El objetivo de la planta es conseguir un proceso de desalinización de agua de mar más eficiente desde el punto de vista medioambiental y energético. Las pruebas se han llevado a cabo junto a las instalaciones de la planta de Valdelentisco en una planta de capacidad de producción de 1500 m3/d. Desde el punto de vista energético se ha utilizado un sistema combinado de alta eficiencia energética compuesto por una bomba de desplazamiento positivo y un sistema de recuperación energética. Esto junto con la adecuada selección de la conversión del sistema de ósmosis inversa permite conseguir un menor consumo energético y por tanto un agua desalinizada más rentable y más comprometida con el medio ambiente. La conversión de trabajo más baja que en desalinizadoras convencionales supone un caudal de agua de pretratamiento mayor lo que queda resuelto con un mejorado sistema de ultrafiltración por membranas que permite una eficiencia energética e hidráulica más alta y un reducido consumo de productos químicos. Con esto último se consiguen también mejoras desde el punto de vista medioambiental. El estudio muestra los resultados de consumo energético en cada una de las etapas del proceso de desalinización así como otros datos de operación de gran interés.
Introducción
En julio del 2007 la empresa M. Torres y Acuasegura firmaron un acuerdo de colaboración mediante el cual se permitía a la empresa M. Torres instalar una planta piloto de capacidad de producción de 1500 m3/d en las instalaciones de la desalinizadora de Valdelentisco con el objetivo de investigar y aportar nuevos sistemas y conceptos para hacer más eficiente el proceso de desalinización de agua de mar.
Entre los objetivos más importantes de la planta cabe destacar: conseguir un proceso de producción de agua permeada con el mínimo coste de operación, tanto desde el punto de vista energético como hidráulico; diseñar un sistema de control y automatización fiable y de fácil manejo que requiera la mínima intervención de personal; un diseño de planta que requiera la mínima superficie sin comprometer las operaciones de mantenimiento de la planta y utilizar la planta desalinizadora como banco de pruebas para ensayar sistemas de bombeo y recuperación energética diseñados propiamente por M. Torres. Este último objetivo todavía en desarrollo.
Descripción de la planta
La planta esta diseñada para una capacidad de producción de agua osmotizada de 1500 m3/d. El destino final del agua es el de consumo humano no estando incluida la remineralización en la planta piloto por no ser considerada la optimización de esta etapa objetivo del proyecto. Las etapas de proceso se definen a continuación:
- Captación: una bomba centrífuga, ubicada en la nave de la cántara de captación de la desalinizadora de Valdelentisco, se encarga de aspirar el agua de la cántara y enviarla a la cota +10 en donde se encuentra la planta de M. Torres. Este bombeo asume la elevación del agua más las perdidas de carga relacionadas con el pretratamiento del agua y una presión residual necesaria para la aspiración de la bomba de alta presión.
- Pretratamiento: el pretratamiento esta dividido en dos etapas de filtración en serie. La primera etapa consiste en un sistema de filtración autolimpiable mediante filtros metálicos con grado de separación de 100 micras. El control de la planta se ocupa de que superado un tiempo o perdida de carga el caudal de agua circulante por el equipo aumente en la proporción suficiente para que en línea, sin necesidad de parar o aislar el sistema, se realice un controlavado secuencial del mismo. La segunda etapa del pre-tratamiento consiste en una ultrafiltración por membranas. Se seleccionó un sistema de ultrafiltración con una disposición lo más parecida a los sistemas de ósmosis y que asegurara una calidad de agua adecuada a la entrada de las membranas con la menor pérdida de carga. El agua ultrafiltrada se conduce directamente a la entrada de la bomba de alta presión evitándose así la circulación por un depósito intermedio en donde pudieran el agua contaminarse microbiológicamente. El bastidor de ultrafiltración se sectorizó en seis racks lo que permite alimentar un caudal continuo de agua a la etapa de ósmosis y almacenar agua para los lavados incluso cuando uno de los racks entra en funcionamiento de lavado o limpieza química.
Para la optimización del lavado de las membranas de ultrafiltración y por tanto para mejorar el rendimiento del tratamiento se dispone de un sistema de lavado que permite realizar contralavados de las membranas de ultrafiltración tanto con agua ultrafiltrada como con salmuera. Estas operaciones se hacen desde un depósito en donde se almacena en continuo la cantidad justa necesaria de agua ultrafiltrada o salmuera, dependiendo del tipo de limpieza. Estas limpiezas también se realizan con ayuda de productos químicos que en el caso de nuestra planta han sido optimizados para encontrar la cantidad y combinación más adecuada para obtener el mejor resultado con un menor consumo de éstos.
Bastidor sectorizado de ultrafiltración.
- Bombeo y recuperación: para el bombeo de alta presión se ha seleccionado un sistema de bombeo de desplazamiento positivo por su mejor rendimiento energético. El equipo de bombeo consiste en una bomba de cinco pistones en materiales adecuados para el bombeo de agua de mar. Este tipo de bombeo nos permite dimensionar el sistema de ósmosis inversa sin condicionar el punto de trabajo óptimo para caudal y presión de las membranas de ósmosis inversa requerido para una producción de agua fija. Para la recuperación de energía de la salmuera se seleccionó un sistema isobárico de recuperación energética. Considerando los rendimientos energéticos de cada uno de estos sistemas se dimensionó la planta para una tasa de conversión en torno al 38%.
- Bastidor de ósmosis inversa: el bastidor de ósmosis inversa esta diseñado buscando la máxima simplicidad y compacidad y calculando minuciosamente tuberías, trazados y accesorios para minimizar perdidas de cargas manteniendo una distribución hidráulica lo más homogénea posible del agua en cada una de las vasijas. Para la comprobación en línea de la calidad del agua permeada, se diseñó un sistema automático de muestreo de cada una de las vasijas de ósmosis inversa que permitiese tras la normalización de los datos de proceso conocer en tiempo real la evolución y el estado de las membranas de ósmosis inversa. Se consideró un solo paso y etapa de desalación. Para conseguir una calidad de agua permeada adecuada se seleccionó el modelo de membrana que en ese momento existía con un porcentaje de eliminación de sales adecuado para garantizar una calidad de agua para consumo humano y con el menor requerimiento energético. El modelo de membrana del fabricante Hydranautics es el SWC4.
- Envío de permeado: el agua osmotizada se conduce hasta el depósito de agua osmotizada de la desalinizadora de Valdelentisco a una cota de +30 metros de altura. Desde este depósito el agua es bombeada para su remineralización y desinfección.
Bastidor de ósmosis y muestreador de conductividad.
Datos de proceso energéticos
En la etapa de diseño de la planta se estimaron los consumos energéticos una vez seleccionados los equipos y estimadas las presiones requeridas en cada punto del proceso y los rendimientos de los equipos. De este cálculo se concluyó que existía una conversión teórica de trabajo en la que los consumos energéticos eran menores. Esta conversión es ligeramente inferior a la convencionalmente utilizada en las planta desaladoras de agua de mar y supone un caudal de agua de pretratamiento mayor, lo que podría traducirse en mayores costes de operación. Esta desventaja se soluciona como más adelante detallaremos con un pre-tratamiento no convencional.
Los caudales de operación están indicados y referidos al diagrama de flujo mostrado más abajo. El diagrama de flujo muestra los sistemas de bombeo existentes y considerados en la planta y por tanto que se tienen en cuenta para el cálculo del consumo energético total.
Tabla 1: Caudal de proceso.
Diagrama de flujo planta piloto.
Tras la puesta en funcionamiento de la planta se conocen ya los datos de rendimientos y presiones reales de la planta. Para un punto de funcionamiento medio de la planta, y conociendo los consumos de cada equipo se han calculado las eficiencias energéticas de todos los equipos de bombeo (Antonio Ordóñez, AEDyR 2008).
Tabla 2: Datos de rendimientos equipos.
En el caso de sistemas de desplazamiento positivo las eficiencias energéticas no varían por cambios de presión o caudal. Se han calculado los consumos energéticos en el rango de temperatura de diseño (18 °C a 25 °C) y de 0 a 3 años de media de estado de las membranas. Este cálculo se realiza conocidas las eficiencias energéticas de todos los equipos y para el cálculo de las presiones en estos rangos de funcionamiento se utiliza el programa del fabricante de las membrana de ósmosis (IMS Design, Hydranautics). Los resultados obtenidos muestran como el punto de conversión óptimo de funcionamiento se encuentra en torno al 38-40% de conversión, valor de diseño inicial de la planta o ligeramente superior.
El consumo energético actual de la planta se encuentra entre 2.6 y 2.75 kWh/m3. Este rango de consumos es muy próximo a los valores teóricos de diseño.
Gráfico 1: Proyección de datos de consumo energético total de la planta.
Rendimiento hidráulico de la ultrafiltración
Para el diseño del sistema de ultrafiltración se tuvieron en cuenta las recomendaciones del fabricante de las membranas en función de unos análisis del agua de la zona y de unos valores máximos estimados de calidad de agua. Uno de los objetivos del proyecto ha sido el optimizar dichos parámetros para conseguir mayores rendimientos de operación sin comprometer el estado de las membranas de ultrafiltración. El segundo objetivo ha sido demostrar la viabilidad de funcionamiento de la planta utilizando para los contralavos la salmuera de la ósmosis, lo que supone una mejora hidráulica muy importante.
En una primera etapa de las pruebas se consolidaron las condiciones de diseño de la ultrafiltración. Se fijaron por tanto los parámetros de funcionamiento de la planta que se indican a continuación:
- Frecuencia de contralavados: 30 minutos
- Flux promedio de filtración: 64 l/m2h
- Duración de lavado: 40 segundos
- Frecuencia CEB (Chemical Enhanced Backwash) con NaClO: 1 vez/día
- Frecuencia CEB (Chemical Enhanced Backwash) con HCl: 1 vez/día
Para estas condiciones de funcionamiento y tras definir un sistema de control de almacenamiento de agua que permite aprovechar el 100% del caudal de agua almacenada para estas operaciones de lavado se consiguen los siguientes rendimientos hidráulicos: Rendimiento del sistema con contralavados de agua ultrafiltrada del 89,1%.
Cuando los contralavados se realizan con salmuera el rendimiento hidráulico mejora. De los dos tipos de limpiezas, contralavados y CEB's, se considera solo realizar los contralavados con salmuera. Estos contralavados se realizan desde un depósito de almacenamiento de salmuera. Durante los últimos segundos del contralavado con salmuera se utiliza agua ultrafiltrada para arrastrar la salmuera que queda en el interior de las membranas al final del contralavado y que sino se mezclaría con el resto del agua cuando el rack entra en funcionamiento y por tanto aumentaría la conductividad del agua de entrada a las membranas de ósmosis inversa. La condiciones de funcionamiento son las mismas que las definidas anteriormente solo que de esos 40 segundos de duración del contralavado 10 segundos corresponden a agua ultrafiltrada. En este caso el rendimiento alcanzado es el siguiente: Rendimiento del sistema con contralavados de agua ultrafiltrada más salmuera del 94.8 %
En una segunda etapa de pruebas se buscó optimizar las condiciones de funcionamiento de la planta aumentando el flux de funcionamiento, caudal de agua filtrada por unidad de superficie, y la frecuencia entre contralavados lo que significaría en el primer caso poder dimensionar plantas de ultrafiltración con menor área de superficie filtrante, o lo que es lo mismo con menores costes de inversión y en el segundo caso mejorar el rendimiento hidráulico. Se han realizado pruebas durante varios meses de funcionamiento continuo de la planta aumentando progresivamente el flux concluyendo que para la calidad de agua en cuestión se puede aumentar el flux nominal de funcionamiento hasta 73 lmh. A este flux se observa un ligero aumento de la perdida de carga de las membranas, TMP (presión transmembrana), que tras los CEB's es recuperado en un 100%. En el Gráfico 2 se muestran los datos correspondientes a un periodo de tiempo de 16 horas de funcionamiento.
Gráfico 2: TMP normalizada del rack.
Para las condiciones de funcionamiento probadas de flux promedio de 73 lmh corresponde un flux máximo de funcionamiento de 85 lmh. En el Gráfico 3 se observa que finalizado el contralavado de un rack, cuando el resto de racks han estado trabajando a valores máximos de flux, la TMP de los racks vuelve a valores normales de funcionamiento sin apreciarse ensuciamiento de las membranas.La calidad del agua UF ha sido analizada periódicamente obteniéndose valores de SDI por debajo de 2 el 92% del tiempo.
Gráfico 3: Análisis de la TMP entre contralavados.
Consumo de productos químicos
El diseño del pre-tratamiento seleccionado ha permitido reducir en gran mediad el consumo de productos químicos. Excepto en el caso del anti-incrustante que se dosifica en continuo a la entrada del sistema de ósmosis, el resto de productos químicos se utiliza en el agua lavado de las membranas de ultrafiltración por lo que el consumo total se ve muy reducido. Una vez analizados los consumos se han comparado con datos de consumos de desalinizadoras convencionales y se ha obtenido una comparativa de porcentajes de consumo y de ahorro.
Gráfico 5: Consumo pretratamiento desaladora M. Torres.
El ahorro conseguido en productos químicos esta en torno al 82% con respecto a datos técnicos de diseño de desaladoras. Es importante indicar que este consumo esta referido a dosis de diseño obtenidos de datos de fichas técnicas de desalinizadoras pero que es sabido que los consumos requeridos dependen mucho de la calidad del agua y que los consumos reales tienden cada vez más a ser menores ya que la tendencia actual es la de la reducción de éstos (Antonio Casado y Alberto Letona, 2005).
Conclusión
Todavía es posible seguir optimizando el funcionamiento de las plantas desalinizadoras realizando un esfuerzo en el diseño inicial de las mismas. La ultrafiltración parece una opción muy ventajosa frente a otros tratamientos convencionales. Un diseño del sistema de ultrafiltración flexible permite optimizar los costes de operación del mismo asegurando una calidad muy buena del agua a la entrada a las membranas de ósmosis inversa. El uso de salmuera para el lavado de las membranas de ultrafiltración es una solución viable que permite obtener rendimientos hidráulicos del pretratamiento de hasta el 94%.
Los sistemas de recuperación energética como ya es sabido han ayudado mucho a reducir los consumos energéticos de las plantas desalinizadoras. En aquellos casos, plantas de capacidad media de entre 1500 – 6000 m3/d es interesante el uso de bombas de desplazamiento positivo con mejores rendimientos energéticos que permiten adaptar mejor el diseño de la planta al punto de funcionamiento en cada caso. Para el caso de la planta en estudio se pudieron reducir en una proporción muy alta los consumos de productos químicos no viéndose deteriorado el estado de las membranas de UF y OI.
Referencias bibliográficas
- Casado, Antonio y Letona, Alberto. Presente y futuro de los pretratamientos. I.T.Nº.72.2005
- Ordoñez, Antonio. OHL Medioambiente. Eficiencia energética desaladora Aliante II: Primera desaladora en funcionamiento del Plan Agua. CONAMA 9.
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