Pretratamiento de agua de mar en plantas de desalinización

• 1. Proliferación de algas en las plantas de desalinización de agua de mar mediante ósmosis inversa
  • 1.1. Distribución de las proliferaciones de agua
• 2. Pretratamiento de agua de mar 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. Proliferación de algas en las plantas de desalinización de agua de mar mediante ósmosis inversa

La distribución de agua en nuestro planeta no es uniforme.

• El 97% del agua está en los océanos.
• El 3% es agua dulce en la superficie.

El 3% del agua dulce se distribuye de la siguiente manera:

• El 69% pertenece al agua helada en los glaciares.
• El 30% es agua subterránea.
• Menos del 1% del agua se encuentra en lagos, pantanos y ríos.

Debido al rápido crecimiento de la población y al aumento del consumo de agua, existe una necesidad urgente de recurrir a fuentes alternativas para disponer de agua dulce. El tratamiento de agua de mar mediante desalación es una de las soluciones más comunes para obtener agua potable y agua para uso industrial.

Las algas marinas desempeñan un papel crucial en la red alimentaria marina al convertir el dióxido de carbono (CO2) en biomasa, que sirve como base para la cadena alimentaria.

Las floraciones algales son fenómenos comunes en áreas marinas. Cuando estas floraciones son nocivas pueden tener un impacto crítico en los ecosistemas marinos y en el uso humano de los recursos oceánicos.

Las floraciones de algas nocivas pueden aparecer en cualquier zona costera y afectar negativamente a las plantas desaladoras. La materia orgánica liberada por las algas durante estas floraciones provoca incrustaciones en las membranas de ósmosis inversa, dificultando la operación y el mantenimiento de estas instalaciones.

Las membranas de ósmosis inversa están diseñadas para eliminar los componentes disueltos en el agua, específicamente los iones inorgánicos.

La ósmosis inversa es la tecnología más eficiente para la desalación de agua de mar, pero también es vulnerable al ensuciamiento y la obstrucción de las membranas, que es provocada por la deposición de partículas y el crecimiento de bacterias y otros microorganismos que forman 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.
• Una disminución significativa del flujo.

Estos efectos adversos reducen la vida útil de la membrana y la duración de los ciclos de filtración, afectando negativamente a su 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 graves problemas técnicos y de salud.

Este proceso de pre-tratamiento mantiene las membranas en buen estado por más tiempo, por lo que no es necesario limpiar las membranas tan a menudo. Esto es importante, ya que es preferible evitar la limpieza química frecuente.

La presencia de floraciones de algas nocivas en la desalinización de agua de mar mediante ósmosis inversa presenta los siguientes retos:

1. Aplicar un pretratamiento que garantice que la desalinización mediante ósmosis inversa elimina eficazmente las toxinas de algas de agua de mar.
2. Superar los desafíos operativos causados por la presencia de sólidos suspendidos totales y de la carga orgánica asociada a la biomasa de algas presente en el agua cruda.

1.1. Distribución de las proliferaciones de algas

Las floraciones nocivas de algas se distribuyen a lo largo de la costa terrestre y han afectado gravemente a plantas desalinizadoras en todo el mundo.

2. Pretratamiento de agua de mar en plantas desalinizadoras

La tecnología de membranas es la más eficiente para eliminar algas, bacterias, virus y otros microorganismos presentes en el agua. Sin embargo, es un proceso que se ve gravemente afectado por problemas de incrustaciones, por lo que es absolutamente necesario un tratamiento previo 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.

• En el proceso físico se realiza un cribado mecánico de material particulado a través de pantallas y filtros.
• Por su parte, el proceso químico consiste en la adición de inhibidores de incrustaciones, como oxidantes, productos químicos de ajuste de pH, coagulantes, floculantes y desinfectantes.

Los contaminantes que se deben retener en el pretratamiento son:

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

El tratamiento convencional se puede adaptar a las necesidades específicas de cada proyecto modificando cualquiera de los pasos descritos.

Desinfección, cribado mecánico y ajuste de pH

La desinfección por cloración se aplica para prevenir el crecimiento biológico que causa el 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 utiliza rejillas o mallas para retener objetos flotantes, plantas y otros desechos de gran tamaño, evitando que ingresen a los equipos de pretratamiento y causen daños o bloqueos. Los distintos desechos que han quedado retenidos en las rejillas 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 de ósmosis inversa. Ajustar el pH también es beneficioso para la eliminación de algas y del carbón orgánico total (TOC).

El rendimiento de las membranas de ósmosis inversa es óptimo con valores de pH bajos, por lo que es necesario mantener el pH del agua entre 5,5 y 6,0 mediante la adición de ácido sulfúrico, u otro tipo de acidificante que optimice la formación de flóculos. 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 durante la fase de pretratamiento.

Coagulación y floculación

El objetivo principal del proceso de coagulación y floculación es la eliminación de turbidez y sólidos. Para ello, se agrega un coagulante al agua que neutraliza 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).

Flotación por aire disuelto

Un sistema DAF separa las partículas, las células de algas, el aceite y la grasa que no pueden eliminarse por sedimentación. También se eliminan los flóculos producidos en la etapa de coagulación-floculación.

En plantas de desalinización de agua de mar, los sistemas DAF están continuamente expuestos a atmósferas salinas, alta humedad y condiciones de operación agresivas.

Los sistemas DAF de acero al carbono revestido de SIGMADAF están específicamente diseñados para garantizar la fiabilidad y un rendimiento óptimo a largo plazo en condiciones de operación severas, ofreciendo un excelente rendimiento en la separación de sólidos suspendidos.

El tanque del equipo se construye en acero al carbono revestido, mientras que el resto de los componentes se fabrican en acero inoxidable superdúplex.

Adicionalmente, nuestros equipos DAF para plantas de desalación de agua de mar son tratados con sistemas de recubrimiento de alto rendimiento certificados para entornos marinos. Antes de la aplicación del recubrimiento, todas las unidades se someten a un proceso de tratamiento superficial, garantizando una adhesión óptima y una protección anticorrosiva a largo plazo.

Filtración

Este proceso elimina las partículas en suspensión que no fueron eliminadas durante la flotación por aire disuelto.

Los tipos de filtros más comunes son los filtros por gravedad (arena, o arena más antracita) y los filtros prensa.

Los filtros de gravedad se utilizan para plantas desalinizadoras de gran y mediana capacidad, ya que ofrecen un mejor rendimiento económico. 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 de ósmosis inversa puede reducir su 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

Algunas plantas desalinizadoras han utilizado membranas de microfiltración (MF) y/o ultrafiltración (UF) como un proceso de pretratamiento autónomo. Este proceso es conocido como pretratamiento avanzado, pero se ha demostrado que no es una solución eficaz, ya que el ensuciamiento afecta a todo tipo de membranas.

El pretratamiento avanzado puede ser parte del pretratamiento convencional, pero no puede ser un pretratamiento independiente. Se ha demostrado que una combinación de pretratamiento convencional y pretratamiento avanzado puede proporcionar una solución rentable para la producción de agua dulce en procesos de desalinización de agua de mar.

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.

Las membranas de ultrafiltración muestran una excelente estabilidad y ofrecen una gran calidad en su permeado. La combinación de un equipo DAF seguido de una membrana UF separa casi el 100% de la contaminación por algas y una gran fracción del contenido bacteriano.

Este es un claro ejemplo de cómo la combinación de tecnologías de pretratamiento convencionales y avanzadas ofrece excelentes resultados en el pretratamiento de agua de mar.

2.3. Conclusiones respecto a la configuración del pretratamiento de agua de mar en desalinizadoras

La ventaja más importante del proceso de pretratamiento convencional 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 la filtración mediante membranas UF/MF.

Recientemente, la investigación se ha centrado en hacer más efectivo el pretratamiento convencional de agua de mar 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. La flotación por aire disuelto en el pretratamiento de las plantas desalinizadoras

El sistema de pretratamiento de agua de mar que ha demostrado mayor eficacia, fiabilidad y eficiencia en costes es el siguiente:

• Coagulación-floculación y ajuste de pH.
• Peroxidación.
• Flotación por aire disuelto (DAF).
• Filtración por gravedad.

Esta combinación de procesos elimina grasa, aceites, sólidos en suspensión, turbidez, color, algunas bacterias, algas, hierro, manganeso, fósforo y carbono orgánico total.

Las eficiencia de eliminación de algas varía entre 99% y 99,9%, incluso durante eventos severos de floración de algas nocivas.

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, las partículas coaguladas, como las algas, se adhieren a las burbujas producidas en el interior del sistema DAF y flotan en la parte superior de la columna de agua, donde se eliminan mecánica o hidráulicamente.

En las plantas desalinizadoras que producen agua potable, la tendencia actual es el desarrollo de sistemas DAF con lechos densos de microburbujas y capacidad para altos caudales. Este proceso ofrece las siguientes ventajas:

• Reduce los requisitos de espacio.
• Disminuye los costes operativos.
• Reduce el coste de mantenimiento.
• Mejora los resultados de purificación.

Los sistemas DAF fabricados por SIGMADAF ofrecen las siguientes ventajas:

• 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.

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.

Parámetro	Eficiencia de eliminación
Sólidos en suspension totales	95%
Aceites y grasas	98%
Algas	98%
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.

Parámetro	Valor 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, los sistemas DAF son cada vez más utilizados en el pretratamiento de agua de mar. Las altas tasas de eliminación de algas logradas con un sistema DAF evitan el ensuciamiento y bloqueo de las membranas de ósmosis inversa, evitando la parada completa de la planta durante los eventos de floración de algas nocivas.

Las membranas de ósmosis inversa son muy sensibles al ensuciamiento provocado por:

• Coloides.
• Incrustaciones inorgánicas.
• Desarrollo de biopelículas.
• Etc.

Con una toma de agua de mar abierta las membranas estarían expuestas a diferentes tipos de contaminación: algas, metales precipitados, materia orgánica, hidrocarburos, partículas, turbidez, etc.

El pretratamiento debe diseñarse para enfrentar el peor escenario posible y, aún así, proporcionar una calidad constante en el agua que accede a las unidades de ósmosis inversa, incluso cuando se están produciendo floraciones de algas nocivas. El pretratamiento también ha de contribuir a reducir los costes de limpieza de las membranas de ósmosis inversa.

El grave evento de floración de algas nocivas que tuvo lugar en el Golfo de Omán durante los años 2008 y 2009 provocó el cierre de varias plantas desalinizadoras en la región, lo cual precipitó la búsqueda de nuevas soluciones de pretratamiento de agua de mar, entre las que destacó la flotación por aire disuelto.

La tecnología DAF se aplica con regularidad en nuevas plantas SWRO en el Golfo Pérsico:

• En la planta de Al-Dur, se instaló una planta piloto equipada con un sistema DAF más coagulación-floculación antes del medio filtrante GMF. Este proceso consigue eliminar más del 99% de células de algas.
• Por su parte, la planta desalinizadora de Al-Shuwaik en Kuwait está equipada con equipos DAF y membranas de UF como pretratamiento. Esta planta obtiene un agua de alimentación de óptima calidad de forma consistente, incluso en las condiciones deterioradas durante los eventos de proliferación de algas.
• 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 es necesario de llevar a cabo un análisis de jar-test con muestras de agua de mar que cubran todo el rango de calidad que pueda esperarse: desde agua de mar menos concentrada hasta el peor escenario dado por episodios de proliferación de algas nocivas.

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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