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Estudio y optimización de una planta de ósmosis inversa de tratamiento de agua para una industria alimentaria. 1 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
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Estudio y optimización de una planta de ósmosis inversa de tratamiento de agua para una industria alimentaria.
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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
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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:
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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.
Figura 1: Capacidad de desalación instalada en España; fuente IDA noviembre 2010
(hispagua.cedex.es).
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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).
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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.
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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.
Figura 2: Zonas de mayor problemática y de mayor importancia durante el diseño de
la planta de ósmosis inversa.
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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:
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
Figura 3: Diagrama de bloques de una etapa de salmuera
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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
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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.
El incorporar más o menos etapas depende en gran medida de la calidad de agua a
tratar.
Figura 5: Porcentaje de recuperación por etapa
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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):
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
Figura 6: Diagrama de bloques de la operación inicialmente.
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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 post-
tratamientos.
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.
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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:
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.
Figuras 7: Foto de coloides arcillosos en el filtro silex
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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.
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:
Figura 8: Videocámara pozo de extracción.
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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
Figura 9: Problemas de construcción y contaminación de pozos de extracción de agua. (gwe-
tobomin.com)
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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.
Estudio y optimización de una planta de ósmosis inversa de tratamiento de agua para una industria alimentaria.
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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.
Figura 10: Filtración (filtro de cartuchos). (avantfilter.es)
Estudio y optimización de una planta de ósmosis inversa de tratamiento de agua para una industria alimentaria.
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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.
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)
Figura 11: Disposición de cartuchos en un
filtro de seguridad.(avantfilter.es)
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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
Figura 12: Solución para la aparición de biofilm en filtro de cartuchos
Estudio y optimización de una planta de ósmosis inversa de tratamiento de agua para una industria alimentaria.
19
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.
Estudio y optimización de una planta de ósmosis inversa de tratamiento de agua para una industria alimentaria.
20
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.
Estudio y optimización de una planta de ósmosis inversa de tratamiento de agua para una industria alimentaria.
21
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).
Estudio y optimización de una planta de ósmosis inversa de tratamiento de agua para una industria alimentaria.
22
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
Figura 13: 1ªReforma con dos osmotizaciones y recirculación.
Estudio y optimización de una planta de ósmosis inversa de tratamiento de agua para una industria alimentaria.
23
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.
Estudio y optimización de una planta de ósmosis inversa de tratamiento de agua para una industria alimentaria.
24
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.
Figura 14: Esquema de la disposición de la 2ªreforma y situación actual
Estudio y optimización de una planta de ósmosis inversa de tratamiento de agua para una industria alimentaria.
25
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.
Figura 15: Cronograma de la planta
Estudio y optimización de una planta de ósmosis inversa de tratamiento de agua para una industria alimentaria.
26
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.
Estudio y optimización de una planta de ósmosis inversa de tratamiento de agua para una industria alimentaria.
27
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
Estudio y optimización de una planta de ósmosis inversa de tratamiento de agua para una industria alimentaria.
28
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.
Estudio y optimización de una planta de ósmosis inversa de tratamiento de agua para una industria alimentaria.
29
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
Figura 16: Resumen de la operación del software IMS design
Estudio y optimización de una planta de ósmosis inversa de tratamiento de agua para una industria alimentaria.
30
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.
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:
Figura 18: Opciones para el tipo de alimentación
Estudio y optimización de una planta de ósmosis inversa de tratamiento de agua para una industria alimentaria.
31
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:
Estudio y optimización de una planta de ósmosis inversa de tratamiento de agua para una industria alimentaria.
32
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.
Figura 19: Parámetros característicos del agua, de especial importancia para la ósmosis inversa.
Estudio y optimización de una planta de ósmosis inversa de tratamiento de agua para una industria alimentaria.
33
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.
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:
Figura 20: Sulfhídrico en el agua de entrada
Estudio y optimización de una planta de ósmosis inversa de tratamiento de agua para una industria alimentaria.
34
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 Cl2 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)
Figura 21: Hierro soluble en el agua de entrada
Estudio y optimización de una planta de ósmosis inversa de tratamiento de agua para una industria alimentaria.
35
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
Estudio y optimización de una planta de ósmosis inversa de tratamiento de agua para una industria alimentaria.
36
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.
Estudio y optimización de una planta de ósmosis inversa de tratamiento de agua para una industria alimentaria.
37
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 (%).
Figura 22: Índices de Langelier y Stiff&Davis
Estudio y optimización de una planta de ósmosis inversa de tratamiento de agua para una industria alimentaria.
38
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.
Figura 23: Ventana IMSdesign Diseño OI, parámetros de diseño
Estudio y optimización de una planta de ósmosis inversa de tratamiento de agua para una industria alimentaria.
39
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.
Estudio y optimización de una planta de ósmosis inversa de tratamiento de agua para una industria alimentaria.
40
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.
Estudio y optimización de una planta de ósmosis inversa de tratamiento de agua para una industria alimentaria.
41
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:
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:
Figura 26: Resultados de la simulación
Estudio y optimización de una planta de ósmosis inversa de tratamiento de agua para una industria alimentaria.
42
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
Figura 27: Otros campos de importancia para las simulaciones.
Estudio y optimización de una planta de ósmosis inversa de tratamiento de agua para una industria alimentaria.
43
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
Estudio y optimización de una planta de ósmosis inversa de tratamiento de agua para una industria alimentaria.
44
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
Estudio y optimización de una planta de ósmosis inversa de tratamiento de agua para una industria alimentaria.
45
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.
Estudio y optimización de una planta de ósmosis inversa de tratamiento de agua para una industria alimentaria.
46
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.
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
Figura 29: Tabla comparativa de calidades de agua de aporte.
Figura 30: Tabla comparativa de la disposición y parámetros de la planta para diferentes
calidades de aguad e aporte.
Estudio y optimización de una planta de ósmosis inversa de tratamiento de agua para una industria alimentaria.
47
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
Valores limites RD140
Conclusiones/Observaciones
Sodio (Na) 200 mg/l 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).
Calcio (Ca) y Magnesio (Mg)
1000 mg/l *nse 50 mg/l *nse
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.
Cloro (Cl) 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.
-Cloro libre residual 1 mg/l
-Cloro combinado residual
2 mg /l
-Cloruros 250 mg/l
Sulfatos (SOx) 250 mg/l Más frecuentes sulfato sódico y el magnésico. Pueden formar precipitados de calcio y magnesio en la membrana si se superan determinados niveles de concentración.
Carbonatos y Bicarbonatos(XCOx,HCOx)
*nse 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.
Nitratos (NOx) 50 mg/l 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.
Hierro (Fe) 200 µg /l Precaución con el ion ferroso en presenciad e aire pasa a
Estudio y optimización de una planta de ósmosis inversa de tratamiento de agua para una industria alimentaria.
48
estado férrico insoluble y posibilidad de creación de crenothrix. Posibilidad de formar precipitados en las membranas de OI.
Manganeso (Mn) 50 µg /l 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.
Sílice (SiO2) *nse 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.
Flúor (F) 1.5 mg/l Alta concentración en el rechazo de elevadas concentraciones de sales de este compuesto. Valores de hasta 5-7 ppm pueden resultar peligrosos en concentraciones.
Aluminio (Al) 200 µg/l 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.
Amonio 0.5 mg/l 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.
Boro (B) 1 mg/l 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.
pH 6.5-9.5
Dureza 60 mg/l en Ca
Puede ser carbonatada: causada por carbonatos de Ca o Mg o permanente producida por nitratos, cloruros y sulfatos de Ca, Mg.
Conductividad 2500 µS/cm a 20° C
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.
Estudio y optimización de una planta de ósmosis inversa de tratamiento de agua para una industria alimentaria.
49
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 m3/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
Estudio y optimización de una planta de ósmosis inversa de tratamiento de agua para una industria alimentaria.
50
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:
Estudio y optimización de una planta de ósmosis inversa de tratamiento de agua para una industria alimentaria.
51
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):
Figura 31: Ventana de análisis, límites de calidad.
Estudio y optimización de una planta de ósmosis inversa de tratamiento de agua para una industria alimentaria.
52
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 32: Ventana de Diseño Ósmosis Inversa, parámetros de importancia
Figura 33: Calidad del agua de pozo contaminada una vez osmotizada
Estudio y optimización de una planta de ósmosis inversa de tratamiento de agua para una industria alimentaria.
53
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.
Estudio y optimización de una planta de ósmosis inversa de tratamiento de agua para una industria alimentaria.
54
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):
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.
Figura 34: Calidad límite del agua de pozo para osmotizarla.
Estudio y optimización de una planta de ósmosis inversa de tratamiento de agua para una industria alimentaria.
55
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).
Estudio y optimización de una planta de ósmosis inversa de tratamiento de agua para una industria alimentaria.
56
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.
Figura 35: Estructura de las membranas de arrollamiento en espiral utilizadas en la
instalación. (químicadelagua.com)
Estudio y optimización de una planta de ósmosis inversa de tratamiento de agua para una industria alimentaria.
57
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.
Estudio y optimización de una planta de ósmosis inversa de tratamiento de agua para una industria alimentaria.
58
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:
Estudio y optimización de una planta de ósmosis inversa de tratamiento de agua para una industria alimentaria.
59
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:
Figura 37: Ventana de Análisis para agua de pozo.
Estudio y optimización de una planta de ósmosis inversa de tratamiento de agua para una industria alimentaria.
60
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.
Figura 38: Diseño OI Agua de pozo sin contaminar.
Estudio y optimización de una planta de ósmosis inversa de tratamiento de agua para una industria alimentaria.
61
Los límites de diseño se sobrepasan al intentar obtener 100 m3/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.
Figura 39: Configuración de elementos filtrantes.
Figura 40: Disposición de membranas en tubos de presión. 1 tubo con 6 elementos filtrantes
(membranas).
Estudio y optimización de una planta de ósmosis inversa de tratamiento de agua para una industria alimentaria.
62
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):
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.
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.
Estudio y optimización de una planta de ósmosis inversa de tratamiento de agua para una industria alimentaria.
63
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
Figura 42: Calidad obtenida del agua osmotizada y rechazo osmotizando agua de pozo sin
contaminar.
Estudio y optimización de una planta de ósmosis inversa de tratamiento de agua para una industria alimentaria.
64
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.
Estudio y optimización de una planta de ósmosis inversa de tratamiento de agua para una industria alimentaria.
65
- 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 43: pH elevado, aparición de precipitados de bicarbonato cálcico; índice de Langelier
elevado.
Figura 44: Datos obtenidos de las simulaciones al variar el pH de entrada con HCl.
Estudio y optimización de una planta de ósmosis inversa de tratamiento de agua para una industria alimentaria.
66
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:
456789
190
200
210
220
230
pH
pp
m
TDS alimentación
456789
0
10
20
30
40
50
60
pH
pp
m
Dosificación de HCl 100%
Figura 45: Evolución de Total de Sólidos Disueltos en la alimentación.
Figura 46: Dosificación de HCl para rebajar el pH
Estudio y optimización de una planta de ósmosis inversa de tratamiento de agua para una industria alimentaria.
67
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
456789
-1
-0,5
0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
pH
Índices
Langelier
Stiff & Davis
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.
Estudio y optimización de una planta de ósmosis inversa de tratamiento de agua para una industria alimentaria.
68
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.
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.
Figura 49: Valores recomendados en el control de la precipitación del bicarbonato cálcico.
Estudio y optimización de una planta de ósmosis inversa de tratamiento de agua para una industria alimentaria.
69
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.
Estudio y optimización de una planta de ósmosis inversa de tratamiento de agua para una industria alimentaria.
70
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:
0 1 2 3 4 5 6
0
2
4
6
8
10
12
Años
Pre
sio
n (
bar
)
Presión de alim (bar)
Figura 50: Evolución de diferentes parámetros en la operación de la planta durante 5
años de vida útil.
Figura 51: Evolución de la presión de alimentación a lo largo de 5 años.
Estudio y optimización de una planta de ósmosis inversa de tratamiento de agua para una industria alimentaria.
71
0 1 2 3 4 5 6
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
Años
Fact
or
de
en
suci
amie
nto
Factor de ensuciamiento
Gráfico 7
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.
Estudio y optimización de una planta de ósmosis inversa de tratamiento de agua para una industria alimentaria.
72
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
0 1 2 3 4 5 6
4,675
4,68
4,685
4,69
4,695
4,7
4,705
4,71
4,715
Años
pH permeado
0 1 2 3 4 5 6
0
5
10
15
20
25
30
35
40
Años
Cau
dal
Variación flujo permeado
Flujo etapa 1-1 (m3/h)
Flujo etapa 1-2 (m3/h)
Gráfico 9 Figura 54: Aumento del pH del permeado durante 5 años.
Figura 55: Flujo del permeado en cada etapa de ósmosis durante 5 años.
Estudio y optimización de una planta de ósmosis inversa de tratamiento de agua para una industria alimentaria.
73
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
Estudio y optimización de una planta de ósmosis inversa de tratamiento de agua para una industria alimentaria.
74
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):
Estudio y optimización de una planta de ósmosis inversa de tratamiento de agua para una industria alimentaria.
75
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.
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.
Figura 56: Tabla resume vida útil de las membranas.
Estudio y optimización de una planta de ósmosis inversa de tratamiento de agua para una industria alimentaria.
76
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 m3h:
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.
Estudio y optimización de una planta de ósmosis inversa de tratamiento de agua para una industria alimentaria.
77
Gráficas de los datos recogidos en las simulaciones para los diferentes caudales de
permeado:
0 1 2 3 4 5 6
0
2
4
6
8
10
12
14
Años
bar
Presión alim (bar)
Presión alim 50 m3/h(bar)
Presión alim 55 m3/h(bar)
Presión alim 60 m3/h(bar)
Figura 59: Datos para 5 años de operación. 60 m3/h de permeado.
Figura 60: Evolución de la presión de alimentación para distintos caudales de permeado.
Estudio y optimización de una planta de ósmosis inversa de tratamiento de agua para una industria alimentaria.
78
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
0 1 2 3 4 5 6
0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
Años
mg/
l
TDS Permeado
Permeado50m3/h
Permeado 55m3/h
Permeado 60m3/h
0 1 2 3 4 5 6
769,5
770
770,5
771
771,5
772
772,5
773
773,5
Años
mg/
l
TDS Concentrado
Concentrado50m3/hConcentrado55 m3/hConcentrado60 m3/h
Figura 61: Evolución de los TDS en el permeado a lo largo de 5 años para distintos caudales
de permeado.
Figura 62: Evolución de los TDS en el concentrado a lo largo de 5 años para distintos caudales
de permeado.
Estudio y optimización de una planta de ósmosis inversa de tratamiento de agua para una industria alimentaria.
79
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:
Estudio y optimización de una planta de ósmosis inversa de tratamiento de agua para una industria alimentaria.
80
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.
Figura 63: Ventana IMSdesign con error en el flujo promedio para 70 m3/h de permeado.
Estudio y optimización de una planta de ósmosis inversa de tratamiento de agua para una industria alimentaria.
81
A continuación se muestra una tabla resumen, donde se muestran los aspectos
fundamentales de la simulación:
Figura 64: Ventana IMSdesign, nueva disposición de los bastidores de membranas para cumplir
condiciones de diseño.
Estudio y optimización de una planta de ósmosis inversa de tratamiento de agua para una industria alimentaria.
82
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.
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
Figura 65: Tabla resume para aumentos de la producción.
Estudio y optimización de una planta de ósmosis inversa de tratamiento de agua para una industria alimentaria.
83
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
Estudio y optimización de una planta de ósmosis inversa de tratamiento de agua para una industria alimentaria.
84
Gráficas comparativas para un caudal de agua osmotizada de 55 m3/h:
0
2
4
6
8
10
12
0 1 2 3 4 5 6
bar
Años
Presión Alimentación 55 m3/h
Presión alim 6-4 pasos
Presión alim 7-4 pasos
0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
0 1 2 3 4 5 6
mg/
l
Años
TDS permeado 55 m3/h
Permeado 6-4 pasos
Permeado 7-4 pasos
769,5
770
770,5
771
771,5
772
772,5
773
773,5
0 1 2 3 4 5 6
mg/
l
Años
TDS concentrado 55 m3/h
Concentrado 6-4 pasos
Concentrado 7-4 pasos
Figura 68: Evolución de la Presión suministrada al bastidor de membranas para 55 m3/h
Figura 69: Evolución de TDS en el permeado para 55 m3/h
Figura 70: Evolución de TDS en el concentrado para 55 m3/h
Estudio y optimización de una planta de ósmosis inversa de tratamiento de agua para una industria alimentaria.
85
Gráficas comparativas para un caudal de agua osmotizada de 60 m3/h:
0 1 2 3 4 5 6
0
2
4
6
8
10
12
14
Años
bar
Presión Alimentación 60 m3/h
Presión alim 6-4 pasos
Presión alim 8-4 pasos
0 1 2 3 4 5 6
0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
Años
mg/
l
TDS permeado 60 m3/h
Permeado 6-4 pasos
Permeado 8-4 pasos
0 1 2 3 4 5 6
769,5
770
770,5
771
771,5
772
772,5
773
773,5
Años
mg/
l
TDS concentrado 60 m3/h
Concentrado 6-4 pasos
Concentrado 8-4 pasos
Figura 71: Evolución presión de alimentación al bastidor de membranas 60 m3/h
Figura 72: Evolución de TDS en el permeado para 60 m3/h
Figura 73: Evolución de TDS en el concentrado para 60 m3/h
Estudio y optimización de una planta de ósmosis inversa de tratamiento de agua para una industria alimentaria.
86
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 m3/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
Estudio y optimización de una planta de ósmosis inversa de tratamiento de agua para una industria alimentaria.
87
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.
Estudio y optimización de una planta de ósmosis inversa de tratamiento de agua para una industria alimentaria.
88
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
Estudio y optimización de una planta de ósmosis inversa de tratamiento de agua para una industria alimentaria.
89
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.
0 1 2 3 4 5 6
0
2
4
6
8
10
12
Años
bar
Presión alimentación
Presión alim 50 m3/h(6-4)
Presión alim 55 m3/h (7-4 )
Presión alim 60m3/h (8-4)
Presión alim 70 m3/h (8-5)
Figura 76: Evolución de la presión de alimentación para diferentes exigencias de caudal de agua
osmotizada variando la configuración del sistema durante 5 años.
Estudio y optimización de una planta de ósmosis inversa de tratamiento de agua para una industria alimentaria.
90
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
Estudio y optimización de una planta de ósmosis inversa de tratamiento de agua para una industria alimentaria.
91
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
Estudio y optimización de una planta de ósmosis inversa de tratamiento de agua para una industria alimentaria.
92
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
Estudio y optimización de una planta de ósmosis inversa de tratamiento de agua para una industria alimentaria.
93
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.
