de desalacin; ya que presentan caractersticas y composicin muy variable. A lo largo de los captulos siguientes, se ofrecen recomendaciones al respecto.

Por definicin, las aguas salobres de procedencia subterrnea tienen una elevada carga de sales minerales. Adicionalmente, pueden contener otros elementos capaces de ensuciar y atascar las membranas; como sucede con los coloides, el hierro, el manganeso, los compuestos orgnicos voltiles (COVs), bacterias anaerobias del tipo Clostridium spp., etc.

Cuando las aguas son de procedencia superficial, pueden presentar mayor cantidad de slidos en suspensin, materia orgnica de origen natural, algas, color, flora bacteriana muy variada, etc. Generalmente su composicin qumica es ms variable a lo largo del tiempo, lo que representa una dificultad aadida en los procesos de desalacin.

En resumen, las aguas salobres pueden presentar tanto problemas propios de las aguas de mar, como los propios de aguas continentales subterrneas o superficiales. Con la finalidad de afrontar con xito todos estos inconvenientes, el diseo de la fase de pretratamiento debe estar precedido por un estudio analtico y biolgico del agua muy completo.

2.5. Aguas residuales depuradas

Hoy por hoy, las aguas residuales depuradas no se contemplan como fuente directa para producir agua potable; pero s pueden ser regeneradas para otros usos. Sin embargo, la elevada salinidad que en ocasiones presentan, las hace inadecuadas para su reutilizacin como aguas de riego o para recarga de acuferos. En estas circunstancias, la aplicacin de la desalacin constituye un posible tratamiento terciario que facilita su regeneracin y su reutilizacin.

La fase de pretratamiento deber estar adaptada a las caractersticas particulares de este tipo de aguas.

2.6. Captacin del agua

Se distinguen dos procedimientos bsicos de captacin: Captacin cerrada (pozos profundos, pozos playeros, drenes hori

zontales, cntaras ...). Captacin abierta (captacin superficial, torres sumergidas, escolle

ra ...).


La tabla 4 resume las caractersticas de ambos procedimientos de captacin.

Tabla 4. Tipos de captaciones para desalacin

Captacin cerrada Captacin abierta

Agua limpia como consecuencia de la Contenido en slidos en suspensin accin filtrante del terreno. importante y variable.

Mnima actividad orgnica o biolgica. Importante actividad biolgica y presen Baja concentracin de oxgeno disuelto. cia de materia orgnica. Temperaturas estables. Mayor exposicin a la contaminacin. Posible presencia de importantes con Importante concentracin de oxgeno centraciones de hierro, manganeso, sli disuelto.

ce y aluminio. Composicin qumica muy variable. Posible contaminacin por nitratos y Posible presencia de gran variedad de plaguicidas. contaminantes.

Composicin qumica bastante estable Temperaturas ms variables. aunque sujeta a variaciones temporales

o estacionales por contacto con otros

acuferos.

Analizando la tabla, es fcil llegar a la conclusin de que las captaciones cerradas son preferibles a las abiertas. De hecho, estas ltimas slo se emplean cuando las primeras no son posibles de realizar.

Figura 7. Captacin abierta.

Desaladora Las Palmas III

GUA DE DESALACIN 30

Figura 6. Captacin cerrada.

Pozos playeros o costeros

3. Pretratamiento

El objeto del pretratamiento en las plantas de desalacin es adecuar las caractersticas fsico-qumicas y biolgicas del agua captada a las necesidades del proceso de desalacin, para evitar de ese modo, la corrosin, la formacin de incrustaciones y, en definitiva, el deterioro prematuro de los equipos.

El pretratamiento es una parte fundamental del proceso de desalacin, y su diseo condiciona de una manera muy importante los costes de mantenimiento y de explotacin de la planta desaladora.

Como se ver en el captulo 4, existen varios procesos de desalacin y el pretratamiento deber adecuarse a las caractersticas y requerimientos de cada uno de estos procesos.

3.1. Pretratamientos para los procesos de desalacin por membranas

En estos procesos de desalacin, la misin del pretratamiento consiste en eliminar o reducir al mximo posible el riesgo de atascamiento de las membranas por acumulacin de sustancias, materiales y microorganismos sobre su superficie. Este tipo de atascamiento reduce la vida y la eficiencia de las membranas, ya que empeora la calidad del agua tratada y produce un incremento de la presin necesaria para su funcionamiento.

Como se describi en el anterior captulo, la procedencia del agua de entrada es muy importante a la hora de disear el pretratamiento de una planta de membranas. En general, se indic que el agua de origen superficial requiere un pretratamiento ms complejo que el agua de origen subterrneo.

Para los procesos de membranas los objetivos del pretratamiento son los siguientes:

Eliminar los slidos en suspensin. Evitar la precipitacin de xidos metlicos. Evitar la precipitacin de sales minerales. Reducir el contenido de materia orgnica del agua. Eliminar o reducir la actividad biolgica del agua de entrada.


Silt Density Index, ndice de fouling o ndice de atascamiento (SDI SDI15). Es una medida indirecta de la presencia de materia particulada o coloidal en el agua capaz de colmatar o atascar las membranas. Se obtiene de forma emprica mediante la frmula:

t 1 1 100 t 2 SDI15 = 15 Siendo t y t los tiempos de filtracin inicial (t ) y despus de 15 minutos (t ), para 1 2 1 2 pasar 500 mL de agua a travs de un filtro de 0,45 m a 2,1 bares de presin.

Norma: D4189-95R02 Test Method for Silt Density Index (SDI) of Water.

El SDI es una medida que indica el potencial de atascamiento de un agua,

debido a las partculas coloidales mayores de 0,45 m, y que se correlaciona

con el ensuciamiento de las membranas empleadas en desalacin, teniendo

en cuenta que por cada unidad de incremento del SDI, se corresponde a un

incremento geomtrico de la masa de materias depositadas capaces de ensu

ciar las membranas.

El valor mximo del SDI15 generalmente admitido por los fabricantes de las

membranas es 5. No obstante, estar condicionado al diseo de la instala

cin y a las instrucciones concretas del fabricante.

Es decir, para que no haya problemas de atascamiento por coloides en las

membranas, este ndice ha de ser lo ms bajo posible. El SDI del agua sub

terrnea es normalmente ms bajo que en el agua superficial.

Slidos en suspensin

Las partculas en suspensin pueden provocar el atascamiento de las membranas al ser retenidas en su superficie por filtracin mecnica.

Para valorar el atascamiento que puede producir las sustancias coloidades del agua, se utiliza el SDI15 (Silt Density Index) o ndice de fouling. (Vase cuadro adjunto).

Con la misma finalidad, la tendencia futura es a realizar mediciones de recuento de partculas en el agua antes de la entrada a las membranas.

Otras causas de atascamiento se deben a la presencia de ciertas materias orgnicas en el agua, o porque contenga aceites o grasas.

xidos metlicos

Los xidos metlicos que se encuentran con ms frecuencia en el agua son los xidos de hierro, manganeso y aluminio.

GUA DE DESALACIN 32

El hierro puede encontrarse en el agua en las formas ferrosa y frrica, siendo lo ms probable que coexistan ambas. El hierro ferroso es soluble y no causar problemas ya que ser rechazado por las membranas como cualquier otro catin. El hierro frrico suele proceder de la oxidacin de la forma ferrosa o de la corrosin de estructuras metlicas degradadas. Por ser insoluble es susceptible de acumulacin que atascara las membranas, siendo lo ms adecuado eliminarlo en el pretratamiento mediante oxidacin total con cloro y filtracin.

El manganeso puede encontrarse en el agua en los estados de oxidacin II y IV. El primero es soluble y ser rechazado por las membranas sin causar problemas, sin embargo, el Mg IV es insoluble y causara problemas de acumulacin y atascamiento de membranas, por lo que se deber eliminar en el pretratamiento.

El aluminio es un metal anftero1 cuya solubilidad en el agua es mnima a un pH de 6,6. La presencia del aluminio en el agua puede ser debida a dos causas distintas. La primera es que se encuentre disuelto en el agua de forma natural, y la segunda y ms habitual; que proceda del uso de coagulantes de este metal en el pretratamiento de la propia planta, indicando, en tal caso, un funcionamiento incorrecto de la coagulacin-filtracin. El aluminio puede precipitar como hidrxido si se supera su producto de solubilidad o si se modifica el pH del agua. En combinacin con slice da lugar a aluminosilicatos y tambin forma una capa impermeable sobre la membrana.

Precipitacin de sales

La precipitacin de sales en las membranas se produce cuando su concentracin en el agua de rechazo supera el producto de solubilidad. Las sales que normalmente pueden crear problemas de precipitaciones son los sulfatos de calcio, bario y estroncio, el carbonato de calcio, el fluoruro de calcio y la slice. Para conocer el riesgo de precipitacin de una sal determinada, hay que tener en cuenta su concentracin en el agua de entrada, la conversin de la planta de membranas y el producto de solubilidad. En la tabla n 5 se agrupan las solubilidades y los pKps de las especies qumicas con mayor probabilidad de existencia en las condiciones de trabajo habituales en una planta de smosis inversa.

1 Anftero: que presenta a la vez propiedades cidas y bsicas.


Tabla 5. Solubilidad en gramos de sal /100 g agua y pK 2 de las sales de mayor ps inters en desalacin

Sal Frmula Solubilidad

a 20C

Solubilidad

a 30C pK (25C) ps

Hidrxido de aluminio

Fosfato de aluminio

Al(OH)3 AlPO4

0,00015 33,5

20

Carbonato de bario BaCO3 0,0022 0,0024 8,6

Sulfato de bario BaSO4 2,4 x 10-4 2,85 x 10-4 10

Carbonato clcico

Bicarbonato clcico

Fluoruro clcico

Fosfato clcico

Sulfato clcico

CaCO3 Ca(HCO3)2

CaF2 Ca (PO )3 4 2

CaSO4

0,0014

16,35

0,0016

0,0020

0,2010

16,60

0,0017

0,2090

8,32

10,5

32,7

5,0

Hidrxido ferroso Fe(OH)2 16,3

Sulfuro ferroso FeS 18,1

Hidrxido frrico Fe(OH)3 38,6

Fosfato frrico dihidrato FePO .2H O 4 2 15

Carbonato de plomo PbCO3 0,00011 13,1

Fluoruro de plomo PbF2 0,064 0.068 7,5

Sulfato de plomo PbSO4 0,0041 0.0049 7,6

Fosfato de NH + y Mg 4 MgNH PO4 4 12,6

Carbonato de magnesio MgCO3 4,58

Fluoruro de magnesio MgF2 insoluble 8,15

Hidrxido de magnesio Mg(OH)2 insoluble 10,9

Fosfato de magnesio Mg (PO4)3 2 24

Hidrxido de manganeso Mn(OH)2 13,4

Carbonato de estroncio SrCO3 0,001 9,25

Sulfato de estroncio SrSO4 0,0114 6,42

Carbonato de cinc ZnCO3 0,001 9,84

2

Control por antiincrustantes

Para evitar la precipitacin de sales, tales como los sulfatos, carbonatos, fluoruro clcico, slice y xidos metlicos, que pueden precipitar al aumentar su concentracin en el interior de las membranas, se utilizan productos antiincrustantes. Este tipo de sustancias acta sobre la formacin de crista

2 pK = - log K , siendo K , la constante del producto de solubilidad. ps ps ps

GUA DE DESALACIN 34

les limitndolo, al mantener los iones en sobresaturacin en el agua concentrada.

Para calcular las dosis de antiincrustante hay que consultar con los fabricantes, que recomendarn el tipo de productos a utilizar y la dosis adecuada.

Materia orgnica

El atascamiento de los elementos de membranas por materia orgnica, ocurre cuando queda adherida en sus diferentes superficies. La materia orgnica que puede provocar este atascamiento puede ser de origen natural procedentes del humus vegetal (lavado de turbas, cidos hmicos y tnicos, etc.) que suelen trasmitir color; o proveniente de la contaminacin, como sera el caso de los aceites, grasas y otros compuestos orgnicos. Estas sustancias se deben eliminar en el pretratamiento.

Actividad biolgica del agua

Los crecimientos microbiolgicos en las membranas ocurren cuando el agua de aportacin contiene los microorganismos y los nutrientes necesarios para permitir un rpido desarrollo sobre la superficie del elemento. Si las membranas no son biodegradables, esta proliferacin microbiolgica produce efectos similares a un atascamiento provocado por sustancias coloidales. Cuando son biodegradables, los microorganismos son capaces de destruir la capa activa de estas membranas, que de este modo pueden llegar a perder sus propiedades.

Presencia de gases disueltos

Otras causas de atascamiento de las membranas, aunque poco frecuentes, son la formacin de azufre elemental y sulfuros metlicos. En efecto, como consecuencia de la baja concentracin de oxgeno disuelto caracterstica de las aguas subterrneas, pueden contener sulfuro de hidrgeno soluble que pasar a azufre elemental insoluble como consecuencia de procesos de oxidacin naturales o aplicados en el pretratamiento. Si el agua que contiene sulfuro de hidrgeno no se oxida en el pretratamiento, no se producir atascamiento alguno ya que el gas se difunde a travs de las membranas, pudindose eliminar en el postratamiento.

3.1.1. Pretratamientos fsico-qumicos Los pretratamientos fsico-qumicos de las aguas que alimentan a las plantas de desalacin con membranas, son procesos unitarios de tratamiento muy


similares a los empleados en las ETAP, aunque los requerimientos de ciertos valores paramtricos del agua pretratada, son ms exigentes que los demandados para el tratamiento convencional de las aguas de consumo humano.

Los procesos de pretratamiento ms utilizados en las plantas de membranas son los siguientes:

Acidificacin Dosificacin de inhibidores de la incrustacin. Oxidacin. Coagulacinfloculacin. Decantacin. Flotacin. Filtracin por lecho filtrante. Filtracin por cartuchos. Desinfeccin. Reduccin. Adsorcin. Desgasificacin.

Acidificacin y dosificacin de inhibidores de la incrustacin

Para evitar la precipitacin del carbonato clcico se puede acidificar el agua, ya que la disminucin del pH aumenta la solubilidad de esta sal. Otra alternativa es la dosificacin de antiincrustantes, especialmente en las instalaciones de tratamiento de aguas salobres. Adems de evitar la precipitacin de carbonatos, estos productos son tambin efectivos en la prevencin de otras incrustaciones, como son las debidas al sulfato clcico, sulfato de bario, sulfato de estroncio y slice. As mismo, son efectivos para evitar la formacin y acumulacin de xidos metlicos (hierro y manganeso, fundamentalmente) en la superficie de las membranas.

Oxidacin

La oxidacin es un proceso que se utiliza para eliminar los elementos y compuestos reductores que pueden estar presentes en el agua, sobre todo si es de origen subterrneo. En particular se emplea para eliminar sustancias orgnicas, hierro ferroso y manganeso divalente y el sulfuro de hidrgeno. Los oxidantes comnmente ms utilizados son el hipoclorito sdico y el permanganato potsico. Tras este proceso de oxidacin siempre se realiza una filtracin para eliminar las formas insolubles oxidadas. Por ltimo, y en el caso de utilizar membranas sensibles a los oxidantes, se aade un agente reductor como el metabisulfito sdico y disulfito sdico

GUA DE DESALACIN 36

al agua para eliminar la concentracin de oxidante residual presente en la misma.

Coagulacinfloculacin. (CF)

La coagulacin-floculacin es un proceso que sirve, conjuntamente con la decantacin (D) y la filtracin (F), para la eliminacin de sustancias coloidales tanto inorgnicas como orgnicas que podran llegar a atascar las membranas. Se basa en la neutralizacin de la carga asociada a las partculas coloidales mediante la adicin al agua de una sal metlica o coagulante. Como coagulante se emplean generalmente sales de aluminio o de hierro.

Existen diversos tipos de floculantes y coagulantes que debern ser aconsejados por el diseador y siempre de acuerdo con lo admitido por la legislacin vigente.

En ocasiones es aconsejable realizar ensayos de coagulacin-floculacin previos a la seleccin de los aditivos.

Decantacin

Cuando tras la coagulacin-floculacin el agua presente una concentracin de materia floculada superior a 30-50 mg/L se deber decantar el agua. Esta etapa se podra omitir y filtrar directamente, si el contenido en materia floculada fuese inferior a 20-30 mg/L.

Los decantadores eliminan materia en suspensin y la materia floculada por sedimentacin gravitatoria.

Existen muchos tipos de decantadores. Los ms avanzados estn dotados de un sistema de recirculacin de fangos y lamelas (placas). Tambin existen floculadores-decantadores que en ocasiones se emplean con adicin de hidrxido clcico o hidrxido sdico para regular el pH y/o incrementar carga, como por ejemplo en los procesos de descarbonatacin con la adicin de cal por va hmeda.

En cada caso se instala el ms conveniente en razn de la carga y tipo de materia a eliminar, as como en funcin de las condiciones de espacio disponibles.

Flotacin

Esta tcnica se emplea para la eliminacin de determinado tipo de slidos capaces de flotar mediante la inyeccin de microburbujas de aire. La flotacin puede considerarse como un procedimiento alternativo a la decantacin que, en su caso, estar emplazado siempre antes de la filtracin.


Filtracin

La etapa de filtracin es obligatoria en el pretratamiento del agua bruta, salvo en casos muy especiales cuando el agua captada tiene un SDI15 inferior a 3, y se mantiene constante a lo largo del ao y durante la vida de la planta.

Cuando se trate de un agua floculada pero no decantada se deber mantener una velocidad de filtracin de 5-10 m3/ h/ m2 y ser preferible usar filtros de lechos o capas mltiples, con el fin de evitar la sobrecarga y rpida saturacin de los filtros y mejorar su rendimiento. En cualquier caso, y en lo que a velocidad de filtracin respecta, siempre se debern seguir las instrucciones del fabricante.

Los filtros debern estar dotados de un sistema de reparto de flujo que garantice un rgimen de circulacin lo ms laminar posible, as como con un sistema de aire a baja presin a contracorriente que facilite el lavado del material filtrante.

En ocasiones, se emplea el agua de rechazo de osmosis para hacer retrolavados con el fin de ahorrar agua en este servicio.

En general, para conocer las necesidades y composicin del pretratamiento es aconsejable conocer cual es el recuento de partculas y su distribucin porcentual.

Figura 8. Sistema de filtracin de

desbaste

Figura 9. Filtracin de seguridad.

Ambas imgenes por cortesa de

AQUAESPAA

GUA DE DESALACIN 38

Filtracin por cartucho (filtracin de seguridad)

La filtracin por cartucho es el mnimo pretratamiento necesario para una planta de membranas. El poro nominal de los cartuchos habitualmente est comprendido entre 1 y 5 m nominales (equivalente a unos 20 m absolutos) para asegurar la proteccin de las membranas ante la posibilidad de que el agua arrastre macropartculas en suspensin.

Los filtros de cartucho son elementos de seguridad inmediatamente anteriores a las membranas y no deben utilizarse para una eliminacin sistemtica de partculas en suspensin. Por tanto, a la salida de procesos fsico-qumicos previos a la filtracin por cartuchos, las aguas deben presentar una turbidez inferior a 1 UNF; y los valores de SDI15 obtenidos deben ser adecuados para las membranas usadas en desalacin.

Desinfeccin

La desinfeccin del agua es un proceso destinado a reducir al mximo el posible atascamiento de las membranas por crecimientos microbiolgicos. La desinfeccin se puede llevar a cabo por dosificacin de un oxidante-desinfectante qumico (cloro o sus derivados normalmente) o mediante procedimientos fsicos como puede ser la radiacin ultravioleta. Este ltimo sistema se puede utilizar cuando se desea evitar la adicin de oxidantes al agua.

Como se indic anteriormente, cuando se emplean desinfectantes en el agua en sistemas con membranas sensibles a los oxidantes, se aade un agente reductor como el bisulfito sdico al agua, para evitar que el agente oxidante alcance las membranas. En estos casos, puede ser necesario repetir la desinfeccin en el postratamiento.

Adsorcin

En el caso de que el agua contenga una concentracin importante de materia orgnica, ya sea de origen natural o por contaminacin, se puede reducir por adsorcin utilizando filtros de carbn activo. Debe tenerse presente que los lechos de carbn activo, que tambin elimina eficazmente el cloro libre, son susceptibles de albergar colonias de microorganismos (de difcil desarraigo) que provocarn problemas de bioensuciamiento en las membranas de OI. El diseo del procedimiento de desinfeccin deber considerar este extremo.

Desgasificacin

Cuando existen gases en el agua bruta capaces de perjudicar el funcionamiento de la planta, el pretratamiento puede incluir un proceso de desgasi-


ficacin que podr ser atmosfrica con arrastre por aire, o a vaco con arrastre por vapor, dependiendo de la calidad del agua que se desea obtener tras la desgasificacin, del tipo de gas, etc.

3.2. Pretratamiento mediante membranas

La aplicacin de tecnologas de membrana, tales como microfiltracin (MF), ultrafiltracin (UF) y la nanofiltracin (NF), introducen nuevas posibilidades en las tcnicas de pretratamiento en el campo de la desalacin por osmosis inversa, en particular cuando las aguas tienen un alto poder de atascamiento. Estas tecnologas han sido intensivamente empleadas en el tratamiento de las aguas superficiales destinadas a consumo humano, as como en tratamiento terciario de aguas residuales urbanas.

El rendimiento de estas membranas es tan alto que partiendo de aguas 500 UNT de turbidez y 200 mg/L de slidos en suspensin, se podra llegar a obtener un agua de 0,05-1,0 UNT y SDI15 de 0,5-3.

Desde el punto de vista terico-prctico, el flujo J de agua a travs de membranas de MF y UF, est definido por la siguiente ecuacin fundamental:

$PJ H s Rtotm

Donde J = Flujo de agua (m3/m2. s). P = presin diferencial o presin transmembrana aplicada

(PTM) en N/m2. = viscosidad dinmica (N. s/m2). Rtotm = resistencia total de la membrana (1/m).

El flujo de agua a travs de la membrana es proporcional a la presin neta aplicada o presin transmembrana; e inversamente proporcional a la viscosidad, y por lo tanto a la temperatura, y a la resistencia total de la membrana. Esta resistencia est provocada por fenmenos de ensuciamiento, tales como absorcin interna de poros, bloqueo de poros, concentracin por polarizacin (ms suciedad en un extremo que en el otro), deposicin, compresin y bloqueo en forma de torta sobre la membrana.

En flujo directo, no cruzado, la presin transmembrana (PTM) puede obtenerse de acuerdo con la siguiente expresin:

PTM = P - P i p

GUA DE DESALACIN 40

Donde Pi = presin de entrada a membrana. Pp = presin de permeado.

Caso de que el flujo sea cruzado o tangencial, la PTM se determina por:

P

+ PPTM = e s P2 p

Donde Pe = presin de entrada a membrana. Ps = presin de salida de membrana. Pp = presin del permeado.

Finalmente, el caudal de agua obtenido en un sistema de membranas de MF y UF, puede calcularse mediante la expresin:

Qp = J S

Donde Qp = caudal de agua tratada o permeada, en L/h J = flujo de paso a travs de la membrana, en L/h/m2

S = superficie de membrana disponible, en m2

La dificultad ms importante que presentan hasta ahora estas tecnologas de membrana de MF/UF para ser utilizadas como pretratamiento en la desalacin, es que sus precios son todava muy elevados, lo que encarece los costes de inversin y de operacin, aproximadamente entre un 15 % y un 20 %, con respecto a los pretratamientos fsico-qumicos convencionales. Por otro lado, hay que tener en cuenta que estas tecnologas no permiten reducir apreciablemente la cantidad de materia orgnica, la UF como mximo un 30 %, salvo que se puedan utilizar previamente coagulantes o carbn activo en polvo.

Respecto a la utilizacin de membranas de nanofiltracin en pretratamientos de plantas desaladoras, la aplicacin ms importante est centrada en la evaporacin MSF, lo que permite disminuir el consumo energtico entre un 25 a 30%, reduciendo el potencial de formacin de incrustaciones, principalmente de sulfato y carbonato clcico.

3.2.1. Microfiltracin sta fue la primera tecnologa de membrana, y se utiliza principalmente para el tratamiento de aguas superficiales destinadas a consumo humano desde hace ms de dos dcadas, con objeto de eliminar o reducir protozoos, como Cryptosporidium y Giardia, turbidez, color, algas, bacterias y, en


algunos casos, virus ligados a materia particulada; como alternativa a los procesos fsico-qumicos convencionales descritos anteriormente.

Las plantas de microfiltracin emplean membranas orgnicas, con tamaos de poro entre 0,1 a 0,2 m. Estn construidas, bsicamente, en materiales como polipropileno, propileno o polmero fluorado. Tambin existen membranas tubulares de tipo cermico, con capa activa de almina.

La microfiltracin puede operarse en dos configuraciones hidrulicas diferentes. En flujo cruzado o en flujo directo. En la primera, un flujo tangencial3 sobre la superficie de la membrana por medio de recirculacin del concentrado, permite reducir la polarizacin por la concentracin de materiales retenidos sobre su superficie, lo que suele provocar prdidas de caudal y de presin. La aportacin del agua de entrada al sistema, compensa la produccin de agua microfiltrada y la prdida por purgas de desconcentracin. En la segunda, el flujo de agua sobre la superficie de la membrana es directo o perpendicular, sin aplicar ningn flujo cruzado ni recirculacin. Un barrido secuencial, automtico y de corta duracin, permite mantener el flujo de agua tratada de forma estable.

La utilizacin de la microfiltracin en pretratamientos de desalacin por membranas de smosis inversa, permite reducir su grado de atascamiento, debido a la alta reduccin de coloides inorgnicos y orgnicos, responsables en su mayor parte del SDI15 de las aguas de entrada, y cuyo rango de tamao se encuentra entre 0,1 y 10 m.

Las instalaciones de microfiltracin, estn compuestas, bsicamente, por: Prefiltro de proteccin, para eliminar partculas de gran tamao que

puedan obstruir las fibras capilares de las membranas, con mallas autolimpiables con tamao de luz de 500 m.

Bombeo de aportacin a membranas del agua de entrada, con variador de frecuencia.

Sistema de retrolavado secuencial, segn la prdida de carga, con aire y/o agua, con o sin producto qumico, incluyendo compresor de aire y bombeo de agua tratada.

Sistema de limpieza qumica, para recuperar las prestaciones de las membranas si no han sido efectivos los diversos retrolavados establecidos.

Test de integridad de membranas, para asegurar que no tienen roturas y que continan siendo una barrera efectiva.

Elementos de gobierno y control para que las operaciones de funcionamiento normal, lavados y limpiezas qumicas sean totalmente automticas.

3 Es decir, de forma paralela a la superficie de la membrana.

GUA DE DESALACIN 42

3.2.2. Ultrafiltracin

La ultrafiltracin es un proceso de membrana situado entre la microfiltracin y la nanofiltracin. El tamao de poro generalmente est comprendido entre 0,1 y 0,001 m, aunque la forma ms comn de expresar el tamao de exclusin en ultrafiltracin es referido al corte molecular, expresado en Daltons. La definicin generalmente aceptada de corte molecular se refiere al peso molecular de macromolculas tales como dextrano y protenas globulares, entre otras, que son retenidas en un 90 % por la membrana de ultrafiltracin. (Figura 10).

Figura 10. Ultrafiltracin con membrana espiral. Por cortesa de AQUAESPAA

Aunque los cortes moleculares de las membranas de ultrafiltracin estn comprendidos entre 5.000 y 500.000 Daltons, suelen usarse en pretratamientos valores de cortes moleculares comprendidos entre 100.000 y 150.000 Daltons, equivalentes a un tamao de poro aproximado de 0,025 m, lo que permite eliminar macromolculas, protenas, virus, y slice coloidal, adems de lo expuesto en punto 3.2.1 dedicado a la microfiltracin.

El espectro de filtracin ayuda a comprender las posibilidades de las diferentes tecnologas de membranas en funcin del tamao de poro.


Figura 11. Espectros de filtracin o potencial de separacin. Modificado de GE Osmonics

GU

A D

E D

ES

ALA

CI

N

44

Figura 12 . Esquema de una membrana. Imagen cortesa de Dow Chemical

Ibrica. S.L.

SEPARACIN POR MEMBRANAS

UF OI Macromolculas, materia coloidal, virus, protenas,

pectinas,...

Sales y solutos de bajo peso molecular.

MF Materia en NF suspensin,

slidos moleculares de gran tamao, bacterias,...

Molculas de pequeo

tamao, iones polivalentes

( Ca, Mg).

La mayora de las membranas son de naturaleza orgnica, fabricadas en materiales polimricos como polisulfona, fluoruro de polivilideno, poliamida, acetato de celulosa, etc; y cuyas configuraciones suelen ser en fibra capilar de distintos dimetros, en forma de membranas planas en estructura compacta o casete, y tambin de arrollamiento en espiral. Por otro lado, tambin existen membranas inorgnicas, de tipo cermico multicanal a base de xido de zirconio, aunque son empleadas ms bien en tratamientos de aguas industriales.

Al igual que la microfiltracin, las membranas de ultrafiltracin se utilizan en sistemas tanto de flujo cruzado como de flujo directo.

De forma muy similar a las instalaciones de microfiltracin, las de ultrafiltracin, estn compuestas, bsicamente, por:

Prefiltro de proteccin, para eliminar partculas de gran tamao que puedan obstruir las fibras capilares de las membranas, con mallas autolimpiables con tamao de luz comprendido entre 80 y 150 m.

Bombeo de aportacin a membranas del agua de entrada, con variador de frecuencia.

Sistema de retrolavado secuencial, segn la prdida de carga, con aire y/o agua, con o sin producto qumico, incluyendo compresor de aire y bombeo de agua tratada.


Sistema de limpieza qumica, para recuperar las prestaciones de las membranas, si no han sido efectivos los diversos retrolavados establecidos.

Test de integridad de membranas, para asegurar que no tienen roturas y que continan siendo una barrera efectiva. La realizacin de este test es recomendado para algunos tipos de membranas.

Elementos de gobierno y control para que las operaciones de funcionamiento normal, lavados y limpiezas qumicas sean totalmente automticas.

Figura 13. Detalle de membrana capilar de ultrafiltracin. Imagen cortesa de

AQUAESPAA

Esta tecnologa de ultrafiltracin, de forma similar a la tecnologa de microfiltracin, permite optimizar el diseo de los sistemas de desalacin con membranas, aumentando los flujos, es decir, los litros por hora y por metro cuadrado de membrana; suministrando agua a los sistemas de desalacin con smosis inversa con valores de SDI15 generalmente inferiores a 3.

GUA DE DESALACIN 46

Tabla 6. Resumen de los resultados de un estudio de eliminacin de diferentes

microorganismos por ultrafiltracin

Concentracin Concentracin Eliminacin

Microorganismo en agua de en el agua (unidades

aportacin filtrada logartmicas)

Giardia, (quistes4/L) 2 x 109 9

Cryptosporidium, (ooquistes/L) 1,5 x 109 8

Bacterifago MS2 UFC/L 5 x 108 5 x 103 >4,9

4

El virus bacterifago MS2 tiene un tamao de 0,027 m y es ms pequeo que el tamao de poro de las membranas de UF. Sin embargo, se alcanza una elevada eliminacin, debido probablemente a la adsorcin del virus sobre las partculas en suspensin, a la adsorcin sobre las membranas, o a la filtracin secundaria debida al ensuciamiento (fouling) de la membrana. Realmente existe una tendencia a que mejore la eliminacin del MS2 a medida que aumenta el ensuciamiento de la membrana.

3.2.3. Nanofiltracin La nanofiltracin, situada entre la ultrafiltracin y la smosis inversa, utiliza membranas semipermeables con un tamao aproximado de poro equivalente a 0,001 m, es decir un nanmetro. Como caracterstica diferencial del proceso de smosis inversa, cabe destacar que los iones divalentes (90 - 98%) son rechazados ms selectivamente que los monovalentes (50% - 75%), siendo sus caractersticas ms destacadas esta capacidad selectiva de iones y su funcionamiento a menor presin.

Aunque su empleo mayoritario se realiza como tratamiento principal de aguas superficiales para reducir el contenido de materias orgnicas antropognicas tales como plaguicidas, materia orgnica de origen natural (cidos hmicos), dureza total y sulfato de calcio, principalmente; la aplicacin como tecnologa de pretratamiento suele ser empleada en plantas de desalacin por evaporacin, con objeto de reducir el contenido de sulfatos y carbonatos de calcio, para facilitar la elevacin de la temperatura mxima de funcionamiento y evitar la precipitacin de estas sales. Estas precipitaciones provocan problemas de obstruccin y corrosin de equipos y tuberas en los procesos de desalacin que utilizan energa calorfica.

4 Quiste y ooquiste. Formas de resistencia y propagacin de parsitos. Tanto Giardia lamblia como Cryptosporidium parvum son parsitos humanos (protistas).


Figura 14. Membrana de nanofiltracin arrollada en espiral. Imagen cortesa de

AQUAESPAA/DOW

Suelen ser membranas de arrollamiento en espiral, compuestas generalmente de poliamida (polipiperazinamida) como capa activa, y de polisulfona y polister como capas de soporte. Existen en el mercado otras membranas de nanofiltracin con capas activas distintas tales como polivinilalcohol y polisulfona sulfonada, de configuracin arrollada en espiral o fibra hueca.

Al igual que la smosis inversa, la nanofiltracin requiere de un pretratamiento del agua de aportacin para evitar el atascamiento de las membranas por partculas coloidales y por precipitacin qumica sobre ellas, causa de frecuentes paradas para su limpieza.

3.3. Pretratamientos para procesos de destilacin/evaporacin

En los procesos de desalacin por destilacin, la misin del pretratamiento es eliminar o reducir al mximo posible el riesgo de precipitacin de sales insolubles en las superficies de intercambio de calor, y la eliminacin de gases no condensables capaces de reducir el coeficiente de transmisin de calor, y provocando serios problemas de corrosin en los evaporadores y en los equipos de la planta.

GUA DE DESALACIN 48

La procedencia del agua de entrada no es muy importante para el pretratamiento de una planta de destilacin, ya que estos procesos se utilizan slo para desalar agua de mar, y los constituyentes que causan los problemas de transmisin de calor o corrosiones no suelen variar mucho de unos mares a otros. Por este motivo, slo se expondr el caso del pretratamiento del agua de mar.

3.3.1. Pretratamientos habituales Como se indic en el captulo 2, una de las caractersticas del agua de mar, es que contiene sales con tendencia a precipitar tanto por efecto del calor, como de la concentracin; ya que al iniciarse el proceso de desalacin, la corriente de agua en la que las sales permanecen, se concentra en ellas, pudiendo superar el producto de solubilidad de algunas de las sales, con lo cual precipitaran.

Otro de los problemas del agua de mar son los gases disueltos, aire principalmente, ya que este tipo de gases se desprenden en los procesos de evaporacin y se acumulan sobre las superficies de transferencia de calor, disminuyendo el coeficiente de transferencia. Por ello, se hace necesaria su eliminacin antes de que el agua pase a los evaporadores. Adems, la presencia de oxigeno facilita los fenmenos de corrosin de las superficies metlicas de la que estn construidas los evaporadores.

Finalmente otro de los problemas habituales en los procesos de desalacin por destilacin es la formacin de espumas en el interior de los evaporadores. Estas espumas reducen el rendimiento de la evaporacin y contaminan el producto obtenido, por esta razn hay que evitar su formacin.

Vamos a analizar en detalle cada uno de estos pretratamientos.

3.3.2. Eliminacin de incrustaciones Como ya se ha indicado en el apartado 3.2, una consecuencia de la concentracin de sales que se produce durante el proceso de desalacin, es la posibilidad de que algunas sales, como los sulfatos y los carbonatos, precipiten si se llega a rebasar su producto de solubilidad en el agua. Por otra parte, en los procesos de destilacin hay que calentar las corrientes de agua que intervienen y como la solubilidad del sulfato clcico disminuye al aumentar la temperatura, el riesgo de precipitacin de la sal, en esas condiciones, es mayor. Otra consecuencia de aumentar la temperatura, es que los bicarbonatos se descomponen transformndose en carbonatos insolubles que precipitan. Para prevenir incrustaciones se remite al lector al apartado 3.2.1


0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

4500

5000

5500

10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150

Sulfato de calcio

En la figura 15 se pueden ver las curvas de solubilidad para el sulfato clcico. La situada ms a la izquierda corresponde al sulfato anhidro. Para que se puedan formar este tipo de cristales es preciso mucho tiempo de residencia y ausencia de agitacin del agua, para que se vayan encontrando los iones y formen la red cristalina. Estas condiciones no se dan en los procesos de evaporacin, donde las corrientes estn continuamente agitadas y los procesos son muy dinmicos, por tanto, este tipo de cristales no llegan a formarse. S sucede en cambio con los del sulfato clcico hemihidratado, cuya formacin es prcticamente instantnea cuando se alcanzan las condiciones de concentracin y temperatura de la curva. Debido a que los sulfatos son muy difciles de eliminar por procedimientos qumicos, esta curva nos marca los lmites prcticos a los que se pueden trabajar los procesos de destilacin en cuanto a concentracin de la corriente ms caliente y la temperatura mxima que puede alcanzarse. As, para una concentracin de sulfato clcico de 2.800 ppm (habitual en el proceso de M.S.F.), la temperatura mxima terica es de 126C, pero en la prctica no se deben sobrepasar los 120C, ni una concentracin de esta corriente por encima de los 60.000 mg/L. de sales totales disueltas.

Figura 15. Curvas de solubilidad del sulfato clcico en agua de mar

GUA DE DESALACIN 50

Control de carbonato clcico

Los bicarbonatos pueden precipitar como carbonato clcico por dos razones: una por efecto de la temperatura que provoca su descomposicin y transformacin en carbonatos insolubles, y otra por aumento del pH, ya que a partir de valores superiores a 8,2 se produce transformacin a carbonatos insolubles. Las ecuaciones qumicas de este proceso son las siguientes:

Ca(HCO ) +Calor CaCO + CO 3 2 3 2

Ca(HCO ) + H SO CaSO + 2CO + 2H O 3 2 2 4 4 2 2

La precipitacin de estas sales se puede evitar mediante la adicin controlada de un cido, es lo que se conoce como plantas con tratamiento cido.

Control por antiincrustantes

Otra forma en la que se evita la precipitacin de los carbonatos, sulfatos, slice, sulfato de bario y sulfatos de estroncio, es mediante la adicin de un antiincrustante. Este tipo de sustancias acta sobre la formacin de los cristales, impidiendo su aparicin y manteniendo los iones en sobresaturacin en el agua. Para calcular los lmites de utilizacin de estos productos hay que consultar con su fabricante, quien comunicar en cada caso la concentracin y las temperaturas recomendadas. Debe tenerse en cuenta que este tipo de sustancias se descomponen con la temperatura, pues se hidrolizan dejando de ser activos, por tanto deben conocerse sus lmites de resistencia. En el mercado aparecen constantemente nuevos pruductos.

3.3.3. Desgasificacin y descarbonatacin Como ya se ha indicado, la presencia de gases en el agua puede influir muy negativamente en los procesos de destilacin, por ello se hace necesaria su eliminacin mediante un desgasificador trmico, donde una corriente de vapor y en condiciones de mximo vaco, produce el desprendimiento de los gases que sern evacuados a la atmsfera mediante un sistema de vaco (eyectores o bombas de vaco). La eficacia de estos equipos llega a extraer hasta el 98% de los gases contenidos en el agua.

Si el tratamiento para la eliminacin de los bicarbonatos ha sido de adicin de cido, se producir una gran cantidad de CO2, que permanecer en disolucin. Normalmente, este gas se elimina previamente a la desgasificacin para evitar la sobrecarga y el sobredimensionamiento del equipo de vaco, por medio de un descarbonatador atmosfrico. El rendimiento de


este tipo de descarbonatadores llega a dejar en el agua menos de 10 mg/L de CO2.

La descarbonatacin consiste en una torre en la que el agua se pulveriza o dispersa finamente, percolando sobre un relleno que aumenta la superficie de contacto (normalmente anillos Raschig, monturas o similares). En contra-corriente se introduce aire que arrastra el gas en disolucin evacundolo a la atmsfera por la parte superior de la torre. Para diseos correctos, el rendimiento de este tipo de descarbonatadores es elevado, y permite extraer hasta el 98% del CO2 contenido en el agua, pero saturndola de aire, por ello posterior al descarbonatador se sita el desgasificador trmico a vaco.

El desgasificador consiste en una torre, cerrada y a vaco, en la que el agua se pulveriza o dispersa finamente, percolando sobre un relleno que aumenta la superficie de contacto (normalmente anillos Raschig, monturas o similares). En contra-corriente se introduce vapor que arrastra los gases en disolucin evacundolos a la atmsfera mediante su extraccin por un equipo de vaco (eyectores, bombas de vaco, etc). Para diseos correctos, el rendimiento de este tipo de desgasificadores es elevado, y permite extraer hasta el 99% de los gases disueltos en el agua.

3.3.4. Eliminacin de espumas. Antiespumantes En el caso del proceso de destilacin, siempre se lleva a cabo con una intensa agitacin del agua de mar en evaporacin para facilitar el desprendimiento del vapor. Por ese motivo en el interior de los equipos se forman gran cantidad de espumas que llegan a crear problemas y una forma de solucionarlos es mediante la adicin de un antiespumante en el agua de aportacin. Estos antiespumantes son del mismo tipo de los utilizados domsticamente en los lavavajillas y lavadoras. La dosificacin suele ser de 1 a 2 ppm en el agua de aportacin, lo que representa entre 0,2 a 0,4 ppm en el reciclado.

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4. Tcnicas de desalacin

Tras las etapas preliminares de pretratamiento, el agua es desalada mediante diversos procedimientos. Los sistemas ms empleados en la actualidad se pueden dividir en dos grandes grupos:

Desalacin mediante membranas. Desalacin por destilacin o evaporacin. Sin embargo, la tecnologa de desalacin ms empleada actualmente es

por medio de membranas, y en concreto mediante smosis inversa (OI). Este captulo se adentra en los conceptos bsicos de las tecnologas existentes.

Figura 16. Aspecto general del interior de una desaladora de osmosis inversa.

Imagen cortesa de INALSA


smosis smosis Inversa

Flujo Presin Aplicada: P >

Solucin Membrana Solucin diluidaConcentrada

4.1. Tecnologas de membrana

Las tecnologas de membrana suponen un paso adelante en la filtracin convencional aplicada tradicionalmente en el tratamiento del agua.

En este captulo se explican los conceptos fundamentales de la smosis inversa, la nanofiltracin y la electrodilisis.

4.1.1. smosis inversa El fenmeno de la smosis ocurre cuando, a travs de una membrana semipermeable, el agua fluye desde la solucin de menor salinidad hasta otra de mayor concentracin salina. Es un fenmeno que tiene lugar en diversos procesos naturales como, por ejemplo, en la entrada de agua a travs de la membrana celular de los seres vivos.

Segn una regla fundamental de la naturaleza, este sistema intentar alcanzar el equilibrio, es decir, intentar alcanzar la misma concentracin a ambos lados de la membrana. El flujo de agua desde la solucin ms diluida hacia la ms concentrada se detendr cuando se alcance un equilibrio entre ambas concentraciones. La fuerza que provoca ese movimiento se conoce como presin osmtica y est relacionada con la concentracin de sales en el interior de ambas soluciones.

La smosis inversa consiste en invertir este proceso aplicando una presin superior a la presin osmtica correspondiente, en el lado de la solucin ms concentrada. Con esto se consigue que la direccin del flujo del agua vaya del lado de la solucin ms concentrada a la solucin ms diluida.

En la figura 17 se ilustran ambos fenmenos:

Figura 17. Esquemas de los fenmenos de smosis natural y smosis inversa

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4.1.1.1. Configuracin de membranas de osmosis inversa

La membrana de smosis inversa est estructurada y empaquetada cuidadosamente para su integracin en las unidades de proceso. Tanto el soporte como el empaquetado tienen como objetivo maximizar el flujo de agua a travs de la membrana, minimizando el paso de sales.

Asmismo, el empaquetado debe reducir las prdidas de carga, as como evitar en lo posible lo que se conoce como polarizacin por concentracin, que se deriva de la acumulacin de sales sobre la superficie de la membrana. Otro factor que se tiene en cuenta en el diseo mecnico, es el paso con suficiente libertad de coloides o partculas, de modo que se reduzcan en lo posible los ensuciamientos de la membrana que a la postre podran provocar bajos flujos y alto paso de sal.

Comercialmente se consideran cuatro configuraciones bsicas: Plato y Marco. Tubular. Fibra hueca. Arrollamiento en espiral.

4.1.1.2. Configuracin Plato-Marco y configuracin tubular

Estas configuraciones corresponden a los inicios de la tecnologa de la osmosis inversa. Son las configuraciones que se consideraron en los primeros momentos.

Ambas presentan menor densidad de empaquetado de membrana, con el consiguiente mayor coste econmico, en comparacin con las ms modernas configuraciones de arrollamiento en espiral y fibra hueca.

No obstante, este tipo de configuraciones tienen aplicacin en la industria alimentaria, por ejemplo para la concentracin de zumos de fruta o en tratamiento de aguas residuales.

La configuracin Plato-Marco, que es la primera que se utiliz, usa una membrana plana que se coloca dentro de un marco, circular o rectangular, que acta de soporte. Las membranas se disponen a ambos lados de un plato por el que se recoge el permeado producido. (Figura 18).

La configuracin tubular representa una alternativa a la de plato y marco.

La membrana va alojada dentro de un tubo, normalmente de PVC, que soporta la presin. El agua alimenta a la membrana por su interior y el permeado se obtiene por la parte exterior de la misma de manera que el tubo, as dispuesto, produce (suda) el permeado por su exterior que se recoge en el fondo del recipiente en el que va dispuesto dicho tubo.


PPllaattoo yy mmaarrccoo

Salmuera Salmuera

Membrana

Permeado

Espaciador de salmuera

Plato soporte

AlimentacinAlimentacin

Figura 18. Esquema de la configuracin Plato-Marco

4.1.1.3. Configuracin Fibra hueca

La fibra hueca se produce con su propia estructura soporte. Estas fibras son tan finas como el tamao de un cabello humano (84 m).

Las fibras se agrupan como tubos en U con los extremos abiertos embebidos en una placa epoxy. El conjunto de fibras se encapsula dentro de un recipiente de presin con su punto de alimentacin dispuesto en el centro de uno de los extremos.

El flujo dentro de la caja de presin se reparte de forma radial, a travs del conjunto de fibras, de modo que el permeado penetra a travs de las paredes de la fibra y fluye por el hueco recogindose a travs del extremo opuesto de la caja de presin. El agua que no ha pasado a travs de la membrana, arrastra las sales hacia la salida del concentrado dispuesto en el extremo opuesto.

Esta configuracin representa la mayor densidad posible de empaquetado de membrana con la consiguiente mayor relacin de produccin de agua por volumen ocupado.

No obstante, esta alta densidad de empaquetado deja poco espacio entre las fibras, por ello en este caso las partculas o slidos en suspensin fluyen con mayor dificultad a travs de las fibras provocando problemas de ensuciamiento que son difciles de solucionar y provocan la consiguiente disminucin de rendimiento. (Figura 19).

GUA DE DESALACIN 56

Figura 19. Esquema de la configuracin fibra hueca

FFiibbrraa HHuueeccaa

Salmuera

Alimentacin

Membrana

Permeado

4.1.1.4. Configuracin en arrollamiento en espiral

En la actualidad, los elementos de smosis inversa que se estn instalando son los de configuracin en espiral. Se fabrican en forma de lmina sobre un material soporte, que en el caso de las actuales membranas de multicapa delgada, T.F.C. (Thin Film Composite), suele ser un polister tejido-no tejido. Dos de estas lminas u hojas se agrupan entre si pero opuestas y separadas por un espaciador que acta como canal para el flujo de permeado. Ambos lados y uno de los extremos de este conjunto, se sellan mediante unos cordones o lneas de pegamento para formar un conjunto de varias capas a modo de sobre. El extremo abierto (no pegado) est conectado con el tubo encargado de recoger el permeado, alrededor del cual se arrolla el sobre para formar la espiral. Junto al sobre, se enrolla tambin una red plstica (espaciador), de modo que queden separadas las superficies de membrana y se mantenga de ese modo suficiente espacio libre para el flujo de agua de alimentacin. El elemento as constituido se completa con unas piezas plsticas en los extremos para evitar un posible efecto telescpico (telescoping) y se cubre exteriormente con un recubrimiento a base de epoxy-fibra de vidrio que asegura el conjunto. (Figura 20).


Tubo de permeado

Membranas

Espaciador de permeado

Espaciador de salmuera

Caudal de agua

Alimentacin

Salmuera

Salmuera

Agua permeada

Junta de salmuera

Por ltimo, estos elementos se disponen en recipientes cilndricos conocidos como cajas de presin, capaces de soportar las elevadas presiones de operacin. La alimentacin se sita en un extremo y fluye en paralelo a la direccin del tubo que recoge el permeado. Parte del agua fluye a travs de la membrana, recorre un camino espiral y es recogida en el tubo de permeado. El agua que no pasa a travs de la membrana circula a lo largo del elemento paralelamente al tubo de permeado, arrastrando las sales hacia la salida de concentrado situada en el extremo opuesto de la caja de presin.

El permeado recogido en el tubo central puede extraerse por cualquiera de los extremos segn necesidades del diseo.

En resumen, para esta configuracin, los componentes de un elemento de smosis inversa son los siguientes:

Membranas (capas). Espaciadores de salmuera. Espaciadores de permeado. Tubo de permeado. Tapas finales (antitelescoping). Envoltorio del elemento. Junta labiada de salmuera.

Figura 20. Componentes de un elemento de smosis inversa de arrollamiento

en espiral. Imagen cortesa de Dow Chemical Ibrica, S.L.

GUA DE DESALACIN 58

4.1.1.5. Las frmulas de la smosis inversa

Las siguientes frmulas comentadas ayudan a comprender los fenmenos relacionados con la smosis inversa.

4.1.1.6. Modelo de solucin difusin

Las frmulas usadas en los clculos de smosis inversa estn basadas en el modelo de solucin-difusin a travs de la membrana, en donde habr un paso de un flujo de sales, Js, y un flujo de agua, Jw.

Figura 21. Modelo de solucin difusin

Js

Jw

Permeado (Qp)Alimentacin (Qf)

Concentrado (Qc)

La ecuacin de difusin del flujo de agua, o solvente, es la siguiente:

J = A (P )w

Donde Jw = Flujo de agua en litros por metro cuadrado y por hora. A = Coeficiente de permeabilidad de la membrana en L/m2/bar P = Presin diferencial transmembrana, bar. = Presin osmtica diferencial, bar.

El factor A es caracterstico de cada membrana y depende de varios factores como son: el espesor y material de la membrana, la temperatura, la presin, el pH, el factor de conversin y la concentracin salina de la solucin.

El trmino entre parntesis de esta frmula es lo que se conoce como Presin Neta de Trabajo, Net Driving Pressure (NDP).

De esta frmula se deduce que en cuanto mayor sea la presin neta de trabajo, mayor ser la productividad de la membrana.

La ecuacin del transporte de sales es la siguiente:

J S = B C


Donde Js = Flujo de sales, en Kg/m

2/s. B = Coeficiente de transferencia de masa de sales, en m/s. C = Concentracin media diferencial transmembrana Kg/m3.

Los factores A y B dependen de las caractersticas de la membrana y de la temperatura, la presin, el pH, el factor de conversin y la concentracin salina de la solucin.

De esta frmula se desprende que cuanto mayor sea la concentracin salina en el lado de alimentacin, mayor ser el paso de sales, con lo que aumentar la salinidad del permeado.

Por otra parte, fenmenos como la polarizacin de las membranas, hacen que la concentracin de sales en el permeado sea mayor de lo tericamente previsto.

4.1.1.7. Balance de Materia

Balance del solvente: Q = Q + Q f p c Balance del soluto: Q C = Q C + Q C f f p p c c

Donde: Qf = Caudal de alimentacin, m

3/h. Qp = Caudal de permeado, m

3/h. Qc = Caudal de concentrado o rechazo, m

3/h. cf = Concentracin de soluto en la alimentacin, Kg/m

3

cp = Concentracin de soluto en el permeado, Kg/m3

cc = Concentracin de soluto en el concentrado o rechazo, Kg/m3

Figura 22. Esquema de balance de materia. El rectngulo expresa la planta en

su conjunto

Qf, cf

4.1.1.8. Factor de conversin y factor de concentracin

El factor de conversin o recuperacin (recovery), es el porcentaje de permeado que se obtiene a partir de determinado caudal de alimentacin.

GUA DE DESALACIN 60

Es el cociente, expresado en tanto por ciento, entre el caudal de permeado y el caudal de aportacin que llega a las membranas:

Q QcY = p 100 = (1 )100Qf Qf

Donde: Qp = es caudal de permeado Qf = es c

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