Sistemas DAF para desalinización y pretratamiento de agua de mar

18 de marzo de 2021 (Lectura 18 mins)
Jordi Fabregas

1. Introducción: problemas de las plantas SWRO debido a la proliferación de algas

La distribución de agua en la Tierra no es uniforme. El 97% del agua de nuestro planeta está en los océanos y solo el 3% es agua dulce en la superficie. De esta agua dulce, el 69% pertenece al agua helada en los glaciares, el 30% es subterránea y menos del 1% se encuentra en lagos, pantanos y ríos y está disponible para uso humano.

Debido al rápido crecimiento de la población y al incremento en el consumo de recursos naturales, existe una necesidad urgente de obtener agua de otras fuentes diferentes al agua dulce directamente disponible. El uso de agua de mar y su tratamiento mediante desalación es una de las formas más habituales para obtener agua potable y agua de proceso.

Toda vida habitando en el mar depende de las algas marinas y otros microorganismos que convierten el CO2 en la biomasa que forma la base de la red alimentaria marina. Estas especies de algas tienen un conjunto de condiciones ambientales que favorecen su crecimiento y proliferación, por lo que existe una sucesión continua de especies que a lo largo del tiempo crecen en un área determinada. Estos fenómenos se conocen como “floraciones”: proliferación de una sola especie que domina rápidamente la columna de agua. Las proliferaciones nocivas de algas (HAB harmful algae bloom) son críticas para muchos aspectos de la ecología marina, así como para la utilización de los recursos marinos por parte de la sociedad humana.

Todos los países costeros del mundo pueden verse afectados por las HAB. Las algas y los subproductos que liberan, conocidos como materia orgánica de algas, afectan directa e indirectamente a la filtración de las membranas utilizadas en el proceso de desalación en una planta SWRO (Sea Water Reverse Osmosis). La alta concentración de materia orgánica de algas (AOM) presente en el agua cruda durante la floración de algas causa problemas de incrustaciones en los sistemas de pretratamiento y ósmosis inversa (RO).

Las membranas de ósmosis inversa están diseñadas principalmente para eliminar los componentes disueltos en el agua, específicamente los iones inorgánicos. Los sistemas de membranas son vulnerables al ensuciamiento y obstrucción debido a la deposición de partículas y/o el crecimiento de bacterias y otros microorganismos que causan una biopelícula en la superficie de la membrana, lo que resulta en un aumento de la resistencia hidráulica, un aumento importante de la presión transmembrana y una disminución significativa del flujo, reduciendo así la vida útil de la membrana, la duración de los ciclos de filtración y el rendimiento.

Los subproductos de algas y sus toxinas también pueden penetrar en la red de tuberías de suministro de agua, afectando así la calidad del agua en la red y generando enormes problemas técnicos y de salud.

¿Cómo proteger una planta desalinizadora de agua de mar del ensuciamiento y bloqueo?

Los sistemas de membranas utilizados para la desalinización de agua de mar son vulnerables al ensuciamiento y la obstrucción, lo que reduce la vida útil de la membrana y su rendimiento. Además, los subproductos de algas y sus toxinas también pueden penetrar en la red de suministro de agua, afectando así la calidad del agua de red y generando enormes problemas técnicos y de salud. Para evitar estos problemas es aconsejable someter al agua de mar a un pre-tratamiento previo a la ósmosis inversa.

El pre-tratamiento más eficiente y consistente en sus resultados es la combinación de un proceso de coagulación-floculación seguido de clarificación mediante un sistema DAF.

Este pre-tratamiento elimina tanto la materia orgánica como el material en suspensión presente en el agua de mar. La eficiencia de este proceso protege a las membranas contra el ensuciamiento y bloqueo, optimizando así el rendimiento de la planta desalinizadora.

No es fácil limpiar las membranas contaminadas con agua natural, por lo que es importante evitar la limpieza química frecuente. Por este motivo, los sistemas de ósmosis inversa están generalmente precedidos por un proceso de pretratamiento que minimiza el potencial daño de partículas, orgánicos y bioincrustantes presentes en el agua de alimentación.

Las técnicas convencionales comprenden etapas de coagulación-floculación, flotación y varios tipos de filtración. El proceso de coagulación-floculación se realiza para mejorar el rendimiento hidráulico de las tecnologías de flotación y filtración. Las técnicas avanzadas también incluyen membranas de MF (microfiltración) y/o UF (ultrafiltraciíon). La flotación por aire disuelto (DAF) se lleva a cabo antes de la filtración a través de medios granulares, o MF / UF en sistemas SWRO, lo que hace que el pretratamiento sea confiable y robusto.

Los dos retos derivados de la presencia de HAB en SWRO son:

  1. Aplicar un tratamiento que garantice que el sistema SWRO elimina eficazmente las toxinas de algas del agua de mar.
  2. Superar las dificultades operativas derivadas del aumento de sólidos suspendidos totales y de la carga orgánica de la biomasa de algas que se encuentran en el agua cruda.

1.1. Distribución de las proliferaciones de agua

Los HAB se distribuyen a lo largo de la costa terrestre y han afectado gravemente a las plantas desalinizadoras en todo el mundo.

Figura 2. Distribución promedio anual típica de algas en grandes masas de agua en la tierra. Ref: Villacorte et al. 2015.
Figura 2. Distribución promedio anual típica de algas en grandes masas de agua en la tierra. Ref: Villacorte et al. 2015.
floración algas
Figura 3. Floración masiva de algas de marea roja en el Golfo de Omán que se propagó a «El Golfo» durante de noviembre de 2008. El color rojo muestra la floración de Cochlodinium polykrikoides, mientras que el azul muestra las áreas dominadas por sedimentos en suspensión, o aguas poco profundas. Los puntos amarillos indican la ubicación de las principales plantas SWRO. Ref: Villacorte et al. 2015.

2. Configuración del pretratamiento en plantas desalinizadoras

La tecnología de membranas surgió como proceso de tratamiento de agua en la década de 1990 y es probablemente la opción más prometedora para eliminar algas, bacterias, virus y otros microorganismos. Sin embargo, es un proceso que se ve gravemente afectado por problemas de incrustaciones, por lo que es absolutamente necesario un pretratamiento adecuado para que las tecnologías de membranas sean eficientes.

2.1 Configuración de pretratamiento convencional

El proceso de pretratamiento convencional se clasifica en dos modalidades: físico y químico. El proceso físico realiza el cribado mecánico básico de material particulado a través de las pantallas y filtros; el proceso químico implica la adición de inhibidores de incrustaciones, como oxidantes, productos químicos de ajuste de pH, coagulantes, floculantes y desinfectantes.

Los contaminantes clave que se deben retener en el pretratamiento son:

  • Partículas y la materia en suspensión
  • Contaminantes microbianos
  • Algas y AOM
  • Materia orgánica disuelta.

El tratamiento convencional se puede adaptar a los requisitos actuales añadiendo, eliminando o modificando cualquiera de los pasos descritos.

Esquema tratamiento convencional aguas
Figura 4. Ejemplo de un sistema de pretratamiento convencional. Ref: adaptación de Kavitha et al. 2019.

Desinfección, cribado mecánico y ajuste de pH

La desinfección por cloración se aplica para prevenir el crecimiento biológico responsable del ensuciamiento de filtros y membranas. Es necesario tener un proceso de decloración posterior para evitar la presencia de cloro residual en la corriente.

El proceso de cribado consiste en una malla inclinada al caudal de agua de mar. Las plantas y los desechos en el agua del mar se detienen en las rejillas que se eliminan mediante un rastrillo mecánico instalado en las pantallas.

El pH del agua de mar es siempre alcalino debido a la presencia de sales, las cuales provocan la formación de incrustaciones en las membranas. El rendimiento de las membranas de ósmosis inversa es óptimo con valores de pH más bajos, lo que también evita reacciones no deseadas en la superficie de la membrana. El pH del agua se mantiene entre 5,5 y 6,0 mediante la adición de ácido sulfúrico, u otro tipo de acidificante que optimice la formación de flóculos. Ajustar el pH es beneficioso tanto para la eliminación de algas como para la eliminación de TOC. No se recomienda trabajar a un pH inferior a 5,5, ya que las células se rompen y liberan sustancias intracelulares que pueden no eliminarse por completo mediante unidades de flotación / sedimentación y estropean la funcionalidad del pretratamiento.

Coagulación y floculación

El propósito principal del proceso de coagulación y floculación es la eliminación de turbidez y sólidos. Se agrega un coagulante al agua para neutralizar las partículas cargadas negativamente. El tipo de coagulante y su cantidad óptima se deciden llevando a cabo una prueba de jar-test al agua. Los coagulantes más utilizados son los compuestos de aluminio y las sales férricas, como el sulfato férrico y el cloruro férrico. El proceso de coagulación y floculación elimina las impurezas coloidales, las partículas en suspensión, las algas, las AOMs y algunas bacterias del agua de mar.

Las células de las algas deben desestabilizarse completamente para permitir que el tratamiento alcance su máxima eficiencia. Esto se hace con la dosis adecuada de coagulante y floculante, junto con el ajuste del pH (para una dosis de coagulante dada, hay un pH óptimo en el que el rendimiento de eliminación de algas es máximo).

Figura 5. Modelo de aplicación de coagulantes y floculantes en combinación con diferentes procesos primarios y secundarios. Ref: Villacorte et al. 2015.

Flotación

En la etapa de flotación, las partículas, las células de algas, el aceite y la grasa que no pueden eliminarse por sedimentación, son flotadas y eliminadas. También se eliminan los flóculos producidos en la etapa de coagulación-floculación. Se ha descubierto que la flotación por aire disuelto (DAF) es la tecnología más eficaz para este proceso y se describe detalladamente en el párrafo 3.

La tecnología DAF desarrollada por Sigmadaf combina los principios de flotación y sedimentación por aire disuelto con un diseño óptimo del equipo.

Filtración

Este proceso elimina las partículas en suspensión que no fueron eliminadas durante la flotación. Los tipos de filtros más comunes son los filtros por gravedad (arena, arena más antracita) y los filtros prensa. Los filtros de gravedad se utilizan para plantas de filtración de gran y mediana capacidad, ya que ofrecen un mejor rendimiento económico para las plantas de desalinización. Con una dosificación adecuada de coagulación-floculación y ajuste de pH, el sistema de filtración por medio de gravedad elimina arcilla, sílice coloidal, hidróxidos metálicos precipitados, ácidos húmicos y fúlvicos, algas y bacterias.

Adición de antiescalante

La precipitación de sales y minerales del agua de mar en la superficie de la membrana puede reducir el rendimiento y disminuir la recuperación de agua. El ácido sulfúrico agregado para ajustar el pH también puede controlar la descamación producida por el carbonato de calcio. Recientemente también se han empezado a utilizar ciertos polímeros como agentes anti incrustantes.

Decloración

Cuando se usa cloro como desinfectante, el cloro residual presente en el agua de alimentación tiene el potencial de dañar las membranas de ósmosis inversa. El agente más común utilizado para el proceso de decloración es el bisulfito de sodio, o carbón activado.

2.2 Configuración de pretratamiento avanzado

Las membranas de microfiltración (MF) y/o ultrafiltración (UF) a veces se aplican como un proceso de pretratamiento autónomo, conocido como pretratamiento avanzado, pero se ha demostrado que esta no es una configuración eficaz, ya que el ensuciamiento afecta a todo tipo de membranas. Por este motivo, el pretratamiento avanzado puede ser parte del pretratamiento convencional en lugar de un pretratamiento independiente en sí. Se ha demostrado que una combinación de pretratamiento convencional y pretratamiento avanzado puede proporcionar una solución rentable para la producción de agua dulce mediante procesos de desalinización de agua de mar.

Los sistemas de MF y UF son el pretratamiento avanzado más utilizado para una posterior filtración por membranas de ósmosis inversa en procesos de desalinización.

pretratamiento degremont del Golfo Pérsico
Figura 6. Línea piloto de pretratamiento de Degrémont en el Golfo Pérsico con pretratamiento convencional más avanzado. Ref: adaptado de Peleka y Matis 2008.

Una planta piloto a escala industrial ubicada en Barcelona realizó la comparación entre un filtro de doble medio filtrante (DMF) y membranas de ultrafiltración como parte del pretratamiento después de un equipo DAF.

comparación filtro
Figura 7. Representación simplificada de las configuraciones de pretratamiento convencional / avanzado. Ref: Guastalli et al. 2013.

Las membranas UF muestran una excelente estabilidad y ofrecen una gran calidad en su permeado. La instalación de un equipo DAF seguido de una membrana UF permite separar casi el 100% de la contaminación por algas y una gran fracción del contenido bacteriano del agua. Este es un claro ejemplo de cómo la combinación de tecnologías de pretratamiento convencionales y avanzadas ofrece excelentes resultados en el tratamiento de agua de mar.

2.3. Conclusiones respecto a la configuración del pretratamiento

La ventaja más importante del proceso de pretratamiento convencional, que incluye la coagulación-floculación y la tecnología DAF, es que es un proceso de efectividad probada, que puede ser optimizado mediante tecnologías avanzadas en cada una de sus etapas. El sistema elimina tanto la materia orgánica como el material en suspensión del agua de mar tratada.

El pretratamiento convencional se puede adaptar cambiando o agregando pasos como filtración, o membranas UF/MF.

Recientemente, la investigación en el campo del pretratamiento convencional de agua de mar se ha centrado en hacer más competente el proceso con las siguientes variaciones:

  • Alteraciones en los puntos de captación de agua de mar.
  • Introducción de la tecnología DAF para el proceso de flotación.
  • Procesos dinámicos de retrolavado/limpieza de filtros o membranas
  • Dosificaciones químicas modificadas al sistema.

3. Tecnología DAF como una parte clave en el pretratamiento de las plantas desalinizadoras

La flotación por aire disuelto (DAF) seguida de filtración y precedida por procesos de cribado y coagulación-floculación, es la tecnología más eficaz para el pretratamiento de agua de mar antes de su ingreso en los equipos de ósmosis inversa. La tecnología DAF separa aceites, grasas y sólidos en suspensión, como las algas y su AOM, con gran eficiencia.

Un sistema de pretratamiento compuesto por coagulación-floculación y ajuste de pH, seguido de DAF y posterior filtración ha demostrado ser el más eficaz, fiable y eficiente en costos.

La flotación por aire disuelto se aplica a partículas cuya densidad es menor que la del líquido en el que se encuentran. Durante el proceso, el aire comprimido se introduce en una corriente de recirculación, se disuelve y, posteriormente, genera burbujas de 30 a 50 µm cuando se libera a través de un cabezal de dispersión en un tanque DAF. Las partículas coaguladas, como las algas, se adhieren a las burbujas y flotan en la parte superior de la columna de agua, donde se eliminan mecánica o hidráulicamente.

La tecnología DAF se aplica con eficacia en otros ámbitos como el tratamiento de agua potable, tratamiento terciario de aguas residuales, espesamiento de lodos, recuperación de residuos de retrolavado de filtros y pretratamiento de agua de mar para desalinización.

En el ámbito de la desalinización de agua de mar para producir agua potable, la tendencia está en el desarrollo de equipos DAF con lechos de microburbujas muy gruesos con altos caudales. Este proceso reduce los requisitos de espacio, disminuye los costes operativos y de mantenimiento, a la vez que mejora los resultados de purificación.

Figura 11. Módulo de flotación de aire disuelto SIGMA DAF: tanques de ajuste de pH y coagulación-floculación más cámara DAF.

La tecnología DAF, acompañada de un adecuado ajuste de pH y coagulación-floculación, es eficaz para eliminar grasa, aceites, sólidos en suspensión, turbidez, color, algunas bacterias, algas, hierro, manganeso, fósforo y carbono orgánico total.

Las ventajas de los sistemas DAF fabricados por Sigmadaf incluyen:

  • Mejor calidad del agua tratada.
  • Rápida puesta en marcha.
  • Operación de alta velocidad.
  • Lodos más espesos (menor producción de lodos).
  • Footprint reducida.
  • Fácil de operar.
  • Capacidad para proteger las plantas de tratamiento de agua de mar frente a los daños provocados por las HAB.
Figura 12. Modelos SIGMA DAF para pretratamiento de desalinización de agua de mar: (a) Unidad completa Sigma DAF FPAC-CW® especialmente diseñada para pretratamiento de desalación que incluye ajuste de pH, cámaras de coagulación y floculación y cámara DAF. Caudales de 1000 a 4000 m3/h; (b) El sistema Sigma DAF FPHF® que se instala junto con los procesos de ajuste de pH y coagulación-floculación es aplicable para el pretratamiento de agua de mar con caudales de 100 a 1000 m3/h.

Las eficiencia de eliminación de algas con un sistema que incluye coagulación-floculación, ajuste de pH, peroxidación, sistema DAF y filtración por gravedad varía entre 99 y 99,9%, incluso durante eventos severos de HAB.

Tabla 2. Eficiencias comparativas de eliminación de algas usando varias líneas de tratamiento en condiciones optimizadas. Ref: Mouchet y Bonnelye 1998.
Tabla 3. Eficiencias de eliminación de Sigma DAF modelo FPAC-CW®. La unidad incluye ajuste de pH, sistema de coagulación-floculación más sistema DAF, que se muestra en la Figura 12 (a). La calidad del agua utilizada para esta estimación es: Tipo de afluente: agua de mar más agua de río; caudal = 10500 m3 / h dividido en tres líneas de operación de 3500 m3 / h promedio cada una; sólidos totales disueltos <40000 mg / L; pH = 8.2-8.3, temperatura = 17-39ºC; algas: 5 Mcélulas / L; sólidos suspendidos totales <200 mg / L; turbidez = 5-30 NTU; aceite y grasa <3 mg / L.
ParámetroEficiencia de eliminación
Sólidos en suspension totales95%
Aceites y grasas98%
Algas98%
Concentración del lodo flotado> 2%
Tabla 4. Eficiencias de eliminación de Sigma DAF modelo FPHF®, que se muestran en la Figura 12 (b). El proceso instalado también incluye ajuste de pH, sistema de coagulación-floculación más sistema DAF. La calidad del agua utilizada para esta estimación es: Tipo de afluente: agua de mar; caudal = 832 m3 / h dividido en dos líneas de operación de 416 m3 / h promedio cada una; sólidos suspendidos totales <50 mg / L; pH = 8.0, temperatura = <34.6ºC; algas <100000 células / ml; aceite y grasa <3 mg / L.
ParámetroValor en efluente
Sólidos en suspension totales< 10 ppm
Turbidez< 5 NTU
Carbono orgánico total< 7 ppm
Eliminación de algas> 98%
Eliminación de aceites y grasas> 90%

Debido a la naturaleza flotante de las algas, la tecnología DAF se aplica cada vez más como un proceso de pretratamiento para la desalinización del agua de mar mediante ósmosis inversa. Las altas tasas de eliminación de algas logradas con un sistema DAF protegen el proceso de membrana del ensuciamiento, que supondría la parada completa de la planta durante los eventos de HAB.

Las membranas de ósmosis inversa, ampliamente utilizadas en plantas de tratamiento de agua de mar, son muy sensibles al ensuciamiento por coloides, incrustaciones inorgánicas, desarrollo de biopelículas, etc. Con una toma de agua de mar abierta de la planta, las membranas son sensibles a otros tipos de contaminación: algas, metales precipitados, materia orgánica, hidrocarburos, partículas, turbidez, etc. El pretratamiento debe diseñarse para enfrentar la peor calidad esperada del agua influente, proporcionando una calidad constante y muy buena del agua de alimentación para las unidades de ósmosis inversa, incluso cuando se están produciendo HABs. Las combinaciones de pretratamiento para unidades de ósmosis inversa también reducen los costos de limpieza de la membrana de ósmosis inversa.

El grave evento de HABs en 2008-2009 en el Golfo de Omán, que provocó el cierre de varias plantas desalinizadoras en la región, redirigió la atención de la industria de la desalinización hacia la tecnología DAF como solución para el pretratamiento en plantas de SWRO.

En la planta de Al-Dur, se instaló una planta piloto equipada con un sistema DAF más coagulación-floculación antes del medio filtrante GMF, que consiguió eliminar más del 99% de células de algas. Por su parte, la planta desalinizadora de Al-Shuwaik en Kuwait, que está equipada con DAF y UF como pretratamiento, obtuvo un agua de alimentación de óptima calidad de forma consistente, incluso en las condiciones deterioradas durante los eventos de HAB.

La tecnología DAF se aplica con regularidad en nuevas plantas SWRO en el Golfo Pérsico. La expansión de la planta de Fujairah incorpora tecnología DAF como parte esencial del esquema de pretratamiento.

Para un diseño correcto y óptimo de la planta de pretratamiento de agua de mar, se ha de llevar a cabo un análisis de jar-test con muestras de agua que cubran todo el rango de calidad que pueda esperarse del agua de mar: desde agua de mar menos concentrada hasta el peor escenario dado por episodios de HAB.

En Sigmadaf realizamos tanto estos análisis, como el diseño y fabricación de los sistemas DAF y las unidades de coagulación-floculación.

4. Glosario

AOM: algal organic matter: materia orgánica generada por las algas

DAF: dissolved air flotation: flotación mediante aire disuelto

DMF: dual media filter: doble medio filtrante

GMF: granular media filters:filtros de medio granular

HAB: harmful algal bloom: proliferaciones nocivas de algas

MF: microfiltration: microfiltración

RO: reverse osmosis: ósmosis inversa

SWRO: sea water reverse osmosis: ósmosis inversa para agua de mar

TOC: total organic carbon: carbono orgánico total

UF: ultrafiltration: ultrafiltración

5. Referencias

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