DAF para la desalinización del agua de mar

• 1. Introducción: problemas de las plantas SWRO debido a la proliferación de algas
  • 1.1. Distribución de las proliferaciones de agua
• 2. Configuración del pretratamiento en plantas desalinizadoras
  • 2.1 Configuración de pretratamiento convencional
  • 2.2 Configuración de pretratamiento avanzado
  • 2.3. Conclusiones respecto a la configuración del pretratamiento
• 3. Tecnología DAF como una parte clave en el pretratamiento de las plantas desalinizadoras
• 4. Glosario
• 5. Referencias

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 e incontrolable crecimiento de la población y el consumo de recursos asociados, 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 hoy en día una de las formas más aplicadas para obtener agua potable y agua de proceso. En este dossier se describen los desafíos y la las tecnologías más aplicadas.

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 el crecimiento y la proliferación, por lo que existe una sucesión continua de especies a lo largo del tiempo en un área determinada: estas se denominan “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, como lo es el tratamiento del agua de mar.

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 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) en el agua cruda durante la floración de algas causa problemas de incrustaciones en los sistemas de pretratamiento y ósmosis inversa (RO) de una planta SWRO. 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.

No es fácil limpiar las membranas contaminadas con agua natural, por tanto, para evitar la limpieza química frecuente, los sistemas de ósmosis inversa son generalmente precedidos por un proceso de pretratamiento para minimizar el potencial de partículas, orgánicos y bioincrustantes del agua de alimentación. Las técnicas convencionales comprenden etapas de coagulación-floculación, flotación y varios tipos de filtros. El paso de coagulación-floculación se aplica para mejorar el rendimiento hidráulico de la técnica de flotación y/o filtro. Las técnicas avanzadas también incluyen membranas de MF (microfiltración) y/o UF (ultrafiltraciíon). La flotación por aire disuelto (DAF dissolved air flotation) se emplea 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 impactos potenciales de los HAB en SWRO se identifican como:

1. Importante desafío de tratamiento para garantizar que el sistema SWRO elimine eficazmente las toxinas de algas del agua de mar.
2. Dificultades operativas debido al aumento de sólidos suspendidos totales y carga orgánica de la biomasa de algas 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.

2. Configuración del pretratamiento en plantas desalinizadoras

La tecnología de membranas surgió como un medio importante de tratamiento del agua en la década de 1990 y es probablemente la opción más prometedora para eliminar algas, bacterias, virus y otros microorganismos; sin embargo, se ven gravemente afectados por problemas de incrustaciones. 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: pretratamiento 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, oxidantes, productos químicos de ajuste de pH, coagulantes, floculantes y desinfectantes. Los contaminantes clave que se deben retener en el pretratamiento son: las partículas y la materia en suspensión, los contaminantes microbianos, las algas y AOM y la materia orgánica disuelta. El tratamiento convencional se puede adaptar a los requisitos actuales añadiendo, eliminando o modificando cualquiera de los pasos descritos.

Desinfección, cribado mecánico y ajuste de pH:

La desinfección por cloración se aplica comúnmente 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 imnstalado en las pantallas.

El pH del agua de mar es siempre alcalino debido a la presencia de sales las cuales provocan una gran formación de incrustaciones en las membranas involucradas en el proceso de tratamiento. El rendimiento de las membranas de ósmosis inversa es generalmente óptima a valores de pH más bajos, esto también permite evitar 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 para optimizar 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 comienzan a romperse liberando sustancias intracelulares que pueden no eliminarse por completo mediante unidades de flotación / sedimentación como DAF y estropear 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 y la cantidad óptimos de coagulante deben establecerse aplicando una prueba de jar-test al agua. Los coagulantes más comúnmente 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 mediante neutralización de carga 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 (a una dosis de coagulante dada, generalmente hay un pH óptimo en el que el rendimieto de eliminación de algas es máximo).

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 Dissolved Air Flotation) es la tecnología más eficaz para este proceso y se describe detalladamente en el párrafo 3.

La tecnología DAF desarrollada por SIGMA 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 y ofrecen un mejor rendimiento económico para las plantas de desalinización. Con una química 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 causada por la sobresaturación 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 utilizan ciertos polímeros como agentes antiincrustantes.

Decloración:

Cuando se usa cloro como desinfectante, el cloro residual presente en el agua de alimentación al sistema de ósmosis inversa tiene el potencial de dañar la membrana. 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 MF y/o 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 dado el problema de ensuciamiento que afecta a todo tipo de membranas. Entonces, 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 demanda de agua dulce mediante procesos de desalinización de agua de mar.

Los procesos MF y UF son el pretratamiento avanzado más utilizado para la filtración por membranas de RO en la desalinización.

Un piloto a escala industrial completa en Barcelona realizó la comparación de un filtro de doble medio filtrante DMF y membranas UF como parte del pretratamiento después de la unidad DAF.

Las membranas UF muestran una excelente y alta estabilidad en la buena calidad de su permeado. La instalación de una membrana UF después de DAF permite rechazar 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 conduce a los mejores rendimientos para el tratamiento del agua de mar.

2.3. Conclusiones respecto a la configuración del pretratamiento

La ventaja más importante del proceso de pretratamiento convencional, incluida la coagulación-floculación y la tecnología DAF, es que es un proceso muy conocido con tecnología familiar, a la vez que puede aceptar modificaciones y optimización a través de tecnologías avanzadas y de última generación para 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.

La investigación en el campo del pretratamiento convencional de agua de mar en los últimos tiempos se ha centrado en hacer más competente el proceso con las siguientes reformas:

• 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 y dosificaciones químicas modificadas al sistema.

Hoy en día, las plantas SWRO para el tratamiento de agua de mar se aplican ampliamente en todo el mundo como se muestra en las siguientes figuras:

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

Una de las tecnologías de funcionamiento eficaz más aplicadas y que han demostrado ser un muy adecuado pretratamiento para la ósmosis inversa aplicada en el tratamiento del agua de mar es la flotación por aire disuelto (DAF) seguida de filtración y precedida por procesos de cribado y coagulación-floculación.

La tecnología DAF constituye un proceso de separación de alta velocidad, eficaz y familiar para aceites, grasas y sólidos en suspensión como las algas y su AOM. La cadena de proceso de coagulación-floculación y ajuste de pH seguido de DAF seguido de filtración (podría ser medio de gravedad o UF/MF dependiendo de los requisitos de la planta) es un concepto bastante común y ha demostrado a lo largo de los años ser el más eficiente en costos. Es un pretratamiento eficaz y robusto para el tratamiento del agua de mar mediante ósmosis inversa.

La importancia del proceso DAF para la economía de todo el mundo industrial es enorme. Sin este proceso, muchos metales y materias primas inorgánicas serían excesivamente escasos y costosos, porque los minerales de alta calidad que podrían procesarse mediante métodos físicos y mecánicos simples se han agotado hace mucho tiempo. DAF se originó inicialmente en el campo del procesamiento de minerales.

Los sólidos particulados, además de los minerals, se han extraído del agua mediante el uso de DAF, que se basa en la idea de aplicar burbujas de aire ascendentes a las partículas que transfieren los sólidos del agua a la superficie. La técnica DAF se aplica a partículas cuya densidad es menor que la del líquido en el que se encuentran. Durante el tratamiento DAF, 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 actualmente con eficacia en otras áreas de aplicación como 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. La tendencia en el desarrollo de la tecnología DAF para el tratamiento del agua de mar y la producción de agua potable a partir de ésta es pasar a lechos de microburbujas muy gruesos con altos caudales. El proceso reduce los requisitos de espacio, ahorra costos de operación y mantenimiento y mejora los resultados de purificación.

Se ha demostrado que la tecnología DAF, acompañada de una adecuada química de 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. La flotación por precipitación de iones metálicos de una solución acuosa se realiza mediante la adición del coagulante más apropiado, lo que da como resultado la inmovilización del metal como un precipitado, seguido de su flotación.

Las ventajas de los sistemas SIGMA DAF 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.

Las eficiencias de eliminación de algas con coagulación-floculación con ajuste de pH y peroxidación, seguido de DAF seguido de filtración por gravedad varían entre 99 y 99,9% cuando la dosificación de productos químicos se optimiza 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.

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.

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 RO. Las altas tasas de eliminación de algas logradas por DAF protegen el proceso de membrana del ensuciamiento, que supondría la parade 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 parte de los esquemas de pretratamiento SWRO. Se instaló una planta piloto equipada con un DAF en la planta de Al-Dur para informar de más del 99% de eliminación de células de algas durante la prueba piloto combinada con coagulación-floculación antes del medio filtrante GMF. La planta desalinizadora de Al-Shuwaik en Kuwait equipada con DAF y UF como pretratamiento demostró consistentemente un agua de alimentación de óptima calidad para las condiciones deterioradas durante los eventos de HAB. La tecnología DAF se aplica con regularidad en nuevas plantas SWRO en el Golfo Pérsico antes de los filtros GMF o MF/UF. La expansión de la planta de Fujairah incorpora tecnología DAF como parte esencial del esquema de pretratamiento.

La mejor combinación de unidades que constituyen el pretratamiento y los productos químicos para las etapas de coagulación-floculación y ajuste de pH, debe diseñarse en base al análisis del agua, aplicando un análisis de jar-test a las muestras de agua de todo el rango de calidad que pueda esperarse del agua de mar: desde agua de mar menos concentrada al peor escenario dado por episodios de HAB. AGUASIGMA ofrece realizar estos análisis y diseñar el paso de coagulación-floculación y ajuste de pH más el diseño DAF de la cadena de pretratamiento. También es imprescindible tener un seguimiento continuo de la proliferación de algas en cada ecosistema.

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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