Estudio y optimización de una planta de ósmosis inversa de tratamiento de agua para una industria alimentaria. Bloque 1: Histórico de la planta 1. Justificación del proyecto En el presente documento se realizará un estudio sobre la necesidad de abastecimiento de agua en una industria alimentaria, en la que el agua debe cumplir con unos requisitos de calidad adecuados para el consumo humano. Estas condiciones de calidad se consiguen mediante un pretratamiento de agua, la ósmosis inversa. Se dispone de una planta de tratamiento de productos alimentarios, concretamente jugos de fruta y leche. Para la limpieza de los equipos de dicha planta que están en contacto con los productos alimentarios, se necesita agua con una calidad determinada, que como se ha comentado anteriormente, tiene que ser adecuada para el consumo humano. Los valores límites de concentración que tiene que cumplir este agua están recogidos en el RD 140/2007 de Febrero por el que se establecen los límites de calidad del agua para el consumo humano. En el presente proyecto, y concretamente en este primer bloque, se estudiará la operación de la ósmosis inversa analizando el histórico de la planta instalada en la fábrica alimentaria para producir agua osmotizada a partir de agua de pozo. Como se verá a lo largo de este primer bloque, irán sucediendo diferentes problemas, tanto en la instalación de la planta, como problemas en la calidad del agua de pozo. La pérdida de calidad del agua de pozo se debe principalmente a una contaminación externa ajena a la planta. La contaminación del agua de pozo y al aumento excesivo de la salinidad como consecuencia de la misma, llevará finalmente a la planta, tras varias reformas, a tener que utilizar agua de la red municipal en sustitución del agua de pozo como agua de extracción para osmotizar. Como se verá al final del documento la utilización de agua de red en lugar de agua de pozo como agua de extracción encarece la operación en gran medida. En un segundo bloque se analizara en profundidad la operación de ósmosis inversa, con el objetivo de fijar unos límites de calidad del agua de pozo para volver a operar con ella y a partir de esto realizar un análisis de sensibilidad de la instalación. Para llegar a obtener estos límites de calidad, se realizará una comparativa del agua de pozo contaminada y sin contaminar y a través de la cual se logrará establecer unos límites de calidad del agua de pozo contaminada para que la planta pueda volver a operar con la misma y dejar de operar con agua de red. Una vez se establezcan los límites de calidad del agua de pozo para que sea viable su utilización, se realizará un análisis de sensibilidad de la planta de ósmosis inversa. Este análisis de sensibilidad se realizará con la ayuda de un software de diseño (IMS design) que permite la proyección de una planta de ósmosis a partir de una calidad de 1 Estudio y optimización de una planta de ósmosis inversa de tratamiento de agua para una industria alimentaria. agua conocida. Este análisis de sensibilidad se realiza con el objetivo de llegar a unas conclusiones adecuadas para evitar posibles problemas durante la instalación y operatividad de la planta y profundizar más en la operación de ósmosis inversa. 2. Introducción La ósmosis es un fenómeno físico relacionado con el desplazamiento de un compuesto disuelto a través de una membrana semipermeable. Tal comportamiento supone una difusión simple a través de la membrana, sin gasto de energía, el único gasto energético seria la impulsión a lo largo de las membranas. La justificación de la utilización de esta tecnología para la desalación del agua es en gran medida debido a su gran versatilidad pudiéndose utilizar para desalar agua de mar como aguas salobres, otro factor a tener en cuenta es que España es uno de los mayores productores de agua desalada del mundo y en los últimos años se han realizado grandes inversiones en plantas de ósmosis inversa. En este sentido uno de los logros más importantes que ha favorecido tal desarrollo ha sido la normalización de las membranas, favoreciendo la competencia y la bajada de precios de la tecnología y el agua producida. De modo orientativo se presentan los datos del anuario de la Asociación Internacional de Desalación (Figura 1) donde se observa en el apartado d) Capacidad instalada por tecnología que la ósmosis inversa (RO) es la operación más utilizada actualmente para la desalación de aguas, dejando solo un 12 % restante para otras tecnologías como son la evaporación multiefecto (MED), electrodiálisis (ED) y evaporación multietapa (MSF). El 6% de las plantas instaladas el agua que producen es destinada para uso industrial y un 22% a desalar aguas salobres que es en donde se enmarcaría este proyecto: 2 Estudio y optimización de una planta de ósmosis inversa de tratamiento de agua para una industria alimentaria. Figura 1: Capacidad de desalación instalada en España; fuente IDA noviembre 2010 (hispagua.cedex.es). En la osmosis inversa hay que resaltar diversas razones a parte de las citadas anteriormente que han llevado a la industria a utilizar esta tecnología para tratar el agua en comparación con otras tecnologías: Si se compara con el proceso de la destilación por ejemplo la separación se efectúa a través de membranas a temperatura ambiente mientras que la destilación hace uso de vapor encareciendo su operación. La destilación requiere un cambio de estado por lo cual existe un consumo de energía mayor que en la ósmosis. La ósmosis tiene el menor consumo energético y puede utilizarse para aguas con unas características tan dispares como de mar y aguas salobres. La inversión inicial está muy ligada a las características del agua que se vaya a desalar pero en general el gasto es menor que en otras tecnologías. Precisa de pretratamientos químicos y físicos que son importantes para un correcto funcionamiento. La extensión de terreno de la que precisa es de grado medio. Necesita de una fuente exterior de energía. 3 Estudio y optimización de una planta de ósmosis inversa de tratamiento de agua para una industria alimentaria. El manejo es función únicamente de las características del agua a tratar por lo que su fiabilidad es bastante aceptable. Por estas razones se realiza la desalación del agua para la industria alimentaria mediante ósmosis inversa. 3. Objetivos Los objetivos que se buscan alcanzar con el proyecto son los siguientes: Estudio de la tecnología de la osmosis inversa. Análisis y evaluación de las distintas respuestas tecnológicas a diferentes problemáticas asociadas a la planta a lo largo del tiempo. Estudio de la evolución histórica que ha ido teniendo una planta de osmosis inversa real, así como analizar cada una de las soluciones que se han ido proponiendo en cada una de los problemas que fueron surgiendo. Realizar un estudio de las diferentes operaciones que se fueron planteando para que la planta operase de forma correcta y analizar las reformas que ha ido teniendo hasta la situación actual. Análisis de los parámetros fundamentales del agua para determinar su calidad de cara al cumplimiento del Real Decreto 140/2003 del 7 de febrero por el que se establecen los criterios sanitarios para el agua de consumo humano. Utilización del software IMSdesign para realizar simulaciones con una calidad de agua de pozo tipo y generar una planta de osmosis inversa para seguir operando con agua de pozo. Análisis de sensibilidad de una planta de ósmosis inversa: Estudiar diferentes parámetros que son interesantes de analizar y realizar diferentes variaciones en los mismos para comprobar cómo responde la planta de osmosis inversa. pH del agua de entrada. Presión de alimentación al bastidor de ósmosis inversa ante un aumento de la demanda de agua osmotizada. Temperatura de operación Niveles de cloro libre, nitratos y concentración de carbonatos y bicarbonatos. Vida útil de las membranas ante variaciones de caudal en el permeado (aumento de la demanda de producto). 4 Estudio y optimización de una planta de ósmosis inversa de tratamiento de agua para una industria alimentaria. Realizar un análisis del agua de pozo contaminada, con el objetivo de establecer unos límites de operación a partir de los cuales tanto los niveles de concentración de determinados compuestos, como la concentración de sales del rechazo, no supongan un problema de acuerdo a la normativa y se pueda volver a utilizar agua de pozo para osmotizar en sustitución al agua de red. 4. Análisis de una planta de ósmosis inversa con capacidad de producción de 100 m3/h de agua osmotizada a partir de agua de pozo. 4.1. Introducción Este apartado se centrara principalmente en el estudio de una planta de ósmosis inversa para producción de agua osmotizada (permeado), destinada al lavado de equipos que estarán en contacto con productos alimentarios. A lo largo del tiempo en la planta irán sucediendo diversas circunstancias que se han ido sufragando con una serie de modificaciones tanto en el diseño como en la operación de la planta. El estudio y la comprensión de estos problemas ayudaran a entender mejor cual es el funcionamiento de una planta de osmosis y ver los principales problemas de diseño y operación que pueden darse en una planta real. A la vez que se estudia los posibles problemas técnicos de una planta y cómo opera se realizará un manual donde poder consultar cada una de las instalaciones que dispone la planta. En la Figura 2 se muestran las partes fundamentales de la instalación, donde se tendrá que tener especial cuidado a la hora de diseñar la planta y en donde se darán la mayoría de problemas durante la operación de la planta. El diseño de una planta de ósmosis se centra en dos partes fundamentales; la zona de alta presión donde se suministrará la presión necesaria para poder realizar la operación de ósmosis inversa a través de las membranas y las mismas membranas del bastidor. Otra zona de especial importancia es la zona de pretratamientos del agua donde se realizan operaciones de filtrado y adición de reactivos para refinar el agua procedente del pozo, ya que ésta tiene que cumplir con unos requisitos de calidad (pH, nivel de cloro, presión, nivel de determinadas sales, etc) para que las membranas puedan funcionar correctamente y que vienen suministradas por el fabricante de las membranas. Estos dos puntos serán donde se produzcan los mayores problemas que se irán viendo a lo largo de estos apartados junto con la zona de extracción donde aparecen problemas de construcción en el pozo. 5 Estudio y optimización de una planta de ósmosis inversa de tratamiento de agua para una industria alimentaria. Figura 2: Zonas de mayor problemática y de mayor importancia durante el diseño de la planta de ósmosis inversa. 4.2. Situación inicial de la planta de Ósmosis Inversa La situación inicial que se presenta en la industria alimentaria es la necesidad de producir agua con una calidad determinada por el Real Decreto 140/2003 del 7 de febrero por el que se establecen las condiciones de calidad del agua para el consumo humano para la limpieza de equipos de proceso que han estado en contacto con productos alimentarios de carácter líquido. Para cubrir dicha necesidad se realiza la construcción de una planta de ósmosis inversa anexa a la propia fábrica que extraerá agua de pozo para osmotizarla donde se producirá agua con una calidad suficiente para poder utilizarla en el lavado de los equipo; esta agua debe de cumplir unos requisitos mínimos para poder ser utilizada, dichos requisitos vienen recogidos en el mencionado RD140. Una vez planteada la necesidad principal de la industria, que son producir 100 m3/h de agua durante la operación de limpieza de la fábrica, se realizará una descripción de la evolución que ha ido sufriendo la planta de ósmosis inversa a lo largo del tiempo hasta su situación actual, en la que pasa de operar con agua de pozo a operar con agua de la red municipal. 4.2.1. Disposición inicial de la planta y diseño. Inicialmente se estudia la viabilidad de extraer agua de pozo ya que comprar agua de la red municipal incrementaría los costes. La fábrica se encuentra localizada en la zona más exterior de un polígono industrial, donde la construcción de un pozo anexo para la extracción de agua es viable. Se decide la construcción de un pozo para cubrir las necesidades de agua osmotizada de la planta finalmente, necesitando 100 m3/h de agua osmotizada. Una vez establecidas las condiciones de operación en donde se recogen la cantidad de agua osmotizada (permeado) por hora que necesitaría la fábrica, la calidad del agua de pozo y las necesidades de presión se procede al diseño de la planta de ósmosis inversa. 6 Estudio y optimización de una planta de ósmosis inversa de tratamiento de agua para una industria alimentaria. La opción implantada es una planta que trabaja con dos etapa y dos pasos por osmosis; es decir es una única planta con dos pasos por membranas. Según el software utilizado para diseñar la instalación para conseguir una calidad del agua suficiente y debido a la calidad de agua de pozo suministrada, la planta resultante consistiría en una planta de ósmosis en la que el agua de entrada pasaría primero por una etapa de 6 y 4 pasos por membranas dando un permeado que se almacena en un tanque pulmón a la espera de utilizarse. Para atender a una demanda continuada de agua osmotizada se construye una 2º planta alternativa a la primera de las mismas características, de modo que cuando una de las plantas se encuentre parada por temas de reparaciones, mantenimiento o porque las necesidades de agua osmotizada son mayores (caso en el que el tanque de agua tratada este vacío) y tengan que operar las dos al mismo tiempo. Cada planta dispone de una capacidad de producción de 50 m3/h de agua osmotizada. La necesidad de agua osmotizada y la situación en la que las plantas empezarán a funcionar una o las dos a la vez lo marcará unas sondas de nivel instaladas en el tanque de agua tratada. A continuación se muestra un diagrama de bloques en la Figura 3, en donde se puede apreciar cómo sería el flujo del agua en una planta con dos etapas de ósmosis inversa: Figura 3: Diagrama de bloques de una etapa de salmuera En la Figura 3 se puede observar un esquema de un diagrama de flujo tipo de un sistema de osmosis inversa con dos pasos de salmuera o concentrado. El concentrado 7 Estudio y optimización de una planta de ósmosis inversa de tratamiento de agua para una industria alimentaria. del primer paso de 6 elementos (corriente 3) pasa al segundo paso de 4 elemento. La corriente 4 sería lo que se analizará como concentrado final de la primera etapa y las corrientes 5 y 6 se unen dando la corriente final de permeado que iría a un tanque de almacenamiento que se uniría al permeado de la segunda etapa pasando antes, si fuera necesario, por una etapa de post-tratamientos. En el siguiente diagrama (Figura 4) se observa un pequeño esquema orientativo de la disposición de la planta inicialmente en el que se dispone de 2 skip de ósmosis, entendiéndose como skip una planta de ósmosis inversa que consta de un filtro sílex, filtro de seguridad y bastidores de membranas de 6 y 4 pasos (mostrados en la Figura 4) como se ha mencionado anteriormente. La necesidad de instalar los dos skip en paralelo viene dada por la necesidad de agua permeada de la fábrica. Se necesitan 100 m3/h en total y debido a la calidad del agua y a las membranas instaladas en cada planta (skip) al principio solo se pueden producir 50 m3/h de permeado, por lo que se decide instalar dos para producir los 100 m3/ necesarios. Figura 4: Esquema inicial planta ósmosis inversa 8 Estudio y optimización de una planta de ósmosis inversa de tratamiento de agua para una industria alimentaria. Es conveniente explicarla disposición que se observa en la Figura 4 para una mejor comprensión de la operación. La estructura es la más típica y consiste en una serie de tubos (con 6 elementos, membranas, por tubo) colocados en paralelo y en serie, de forma que la salmuera de los dos primeros es utilizada como alimentación de los segundos. Al ir disminuyendo el caudal de concentrado a lo largo de cada etapa el número de tubos por etapa es menor que el anterior y así sucesivamente. De acuerdo con las características de recuperación de las membranas como se observa en la Figura 5, el porcentaje máximo de recuperación por tubo de presión de 6 elementos es del 50%, por lo que el máximo de etapas que se suelen colocar son tres. Mediante la primera se recuperaría el 50%, con la segunda un 25% y mediante la tercera un 12,5% por lo que el máximo de recuperación seria un 87,5%. Este límite de recuperación por cada etapa, 50%, es solo una aproximación como referencia que dan los fabricantes de membrana y que se utiliza en el diseño. Figura 5: Porcentaje de recuperación por etapa El incorporar más o menos etapas depende en gran medida de la calidad de agua a tratar. 9 Estudio y optimización de una planta de ósmosis inversa de tratamiento de agua para una industria alimentaria. A medida que se recupera un porcentaje mayor el concentrado va incrementando su concentración, y son las solubilidades de iones presentes, como se verá más adelante, los que determinaran la capacidad de recuperación de la instalación y por tanto el número de etapas. Una vez se conoce la disposición de los skip dentro de la planta se realizará una descripción por pasos de cada una de las operaciones y tratamientos por los que el agua va pasando a lo largo de la planta (los tratamientos son los mismos para ambas plantas): Figura 6: Diagrama de bloques de la operación inicialmente. Cada uno de los puntos de la Figura 6 se encuentra detallado a continuación: 1- Zona de extracción: La extracción se realiza con una bomba centrífuga vertical y se almacena en depósitos para luego ser tratada. El agua durante su extracción del pozo pasa por el propio filtro instalado en el pozo pero no es suficiente y debe tratarse en los filtros que se describirán más adelante. 2- Toma de muestras, bomba de baja y regulación de pH: El agua se encuentra almacenada en unos depósitos a la espera de su utilización. Se impulsa el agua de pozo mediante una bomba de desplazamiento positivo (bomba de baja) hacia la planta de osmosis inversa. Las condiciones del agua de entrada se determinan mediante una serie de tomas de muestra a lo largo del recorrido de la misma. El agua viene en unas condiciones no óptimas para la operación y necesita ser previamente tratada mediante aditivos y una serie de filtros. Después de la bomba de baja se procede a un tratamiento químico. (véase anexo página 27). Como se verá más adelante el agua, normalmente, muestra unos valores de pH bastante elevados por lo que se tendría que añadir 10 Estudio y optimización de una planta de ósmosis inversa de tratamiento de agua para una industria alimentaria. ácido, concretamente ácido clorhídrico, para regular el pH y poder poner en contacto el agua con las membranas sin miedo a que se deterioren ya que las membranas de poliamida (véase anexo página 16) son sensibles a determinados rangos de pH. 3- Pretratamientos físico-químico: El agua viene con bastantes impurezas y por lo tanto tiene que pasar por una serie de tratamientos físicos anteriores a la propia operación de ósmosis. En primer lugar pasa por un filtro de sílex (filtro de arena) en el que se eliminarán los compuestos de mayor granulometría del agua y demás elementos que por sus características colmatarían las membranas de ósmosis tras una exposición prolongada con las mismas (sólidos en suspensión) (véase anexo página 26). El agua que se introduce en el filtro de sílex como se ha mencionado previamente ha tenido un tratamiento de cloración, aprovechando esto no se generarán residuos orgánicos en el filtro de sílex. Al pasar el filtro sílex se añade metabisulfito para eliminar el cloro ya que desgastarían las membranas de osmosis inversa y las inutilizaría, también se añade un dispersante para prevenir la deposición prolongada de sustancias indeseables en las membranas que no hubiese podido eliminar el filtro de sílex (véase anexo página 29). 4- Filtro de seguridad y zona de alta presión: El agua pasa por un filtro de seguridad (filtro de cartuchos) (véase anexo página 27) donde se procura que las condiciones de calidad del agua sean las óptimas para su utilización en los bastidores de ósmosis. 5- Bomba de alta presión: Una vez el agua ha pasado los pretratamientos fisicoquímicos, es impulsada mediante una bomba centrifuga (bomba de alta) a la primera etapa de seis elementos de osmosis inversa. El permeado se almacena y el rechazo de esta primera etapa pasa a una segunda etapa con cuatro elementos produciéndose la misma operación. 6- Postratamiento y medidas de calidad: Si el permeado no cumpliese las medidas de calidad establecidas se dispondría de una serie de posttratamientos. 4.3. Descripción de observaciones y problemática A continuación se expondrá cada uno de los problemas que han ido surgiendo en la planta y por los cuales se han tenido que ir haciendo modificaciones hasta la situación actual en dónde se opera con agua de red. 11 Estudio y optimización de una planta de ósmosis inversa de tratamiento de agua para una industria alimentaria. La mayoría de los problemas están relacionados con el diseño y las condiciones de operación. Se describirán los problemas en orden cronológico y se realizará un análisis de cada uno de ellos. Estos problemas se fueron observando sobre todo realizando análisis del agua de aporte a la planta en la que se observan sobre todo aumento de la conductividad, SDI, crecimiento biológico y aumento de la salinidad en gran medida en el pozo de extracción. 4.3.1. Coloides arcillosos en el filtro de arena (silex). Se observa un crecimiento de coloides arcillosos en el filtro de arena (Figura 7), esto es debido a que el agua de pozo llega a la instalación con una cantidad muy elevada de fangos y en malas condiciones (valores altos de conductividad y elevado SDI) (véase anexo página 13). Se estudian diferentes medidas para bajar la concentración de fangos y adecuar la calidad de agua de pozo a las características idóneas para su uso: Figuras 7: Foto de coloides arcillosos en el filtro silex 1- Posibilidad de instalar un decantador antes de la bomba de baja para eliminar posibles fangos que trajera el agua de pozo con el consiguiente gasto extra de instalación y consumo extra de agua. Esta medida se descarta por los gastos extra de instalación y por el consumo elevado de agua extra que se tendría que utilizar. 2- Se propone la instalación de un ciclón (véase anexo página 36) a la entrada de la bomba de baja que pueda eliminar los fangos que se encuentran en el agua sin un gasto excesivo de energía ya que el ciclón no aumenta la pérdida de carga en la instalación y además los gastos tanto de instalación como de agua son menores que con el decantador. 12 Estudio y optimización de una planta de ósmosis inversa de tratamiento de agua para una industria alimentaria. 3- A parte del estudio que se realiza para instalar estos pretratamientos físicos se realiza un análisis con videocámara del pozo (Figura 8) ya que se sospecha que pueden haber fallos en la construcción del mismo. Al extraer y analizar la videocámara del pozo se observa que los filtros de puentecillos (véase anexo página 35) instalados para realizar el prefiltrado en el propio pozo están colmatados y que la tapa de seguridad del pozo que se coloca para evitar filtraciones excesivas en la zona arcillosa no había sido colocada, por lo tanto había filtraciones de fangos a lo largo de la tubería aumentando la conductividad del agua de entrada, el SDI y los sólidos en suspensión. Figura 8: Videocámara pozo de extracción. Esto plantea un problema no solo de limpieza del pozo sino también de construcción, debido a que la extracción directa del pozo es imposible. Como solución se decide utilizar hormigón inyectado a lo largo del pozo para reforzar la estructura de las paredes y como tapa al final de la perforación para evitar futuros problemas de contaminación. A continuación en la Figura 9, se muestran los problemas más típicos de contaminación producidos por una mala construcción del pozo de extracción: 13 Estudio y optimización de una planta de ósmosis inversa de tratamiento de agua para una industria alimentaria. Figura 9: Problemas de construcción y contaminación de pozos de extracción de agua. (gwetobomin.com) Como se observa en la Figura 9 el esquema de la esquina inferior izquierda de la figura anterior la contaminación a través del espacio anular sin cementar fue donde se produjo la mayor contaminación del pozo. Por lo que decide utilizar hormigón para evitar filtraciones de este tipo. 4- Se realiza una limpieza de los filtros de puentecillo con una maquinaria específica (véase anexo página 37) y se coloca el hormigón de forma que cubra la parte del pozo que está en contacto con la arcilla. 5- Después de estas operaciones, se vuelven a realizar tomas de muestra. En el laboratorio se observan valores muy elevados de SDI ante los cuales las membranas instaladas no pueden operar, tampoco se observa un aumento de la calidad del agua de manera notable. En los mismos análisis se observa un aumento inusual de sales. Alrededor de la fábrica, en el mismo polígono industrial, existen varias empresas que se dedican a realizar encurtidos, se presupone que los vertidos de estas empresas han podido contaminar el acuífero del que se extraía el agua 14 Estudio y optimización de una planta de ósmosis inversa de tratamiento de agua para una industria alimentaria. para la ósmosis. Esto plantea un gran problema ya que si la calidad del agua de pozo sigue empeorando se comenzara a comprar agua de red encareciendo la operación de desalación. 6- Debido al alto nivel de conductividad del pozo y a que no se rebajan los niveles de SDI se realiza la construcción de otro pozo para intentar subsanar estos problemas y además cubrir las necesidades de caudal, ya que este primer pozo se estaba agotando. 7- Para intentar mejorar la calidad del agua de pozo que llega a la planta se compra parte del agua de extracción a la red municipal. Con esta medida se espera mejorar la calidad del agua de abastecimiento. 8- Con estas medidas se nota una mejoría pero la calidad del agua de pozo no es suficiente para que una vez osmotizada el agua cumpla el RD140. 9- Se empieza a plantear la modificación en el diseño de la planta de ósmosis para intentar seguir operando con agua de pozo. La situación actual de la planta de ósmosis inversa es exactamente como se muestra en la Figura 4 pero añadiendo el ciclón a la entrada de los depósitos de almacenamiento para eliminar los posibles fangos antes de entrar en la planta. 4.3.2. Aparición de Biofilm en el filtro de seguridad. A parte de la problemática principal con la calidad del agua de pozo y el consiguiente crecimiento de coloides arcillosos en el filtro sílex, así como el problema con el diseño de la planta para operar con agua de pozo, se observa otro problema en la planta que se considera importante. El problema con los filtros de seguridad se localiza en la zona de pretratamientos físico-químico, como se indicó en la Figura 2 es una zona donde la adición correcta de los reactivos es crucial para el buen funcionamiento de la planta. Este problema se observa debido a que la diferencia de presión generada en las membranas es muy elevada comparándola con la que recomienda el fabricante, esto se debe a que las membranas se colmatan debido al efecto de la aparición de biofilm en los filtros de cartucho que hacen que se ensucien más. Como se observa en la Figura 10 el biofilm se deposita en la superficie de los filtros obstruyendo los poros, por lo que la calidad de filtrado disminuye. 15 Estudio y optimización de una planta de ósmosis inversa de tratamiento de agua para una industria alimentaria. Figura 10: Filtración (filtro de cartuchos). (avantfilter.es) Se estudia el caso y se llega a la conclusión que el metabisulfito añadido antes de los filtros de seguridad hace que se elimine el cloro del agua y al realizarse varios pasos en el filtro de seguridad hace que se cree éste biofilm. El metabisulfito es un aditivo que se utiliza para la decloración; al añadir en los pretratamientos químicos ácido clorhídrico para regular el pH del agua entrante debido a que las membranas son sensibles a una exposición prolongada de agua con valores extremos de pH (véase anexo página18) y también son vulnerables a un contenido elevado de cloro. 16 Estudio y optimización de una planta de ósmosis inversa de tratamiento de agua para una industria alimentaria. Esto hace que se tenga que eliminar el cloro libre antes de introducir el agua en los bastidores de las membranas. El biofilm no es más que una delgada capa que debido a la ausencia de cloro en el agua hace que proliferen microorganismos en el interior del filtro. Esto hace que no se realce una filtración adecuada ya que los huecos que se quedan entre los elementos filtrantes son menores a causa de que este biofilm los va cubriendo poco a poco. En la Figura 11 se observa una disposición típica de un filtro de cartuchos sin biofilm. Figura 11: Disposición de cartuchos en un filtro de seguridad.(avantfilter.es) Estos elementos filtrantes deben cambiarse conforme pasa el tiempo ya que se van ensuciando y van perdiendo sus propiedades. Como solución se propone inyectar el metabisulfito después del filtro para evitar la generación de este biofilm ya que el cloro actuaría como inhibidor de elementos biológicos. Esto añade otra problemática por la que el metabisulfito no se reparte bien por toda el agua ya que no existe una turbulencia suficiente ni un recorrido tan amplio antes de las membranas para que el metabisulfito actúe eliminando el cloro libre. Para solucionar este problema se propone instalar una lira para que al metabisulfito le dé tiempo a reaccionar y no llegue cloro a las membranas generándose la turbulencia suficiente para que esto ocurra. (ver Figura 12) 17 Estudio y optimización de una planta de ósmosis inversa de tratamiento de agua para una industria alimentaria. Figura 12: Solución para la aparición de biofilm en filtro de cartuchos 4.4. Reformas y modificaciones en la operación de la planta Este apartado se centrará en describir las dos reformas que se llevan a cabo en la planta de ósmosis. Con la configuración inicial de la planta de ósmosis inversa (Figura 4), debido principalmente al aumento de la salinidad del pozo a causa de vertidos incontrolados de otras empresas y en menor medida a la aparición de coloides en el filtro sílex como consecuencia de una mala construcción del pozo y el consiguiente deterioro de las membranas instaladas, se plantea realizar una nueva proyección para intentar seguir operando con agua de pozo y cumplir con los límites de calidad para el agua, que se fijan en el RD140. Seguir operando con agua de pozo es fundamental para la empresa alimentaria ya que supone un ahorro considerable con respecto a la operación con 18 Estudio y optimización de una planta de ósmosis inversa de tratamiento de agua para una industria alimentaria. agua de red, ya que extraer agua de pozo solo supone un gasto eléctrico debido al bombeo hasta la planta y osmotizar agua de la red municipal encarece el proceso ya que se debe comprar agua cada vez que se desea obtener agua osmotizada. Se hará referencia al ahorro que supone operar con un tipo de agua u otra en las conclusiones generales del presente documento. Para introducir la primera reforma se incluirá un esquema de la instalación y una descripción de los cambios más importantes que se realizan así como su justificación. 4.4.1. 1ª Reforma. Planta con dos osmotizaciones. El agua tratada a pesar de las modificaciones que se realizaron no cumple con el RD 140 ya que la salinidad del agua de pozo ha aumentado considerablemente, y los niveles de cloruros, sodio, potasio, sulfatos y demás compuestos no cumplen con los niveles permitidos. Se realizan simulaciones y se observa que osmotizando una segunda vez el agua ya se cumple los niveles exigidos por la normativa. Una vez establecidas las condiciones de operación, la disposición de la planta es la mostrada en la Figura 12, donde se observa que el cambio principal para que la calidad del agua osmotizada sea la adecuada es introducir otro paso por ósmosis. A continuación se irán describiendo cada una de las modificaciones enumeradas en la Figura 12: 1- En este punto se encuentra la zona de extracción. Las condiciones del agua de pozo inicial empeoran debido al aumento de la salinidad debido a filtraciones que se empiezan a producir de vertidos incontrolados de fuentes ajenas a la fábrica. Se decide, aparte de por estas razones por la insuficiencia de caudal que se empieza a notar en el pozo, construir un nuevo pozo con la intención de paliar estos problemas. Cabe mencionar que durante la construcción de este nuevo pozo y cuando se producen las insuficiencias de caudal antes mencionadas se compra agua de la red municipal para poder seguir produciendo la cantidad de agua osmotizada necesaria. Aun con la construcción de este nuevo pozo la calidad del agua sigue obligando a realizar esta segunda osmotización que se describirá a continuación. 2- En este punto la disposición de los equipos es la misma que inicialmente (Figura 4), aunque se realizan diferentes modificaciones en cada uno de los equipos debido a las condiciones del agua. 19 Estudio y optimización de una planta de ósmosis inversa de tratamiento de agua para una industria alimentaria. Como se comentó en la Figura 6 en el punto 2 el agua viene en unas condiciones de pH por lo general alto, por lo que el agua antes de entrar en contacto con las membranas se le debe realizar un pretratamiento con aditivos químicos. En este punto se añade ácido clorhídrico al agua de entrada para rebajar el pH. Se observa a lo largo de la operación con esta nueva disposición que el pH a la entrada de las membranas es más bajo de lo normal. Esto es debido a que la bomba dosificadora de ácido clorhídrico (véase anexo página 39) es automática y no tiene un control de caudal para determinadas variaciones del mismo a la entrada de la planta aportando siempre el mismo caudal. Se dispone de una bomba dosificadora con variador de flujo para que actué automáticamente corrigiendo la cantidad de ácido en función del caudal de entrada. Debido al deterioro de las membranas instaladas y a que la calidad del agua de la que dispone la planta es de peor calidad que la que se mostró en la proyección inicial, se decide cambiar las membranas de los dos bastidores de ósmosis inversa. Las propiedades de estas nuevas membranas permiten trabajar en unas condiciones más agresivas de presión y de conductividad que las instaladas al inicio. La superficie útil de las membranas es prácticamente la misma que en las membranas iniciales por lo que se sigue operando con la segunda osmotización ya que se observa que con una única osmotización no se cumplen los criterios de calidad del agua para el consumo humano. Debido a que la calidad del agua de pozo ha empeorado con respecto a la calidad inicial y que las membranas han cambiado, las bombas instaladas no son las adecuadas para esta operación. La conductividad del agua a la entrada obliga a suministrar más presión a la entrada de la ósmosis inversa para realizar correctamente la operación. Se sustituyen las bombas centrifugas que se tenían inicialmente por unas tipo booster que suministran mayor presión (véase anexo página 38). Como consecuencia del aumento de presión suministrada a las membranas desde las bombas de alta presión nuevas se cambian todas las tuberías, conectores, presostatos y variadores de frecuencia de la zona de alta presión. 20 Estudio y optimización de una planta de ósmosis inversa de tratamiento de agua para una industria alimentaria. 3- El agua osmotizada por primera vez se almacena en un tanque pulmón a la espera de osmotizarla una segunda vez. 4- La segunda osmotización se realiza en una planta nueva. En el diseño para esta nueva planta se reutilizan tanto las membranas como el equipo de bombeo de la instalación inicial. Las restricciones de diseño en esta nueva planta son menores ya que la calidad del agua con la que opera ya se ha osmotizado una vez y es mucho mejor. Esto indica que las membranas van a operar a mucha menos presión, colmatándose menos y aumentando su vida útil por lo que se instalan un tubo de presión menos por cada paso (configuración de 5 y 3 pasos en vez de 6 y 4 pasos de la instalación inicial) ya que incluir mas no sería necesario. Con respecto a las bombas de impulsión se utilizan las de la instalación inicial ya que las membranas no necesitan una elevada presión para poder operar correctamente. Indicar también que esta nueva planta para osmotizar por segunda vez no requiere de pretratamientos físico-químicos debido a que las condiciones del agua no lo requieren. 5- El rechazo de la segunda osmotización se aprovecha para mejorar la calidad del agua de entrada a la instalación (agua de pozo). La mezcla de las dos corrientes se depositó de abastecimiento de entrada a la planta. 6- El rechazo de la planta se traslada a un depósito de almacenamiento a la espera de su trasvase a la estación depuradora de aguas residuales (EDAR), junto con el agua de proceso que se haya utilizado para la limpieza de los equipos de la fábrica de productos alimentarios. 7- En el tanque de almacenamiento de agua tratada se realizan las mediciones para ver si se cumple finalmente la normativa. Operando en estas condiciones, osmotizando el agua dos veces, se observa que se cumplen los parámetros de calidad del RD140. Por lo que se decide seguir operando de esta manera (Figura13). 21 Estudio y optimización de una planta de ósmosis inversa de tratamiento de agua para una industria alimentaria. Figura 13: 1ªReforma con dos osmotizaciones y recirculación. Para ver las especificaciones de los equipos de la reforma véase anexo página 43. 4.4.2. 2ª Reforma. Entrada en vigor de la Autorización Ambiental Integrada (AAI), Operación con agua de red. Una vez entra en vigor la Autorización Ambiental Integrada (AAI) donde se establecen unos límites de vertidos, la operación con agua de pozo se vuelve inviable. Hasta este momento la planta está operando con dos osmotizaciones, y el permeado obtenido con esta segunda osmotización cumple con la normativa del RD140, pero los vertidos de la fábrica generan un problema. El agua de pozo tal como se estaba extrayendo hasta ese momento tenía una conductividad aproximada de 6000-7000 µS de conductividad; la AAI establece que los vertidos que se destinan a depurarse en la EDAR (Estación Depuradora de Aguas Residuales) no pueden tener una conductividad mayor a 2000 µS. La planta hasta ahora estaba operando de tal manera que la conductividad de sus residuos entraba dentro de los límites de la legislación al 22 Estudio y optimización de una planta de ósmosis inversa de tratamiento de agua para una industria alimentaria. querer tratarlos en la EDAR, pero con la nueva legislación es imposible seguir extrayendo agua de pozo con esa cantidad de sales, ya que la conductividad, como se ha mencionado antes, es muy superior a 2000 µS, y por consiguiente el rechazo de la planta de ósmosis, aunque sea un caudal menor, tendrá una gran concentración de sales que imposibilita su tratamiento. Aun cuando se mezcla el concentrado de la planta de ósmosis con el agua osmotizada una vez se ha utilizado para la limpieza de los equipos, al querer tratar estas dos corrientes juntas que supondrían los vertidos de la planta, su depuración no es posible ya que los microorganismos utilizados en la EDAR logran consumir la materia orgánica que se ha eliminado durante la limpieza de los equipos pero no la totalidad de las sales para poder cumplir con la normativa de medioambiente de 2000 µS en los vertidos. Por este motivo al volverse a unir el agua que ha servido para limpieza de equipos (agua osmotizada) con el agua del rechazo en el tanque de vertidos se vuelve a disponer de una mezcla con 6000-7000 µS de conductividad, superando el límite establecido por la AAI. Se plantea un problema con la concentración de sales en el agua de pozo y no con la calidad del agua osmotizada, que sí que cumple con la normativa. Debido a este problema finalmente se decide comprar agua de la red municipal, ya que con los niveles de sales que contiene el agua de pozo en este momento no se podría operar con ella sin que diera problemas a la hora de depurar los residuos en la EDAR. La calidad de esta agua es mucho mejor que la de pozo y no requiere de apenas ningún tratamiento a parte de la ósmosis por lo que la segunda osmotización no es necesaria y se establece la 3ª planta de la instalada para osmotizar dos veces como planta de seguridad. Con esta disposición los vertidos cumplen con las restricciones de la AAI. Actualmente se opera con agua de red y en dos plantas en paralelo (skip) produciendo cada una 50 m3/h de agua osmotizada a partir de agua de red como es observa en la Figura 14. 23 Estudio y optimización de una planta de ósmosis inversa de tratamiento de agua para una industria alimentaria. Figura 14: Esquema de la disposición de la 2ªreforma y situación actual 4.5. Cronograma y evolución de la planta A continuación se realiza un cronograma (Figura 15) donde se irá explicando de manera más esquematizada la evolución que ha ido teniendo la planta a lo largo del tiempo, así como los problemas que han ido marcando estos cambios tanto en la operación como en el diseño. 24 Estudio y optimización de una planta de ósmosis inversa de tratamiento de agua para una industria alimentaria. Figura 15: Cronograma de la planta Cada uno de los puntos de la Figura 14 enumerados del 1-9 representa cada una de las circunstancias que se han dado para que la planta de ósmosis inversa tenga que operar en la situación actual. Cada uno de los puntos se describirá en más detalle a continuación: 1) Necesidad de agua osmotizada para limpieza de equipos en una industria alimentaria. Primera proyección con una sola osmotizacion realizada en dos líneas (plantas o skips) de ósmosis inversa por necesidades de caudal de agua tratada, produciendo 100 m3/ h de agua osmotizada (permeado). 2) Aparición de coloides arcillosos en el filtro de sílex debido al alto contenido en fangos del agua de pozo. Fallo en la construcción del pozo. 3) Instalación de un ciclón a la entrada de la planta para eliminar parte de los fangos y se realiza una limpieza-reparación del pozo. 4) Aumento de la salinidad del pozo debido a filtraciones de otras empresas ajenas a la planta (empresas de encurtidos, vertidos incontrolados), insuficiencia de caudal. Con estas condiciones el agua tratada no cumple el RD140. (4) A la vez que se están dando estos problemas con el agua de pozo se observa un problema con el filtro de cartuchos en el que aparece un bioflim como consecuencia de la ausencia de cloro en el filtro pues se elimina antes. Se decide inyectar reactivo (metabisulfito) para eliminar el cloro después del filtro instalando una lira para que pueda reaccionar con el cloro libre antes de entrar a las membranas ya que sería perjudicial para las mismas. 25 Estudio y optimización de una planta de ósmosis inversa de tratamiento de agua para una industria alimentaria. 5) Construcción de un nuevo pozo y proyección de una nueva planta de ósmosis. 6) Nueva proyección; aumento de la salinidad y nuevos requerimientos de impulsión. Sustitución de las membranas actuales por otras más resistentes a los niveles de conductividad, sustitución de bombas por las nuevas exigencias de presión en las membranas (aumenta la salinidad del agua por lo tanto mayor presión necesaria para vencer la presión impuesta por las membranas de osmosis para unas misma calidad y caudal de agua de permeado). Cambio de válvulas, tuberías y equipos de medición para adecuarse a las nuevas condiciones de operación. Utilización de la planta inicial para generar una tercera línea (planta o skip) de ósmosis inversa consiguiendo osmotizar una segunda vez el agua para mejorar sus propiedades. Recirculación del rechazo de la segunda osmotización hacia el agua de entrada para mejorar las características del agua de pozo. 7) El agua tratada cumple el RD140 para aguas destinas al consumo humano. 8) Entra en vigor AAI, el rechazo general de la fábrica alimentaria (concentrado de la planta de ósmosis inversa y agua tratada una vez utilizada para la limpieza de equipos) no cumple con los límites para ser tratado en la EDAR. 9) Operación con agua de pozo inviable debido a su alto contenido en sales, se decide comprar agua a la red municipal y osmotizarla. Con esta medida se elimina la planta dedicada a la segunda osmotización que se deja como seguridad ya que el agua de red no es necesaria osmotizarla dos veces, quedando la planta actualmente operando con dos líneas (plantas o skip) de ósmosis inversa y tratando agua de red. 26 Estudio y optimización de una planta de ósmosis inversa de tratamiento de agua para una industria alimentaria. Bloque 2: Análisis de sensibilidad y propuestas de mejoras técnicas en la planta de ósmosis inversa 1. Introducción Una vez se ha conocido la realidad de la planta de ósmosis inversa y los diferentes tratamientos y variaciones de diseño que ha ido sufriendo a lo largo del tiempo, se plantea un problema con la elevada contaminación del agua de pozo y más concretamente debido su elevada salinidad que hace que los residuos generados por la planta no se puedan tratar en la estación depuradora de aguas residuales según la normativa. El objetivo principal de este bloque es establecer unos límites de calidad del agua de pozo a partir de los cuales sea viable volver a utilizarla como agua de extracción. Para establecer estos límites se realizará un análisis de las calidades del agua de extracción, tanto de pozo como de la red municipal, llevando a cabo una comparativa entre ellas que ayudarán a fijar estos límites. Una vez se conozcan estos límites de calidad y sabiendo cuales son las condiciones de operación que tiene que cumplir una planta de ósmosis, así como los parámetros más importantes que pueden variar durante la operación, se realizará un análisis de sensibilidad de la planta de ósmosis inversa operando con agua de pozo sin contaminar, cuya disposición se obtendrá con el software de diseño IMSdesign que se explicará más adelante. 2. Análisis del programa IMSdesign 2.1. Objetivos El software utilizado para realizar las simulaciones es el IMSdesign. Es un software libre de la empresa Hydranautics Nitto Group Company; que a partir de una calidad de agua, tipo de membranas y el caudal de agua osmotizada necesario, el programa facilita una disposición de los bastidores de membranas, calidad y caudal del agua osmotizada y del rechazo. Con este software y con la calidad de agua que se dispone se realizarán una serie de variaciones en cada uno de los parámetros fundamentales en el diseño de la planta de ósmosis. Una vez se tenga la disposición de los bastidores de membranas y se escoja el tipo de membranas a utilizar que será facilitada por el proveedor se realizará un estudio del agua producto simulando una osmotización completa en el que se observará si se cumple la normativa del RD140 de agua para el consumo humano. Con las opciones de diseño que dispone el software se puede 27 Estudio y optimización de una planta de ósmosis inversa de tratamiento de agua para una industria alimentaria. simular el comportamiento de las membranas a lo largo del tiempo, reflejadas en la calidad del agua osmotizada y la presión de operación, también es posible estudiar cómo operaria la planta de ósmosis inversa ante un aumento de la demanda de caudal de agua osmotizada. La filosofía del software se resume a continuación: - En una primera ventana, toda la información posible del agua de extracción; concentraciones, temperatura, pH y turbidez para una primera ventana donde se tienen que especificar todos estos parámetros. - En una segunda ventana de diseño se necesita especificar los principales parámetros de diseño operacionales: La cantidad de agua osmotizada que se necesita. El porcentaje de recuperación para poder fijar un caudal de extracción. El tipo de membranas que se va a utilizar (véase anexo páginas 8 y 16), facilitada por el proveedor de las mismas en función de la calidad del agua de extracción. Una vez se han introducido los datos anteriores el software mostrará una configuración del bastidor de membranas y se podrá obtener la calidad tanto del permeado total de la planta como del rechazo. Para comprender mejor de qué forma se irán realizando cada una de las simulaciones, en los siguientes apartados se muestran varias ventanas del programa donde se irá especificando la importancia de cada una de las opciones de operación que tendrán lugar para diseñar una planta de ósmosis inversa. A continuación se muestra un esquema en la Figura 16 donde se resumirá la operación del software con los datos a introducir y los resultados obtenidos. 28 Estudio y optimización de una planta de ósmosis inversa de tratamiento de agua para una industria alimentaria. Figura 16: Resumen de la operación del software IMS design 2.2. Parámetros importantes y opciones del IMSdesign en la ventana de “Análisis de agua” Una vez se abre el software y se escoge la opción de ósmosis inversa aparece una ventana como la que se muestra en la Figura 17: Figura 17: Pantalla inicio IMS design 29 Estudio y optimización de una planta de ósmosis inversa de tratamiento de agua para una industria alimentaria. La Figura 17 muestra la pantalla de análisis de agua, en la que se especificará la cantidad de cada uno de los compuestos que aparecen (Ca, Mg, Na, etc…) (véase anexo página 2), el pH, la temperatura, el índice de ensuciamiento (SDI) y la turbidez del agua a la entrada (caracterización del agua de entrada). Una vez se introducen los datos en la ventana de “Análisis”, haciendo click en la barra de herramientas en la opción “Diseño OI”, se introduce la cantidad de caudal de agua osmotizada necesaria y la recuperación por paso necesaria para establecer el número de etapas, se obtiene el modelo de bastidor de ósmosis inversa óptimo para esa calidad de agua que se ha introducido, especificando número de membranas, presión de alimentación necesaria y características del agua osmotizada, rechazo a lo largo de los bastidores y a la salida de los mismos. Se estudiará y modificarán determinados parámetros de la ventana de “Análisis” para el análisis de sensibilidad del proceso. Entender la importancia de los siguientes parámetros es crucial para realizar un diseño óptimo de la instalación y se describirán a continuación. Figura 18: Opciones para el tipo de alimentación 2.2.1. Alimentación (Alim.) Dentro de las opciones de alimentación que se muestran en la Figura 18 aparecen agua de pozo, agua en superficie y permeado OI además de dos alimentaciones con agua de mar y efluentes que en este caso no interesa para el desarrollo de las simulaciones ya que se trabajará con agua de pozo. A continuación se explica las diferentes ventajas que da trabajar con una opción u otra además de la utilidad de la opción permeado OI: - La opción de agua de pozo tiene varias ventajas e inconvenientes: 30 Estudio y optimización de una planta de ósmosis inversa de tratamiento de agua para una industria alimentaria. Ventajas: La limpieza del agua como consecuencia de su filtrado en el terreno, esto se traduce en unos índices de turbidez (NTU) y de colmatación (SDI) bajos. Otro factor a tener en cuenta es la ausencia de actividad orgánica y biológica a diferencia del agua de mar y su bajo contenido de oxígeno disuelto (véase anexo página 7) que puede ser bastante perjudicial en elevadas concentraciones, así como una baja contaminación ya que tiene nulo contacto con la actividad humana en principio y temperaturas bastante estables. Inconvenientes: En contrapartida son contenidos bastante importantes de elementos como el hierro, aluminio, sílice, flúor u otros que exigen un tratamiento previo antes de alimentar a membranas o tener que realizar un diseño más conservador que a la larga perjudica la eficiencia de la planta. Contaminación por nitratos y pesticidas así como la variación de la composición química a lo largo del año. Se tiene que tener un especial cuidado con la sobreexplotación del pozo ya que podría agotar con rapidez y esto llevaría a la realización de obras en la planta. La contaminación por filtraciones en los acuíferos dependiendo donde se encuentre el pozo también se tiene que tener en cuenta. Se deben realizar análisis periódicos exhaustivos para el control de la calidad de agua. Los pozos pueden suponer un ahorro a la hora de añadir reactivos químicos e incluso de equipos pero dependiendo de la zona donde se encuentre la explotación se tendrá que ser más o menos cauteloso a la hora de la extracción y los controles de calidad. - Las tomas de agua en superficie tienen unas características contrarias a las anteriores: Actividad orgánica y biológica importante, contenido en sólidos en suspensión importante y variable según condiciones, mayor exposición a la contaminación, contenido más elevado de oxígeno disuelto, amplio margen de variación de temperaturas, composición más homogénea. El abastecimiento de la planta se realiza desde un depósito que toma el agua de un río o lago, esto se realiza para que no existan interrupciones en el suministro de agua. - La opción de permeado de OI se utiliza para indicar un agua ya osmotizada que se va a volver a osmotizar en caso de recirculación o una nueva etapa de osmotización para comprobar si se alcanzan realmente la calidad exigida. 2.2.2. pH Es un parámetro a tener en cuenta al trabajar con membranas de osmosis inversa ya que la acidez o alcalinidad tanto una como otra en extremo pueden afectar al rendimiento de las membranas. Como se observa en la Figura 19 es uno de los campos obligatorios de especificar en el agua de entrada: 31 Estudio y optimización de una planta de ósmosis inversa de tratamiento de agua para una industria alimentaria. Figura 19: Parámetros característicos del agua, de especial importancia para la ósmosis inversa. Hay que tener un control exhaustivo del pH a la entrada de la instalación para proceder a los pre-tratamientos químicos necesarios, para trabajar en el rango de operación ideal de las membranas, aunque no siempre sea lo correcto ya que a determinadas temperaturas puede llegar a hidrolizarse por eso el fabricante da una temperatura optima de trabajo para la membrana. El agua que se va a desalar suele tener un pH elevado sobre todo en aguas salobres, si no fuera así no se tendría que añadir ningún aditivo para regularlo. Uno de los principales objetivos de observar el pH y regularlo es evitar la precipitación de carbonato cálcico y mantenerlo en solución y colocar el pH óptimo para trabajar con las membranas. El CO2 que se calcula automáticamente por el software al introducir todos las concentraciones de los compuestos y el pH, es resultado de un balance de bicarbonatos y pH en el agua, también es un gas que se libera en las aguas carbonatadas, como es el caso, como consecuencia de la regulación del pH que se realiza en el pretratamiento de ósmosis inversa que se han visto en el primer bloque. El CO2 es un gas que no se concentra ni se rechaza por la acción de las membranas de ósmosis inversa por lo que su concentración será la misma a la entrada, rechazo y permeado, confiriendo en algunos casos un carácter corrosivo al agua que se tendrá que tener en cuenta en los post-tratamientos que se realicen al agua. 32 Estudio y optimización de una planta de ósmosis inversa de tratamiento de agua para una industria alimentaria. La alimentación y el concentrado (rechazo) debido al pH también se pueden ver afectados por la solubilidad y el potencial de ensuciamiento de sílice, aluminio, orgánicos y aceite. Las variaciones en el pH de alimentación también pueden afectar el rechazo de iones. Por ejemplo, flúor, el boro y el rechazo de sílice son más bajos cuando el pH se vuelve más ácido. 2.2.3. SH2 El control de ácido sulfhídrico, como se muestra en la Figura 20, también se tiene en cuenta a la hora de realizar la proyección. Figura 20: Sulfhídrico en el agua de entrada El ácido sulfhídrico al oxidarse se transforma en azufre elemental, produciendo un ensuciamiento sobre las membranas, que es muy difícil de eliminar. Para evitar este ensuciamiento se tendrá que cuidar el diseño y evitar que el aire no penetre en el sistema. Lo recomendable es dejarlo en solución y tratar el permeado. 2.2.4. Hierro (Fe) Los niveles de hierro soluble a la entrada de la ósmosis inversa se pueden controlar en el programa como se observa en la ventana mostrada en la Figura 21: 33 Estudio y optimización de una planta de ósmosis inversa de tratamiento de agua para una industria alimentaria. Figura 21: Hierro soluble en el agua de entrada El bicarbonato ferroso soluble está contenido casi siempre en aguas de pozo con una concentración de hierro por encima de 0,1 g/l. Como regla general las aguas alcalinas contienen menos concentraciones de hierro que las de baja alcalinidad. Si el agua contiene SH2 se puede formar SFe que es un precipitado negro e insoluble perjudicial para la salud por lo tanto se tiene que controlar la cantidad de Fe en el rechazo de sales y también la cantidad de SH2. Como se ha indicado antes en las aguas con alto contenido en Fe se pueden producir bacterias de Fe como el Crenothrix que oxidan los iones de Fe. Las aguas de pozo con Fe2+ generalmente contienen poco oxígeno, por lo que si se evitan los oxidantes manteniendo en el sistema una condición de anaerobiosis, como en el caso del SH2, no deben esperarse problemas. Se debe evitar la oxidación del Fe2+ bajando el pH cuando las concentraciones de este ion sean elevadas por debajo de 5,5. Con este pH se puede mantener el hierro en solución hasta 4 ppm sin ensuciamiento. Si el contenido de hierro es mayor se elimina con Cl 2 que forman óxidos insolubles de hierro que se eliminan en el filtro sílex. Los fabricantes recomiendan una cantidad de hierro por debajo de 0,05 ppm. Con los datos de hierro el mismo programa nos recomendara la utilización de algún antiincrustrante de hierro. (Véase anexo página 5) 34 Estudio y optimización de una planta de ósmosis inversa de tratamiento de agua para una industria alimentaria. 2.2.5. Turbidez Es uno de los parámetros de importancia en la ósmosis inversa como se observa en la Figura 19. Esta ocasionada por la presencia de materiales en suspensión como arcilla, limo, partículas orgánicas coloidales, placton y otros organismos microscópicos. Depende de la absorción de la luz. Las NTU son una equivalencia a las JTU que son las unidades de turbidez de Jackson. Aproximadamente 40 NTU son 40 JTU, al medirlo con el turbímetro de Jackson que no se entrara en su explicación. El contenido de partículas que pueden producir turbidez se encuentran para valores de 0,2-1 NTU. Las arcillas, partículas orgánicas y partículas fibrosas son las responsables de la turbidez principalmente. La presencia de turbidez es importante que este en torno a 1 NTU ya que proporciona una idea de lo bien que se está filtrando y si hay que cambiar filtros y demás. Una turbidez elevada puede enmascarar otros contaminantes importantes a la hora de eliminarlos. Estos niveles de turbidez son necesarios para realizar un correcto pretratamiento físico del agua. 2.2.6. Índice de colmatación o ensuciamiento SDI Se trata de un índice exigido por las empresas fabricantes de membranas para asegurar que las membranas no se ensucien, normalmente se sitúa en torno a SDI de 5 aunque esto no asegura que las membranas no se ensucien (véase anexo páginas 13 y 30). 2.2.7. Conductividad (Cond. E) La conductividad es una medida de la capacidad del agua para transmitir electricidad debido a la presencia de iones disueltos. El agua pura sin iones no conduce una corriente eléctrica. La conductividad se mide por un medidor de conductividad y se reporta como microSiemens/cm (µS/cm). La medida de la conductividad es un método conveniente para determinar el nivel de iones en un agua, pero no es específica en determinar que iones son. La conductancia eléctrica de los iones puede variar y disminuirá a medida que la concentración de iones aumenta. La conductividad también se puede estimar usando factores de conversión individuales a partir de las concentraciones de iones reportados de un análisis de agua o mediante el uso de un solo factor de conversión basado en la suma de los iones. La conductividad será un parámetro importante a la hora de analizar el cumplimiento de la normativa para el rechazo de la planta de ósmosis. Ver Figura 19. 2.2.8. Temperatura y presión osmótica La temperatura máxima de operación la imponen las membranas de ósmosis. El límite inferior como se comentó es 0°C, pero el superior depende de las membranas y la presión osmótica es la presión necesaria que se debe superar en cada una de las 35 Estudio y optimización de una planta de ósmosis inversa de tratamiento de agua para una industria alimentaria. membranas para que se produzca la operación de ósmosis inversa, al tratarse de una operación que no es natural se debe suministrar una energía para que se produzca en forma de presión mediante las bombas de impulsión. 2.2.9. Fuerza iónica La solubilidad de las sales poco solubles aumenta con el aumento de los TDS de alimentación. Para tener en cuenta este efecto en el cálculo de la solubilidad de una sal (por ejemplo, sulfato de calcio, sulfato de bario, sulfato de estroncio o de SDSI), se calcula la fuerza iónica de un agua. La fuerza iónica de cada ion se obtiene tomando la concentración de ppm de cada ion (como carbonato de calcio) y multiplicando cada ion monovalente por 1 x 10-5 y cada ion divalente por 2 x 10-5. Este parámetro variará en función de la cantidad de iones en solución que tenga y dará una idea de los tratamientos a los que se tiene que someter. 2.2.10. TDS (solidos disueltos totales) La medida TDS tiene como principal aplicación el estudio de la calidad del agua de los ríos, lagos y arroyos. Aunque el TDS no tiene la consideración de contaminante grave, es un indicador de las características del agua y de la presencia de contaminantes químicos, es decir, de la composición química y concentración en sales y otras del agua. Un aumento del TDS a la entrada de la planta puede ser por algún tipo de filtración en los acuíferos de sales, y si es después del pretratamiento físico o a la salida de las membranas puede ser debido a un mal estado de los filtros o de las membranas respectivamente. Ver Figura 19. 2.2.11. Índice de saturación Langelier y Stiff&Davis El índice de saturación de Langelier y el de Stiff & Davis (Figura 22) son unos parámetro muy importantes a la hora de realizar los pretratamientos químicos en el agua de proceso, ya que dependiendo de su valor el agua formara incrustaciones de carbonato cálcico. Como se irá viendo en las simulaciones el programa te avisa automáticamente de este valor y del problema que existe a la hora de operar con el agua en esas condiciones en concreto. En la ventana de inicio para el análisis de agua aparecen otros indicadores en porcentaje de saturación de diferentes sales de azufre, con bario y calcio que darán una idea de por qué se están rebasando los índices explicados con anterioridad y actuar en el proceso de una manera más efectiva hasta cumplir con los límites de operación que se verán en las simulaciones. 36 Estudio y optimización de una planta de ósmosis inversa de tratamiento de agua para una industria alimentaria. Figura 22: Índices de Langelier y Stiff&Davis 2.3. Opciones del IMSdesign en la ventana “Diseño OI” Una vez se han introducido los campos obligatorios en la ventana de “Análisis” la siguiente acción es realizar el diseño de la planta de ósmosis inversa. Al introducir, la composición del agua, pH, temperatura y el nombre del proyectista se procede a seleccionar la opción Diseño OI en la barra de herramientas del software. Una vez se realiza esta acción, aparece una ventana igual que la Figura 23 donde se necesitará especificar el caudal de permeado que se va a necesitar, tipo de membranas y tasa de recuperación de permeado (%). 37 Estudio y optimización de una planta de ósmosis inversa de tratamiento de agua para una industria alimentaria. Figura 23: Ventana IMSdesign Diseño OI, parámetros de diseño La cantidad de permeado que se debe introducir es la cantidad de agua que se necesita obtener. Se puede dar el caso que si se rebasan las condiciones de diseño para el tipo de membranas que se han escogido en función de la calidad del agua no se pueda conseguir el caudal de permeado necesario en una única planta teniendo que operar en paralelo con otra planta de la misma producción. Al especificar la cantidad de permeado necesario el programa calculara la presión a la que se debe trabajar, así como la cantidad de agua que se necesitaría extraer que en todos los casos seria mayor para sufragar la perdida de caudal que se da en las membranas debido al deterioro de las mismas y a la conversión máxima que se puede dar en un mismo bastidor de membranas. 38 Estudio y optimización de una planta de ósmosis inversa de tratamiento de agua para una industria alimentaria. Recuperación de permeado: En el bloque 1 en el apartado de disposición de la planta inicial se realizó una introducción a este apartado donde se especificaba que el máximo caudal de entrada que se puede recuperar por bastidor de membranas es el 50%, este dato es solamente orientativo a la hora de realizar un primer diseño de la planta. El máximo de etapas de ósmosis que se pueden instalar son tres, esto es debido a que desde el punto de vista técnico no es viable seguir instalando más, ya que al solo poder recuperar en una etapa el 50% del caudal de agua de proceso como permeado en la siguiente etapa se recuperara el 25% del total y en la siguiente solo un 12,5%, por lo que el máximo permeado que se puede recuperarse sería el 87,5% del total no siendo viable instalar otra etapa para recuperar el 6,25% del permeado. Cuando se realiza el diseño de una planta se admite como dato conservador un 75% de recuperación del permeado por lo que se dispondrá de dos etapas de ósmosis cada una con los pasos necesario para realizar la operación. Una vez se establezca la primera planta de ósmosis se estudiará si es posible introducir una recuperación de permeado del 87,5% con el consiguiente aumento de etapas en la instalación. En la Figura 24 se muestra una disposición típica de un bastidor de membranas de ósmosis inversa de 8 y 4 pasos por tubos de presión (véase anexo página 15). Figura 24: Bastidor de ósmosis inversa de dos etapas una con 8 pasos y otra con 4 pasos por tubo. 39 Estudio y optimización de una planta de ósmosis inversa de tratamiento de agua para una industria alimentaria. Elección del tipo de membranas: Generalmente en la elección del tipo de membranas (Figura 25) se tienen en cuenta diferentes factores que son función de las necesidades de la planta, presión, caudal de permeado, superficie de instalación, calidad del agua de entrada, eliminación de reactivos específicos, etc. En la planta donde se realiza el presente proyecto las necesidades de caudal son muy elevadas y en ningún tipo de membranas es capaz de procesar caudal suficiente de agua de proceso para producir 100 m3/h de agua permeada por lo que se instalan 2 líneas de 50 m3/h cada una. Con estas necesidades de caudal ya se puede seleccionar algún tipo de membranas que dispone el software. La cantidad de rechazo de sales ira disminuyendo conforme vaya pasando el tiempo debido al ensuciamiento de las membranas por lo que interesan valores elevados del mismo para que no pierdan propiedades rápidamente. El tipo de elemento de membrana expresa la característica principal de ese tipo de membrana, por lo que en función de lo que se vaya buscando se escogerá un tipo u otro de membranas. Una vez se dispongan de los valores límites de calidad del agua de pozo, se realizarán simulaciones donde se verá cómo responden a lo largo del tiempo, estimándose su vida útil (véase anexo página 16). Figura 25: Tipo de membranas Hydranautic. 40 Estudio y optimización de una planta de ósmosis inversa de tratamiento de agua para una industria alimentaria. 2.3.1. Operativa general de la planta. Para poder realizar un primer diseño de la planta de ósmosis inversa y ver en qué condiciones opera la planta que se ha diseñado se realiza un click en el campo “Ejecutar” y se imprime tanto el diagrame de flujo de la planta como los resultados de la simulación haciendo click en cada uno de los campos de que se marcan en la Figura 26: Figura 26: Resultados de la simulación Existen otros parámetros que son importantes a la hora de realizar simulaciones pero que se irán explicando en mayor profundidad a lo largo de las mismas. Las opciones de mezcla de permeado, contrapresión de permeado, bomba booster, recirculación, center port y ERD (turbinas, recuperadores de energía) son diferentes opciones que da el programa para variar la instalación e intentar mejorar la operación de la planta. Una vez que se realice el diseño de la planta tipo para intentar seguir operando con agua de pozo se valoraran cada una de estas opciones. Se debe prestar especial interés a los siguientes campos de la Figura 27: 41 Estudio y optimización de una planta de ósmosis inversa de tratamiento de agua para una industria alimentaria. Figura 27: Otros campos de importancia para las simulaciones. pH: El ajuste del pH del agua de entrada es importante ya que como se ha visto en este documento se pueden evitar situaciones de ensuciamiento por sílice, aluminio y aceites orgánicos. También la manipulación del pH de entrada puede afectar al rechazo de iones de flúor, boro y al rechazo de sílice. Este ajuste se consigue suministrando a la entrada ácido clorhídrico concentrado. La edad de las membranas es un campo importante para ver cómo van evolucionando las propiedades de las membranas a lo largo del tiempo y controlar el tiempo de limpieza (véase anexo página 33) y ver su vida útil. Los valores por defecto de disminución de flujo por año y de aumento de paso de sales son proporcionados por el programa. Estos valores pueden ser aceptados, o se pueden introducir nuevos valores. Estos parámetros deben ser especificados por el diseñador para que el programa pueda calcular resultados significativos. Las tasas de disminución del flujo y aumento de paso de sales deberían basarse en la experiencia y el juicio del diseñador y su propio conocimiento del agua de alimentación y el programa de pre-tratamiento. Los 42 Estudio y optimización de una planta de ósmosis inversa de tratamiento de agua para una industria alimentaria. valores recomendados están disponibles para las tasas de disminución de flujo y aumento de paso de sales. En lugar de especificar la disminución de flujo, se puede elegir para modelar el aumento de la presión de alimentación del sistema especificando un factor de ensuciamiento. El factor de ensuciamiento es un valor entre 0 y 1 que representa el porcentaje de permeabilidad de la membrana inicial. Por ejemplo, un factor de ensuciamiento de 0,8 indica que el 80% de la permeabilidad de las membranas se utiliza en el cálculo de la presión de alimentación requerida. El factor de ensuciamiento no es una función de la edad de la membrana. Sin embargo, si se introduce un factor de ensuciamiento, se calculará automáticamente el valor de disminución de flujo asociado al año de la membrana. Del mismo modo, si se introduce una edad de membrana y una disminución del flujo por año, se calcula y se muestra el factor de ensuciamiento asociado. 2.4. Esquema general de operación con datos de partida, especificaciones e información obtenida por el software IMS design: En este apartado se realizará un esquema en forma de tabla (Figura 28) donde se recoja toda la información que se necesita introducir en el programa para poder simular una planta de ósmosis inversa así como la información que suministra el software una vez se realiza la simulación: Figura 28: Tabla resume de especificaciones a introducir en el software 43 Estudio y optimización de una planta de ósmosis inversa de tratamiento de agua para una industria alimentaria. 3. Aspectos fundamentales del agua de extracción. 3.1. Introducción El objetivo de este apartado, una vez se han estudiado cada una de las condiciones de operación de la planta que se han ido dando a lo largo del tiempo, es realizar un diseño de una planta de ósmosis inversa que trate agua de pozo sin contaminar y realizar un análisis de sensibilidad de la misma una vez se hayan establecido unos límites de calidad que debe de cumplir el agua de pozo contaminada para volver a operar con ella. Como se vio en el Bloque 1 el principal problema que se presenta en la planta es la contaminación del agua de pozo a lo largo del tiempo por vertidos incontrolados con un alto contenido en sales. Las condiciones del agua de pozo fueron empeorando tanto que la empresa se ve obligada a trabajar con una planta sobredimensionada con agua de red. En este apartado se van a tratar dos temas principalmente: - Con el objetivo de establecer unos límites de calidad del agua de pozo a partir de los cuales sea viable volver a utilizarla, se realizará una comparativa del agua de pozo contaminada y sin contaminar así como del agua de red. Analizando como varían los parámetros de operación en cada una de ellas y que concentraciones de determinados compuestos aumentan en mayor medida la salinidad y pueden dar problemas a la hora de realizar las osmotizaciones. - Una vez se han establecido los límites de calidad mínimos del agua de pozo se realizará un análisis de los parámetros más importantes a controlar durante la operación de ósmosis. Se realizarán simulaciones con el software IMS design, a partir de las cuales, trabajando exclusivamente con agua de pozo sin contaminar, se realizará un análisis de sensibilidad del proceso, con el que se establecerán una serie de medidas para mejorar la operatividad de la planta. 3.2. Comparativa de agua de proceso y estudio de la disposición de la planta. Las tres condiciones del agua de extracción serían: Agua de pozo (sin contaminar): Este es el caso más interesante desde un punto de vista económico y operativo en el que la planta de ósmosis sería capaz de producir agua en las condiciones necesarias para su utilización. La calidad del agua de pozo como se ha visto anteriormente viene determinada por diversos aspectos, sobre todo por el aumento de la conductividad debido a la filtración de vertidos incontrolados y a un mal diseño del mismo pozo de extracción. En 44 Estudio y optimización de una planta de ósmosis inversa de tratamiento de agua para una industria alimentaria. el caso que ambos efectos sean eliminados se podría volver a operar con agua de pozo. El esquema de la planta sería como el de la Figura 4 en la que se dispone de dos etapas de ósmosis para poder producir la cantidad de agua osmotizada necesaria. En el agua de pozo como se ha visto anteriormente se produce una contaminación externa producida por diversos motivos, principalmente vertidos incontrolados ajeno a la propia empresa, y la fábrica se ve obligada a cambiar la disposición de la planta de ósmosis inversa para poder seguir produciendo agua para la limpieza de los equipos. - Agua de pozo (contaminada): En apartados anteriores se vio que la elevada conductividad del agua de pozo hizo que se tuviera que cambiar la disposición de la planta de ósmosis inversa teniendo que realizar una nueva etapa de osmotización pasando el agua por dos etapas de ósmosis para poder cumplir el RD140 por el que se establecen los criterios de calidad del agua para el consumo humano. También se cambiaron las membranas para hacer frente a las nuevas condiciones del agua de pozo. La disposición trabajando con agua de pozo con dos osmotizaciones es la que se vio en la Figura 13 la que finalmente tuvo que cambiarse debido a que la conductividad del agua de pozo era tan elevada que los residuos totales de la planta no cumplían las condiciones de calidad para vertidos establecidas por medioambiente. En este apartado se establecerán una serie de valores límites entre las dos calidades de agua que se han visto y el agua de red por la que se debería empezar a operar en unas condiciones determinadas. - Agua de red: Una vez ya es imposible seguir operando con agua de pozo debido a las sus altos valores de conductividad y al rechazo de la planta se decide operar con agua de la red municipal, en la que solo se osmotiza una vez. Disposición actual de la planta se muestra en la Figura 14. 3.2.1. Tablas comparativas de aguas de aporte. A continuación se muestra una tabla comparativa (Figura 26) de las 3 calidades de agua de pozo que se han ido presentado en la planta de ósmosis inversa. En esta tabla se puede apreciar que valores de concentración han ido variando en mayor medida. Como se indicó en los objetivos, en un apartado posterior se realizará un análisis más exhaustivo de que condiciones de calidad límites debe cumplir el agua de pozo contaminada para poder extraerla de nuevo y dejar de comprar agua a la red municipal. Se realiza este pre-análisis de las condiciones de calidad del agua y de las condiciones de operación de la planta que se han ido produciendo para tener una idea general de que parámetros son más problemáticos a la hora de realizar las simulaciones. 45 Estudio y optimización de una planta de ósmosis inversa de tratamiento de agua para una industria alimentaria. Figura 29: Tabla comparativa de calidades de agua de aporte. Al observar la Figura 29 se aprecia un aumento inusual de todos los compuestos que conforman el agua de pozo contaminada. Estas características del agua y lo establecido en el RD140 por el que se establecen los límites de determinados compuestos en el agua, obligan a la planta a finalmente tener que utilizar agua de red para poder cumplir la normativa. El aumento excesivo en la concentración de los compuestos es debido principalmente a vertidos incontrolados de otras industrias contaminando el agua de pozo de la que se disponía inicialmente, viéndose obligada la planta a realizar las reformas oportunas, que ya se han comentado, para continuar operando con este tipo de agua. En la Figura 30 se observa, de forma esquematizada, como van variando diferentes aspectos en la disposición de la planta para cada una de las calidades de agua de extracción. Figura 30: Tabla comparativa de la disposición y parámetros de la planta para diferentes calidades de aguad e aporte. Como se aprecia en la Figura 30 para el agua de pozo contaminada se requieren dos osmotizaciones con una recirculación de la segunda osmotización (como se vio en 46 Estudio y optimización de una planta de ósmosis inversa de tratamiento de agua para una industria alimentaria. el Bloque 1) para cumplir con las condiciones de calidad establecidos por el RD 140. Se aprecia también un cambio en el pH debido a la cantidad tan elevada de compuestos como carbonatos, bicarbonatos, calcio e incluso boro que empeoran las condiciones de conductividad del agua. Debido a esto se deben cambiar las membranas e instalar unas adecuadas para estas condiciones de presión y conductividad del agua de extracción. El aguad de red es de una calidad parecida a la del agua de pozo sin contaminar, aunque se aprecia que las membranas que se están utilizando son óptimas para un agua de mucha peor calidad por lo que se ha querido expresar que con la instalación actual la planta está sobredimensionada para una calidad de agua de estas características. 3.2.2. Limitaciones impuestas por el RD140/2003 del 7 de febrero por el que se establecen los criterios de sanidad del agua para el consumo humano. En la siguiente tabla se muestran los valores límites que se establecen en el RD140 para aguas para el consumo humano. Estos valores son los que se exigen cumplir para el agua una vez osmotizada. Compuesto y parámetros Sodio (Na) Calcio (Ca) y Magnesio (Mg) Cloro (Cl) -Cloro libre residual -Cloro combinado residual -Cloruros Valores limites RD140 200 mg/l 1000 mg/l *nse 50 mg/l *nse 1 mg/l 2 mg /l 250 mg/l Sulfatos (SOx) 250 mg/l Carbonatos y Bicarbonatos(XCOx, HCOx) *nse Nitratos (NOx) 50 mg/l Hierro (Fe) 200 µg /l Conclusiones/Observaciones Los compuestos de sodio no precipitan en las membranas. No contribuyen a la dureza del agua. Altos contenidos de carbonatos y bicarbonatos aumentan pH (Alcalinidad/necesidad de tratamiento). Contribuyen a la dureza del agua con las sales de bicarbonatos, sulfatos, cloruros y nitratos (ver niveles de estos en el RD140). Provoca incrustaciones por cambios de Tª, presión y pH. El cloro combinado residual se determina cuando se realiza el tratamiento de desinfección a la entrada de la planta. Tanto el cloro libre y el combinado residual se determinarán a la salida de la ETAP y también el cloro combinado residual se mide después de los post-tratamientos de cloración. La cantidad de cloruros en solución se miden a la salida de la planta de ósmosis. Más frecuentes sulfato sódico y el magnésico. Pueden formar precipitados de calcio y magnesio en la membrana si se superan determinados niveles de concentración. Las membranas de OI tienen un gran rechazo de estos iones por lo que se concentran en el rechazo. Tratamiento con ácido para evitar la formación de hidróxidos de calcio y magnesio. Efecto ion común. En concentraciones elevadas es toxico. Su elevado contenido en aguas subterráneas tiene una relación directa con el agua superficial, que contamina por percolación el acuífero. Precaución con el ion ferroso en presenciad e aire pasa a 47 Estudio y optimización de una planta de ósmosis inversa de tratamiento de agua para una industria alimentaria. Manganeso (Mn) 50 µg /l Sílice (SiO2) *nse Flúor (F) 1.5 mg/l Aluminio (Al) 200 µg/l Amonio 0.5 mg/l Boro (B) 1 mg/l pH Dureza 6.5-9.5 60 mg/l en Ca Conductividad 2500 µS/cm a 20° C estado férrico insoluble y posibilidad de creación de crenothrix. Posibilidad de formar precipitados en las membranas de OI. Formación de hidróxido de manganeso insoluble, precipitación en membranas de OI utilización de bombas sumergibles para evitar contacto con el aire. Limpieza acida para eliminar incrustaciones en membranas. En un rango elevado de concentraciones por encima de 150mg/l forman precipitados que son difíciles de eliminar mediante lavado ácido. La sílice es rechazada en un 99% por las membranas por lo que se concentran en el rechazo. Alta concentración en el rechazo de elevadas concentraciones de sales de este compuesto. Valores de hasta 5-7 ppm pueden resultar peligrosos en concentraciones. Normalmente se encuentra en forma de hidróxido en el agua cuya solubilidad depende en gran medida del pH, en torno a 5 comienza a disminuir. Se puede eliminar fácilmente los precipitados mediante acidificación o filtración. El amonio es tóxico para el ser humano por encima de estas concentraciones produciendo daños en la mucosa que recubre los pulmones o quemaduras alcalinas. Presente en el agua en forma de bromato. Puede aumentar su concentración de forma natural principalmente debido a meteorización. Contenido por encima de este valor se consideran peligrosos para la salud y se debe estudiar un post-tratamiento en el caso que con el tratamiento de ósmosis no sea suficiente para eliminarlo. Puede ser carbonatada: causada por carbonatos de Ca o Mg o permanente producida por nitratos, cloruros y sulfatos de Ca, Mg. Se tendrá un especial control en la conductividad en el rechazo ya que la normativa no permite enviar residuos a la EDAR con valores mayores que estos. Se puede saber la conductividad a raíz de los TDS ( Total de Sólidos Disueltos) 1 µS/cm = 0.640 ppm de TDS *nse= no se especifica. 48 Estudio y optimización de una planta de ósmosis inversa de tratamiento de agua para una industria alimentaria. 4. Simulaciones, valores límites del agua de pozo y análisis de sensibilidad de la planta de ósmosis inversa. 4.1. Valores de calidad del agua para poder operar con agua de pozo y dejar de utilizar agua de red. Una vez se ha realizado la comparativa entre las calidades de agua, se establecerán unos límites de calidad a partir de los cuales la operación con agua de pozo es viable. El objetivo principal de este documento es realizar un estudio de una planta de ósmosis inversa y realizar una optimización de su operación en el caso de que se mejoraran las condiciones de calidad del agua de extracción. Actualmente la planta de ósmosis inversa trabaja con dos líneas de producción de 50 m 3/h cada una produciendo un total de 100 m3/h de agua osmotizada que se destinará al lavado de equipos de proceso que están en contacto con productos alimentarios, el problema principal de la instalación es que se está comprando agua de red al ayuntamiento ya que las condiciones del agua de pozo de extracción han llegado a un punto en la que la elevada conductividad hace que se dispongan de un rechazo que no son posibles tratarlos y operar con ella es imposible .Debido a vertidos incontrolados de empresas ajenas a la propia planta la contaminación del pozo no disminuye. El objetivo de este apartado es fijar unos límites de calidad del agua de pozo, a partir de los cuales se pudiese volver a operar con ella en el caso de que revirtiesen los vertidos y la calidad del aguad pozo mejorase, para evitar tener que comprar agua de red que encarece mucho la operación. Para realizar estas simulaciones se irán variando la concentración en mg/l de cada uno de los componentes del agua de pozo utilizada para ver cómo responden las membranas, fijándose unas condiciones de composición a partir de las cuales se tengan que cambiar las membranas por otras que soporten mayores condiciones de alcalinidad o determinados valores de compuestos. Los valores que se establecerán en este apartado servirán para marcar un límite de operación con agua de pozo ya que si se superan estos valores y la calidad del agua empeora más se tendría que seguir operando con agua de la red municipal sin posibilidad de utilizar agua de pozo. El principal problema que se observa durante la contaminación del agua de pozo es un aumento inusual de todos los componentes del agua en especial el amoniaco, cloruros, sodio, boro y que conlleva un aumento en la conductividad del agua osmotizada y del agua rechazo. Como consecuencia de esto la elevada conductividad del agua de pozo contaminada hace imposible tratarla mediante ósmosis ya que como se explicó en el primer bloque el rechazo de la fábrica que se envía a la estación 49 Estudio y optimización de una planta de ósmosis inversa de tratamiento de agua para una industria alimentaria. depuradora de aguas residuales no puede superar los 2000 µS/cm de conductividad que son unos 1600 mg/l de TDS. Al ser este valor muy superior en el agua de pozo contaminada del orden de los 3000-4000 mg/l, es imposible que la disolución formada por el rechazo de la planta de osmosis y el rechazo de la fábrica, (agua osmotizada que ya se ha utilizado para lavar los equipos) tenga unos valores menores que los 1600 mg/l para tratarla en la EDAR por normativa de la AAI (Autorización Ambiental Integrada). Para que la planta pudiese seguir operando con agua de pozo debe bajar su conductividad. En este apartado se mostraran estos niveles de concentración realizando simulaciones con el programa IMS design y se verá como respondería las membranas de baja alcalinidad para una disminución de la contaminación. Al fijar estos niveles de calidad mínima del agua de pozo se establecen unas condiciones por las cuales la planta actualmente instalada podría volver a operar con agua de pozo. A continuación se marcaran los objetivos de este apartado: - Análisis del agua de pozo contaminada y estudiar para que valores de concentración se puede volver a trabajar con ella. - Controlar los TDS del agua de alimentación para que no superen los 2000 µS/cm y poder cumplir con la autorización ambiental integrada respecto a los rechazos de la planta. - Estudiar cómo responden las membranas que se han utilizado para agua de pozo limpia para tratar un agua contaminada. - Establecer unos límites de concentración a partir de los cuales el agua de pozo es óptima para osmotizarla de nuevo. A continuación se muestra la ventana del programa IMS design de Análisis (Figura 65) donde se introducirán los datos de calidad del agua de pozo contaminada: 50 Estudio y optimización de una planta de ósmosis inversa de tratamiento de agua para una industria alimentaria. Figura 31: Ventana de análisis, límites de calidad. Una vez se introducen los datos de calidad de agua se realiza el diseño de la planta de osmosis inversa como se vio en apartados anteriores especificando las mismas exigencias de caudal requerido, 50 m3/h por línea, membranas ESPA 2 y porcentaje de recuperación 75% (Figura 32): 51 Estudio y optimización de una planta de ósmosis inversa de tratamiento de agua para una industria alimentaria. Figura 32: Ventana de Diseño Ósmosis Inversa, parámetros de importancia Al ejecutar la planta que se ha generado para estas especificaciones de agua de pozo contaminada quedan estos resultados de agua de entrada, permeado y concentrado (Figura 33): Figura 33: Calidad del agua de pozo contaminada una vez osmotizada 52 Estudio y optimización de una planta de ósmosis inversa de tratamiento de agua para una industria alimentaria. De la Figura 33 se extraen varias conclusiones: - Observando los valores de cada uno de los compuestos del agua contaminada, se puede observar que existe una alta concentración en sodio, cloro y bicarbonatos que aumentan en exceso la conductividad del agua de pozo, llegando a valores cercanos a los 4000 mg/l o 6000 µS/cm de TDS o conductividad respectivamente. Con lo establecido a lo largo de este documento, una de las razones por la que se decide no operar con agua de pozo es la elevada conductividad del agua de pozo. La autorización ambiental integrada exige que no se pueden realizar vertidos de más de 2000 µS/cm de conductividad, por lo que si el agua de extracción tiene una conductividad de más del doble de este valor es inviable su utilización. Como efectivamente se observa el concentrado de la planta de ósmosis tendrá un caudal de aproximadamente 16 m3/h (se obtiene del porcentaje de recuperación impuesto del 75% y el caudal de alimentación de 66,7 m3/h para producir 50 m3/h) tiene una concentración de TDS de 15.372,7 mg/l que son aproximadamente 23.000 µS/cm de conductividad. Como se explicó al final del bloque 1, este rechazo de la planta de ósmosis de elevada conductividad se mezcla con el agua osmotizada una vez es utilizada para la limpieza de equipos, que serían los 100 m3/h de agua que se han producido. Esta mezcla conforma el vertido general de la planta y no debe superar los 2000 µS/cm de conductividad. En el mejor de los casos si los 100 m3/h de agua osmotizada durante la limpieza de equipos de la planta no se ve aumentada su conductividad por la acción de productos de limpieza como son detergentes y demás y no se evaporara parte del agua se podría disponer de una corriente de agua de baja conductividad que al mezclarse con el rechazo de la planta de ósmosis cumpliría con las exigencias de vertidos impuestas por medioambiente. De todo esto se deduce que si el agua de extracción supera valores de 2000 µS/cm de conductividad que serían aproximadamente 3000 mg/l de TDS no se podría utilizar para osmotizar, en el mejor de los casos. Esto se conseguiría si se reducen sustancialmente las cantidades de sodio y cloro y en menor medida las de calcio y magnesio. - En la Figura 33 se puede observar que la contaminación del agua de pozo incluye elementos como el amonio o el boro que son bastante complicados de eliminar mediante ósmosis inversa y tienen unas restricciones de concentración muy exigentes 0,5 mg/l y 1 mg/l respectivamente según el RD140. Como se aprecia en la columna del permeado la concentración es mayor que los valores antes indicados por lo que el agua no es potable y no se podría utilizar para el lavado de los equipos ya que no cumplen con los límites de calidad. La contaminación del agua de pozo en estos dos compuestos debe disminuir significativamente para poder volver a utilizar el agua de pozo para ósmotizar. 53 Estudio y optimización de una planta de ósmosis inversa de tratamiento de agua para una industria alimentaria. A continuación se muestra una tabla con los valores límites de calidad que podría soportar la instalación para poder tratar el agua de pozo cumpliendo la normativa (Figura 34): Figura 34: Calidad límite del agua de pozo para osmotizarla. De la Figura 34 se pueden extraer las siguientes conclusiones: - Como se puede apreciar los TDS del agua de alimentación se han reducido sustancialmente aproximadamente un 85%. Esto es debido a que los niveles tanto de sodio como de cloro disminuyen en gran medida un 94% y un 90%. Al ser la contaminación producida por vertidos incontrolados de empresas ajenas a la fábrica si se controlasen los vertidos se podría producir esta disminución en la concentración de estos compuestos. Con estos niveles de conductividad del agua de extracción de 900 µS/cm muy inferiores al límite establecido por medioambiente de 2000 µS/cm se podría operar con esta calidad de agua sin problemas de vertidos. - Los niveles de amonio y boro que pueden soportar las membranas son de 17 y 1.1 mg/l respectivamente, que como se observa en el permeado presentan valores dentro de los límites impuestos por el RD140 para la calidad del agua para el consumo humano. 54 Estudio y optimización de una planta de ósmosis inversa de tratamiento de agua para una industria alimentaria. 4.1.1. Aspectos a controlar en el agua de pozo de extracción durante la operación de la planta. Una vez se han establecido las condiciones de calidad que debe cumplir el agua de pozo y los valores que se deben controlar en cada una de las corrientes, en este apartado se realizará un análisis de los parámetros que son importantes controlar una vez se vuelva a operar con agua de pozo, centrándose más en la operatividad de la planta y no en la calidad del agua de extracción ya que este aspecto se analizó anteriormente. Cuando se opera con agua de pozo sin contaminar se debe tener especial cuidado con los niveles de TDS en el concentrado y en el permeado, con estos valores se establecen las condiciones de conductividad del agua. Siendo valores superiores a 1000-1500 mg /l valores altos de TDS en el agua de alimentación. En estas condiciones se realizarán comprobaciones de equipos de filtrado y de las condiciones del agua de pozo. Si se producen aumentos de carbonatos y bicarbonatos elevados en el agua de extracción el aumento de los TDS es elevado debido a estas condiciones de operación de las membranas se ven afectadas por incrustaciones. En estas situaciones se debe aumentar el contenido de inhibidores para evitar la precipitación de carbonatos y bicarbonatos. Los valores del Índice de Langelier, como se han visto anteriormente, no pueden rebasar valores en torno a 2-2.5 para evitar incrustaciones de carbonato cálcico, estando su valor óptimo en torno a 1.5, por lo que se tendrá que tener una especial atención a los niveles de pH a la entrada y suministrar la cantidad de ácido adecuada para regularlo con el objetivo de reducir la saturación por carbonatos y bicarbonatos en el agua de proceso y evitar el uso de inhibidores. El concepto de agua en equilibrio se produce para valores de pH antes de que se produzcan precipitaciones de carbonato cálcico, que para este tipo de agua se sitúa en torno a 7-7,5 de pH o superiores. Las membranas utilizadas son del tipo arrollamiento en espiral (Figura 35) de poliamida de baja energía (operación a presiones moderadas, 12-14 bar como máximo). 55 Estudio y optimización de una planta de ósmosis inversa de tratamiento de agua para una industria alimentaria. Figura 35: Estructura de las membranas de arrollamiento en espiral utilizadas en la instalación. (químicadelagua.com) Disponen de un elevado rechazo de sales por lo que con una única osmotización es suficiente para cumplir con los requisitos de calidad del agua producto. Los niveles de presión los establece la cantidad de permeado que se necesite por hora y las características tanto del agua a osmotizar como de las mismas membranas, siendo las condiciones de presión mucho más elevadas cuando se tiene que osmotizar un agua con un mayor contenido en sales, pues la diferencia de presión que tiene que superar el agua a través de las membranas para que se produzca la operación de ósmosis es mucho mayor. También si las membranas están diseñadas para establecer una mejor relación entre superficie útil de presión de operación la presión en la impulsión será menos excesiva. Conforme el agua se va ensuciando y las membranas pierden sus propiedades la presión de suministro va aumentando, si se obseva un aumento de la presión de impulsión por encima del 30-40% se recomienda una revisión de las membranas y recurrir a su limpiezas, así como una revisión de la calidad del agua de pozo para asegurarse que este aumento de presión a caudal constante solo es debido a la pérdida de propiedades de las membrana y no por una pérdida en las características del agua de pozo. El ensuciamiento provocado por el agua en las membranas al pasar por ellas genera a su vez un incremento de pérdida de carga por elemento y este nunca debe superar los 4kg/cm2, unas pérdidas de carga demasiado elevadas pueden provocar el efecto conocido como telescoping en el que las membranas sufren un desplazamiento similar al de un telescopio al cerrarse provocando fugas y roturas, y por tanto un aumento en la salinidad del permeado. Las condiciones hidráulicas por tubo de presión también es un factor a tener en cuenta a la hora de suministrar los caudales necesarios, pues si la cantidad de agua suministrada excede el caudal de diseño se pueden dar problemas de ensuciamiento excesivo y de desplazamiento de los elementos que conforman los tubos de presión. 56 Estudio y optimización de una planta de ósmosis inversa de tratamiento de agua para una industria alimentaria. Estos valores se establecen con un caudal máximo por tubo de presión de seis elementos, para membranas de 8” de arrollamiento en espiral caudales entre 40-200 lpm son adecuados y el caudal de salmuera por tubo mayor de 40 lmp, estableciendo una relación entre concentrado/ permeado por elemento de 5:1. Los niveles de cloro libre en la entrada de las membranas se deben controlar con la adición de metabisulfito para eliminarlo. Con esto se evita un contacto entre el cloro y las membranas que son sensibles al mismo. En la Figura 36 se muestran los parámetros de operación más importante a la hora de operar con agua de pozo. Figura 36: Tabla resume. Parámetros de mayor importancia en agua de pozo sin contaminar. 57 Estudio y optimización de una planta de ósmosis inversa de tratamiento de agua para una industria alimentaria. 4.2. Análisis preliminar e introducción de datos en el programa de diseño para generar la planta de ósmosis inversa operando con agua de pozo sin contaminar. Una vez se han establecido las condiciones de calidad que debe cumplir el agua de pozo que se utiliza en la planta de ósmosis inversa, se realizará un análisis de sensibilidad de la planta de ósmosis que se genera al introducir los datos de concentración del agua de pozo sin contaminar suministrados por la planta. A continuación se muestra los pasos a seguir para obtener la planta de ósmosis para operar con agua de pozo, que será igual que la dispuesta inicialmente. El diseño de una instalación de ósmosis inversa se realiza a partir del conocimiento de dos aspectos fundamentales: - El análisis del agua que se va a tratar (Agua de pozo sin contaminar). - La calidad del agua que se quiere obtener y cantidad de la misma. (Aunque el agua que se va a generar en la planta será destinada para la limpieza de equipos de la fábrica, como estos equipos estarán en contacto con productos alimenticios deberá tener una calidad propia para el consumo humano regladas por el RD 140, cuyos límites se han establecido en el apartado anterior 3.2.2). Se introducen los datos del agua a tratar en el simulador especificando todos los campos necesarios que se comentaron en la Figura 17. Una vez introducidos los datos de calidad del agua en la ventana de Análisis como se muestra en la Figura 37 se procede a especificar los datos de diseño: 58 Estudio y optimización de una planta de ósmosis inversa de tratamiento de agua para una industria alimentaria. Figura 37: Ventana de Análisis para agua de pozo. Al introducir todos los datos del agua de extracción y el programa permita la opción de Diseño OI (Figura 38) se introducirán cada uno de los datos en esta nueva pantalla de diseño. Se especificará caudal necesario, tipo de membrana y el porcentaje de recuperación que como se vio anteriormente será de un 75% inicialmente. Para este caso que se está tratando siendo un agua de pozo para unas condiciones de operación a bajas presiones en el que no se desea una alta cantidad de permeado con una calidad media y un alto rechazo por membrana se escoge la membrana ESPA2, el modelo estándar para operar en estas condiciones: 59 Estudio y optimización de una planta de ósmosis inversa de tratamiento de agua para una industria alimentaria. Figura 38: Diseño OI Agua de pozo sin contaminar. Al introducir todos los datos como se ha visto en el los primeros apartados de este bloque el software generará la mejor disposición posible de una planta de ósmosis. La disposición de la planta que genera el software consta de 1 paso por ósmosis con dos etapas de 6 tubos con 6 elementos filtrantes por tubo y una segunda etapa de 4 tubos con 6 elementos filtrantes por tubo. En las Figuras 39 y 40 se aprecia cual es la disposición de las membranas dentro de los tubos de presión y como se conectan entre sí. 60 Estudio y optimización de una planta de ósmosis inversa de tratamiento de agua para una industria alimentaria. Figura 39: Configuración de elementos filtrantes. Figura 40: Disposición de membranas en tubos de presión. 1 tubo con 6 elementos filtrantes (membranas). Los límites de diseño se sobrepasan al intentar obtener 100 m 3/h de permeado con la disposición inicial de la planta mostrada en la Figura 5 que se propuso para obtener agua permeada con agua de pozo, para poder operar con solo una línea de producción se tendría que cambiar los bastidores de las membranas y pasar a operar con una única línea que constaría de un paso por ósmosis con dos etapas; una primera de 12 tubos con 6 elementos por tubo y una segunda con 6 tubos con 6 elementos por tubo en la que se cumplirían las condiciones de operación pero imponiendo unas condiciones de presión más agresivas a las membranas colmatándose antes que si se operara en dos líneas de producción en paralelo. También se tendrían que llevar a cabo cambios en la disposición de la planta ya que los filtros tendrían que soportar un mayor caudal para seguir produciendo los 100 m3/h de permeado y tanto la bomba de extracción como la de alta presión tendrían que tener una mayor potencia para impulsar mayores caudales. Añadiendo a lo anterior otra razón de peso, en el caso que se produjese una avería en la instalación principal habría que parar la producción, cosa que no ocurría operando con dos líneas de proceso a menor caudal, en la que se podría seguir produciendo agua osmotizada en menor cantidad mientras se reparan los problemas de la otra línea. 61 Estudio y optimización de una planta de ósmosis inversa de tratamiento de agua para una industria alimentaria. Por estas razones tanto de operatividad, de diseño y seguridad se decide operar en dos líneas de producción (o skip) para rebajar las condiciones agresivas de operación que se les impondría a las membranas aumentando así su vida útil operando en paralelo produciendo cada una 50 m3/h de permeado. La disposición de la planta generada sería de la siguiente manera de forma esquematizada (Figura 41): Figura 41: Configuración inicial planta ósmosis inversa para agua de pozo con 1 paso por ósmosis y dos líneas de producción de 50 m3/h de permeado con dos etapas de 6 y 4 elementos por bastidor. A continuación se muestra una tabla con la calidad de agua osmotizada obtenida y rechazo de la planta (Figura 42), en la que se puede apreciar como las concentraciones del permeado cumple con los límites establecidos por el RD140 y la concentración del concentrado en TDS está por debajo de 1200 mg/l a partir de los cuales se debería tener un control más exhaustivo a la hora de realizar los vertidos una vez se mezcle con el agua osmotizada una vez se utiliza para limpiar los equipos de la fábrica. 62 Estudio y optimización de una planta de ósmosis inversa de tratamiento de agua para una industria alimentaria. Figura 42: Calidad obtenida del agua osmotizada y rechazo osmotizando agua de pozo sin contaminar. 4.3. Simulaciones y análisis de sensibilidad de la instalación. 4.3.1. Introducción Una vez se conoce la disposición inicial de la planta para una calidad de agua determinada de agua de pozo, se comienzan a realizar los ajustes de la instalación según lo que se ha ido viendo a lo largo del documento. Se ajustarán determinados parámetros que son fundamentales para una buena operación ya sea, pH, temperatura, aditivos, etc. En los siguientes apartados se realizara un análisis de sensibilidad de la instalación para ver cómo responde ante determinados cambios en las condiciones de operación. 4.3.2. pH e Índice de saturación de Langelier, niveles de carbonatos y bicarbonatos en el agua de extracción. El agua que se desea desalar generalmente tiene un pH muy elevado en torno a 8 (el agua de entrada posee un pH exacto de 7,68 pero se ha aumentado voluntariamente a 8,68 para estudiar cómo se comporta el software ante valores de pH alcalinos). Para estos valores tan elevados de pH se pueden producir precipitados que afectan al 63 Estudio y optimización de una planta de ósmosis inversa de tratamiento de agua para una industria alimentaria. proceso. La acidificación del agua de alimentación se emplea por ello con dos objetivos fundamentales: - Colocar el agua en un pH óptimo para la operación de las membranas. - Prevenir la precipitación del carbonato y bicarbonato cálcico. En este apartado se realizará un ajuste del pH con ácido clorhídrico en la que se irán observando cómo van variando algunos parámetros de importancia que afectan directamente al proceso. - Ajuste del pH. Una vez se realiza la simulación con la configuración que se detalla en el apartado anterior de la planta el software muestra la siguiente pantalla (Figura 43) donde se observa un mensaje en rojo de advertencia donde se indica que los límites de saturación por bicarbonato cálcico se han sobrepasado. Cómo se ha visto anteriormente el índice de Langelier es un parámetro que indica un valor óptimo a partir del cual se puede operar sin riesgo a que se produzcan estos precipitados, por lo tanto lo que se debe hacer a continuación es ir introduciendo los valores de pH y ver qué cantidad de ácido clorhídrico es necesario añadir al agua de entrada para rebajar la alcalinidad y evitar que se produzcan dichos precipitados. 64 Estudio y optimización de una planta de ósmosis inversa de tratamiento de agua para una industria alimentaria. Figura 43: pH elevado, aparición de precipitados de bicarbonato cálcico; índice de Langelier elevado. - Simulaciones para ajustar los índices de saturación y evitar el precipitado de bicarbonatos cálcico. A continuación se realizarán una serie de simulaciones modificando el pH y se obtendrán varias graficas de diferentes parámetros para ver cómo evolucionan para diferentes valores del pH. Los valores que se van a estudiar son los mostrados en la Figura 44: Figura 44: Datos obtenidos de las simulaciones al variar el pH de entrada con HCl. 65 Estudio y optimización de una planta de ósmosis inversa de tratamiento de agua para una industria alimentaria. Como se muestra en la Figura 44 se han ido recogiendo en esta tabla los valores más importantes a la hora de ver la evolución de las condiciones de saturación por carbonatos y bicarbonatos en el agua de alimentación. A continuación se irán exponiendo una serie de gráficas donde se apreciará con mayor claridad cómo van disminuyendo las concentraciones de carbonatos y bicarbonatos en la alimentación y se van reduciendo los TDS, así como una variación en los índices de saturación de Langelier y Stiff& David que marcan los límites de saturación de estos compuestos: TDS alimentación 230 210 ppm 220 200 190 9 8 7 6 5 4 pH Figura 45: Evolución de Total de Sólidos Disueltos en la alimentación. Dosificación de HCl 100% 60 50 30 20 10 0 9 8 7 6 pH Figura 46: Dosificación de HCl para rebajar el pH 66 5 4 ppm 40 Estudio y optimización de una planta de ósmosis inversa de tratamiento de agua para una industria alimentaria. Índices 3 2,5 2 1,5 1 Langelier 0,5 Stiff & Davis 0 9 8 7 6 5 4 -0,5 -1 pH Figura 47: Evolución de los Índices de saturación. Figura 48: Evolución del contenido de carbonatos y bicarbonatos en solución con el pH en la alimentación a la planta después del tratamiento químico con HCl. Análisis de resultados obtenidos: - La disminución de los TDS en la alimentación, como se muestra en la Figura 45, es debido a la adición de HCl que baja la concentración de los compuestos de carbono. Estos compuestos de carbono influyen en gran medida en la conductividad del agua apreciándose claramente como disminuyen con el pH de una manera gradual. - Como se ha mencionado con anterioridad se añadirá una cantidad de HCl al agua de entrada para rebajar el pH como se muestra en la Figura 46. Para evitar las condiciones de saturación con añadir 3.4 ppm de HCl a la entrada bastaría 67 Estudio y optimización de una planta de ósmosis inversa de tratamiento de agua para una industria alimentaria. cumpliéndose las condiciones de saturación marcados por los índices de Langeleir y Stiff&Davis. - En la Figura 47 se aprecia como los índices de saturación a medida que se añade más HCl van disminuyendo. Los valores de estos índices de saturación de carbonato cálcico dan una idea de que cantidad de estos compuestos se encuentran en solución para un determinado pH. Como se dijo en el párrafo anterior añadiendo 3.4 ppm de HCl a la entrada ya se conseguiría salvar la situación de saturación pero aún existen riesgos de precipitados de bicarbonato cálcico por lo que el software recomienda hasta valores de pH en torno 6.5-8 la utilización de un antiincrustante para evitar la formación de estos precipitados en el rechazo. Este antiincrustante son derivados del fosforo como el hexametafosfato sódico o diversos tipos de polielectrolitos. - Como se observa en la Figura 48 los niveles de concentración de carbonato y bicarbonato en el agua de alimentación disminuyen con el pH evitando la formación de precipitados de estos compuestos. Por lo que se recomienda trabajar a pH en torno a 6-6.5 para evitar estos precipitados y añadiendo el antiincrustante para los casos en los que se requiera y se tenga un pH más elevado. En la tabla de la Figura 49 se muestran un resumen de lo que se ha visto en esta simulación: pH óptimo de operación 6-6.5 Adición de HCl en el agua de alimentación. 31.4 ppm al 100% de concentración con antiincrustante. 50 ppm al 100% de concentración sin antiincrustante. Valores óptimos del Índice de saturación de Langelier. Valores próximos a 1. Figura 49: Valores recomendados en el control de la precipitación del bicarbonato cálcico. 4.3.3. Estudio vida útil de las membranas. Un aspecto fundamental del funcionamiento de una instalación de ósmosis inversa es el comportamiento de las membranas. Para ello a lo largo de la operación de la planta, se toman periódicamente una serie de datos o parámetros que directamente o indirectamente dan información sobre la misma. 68 Estudio y optimización de una planta de ósmosis inversa de tratamiento de agua para una industria alimentaria. De tales datos los principales son; presión en la alimentación, salinidad, pH y el factor de ensuciamiento es un valor que irá variando a lo largo de la vida útil de la membrana disminuyendo conforme esta vaya ensuciándose más. A continuación se realiza una explicación de cada uno de los parámetros que se van a estudiar a lo largo de la vida útil de las membranas y posteriormente se comenzará a realizar las simulaciones para 5 años de operación con las membranas que es lo recomendado por el fabricante de membranas y se realizará un análisis de sensibilidad de la instalación. Presión de alimentación: La presión a la que funciona la membrana debe ser la necesaria para vencer la presión osmótica diferencial, entre las soluciones existentes a un lado y a otro de la membrana, y dar un caudal suficiente para esto. La presión máxima que soporta la membrana será un indicativo para ver cuando se tendrían que cambiar las mismas así como otros factores que se verán a continuación. En el caso de que la presión aumentara sin ningún tipo de control se podrían romper las membranas o darse desplazamientos de los conectores de las mismas produciendo una disminución operatividad de las membranas, además se produciría una compactación de partículas en las membranas haciendo que estas pierdan sus propiedades llegando a tener que recurrir a su sustitución sin posibilidad de volver a recuperarlas. Factor de ensuciamiento: No es un parámetro que tenga que ver con la edad de la membrana sino más bien con una relación entre la disminución del flujo por año (7%/año) y el incremento de paso de sales por año (10%/año); estos dos parámetros se han mantenido constante para reflejar mejor el ensuciamiento de la membrana. El factor de ensuciamiento indica el porcentaje de membrana que se está utilizando para calcular la superficie útil. Por lo tanto a menor índice de ensuciamiento, más sucia estará la membrana. TDS: Se realizará un seguimiento de la salinidad tanto a en el agua producto como en el agua de alimentación. pH: variación del pH del permeado debido a la mayor presencia de sales y otros compuestos ya que la membrana empezará a fallar. Flujo etapas 1-1 y 1-2 de permeado: variación del flujo que se consigue en la primera y segunda etapa de ósmosis que irá variando en función del ensuciamiento de la membrana, este parámetro está relacionado con la presión que va aumentando para conseguir los 50 m3/ h de permeado que se mantendrá constante a lo largo de la vida útil de las membranas ya que al ir colmatándose las membranas se tiene que aumentar la presión de operación para seguir produciendo el mismo caudal de permeado. 69 Estudio y optimización de una planta de ósmosis inversa de tratamiento de agua para una industria alimentaria. A continuación, en la Figura 50 se muestran cada uno de los valores de los parámetros de importancia a analizar durante los 5 años de vida útil de las membranas que se han mencionado: Figura 50: Evolución de diferentes parámetros en la operación de la planta durante 5 años de vida útil. Presión de alim (bar) 12 Presion (bar) 10 8 6 4 2 0 0 1 2 3 4 Años Figura 51: Evolución de la presión de alimentación a lo largo de 5 años. 70 5 6 Estudio y optimización de una planta de ósmosis inversa de tratamiento de agua para una industria alimentaria. Factor de ensuciamiento Factor de ensuciamiento 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0 0 1 2 3 4 5 6 Años Figura 52: Evolución del factor de ensuciamiento para 5 años. Figura 53: Comportamiento de los TDS en el permeado y en el concentrado a lo largo de 5 años de operación. 71 Estudio y optimización de una planta de ósmosis inversa de tratamiento de agua para una industria alimentaria. pH permeado 4,715 4,71 4,705 4,7 4,695 4,69 4,685 4,68 4,675 0 1 2 3 4 5 6 Años Figura 54: Aumento del pH del permeado durante 5 años. Variación flujo permeado 40 35 Caudal 30 25 20 Flujo etapa 1-1 (m3/h) 15 Flujo etapa 1-2 (m3/h) 10 5 0 0 1 2 3 4 5 6 Años Figura 55: Flujo del permeado en cada etapa de ósmosis durante 5 años. Análisis de resultados obtenidos: - En la Figura 51 se observa un aumento de la presión de alimentación a lo largo del tiempo. Las condiciones nominales de funcionamiento de unas membranas nuevas o limpias vienen dadas por una presión y un caudal determinados, además del consiguiente rechazo de sales. A medida que se va realizando la operación la membrana va ensuciándose, por lo que la presión de operación de 72 Estudio y optimización de una planta de ósmosis inversa de tratamiento de agua para una industria alimentaria. alimentación para seguir produciendo el mismo caudal de permeado debe de aumentar. Este aumento de presión es perjudicial para las características de las membranas ya que al aumentar la presión de operación debido al ensuciamiento se colmatan antes llegando incluso a quedar inservibles. Cada año se produce un aumento de la presión de alimentación del 5-8% suponiendo que las condiciones de calidad del agua de pozo siguen siendo las mismas o varían muy poco y que no se producen errores en la incorporación de aditivos ni fallos en los pretratamientos, por lo tanto en 5 años sufrirá un aumento de la presión de operación en torno al 30-40%. Antes de que se produzca este aumento en la presión de alimentación se irán cambiando las membranas de los bastidores. Por lo que en el primer año debido a este ensuciamiento y para evitar sobrepresiones se cambiaran el 20% de las membranas y así sucesivamente hasta que al finalizar el 5º año se hayan cambiado el 100% de las membranas. Realizar el cambio de la totalidad de las membranas en 5 años es una medida que se establece como prevención ante determinados cambios que se puedan ir dando en la planta, lo que normalmente se recomienda por lo fabricantes de las membranas para estas condiciones es que a lo largo de este tiempo se realicen comprobaciones de la instalación y se realicen análisis económicos en torno a la cantidad de energía extra que realmente se tiene que consumir para osmotizar el agua con una calidad determinada para ver cuánto difieren las condiciones de calidad simuladas con las reales. Estas simulaciones se realizan para comprobar que efectivamente existe un aumento de la presión de operación y que las membranas se deterioran con el tiempo, para esta calidad de agua tan buena la vida útil de las membranas, en una situación ideal, podría superar los 5 años sin un aumento de los costes de operación demasiado elevados, pero se recomienda por fabricantes que se realicen comprobaciones anuales de la operación de la planta y si no se quieren correr riesgo y de manera preventiva se realice el cambio de la totalidad de las membranas a los 5 años de su instalación, para asegurar una calidad de agua óptima y sin un aumento de la presión de operación excesivo. - El factor de ensuciamiento (Figura 52): como se ha establecido en la simulación se ha dejado constante a 10%/año el incremento del paso de sales y la disminución del flujo por año en 7 %/año. Estos dos parámetros tratan de establecer como la membrana va deteriorándose conforme pasan los años. Como se observa en los gráficos tanto el TDS en el permeado y concentrado (Figura 53) así como la presión de alimentación van aumentando conforme pasa el tiempo, lo que nos indica que al ir acumulándose más precipitados en la membrana estas se irán colmatando más y la superficie útil de las membranas va disminuyendo y como consecuencia la presión de alimentación aumenta para seguir produciendo el mismo caudal de permeado, 50 m3/ h, que se 73 Estudio y optimización de una planta de ósmosis inversa de tratamiento de agua para una industria alimentaria. mantiene constante. La disminución del factor de ensuciamiento indica que para el cálculo de la superficie de filtración de los elementos filtrantes cada vez se utiliza un porcentaje menor, por lo que es una forma de ver como la membrana va perdiendo su capacidad de operación con el tiempo. - El pH del permeado (Figura 54) se observa que va aumentando debido al aumento de sales. Ya que la membrana con el paso de los años se va deteriorando y el rechazo disminuye. De la misma manera la cantidad de sales en el concentrado aumentar con lo que el pH aumentará también. - La variación del flujo de permeado (Figura 55) va aumentando en la segunda etapa de ósmosis y disminuyendo en la primera. Esto es debido al ensuciamiento severo de las primeras membranas de la primera etapa de ósmosis ya que son las que filtran el agua en peores condiciones por lo que producirán menos agua y por lo tanto para seguir manteniendo un caudal constante de permeado la segunda etapa tiene que producir más permeado. Por esto se decide ir cambiando las membranas a lo largo de los 5 años, un 20 % anual del total de las membranas. - Finalmente observando las variaciones de los parámetros a lo largo de la operación de la planta durante 5 años, se llega a la conclusión de que la variación no es demasiado agresiva, debido a esto se realizarán lavados de la planta de ósmosis (véase anexo página 33) tanto alcalino como ácido una vez al año si las condiciones de calidad del agua de pozo se mantienen. Si se produjese una disminución del flujo del agua producto en torno al 8-10%, un aumento en la salinidad del permeado, o una pérdida de carga en los tubos de presión importantes se deben realizar lavados con más frecuencia. A continuación se muestra una tabla resumen de las conclusiones sacadas de la simulación (Figura 56): 74 Estudio y optimización de una planta de ósmosis inversa de tratamiento de agua para una industria alimentaria. Vida útil de las membranas 5 años, sujeto a variaciones de las condiciones de calidad del agua y a un buen funcionamiento de la instalación. Cambio de membranas 20% anual, con el objetivo de que al final del 5º año se realice el cambio completo de las membranas. Lavados de las membranas Control de la toma de muestras periódica de pH en el permeado, salinidad de concentrado y permeado, medida de las pérdidas de caudal en el permeado y aumentos de presión en la alimentación. Generalmente si no empeoran mucho las condiciones del agua de pozo 1 lavado alcalino y ácido anual para evitar perdida de propiedades de las membranas rápidamente. Figura 56: Tabla resume vida útil de las membranas. 4.3.4. Aumento de la demanda de agua osmotizada. Análisis de sensibilidad manteniendo constante el número de membranas en los bastidores. En este apartado se estudiará como respondería la planta ante un aumento de la demanda de un 10% en el caudal de permeado. Esto es interesante desde un punto de vista operativo ya que es posible que a lo largo de la vida de la planta las necesidades de agua osmotizada de la fábrica varíen. Aunque estas variaciones son mínimas ya que al tratarse de una producción fija y que solo se utilizara el agua para limpieza de equipos las variaciones en el caudal de permeado no serán muy elevadas, por eso se ha optado por una variación del 10%. Para un cambio en las necesidades de caudal de permeado mayores se optará por un rediseño de la planta ya que como se verá a continuación las necesidades de presión en la alimentación debido a que la bomba de alta presión debe suministrar un caudal mayor, provocará que las membranas se colmaten con mayor rapidez. Se realizará una comparación de las condiciones de operación de la planta produciendo un 10% más de caudal de permeado con la producción actual de 50 m3/h a lo largo de 5 años. Se observará cómo evoluciona la planta respecto a estos parámetros: Presión de alimentación. TDS en el permeado y en el concentrado. 75 Estudio y optimización de una planta de ósmosis inversa de tratamiento de agua para una industria alimentaria. La presión de operación de la bomba de alta presión es fundamental para ver el funcionamiento correcto de las membranas ya que un aumento excesivo de la presión de operación puede hacer que se superen los límites de diseño de la instalación, por lo que se controlará que no exista un aumento de la presión muy elevada a lo largo del tiempo para este incremento de caudal estando en torno al 5-7% anual como máximo. Comparar los TDS del permeado y concentrado para dos caudales de alimentación es interesante ya que se puede estudiar como varía la calidad del agua a la salida de la planta. Se verá la evolución de las condiciones de operación comparando las gráficas generadas para cada uno de los parámetros que se han comentado a lo largo de 5 años: Tablas de datos para diferentes exigencias de caudal de permeado 50,55 y 60 m 3h: Figura 57: Datos para 5 años de operación. 50 m3/h de permeado. Figura 58: Datos para 5 años de operación. 55 m3/h de permeado. 76 Estudio y optimización de una planta de ósmosis inversa de tratamiento de agua para una industria alimentaria. Figura 59: Datos para 5 años de operación. 60 m3/h de permeado. Gráficas de los datos recogidos en las simulaciones para los diferentes caudales de permeado: Presión alim (bar) 14 12 bar 10 Presión alim 50 m3/h(bar) 8 Presión alim 55 m3/h(bar) 6 Presión alim 60 m3/h(bar) 4 2 0 0 1 2 3 4 5 6 Años Figura 60: Evolución de la presión de alimentación para distintos caudales de permeado. 77 Estudio y optimización de una planta de ósmosis inversa de tratamiento de agua para una industria alimentaria. TDS Permeado 3 2,5 mg/l 2 Permeado 50m3/h 1,5 Permeado 55 m3/h 1 Permeado 60 m3/h 0,5 0 0 1 2 3 4 5 6 Años Figura 61: Evolución de los TDS en el permeado a lo largo de 5 años para distintos caudales de permeado. TDS Concentrado 773,5 773 772,5 Concentrado5 0m3/h Concentrado 55 m3/h Concentrado 60 m3/h mg/l 772 771,5 771 770,5 770 769,5 0 1 2 3 4 5 6 Años Figura 62: Evolución de los TDS en el concentrado a lo largo de 5 años para distintos caudales de permeado. Análisis de los resultados obtenidos: - Como se puede apreciar en la Figura 60 la presión en la alimentación va aumentando a lo largo del tiempo, como se vio anteriormente, esto es debido al ensuciamiento de las membranas producido por querer mantener un caudal nominal constante a pesar de que la capacidad de filtración de las membranas 78 Estudio y optimización de una planta de ósmosis inversa de tratamiento de agua para una industria alimentaria. va empeorando con el paso del tiempo. Si se aumenta la demanda de agua osmotizada, la presión en la bomba de alta debe aumentar para suministrar estos caudales con el consiguiente aumento en la velocidad de compactación y colmatación de las membranas, que al trabajar a mayores presiones, debido a estas exigencias de caudal, pierden con mayor velocidad sus propiedades de filtración como causa de la acumulación de precipitados con mayor rapidez sobre ellas. Para un aumento de caudal del 10% (55 m3/h de agua osmotizada) las condiciones de presión en las membranas varían en torno a 1 bar de presión con respecto a las condiciones iniciales por lo que se podrá seguir trabajando con normalidad pero realizando con mayor frecuencia tomas de muestra para ver si existen variaciones elevadas en las condiciones de operación. Si se pretende obtener caudales mayores de agua osmotizada por hora los incrementos de presión en las membranas, respecto a las condiciones iniciales, aumentan en torno a un 20-25% por lo que se debería plantear aumentar el número de membranas para paliar estas condiciones, debido a que las membranas no serían capaz de soportar estas condiciones de operación durante mucho tiempo. - En la Figura 61 se observa un aumento de los sólidos disueltos en el permeado a lo largo de los años. Conforme se va aumentando las exigencias de caudal los TDS aumentan cada año. Esto es debido a que las propiedades de las membranas empeoran cada año y aumenta el paso de sales por año. De la misma manera al perder propiedades de filtrado la concentración de TDS en la corriente de rechazo (Figura 62) consecuentemente va disminuyendo. - Para ver efectivamente que las exigencias en las condiciones de operación de las membranas va aumentando con el caudal de permeado, se han recogido los flujos promedio de cada una de las membranas para las diferentes exigencias de caudal. Este valor representa la cantidad de agua permeada por superficie que tiene que producir una membrana (Figuras 57, 58, 59). Para unas exigencias de caudal mayores este valor crecerá por lo que es una buena medida para ver a qué condiciones de operación se está exponiendo a las membranas de ósmosis inversa. Con la disposición de la planta de 6 y 4 pasos para caudales de 70 m3/ h de agua permeada las condiciones de flujo promedio máximas se ven superadas como muestra el software en la Figura 63: 79 Estudio y optimización de una planta de ósmosis inversa de tratamiento de agua para una industria alimentaria. Figura 63: Ventana IMSdesign con error en el flujo promedio para 70 m3/h de permeado. Las condiciones de operación de las membranas para esta cantidad de caudal de agua osmotizada requerida se superan, por lo que con esta disposición no se podría operar. Si se pulsa “Recalcular” como se muestra en la Figura 63 la disposición de los bastidores cambia en función del agua osmotizadaa que se requiere. La configuración mostrada en la ventana del programa de la Figura 64 establece que se puede operar con este caudal de agua osmotizada requerido pero teniendo que añadir más membranas al bastidor. Como las membranas al cabo del tiempo van perdiendo caudal y obligan a aumentar la presión de funcionamiento de la instalación para mantener el caudal nominal de producción, puede analizarse los márgenes de presión disponibles en el sistema e introducir nuevos elementos filtrantes. Una vez realizada estas comprobaciones, se calcula el número de membranas necesario para aumentar la producción del sistema como se ha visto en la Figura 63. Si se necesitaran producir 70 m3/h de permeado las nuevas membranas que se tendrían que instalar, según lo visto anteriormente, al no estar desgastadas contribuirían disminuir la presión de alimentación y a l filtrado general del agua de pozo. 80 Estudio y optimización de una planta de ósmosis inversa de tratamiento de agua para una industria alimentaria. Figura 64: Ventana IMSdesign, nueva disposición de los bastidores de membranas para cumplir condiciones de diseño. A continuación se muestra una tabla resumen, donde se muestran los aspectos fundamentales de la simulación: 81 Estudio y optimización de una planta de ósmosis inversa de tratamiento de agua para una industria alimentaria. Aumentos en la exigencia de caudal de permeado Para aumentos del 10-15% de caudales de permeado la planta puede seguir operando sin que las membranas se deterioren demasiado aunque se aumentan la frecuencia de tomas de muestras y de lavados y controlando los niveles de los depósitos pulmón. Incremento del número de membranas Para incrementos de caudal del 15% o mayor y para aumentos en la presión de operación del 20-25% debido al aumento de exigencias de caudal se debe estudiar el cambio de la disposición de las membranas añadiendo membranas nuevas que equilibren a las membranas viejas. Máximo flujo promedio superado Para la disposición inicial de 6 y 4 pasos por membranas para caudales próximos a 70 m3/h de permeado se recomienda recalcular los bastidores de membranas y añadir más tubos de presión (Figura 31) si fuese necesario si la demanda no es puntual. Figura 65: Tabla resume para aumentos de la producción. 4.3.5. Aumento de la demanda de agua osmotizada. Análisis y comparativa del comportamiento de la planta operando con la configuración inicial y aumentando el número de membranas, como respuesta al incremento de la demanda de caudal de permeado. Como se vio en la parte final del apartado anterior al aumentar la demanda de agua osmotizada se puede operar de dos maneras, manteniendo constante el número de membranas y forzar a la planta a trabajar cada vez a mayor presión, con el consiguiente ensuciamiento de las membranas que perderán sus propiedades de filtración con mayor rapidez o incrementando el número de membranas en la instalación para unas nuevas exigencias de caudal de agua producto. En las simulaciones del apartado anterior se vio que en el caso que las necesidades de caudal de agua osmotizadas llegaran a 70 m3/h, las condiciones de flujo promedio por membrana se superaban y se tendría que aumentar forzosamente el número de membranas de la instalación. Este aumento del número de membranas ante un incremento en las exigencias de caudal de agua osmotizada no es una forma de operar vinculada al incremento del flujo promedio por membrana, sino una alternativa de operación ante el incremento de la demanda de agua osmotizada. En este apartado se 82 Estudio y optimización de una planta de ósmosis inversa de tratamiento de agua para una industria alimentaria. verá que para los caudales de 55 y 60 m3/h también se puede recalcular la configuración del bastidor de membranas llegando a operar con un mayor número de estas y se realizará una comparativa entre las dos opciones de operación. Realizando esta comparación se podrá escoger una de las dos maneras de operar: 1. Operar con la configuración inicial, aumentando la presión de alimentación a las membranas considerablemente y endureciendo las condiciones de operación siempre y cuando la cantidad de agua en los tanques pulmón instalados aguas abajo de los bastidores de membranas no tengan agua para hacer frente a esta demanda de caudal, considerándose el aumento de presión como una medida extrema. 2. Operar con una nueva configuración del bastidor de membranas propuestas por el software, en la que se rebajen las condiciones de operación a altas presiones en las membranas evitando su desgaste excesivo pero añadiendo membranas nuevas a la instalación. A continuación se muestran las tablas (Figuras 66 y 67) obtenidas en las simulaciones y las gráficas correspondientes a las mismas: Figura 66: Comparativa de operación para 55 m3/h de agua osmotizada Figura 67: Comparativa de operación para 60 m3/h de agua osmotizada 83 Estudio y optimización de una planta de ósmosis inversa de tratamiento de agua para una industria alimentaria. Gráficas comparativas para un caudal de agua osmotizada de 55 m3/h: Presión Alimentación 55 m3/h 12 10 bar 8 Presión alim 6-4 pasos 6 Presión alim 7-4 pasos 4 2 0 0 1 2 3 4 5 6 Años Figura 68: Evolución de la Presión suministrada al bastidor de membranas para 55 m3/h TDS permeado 55 m3/h 3 2,5 mg/l 2 Permeado 6-4 pasos 1,5 Permeado 7-4 pasos 1 0,5 0 0 1 2 3 Años 4 5 6 Figura 69: Evolución de TDS en el permeado para 55 m3/h TDS concentrado 55 m3/h 773,5 773 772,5 mg/l 772 Concentrado 6-4 pasos 771,5 771 Concentrado 7-4 pasos 770,5 770 769,5 0 1 2 3 Años 4 5 Figura 70: Evolución de TDS en el concentrado para 55 m3/h 84 6 Estudio y optimización de una planta de ósmosis inversa de tratamiento de agua para una industria alimentaria. Gráficas comparativas para un caudal de agua osmotizada de 60 m3/h: Presión Alimentación 60 m3/h 14 12 bar 10 8 Presión alim 6-4 pasos 6 Presión alim 8-4 pasos 4 2 0 0 1 2 3 Años 4 5 6 Figura 71: Evolución presión de alimentación al bastidor de membranas 60 m3/h TDS permeado 60 m3/h 3 2,5 mg/l 2 Permeado 6-4 pasos 1,5 Permeado 8-4 pasos 1 0,5 0 0 1 2 3 Años 4 5 6 Figura 72: Evolución de TDS en el permeado para 60 m3/h TDS concentrado 60 m3/h 773,5 773 mg/l 772,5 772 Concentrado 6-4 pasos 771,5 Concentrado 8-4 pasos 771 770,5 770 769,5 0 1 2 3 Años 4 5 Figura 73: Evolución de TDS en el concentrado para 60 m3/h 85 6 Estudio y optimización de una planta de ósmosis inversa de tratamiento de agua para una industria alimentaria. Análisis de los resultados obtenidos: - Al observar las gráficas 68 y 71 se puede apreciar con mayor facilidad que la presión que tiene que suministrar la bomba de alta presión para que se produzca la operación de ósmosis inversa a través de las membranas va creciendo a lo largo del tiempo, siendo mayor la presión suministrada para la forma de operar número 1 en la que ante un incremento de la demanda se mantiene la disposición inicial. Con esto se comprueba que las condiciones de operación de las membranas efectivamente serán más severas al intentar operar con la misma disposición en vez de aumentar el número de membranas. En cambio sí se incrementa el número de membranas en 6 (un tubo más de presión Figura 39) en el primer paso quedando una configuración 7-4, en el caso de un incremento en el caudal de permeado del 10% (55 m 3/h), se consigue una reducción de presión de operación del 24-27%. Para el caso en el que se aumenta la demanda de caudal de permeado en un 20% (60 m3/h) se deben de agregar 12 membranas más (dos tubos de presión Figura 39) al primer paso quedando una configuración 8-4, en la que se observa una reducción de la presión de operación del 24- 27% como en el caso anterior. - En las figuras 66 y 67 se observa que el flujo promedio es menor para la forma de operar 2 en la que se aumenta el número de membranas en la instalación. La membrana tiene una capacidad de producción o permeabilidad limitada que es función del material constituyente y del proceso de fabricación. Al ser en ciertos aspectos un filtro, la capacidad de producción está también relacionada con la superficie filtrante que está definida por el flujo promedio. Si se quiere superar dicha producción es necesario elevar la presión de funcionamiento de la instalación y en consecuencia forzar a la membrana a osmotizar un caudal superior al que le corresponde. Para la forma de operar 1 en la que se mantiene la disposición inicial de las membranas se fuerza a la membrana a trabajar en condiciones más severa, provocando una disminución de la vida útil de la membrana por compactación y un ensuciamiento más frecuente, puesto que lo elementos extraños que en todos los casos arrastra el agua se depositan sobre una superficie más reducida de membrana. - La concentración de sales en el permeado (Figuras 69 y 72) es menor en la forma de operar uno, ya que ante un aumento de la presión para producir un mayor caudal de permeado manteniendo constante el número de membranas se producen unas condiciones de operación que no son las adecuadas para las membranas forzando a las mismas a operar a mayor presión realizándose una mejor filtración a costa de una perdida de sus propiedades más rápidas. Como se puede apreciar la concentración de sólidos en el concentrado (Figuras 70 y 86 Estudio y optimización de una planta de ósmosis inversa de tratamiento de agua para una industria alimentaria. 73) aumenta ya que para la forma de operar 1 en donde se produce un aumento de la presión de operación filtrando en mayor medida a través de las membranas, como consecuencia se obtendrá una concentración menor de sólidos en el rechazo que si se operara de la forma 2 en donde las condiciones de presión se ajustan para el nuevo número de membranas que se establecen para estas condiciones de operación. Aumentos en la exigencia de caudal de permeado Si el aumento de la demanda de agua osmotizada se produce de manera puntual y no se trata de un cambio en las condiciones de diseño de la planta sino más bien como una medida paliativa ante un descenso inusual de la reserva de agua osmotizada se debe operar aumentando la presión en la entrada de las membranas operando de la forma 1 descrita al comienzo de las simulaciones. Si por el contrario el aumento de la demanda de agua osmotizada es consecuencia de una nueva proyección o alguna modificación en el proceso se debe instalar las membranas pertinentes según cual sea dicho incremento de caudal. Condición Límite Para un aumento del 20% del caudal del agua osmotizada obligatoriamente se debe aumentar el número de membranas por paso. Solidos disueltos La variación de solidos disueltos tanto en el permeado como en el rechazo se debe controlar cuando se produce un aumento de la presión de operación manteniendo el número de membranas de la instalación ya que si no se realizan los lavados oportunos pueden darse niveles de sólidos en suspensión no adecuados. Figura 74: Tabla resumen: Comparativa de los dos tipos de operación para un aumento de las exigencias de agua osmotizada. 87 Estudio y optimización de una planta de ósmosis inversa de tratamiento de agua para una industria alimentaria. 4.3.6. Aumento de la demanda de caudal de agua osmotizada. Comparación de la presión de alimentación a las membranas para diferentes configuraciones de los bastidores en los diferentes casos estudiados de aumento de la demanda de caudal de agua osmotizada. En este apartado se realizará una comparación de la presión de alimentación a las membranas ya que como se ha ido comentando a lo largo del documento es uno de los parámetros fundamentales para que la operación de ósmosis inversa se realice correctamente. El funcionamiento de las membranas instaladas se ve influenciada por la presión, y como se verá en este apartado será mayor o menor dependiendo de las exigencias de caudal, rechazo de sales y el tiempo de funcionamiento de las mismas. Desde el momento en que la instalación se ha puesto en marcha y ha quedado estabilizad, la perdida de carga o presión diferencial a través de las membranas empieza a aumentar, por ensuciamiento u otras causas. En consecuencia la presión neta, diferencia entra la de alimentación y la pérdida de carga, que inicialmente da el caudal nominal previsto, empieza a disminuir y consiguientemente el caudal empieza a descender. La recuperación de dicho caudal se consigue aumentando la presión, que está limitada por la máxima resistencia que la membrana puede soportar, que en el caso de las membranas utilizadas en la instalación está en torno a 10 bar de presión en la alimentación. A continuación se muestra los datos recogidos de presión en la alimentación a las membranas (Figura 75) para diferentes exigencias en el caudal de agua permeada y con diferentes configuraciones para los bastidores de membranas, manteniendo constante el rechazo de sales: Figura 75: Datos de la presión en la alimentación durante vida útil de las membranas para nuevas exigencias de caudal y operando con nueva configuración de bastidores de membranas 88 Estudio y optimización de una planta de ósmosis inversa de tratamiento de agua para una industria alimentaria. Presión alimentación 12 bar 10 8 Presión alim 50 m3/h(6-4) 6 Presión alim 55 m3/h (7-4 ) 4 Presión alim 60m3/h (8-4) 2 Presión alim 70 m3/h (8-5) 0 0 1 2 3 4 5 6 Años Figura 76: Evolución de la presión de alimentación para diferentes exigencias de caudal de agua osmotizada variando la configuración del sistema durante 5 años. Análisis de los resultados obtenidos: Como se observa en la Figura 76 la presión en la alimentación a las membranas va aumentando a lo largo del tiempo de funcionamiento de las mismas debido al ensuciamiento que se produce por las nuevas exigencias de caudal. Se puede apreciar que para la configuración inicial 6-4 pasos por membranas y con una exigencia de caudal de agua osmotizada de 50 m3/h la presión de operación durante los cinco años es mayor que para las otras exigencias de caudal de permeado, esto es debido a que se aumentan las membranas del bastidor y la presión de operación en las membranas disminuye aunque se vaya aumentando el caudal de alimentación. La capacidad de filtración del conjunto del bastidor aumenta al añadir nuevos tubos de presión y la presión necesaria para filtrar el caudal de extracción es menor. Se puede observar que la presión en la alimentación va disminuyendo conforme se aumenta el caudal de agua osmotizada exigido y como consiguiente el caudal de alimentación a las membranas, excepto para una demanda de caudal de permeado de 70 m3/h en el que las exigencias de caudal para producir este caudal de agua osmotizada sobrepasan los niveles óptimos de operación de la membrana, llegando a operar por encima de la presión admitida por las membranas a partir del cuarto año de operación. Por lo que para esas exigencias de caudal se tendría que operar con otro tipo de membranas que pudiesen operar a mayor presión. 89 Estudio y optimización de una planta de ósmosis inversa de tratamiento de agua para una industria alimentaria. 5. Balance económico: Operando con agua de red y con agua de pozo. En este apartado se analizará el gasto económico que supone a la planta operar con agua de la red municipal y con agua de pozo. Osmotizar agua de la red municipal. El principal inconveniente que presenta esta forma de operar, es que cada vez que se necesite agua osmotizada se debe comprar al ayuntamiento la necesaria para osmotizar. La planta opera 5000 h/año aproximadamente, si el municipio establece el valor del metro cubico de agua por 0.6 €/m3, necesitando la planta producir 100 m3/h, se necesitarán 130 m3/h teniendo en cuenta la perdida de caudal que se produce en las membranas de ósmosis. Por lo que anualmente la empresa debe pagar aproximadamente 400.000 €/año. En estos valores no se han tenido en cuenta los costes de los pretratamientos que debe tener el agua, por ejemplo cloración, antes de ser osmotizada. La ventaja principal que aporta operar osmotizando agua de red, es que no necesita bombas para su extracción que será la diferencia principal por la que se calculará el ahorro que supone trabajar con agua de pozo. Osmotizar agua de pozo. El principal gasto extra que presenta la osmotizacion con agua de pozo es su extracción desde los pozos mediante bombas. Por lo que el gasto principal al que tienen que hacer frente la planta con este forma de operar es el consumo eléctrico. El precio del KW son 0,1 €/KWh y las bombas que se disponen de la casa Grundfos para la extracción de agua, suministran 4 KWh para extraer 133 m3/h aproximadamente, que es el caudal necesario para producir 100 m3/h de agua osmotizada, estando la planta en funcionamiento 5000 h/año. Por lo que anualmente la empresa debe pagar aproximadamente 200.000 €/año. Conclusiones. A la hora de calcular los costes que se han presentado en este apartado no se han tenido en cuenta gastos por utilización de reactivos químicos, cambios de membranas, cambios en elementos filtrantes de los pretratamientos y demás costes de impulsión en la planta, debido a que comparado con el gasto que supone la compra de agua de red y el gasto de impulsión, en ambos casos, son bastante inferiores. Dependiendo de 90 Estudio y optimización de una planta de ósmosis inversa de tratamiento de agua para una industria alimentaria. la calidad del agua de pozo el precio aumentará anualmente debido a que se deberá añadir mayor cantidad de aditivos químicos y los lavados serán más frecuentes, pero en este apartado se ha intentado dar una visión general del gasto extra que supone osmotizar con agua de la red municipal, siendo éste de 200.000 € /año más aproximadamente, en comparación a la operación con agua de pozo. 6. Conclusiones generales. 1. En el primer bloque se realizó un análisis de la planta de ósmosis completa a lo largo del tiempo, donde se observó que es fundamental el control de la construcción de las instalaciones. Muchos de los problemas que se dieron durante la operación de la planta fueron causados por un mal control y calibración de equipos, ya sea por la bomba dosificadora de químicos, pretratamientos físicos (biofilm en filtros, sedimentador, ciclón, desplazamiento del cartuchos del filtro de seguridad por sobrepresiones…) o en la construcción del pozo de extracción. Un buen control de cada uno de los equipos y una buena supervisión en su construcción e instalación mediante revisiones periódicas más frecuentes posibilitara una mejora en la operación de la planta. 2. Finalmente las condiciones que llevaron a la planta a cambiar su configuración con cada una de las reformas que se vieron en el bloque 1, fueron causadas por una contaminación externa, por parte de empresas del mismo polígono industrial, del pozo de extracción imposibilitando su utilización debido a su alto contenido en sales y otros compuestos como son el antimonio y el boro que imposibilitan su correcta osmotización como se ha observado en el segundo bloque. La rápida intervención en estos vertidos con idea de conseguir una mejora sustancial en el agua de pozo debería ser considerada como prioridad en la empresa para ahorrar gastos de operación, ya que a día de hoy se sigue operando con agua de red con unas instalaciones sobredimensionadas para esta calidad de agua. 3. El análisis de sensibilidad del bastidor de membranas trabajando con un agua de pozo sin contaminar a priori refleja unos resultados de agua osmotizada muy buenos donde la calidad del agua cumple con el RD140 y la conductividad del rechazo es muy baja. Se han realizado simulaciones para ver la cantidad de ácido que se tendría que añadir si para no tener que añadir antiincrustantes en la operación. Ya que a costa de exponer a las membranas a unas condiciones de pH bajas pero admisibles por las mismas la cantidad de antiincrustante se reduciría considerablemente. No obstante se debe realizar un seguimiento de la operación de las membranas para ver cómo afecta al comportamiento real someterlas a niveles de pH en torno a 6.5 y en función de estas observaciones 91 Estudio y optimización de una planta de ósmosis inversa de tratamiento de agua para una industria alimentaria. subir el pH añadiendo menos acido en el pretratamiento con la consiguiente adición de antiincrustante. 4. La vida útil de las membranas, para esta calidad de agua, sobrepasa los 5 años que se recomiendan en manuales y por fabricantes. Se recomienda realizar una análisis de los bastidores y de la calidad de filtrado que proporcionan las membranas a lo largo del tiempo. Aunque la calidad del agua en las simulaciones no empeore en exceso y la calidad del permeado y el concentrado no varíen demasiado se recomienda mantener un nivel de exigencia elevado tanto en lavados como en la sustitución de las membranas anual del 20%, si el aumento de las exigencias de presión debido al ensuciamiento de las membranas aumenta más de lo debido a lo largo del tiempo. Las condiciones reflejadas en las simulaciones responden a una situación ideal en la que no existen fallos de adición de aditivos y que los pretratamientos son precisos con las revisiones periódicas exigidas, por lo que se recomienda tener un control exhaustivo de la calidad del agua osmotizada y el rechazo y en el caso de que sea necesario cambiar la totalidad de la membranas a los 5 años siguiendo el procedimiento citado. 5. Ante un aumento en la demanda de caudal en las simulaciones se ha observado dos maneras de operar en la que se aumentará la presión de alimentación al bastidor para demandas puntuales y se utilizará parte de la cantidad de agua osmotizada disponible en el tanque de almacenamiento o aumentando la cantidad de tubos de presión de los bastidores o incluso añadiendo nuevos skip para demandas de caudal elevadas que no sean puntuales. En estas situaciones se debe tener un especial control en el caudal de extracción y en la presión de alimentación a las membranas para no dañarlas. 6. Para volver a operar con agua de pozo como se ha visto en la parte final de este segundo bloque la calidad del agua debe mejorar bastante sobre todo en los niveles de boro (1.1 mg/l) y antimonio (aprox. 17 mg/l) con respecto a la calidad del agua osmotizada y rebajar los niveles de sodio y cloruros en torno al 90% para que la salinidad del agua de pozo este dentro de los límites de conductividad impuestos por medioambiente y el rechazo de la planta no se convierte en un problema a la hora de tratarlos como vertido. Si se consigue intervenir en los vertidos incontrolados de otras empresas y el agua de pozo mejora su calidad con el tiempo, el ahorro sería sustancial ya que operando con agua de pozo solo tendrían que preocuparse de gastos extras para bombear el agua hasta la planta y en cambio operando con agua de la red municipal tendrían que pagar un costo anual fijo del agua total que comprasen, más tratamientos de cloración necesarios para el agua de la red pues normalmente suele venir con poca cantidad de cloro. Operar con agua de pozo supone un 92 Estudio y optimización de una planta de ósmosis inversa de tratamiento de agua para una industria alimentaria. ahorro del 50% anual con respecto a la operación con agua de red. Si el agua de pozo va mejorando paulatinamente se podría utilizar aguad de red mezclada con agua de pozo, para conseguir diluir las sales y mejorar la calidad del agua de entrada. Con esta medida se podría conseguir un ahorro en la compra del agua de red produciendo agua osmotizada de buena calidad y unos vertidos aptos para el tratamiento en la EDAR. 93