PLANTA DESALINIZADORA DE AGUA DE MAR MEDIANTE ÓSMOSIS INVERSA. PROYECTO DE I+D+i PARA LA RECUPERACIÓN DE ENERGÍA DE LA SALMUERA MEDIANTE ÓSMOSIS DIRECTA

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PRENSA GS INIMA. Reducir el consumo de energía específico que implica la producción de agua potable mediante desalinización de agua es una de las principales preocupaciones de la industria de la desalación de agua, que busca e investiga constantemente nuevas tecnologías. GS Inima ha desarrollado un nuevo proceso que utiliza la tecnología de ósmosis directa, también conocida como ósmosis forzada, a través de membranas semipermeables y que, además, busca la sinergia entre la desalación y la reutilización de las aguas residuales combinando ambas técnicas en un solo método de tratamiento dentro del ciclo integral del agua.

En respuesta a la creciente demanda de agua que existe a lo largo de la costa mediterránea española, el Ministerio de Medio Ambiente de España ha desarrollado plan de actuación que incluye varios proyectos para la construcción de plantas desalinizadoras de agua de mar. Dentro de este contexto, la planta desalinizadora de agua de mar de Alicante-II, fue diseñada, construida y operada hasta la fecha actual por un consorcio liderado por la empresa GS Inima.

La nueva planta desalinizadora, con una capacidad de producción de 65.000 m3/día, consta de siete líneas de producción mediante ósmosis inversa y dispone de un sistema de recuperación de energía, basado en cámaras hiperbáricas.

INSTALACIONES DE CAPTACIÓN DE AGUA DE MAR.

Se evaluaron varias opciones para la ejecución de las instalaciones de captación del agua de mar: obra de toma abierta con entrada directa del agua de mar mediante torre de captación e inmisario submarino, batería de pozos costeros y galería costera subterránea bajo el nivel del mar inundada mediante captación por drenes dirigidos. Después de llevar a cabo las campañas analíticas del agua de mar, estudios batimétricos e hidrogeológicos, así como tras analizar las observaciones del Estudio de Impacto Medioambiental, se decidió adoptar la opción del túnel costera bajo el nivel del mar.

 

Obra de captación. Túnel costero bajo el nivel del mar antes de ser inundado.

 

El agua de mar es recogida por una galería de captación subterránea de 988 metros de longitud y 3,10 metros de diámetro paralela a la costa. En su interior desembocan 11 perforaciones dirigidas horizontales de una longitud de 300 metros y 104 tuberías de drenaje perforadas de 100 mm de diámetro y 25 metros de longitud, distribuidas longitudinalmente y con una pendiente negativa de 30 grados con respecto a la horizontal, todas ellas captando agua en el sustrato del acuífero.

La galería sumergida desemboca en la cámara de bombeo, que incorpora ocho bombas centrífugas sumergidas de acero inoxidable súper dúplex con un caudal de 914 m3/h cada una. Estas bombas impulsan el agua a la planta desaladora a través de un colector de bombeo de 1.200 mm de diámetro.

PRETRATAMIENTO FISICOQUÍMICO.

Con el fin de garantizar unas condiciones óptimas para la alimentación del agua hacia los bastidores del sistema de ósmosis inversa, se ha diseñado un proceso de pretratamiento fisicoquímico.

En las instalaciones de captación, el agua de mar se desinfecta mediante la adición de hipoclorito de sodio. Para evitar la precipitación de sales en las membranas se corrige el pH mediante la inyección de ácido sulfúrico en el agua de alimentación y, de este modo, se favorece también la acción desinfectante del hipoclorito.

Para eliminar los sólidos en suspensión y los coloides presentes en el agua de mar, se agrega cloruro férrico, lo que da lugar a la formación de flóculos que, posteriormente, se eliminan en los filtros de arena. Después de esto, y con el fin de reducir el cloro residual antes de que el agua llegue a las membranas, se añade metabisulfito sódico en línea. Por último, se añade un antiincrustante para evitar la precipitación de sales en la superficie de las membranas.

Filtración de arena.                                                  Microfiltración de cartuchos.

En las instalaciones de pretratamiento físico, los flóculos y otras partículas presentes en el agua bruta se eliminan pasando esta a través de filtros de arena dotados de capas de arena silícea de diferentes granulometrías. Así, se han instalado un total de 18 filtros cilíndricos horizontales de acero al carbono revestidos de caucho interiormente. Por último, una vez que se añaden los agentes reactivos necesarios al agua filtrada, esta se somete al proceso de microfiltración, en el que se emplean diez filtros de cartucho de plástico reforzado con fibra de vidrio (PRFV) equipados con cartuchos de polipropileno de 50” de longitud y un paso de 5 micras. El lavado de los filtros de arena se realiza mediante el agua de rechazo del sistema de ósmosis inversa con ayuda de dos bombas centrífugas y dos sopladores de aire para expandir los lechos filtrantes.

DESALACIÓN POR ÓSMOSIS INVERSA Y RECUPERACIÓN DE ENERGÍA

La planta desalinizadora está equipada con siete líneas de producción paralelas con una capacidad de producción nominal de 9.286 m3/día cada una, lo que permite adaptar en todo momento el caudal de producción a las demandas reales de la población hasta llegar a los 65.000 m3/día. Cada línea consta de una bomba de alimentación de alta presión y de cámara partida, un bastidor de  membranas de ósmosis inversa y un sistema para la recuperación de la energía residual remanente en la salmuera de rechazo del sistema de ósmosis inversa mediante intercambiadores de presión.

Con el sistema de recuperación de energía mediante intercambiadores de presión, la bomba de alta presión presuriza entre el 40 % y el 45 % del agua de mar. El resto del caudal de agua se presuriza a través de los intercambiadores de presión, donde el flujo de la salmuera a alta presión se transfiere al flujo de agua de mar a baja presión. En este punto, las bombas booster provistas de variadores de frecuencia aumentan la presión del agua de mar a la salida de los intercambiadores de presión para adaptarla a la presión de entrada al sistema de ósmosis inversa. El caudal de estas bombas se une al caudal de las bombas de alta presión antes de que el agua llegue a la entrada de los bastidores del sistema de ósmosis inversa. De este modo, podemos usar bombas de alta presión más pequeñas y conseguir un ahorro de energía considerable. Este proceso de transferencia de presión se produce mediante el contacto momentáneo de ambos flujos en los tubos del rotor del intercambiador de presión, que está situado dentro de dos cubiertas de cerámica con tolerancias muy precisas, lo que crea un cojinete de deslizamiento hidrodinámico casi sin fricciones cuando se llena con agua a alta presión.

Bastidores de Ósmosis Inversa.

Cada bastidor, está compuesto por 122 tubos de presión, cada uno con 7 elementos de membrana, lo que hace un total de 854 membranas por cada línea de producción, y un total de 5.978 membranas en el total de la planta. Se emplea un diseño híbrido de la configuración de las membranas, de manera que en cada tubo de presión se instalan seis membranas con capacidad de producción de 28 m3/día y una membrana con capacidad de 34 m3/día. El objetivo de esta configuración consiste en equilibrar el rendimiento hidráulico y reducir el consumo de energía, ya que así se necesita menos presión para el agua de alimentación. Las membranas son de 8” de diámetro y 40” de longitud, están hechas de poliamida aromática con una espiral enrollada y presentan una superficie activa de 37 m2 cada una.

POSTRATAMIENTO MEDIANTE REMINERALIZACIÓN

Como último paso de la línea de tratamiento del agua, se corrige el Índice de Langelier del agua permeada de la ósmosis inversa con el fin de conseguir una calidad final adecuada para su uso como agua potable. Para ello se realiza un postratamiento, que consiste en una remineralización empleando dióxido de carbono y calcita y añadiendo hipoclorito de sodio. Los dos primeros agentes aumentan la alcalinidad y la dureza, mientras que el hipoclorito de sodio se necesita para desinfectar el agua.

El CO2 se almacena en estado líquido y desde el depósito se transfiere en estado líquido, se evapora y se lleva a temperatura ambiente por medio de un evaporador eléctrico. Posteriormente se inyecta en la tubería de agua producto antes de entrar en las instalaciones de lechos de calcita. Para la remineralización con calcita se diseña un sistema de lechos ascendentes con altura constante. Los lechos están dispuestos en una serie de celdas de hormigón armado rectangulares que funcionan en paralelo en las cuales se dispone la calcita triturada y se fuerza el flujo ascendente del agua producto a través de los lechos.

ALMACENAMIENTO Y BOMBEO DEL AGUA TRATADA

El agua de mar desalada y sometida a postratamiento se bombea a un depósito de agua tratada que tiene una capacidad de 3.360 m3. La estación de bombeo, instalada junto a este depósito, alberga tres bombas horizontales con cámara dividida, cada una de las cuales tiene un caudal de 1.440 m3/h a 110 mca. Las bombas impulsan el agua a través de una tubería de 9.067 metros de longitud hasta el nuevo depósito también construido para abastecer a la ciudad de Alicante. Este depósito de almacenamiento cuenta con dos cámaras, tiene una capacidad total de 103.600 metros cúbicos y ocupa una superficie de 24.700 metros cuadrados. Sobre la cubierta del nuevo depósito, se han instalado 17.000 metros cuadrados de paneles fotovoltaicos, lo que permite obtener alrededor del 3% del consumo energético total de la planta.

DILUCIÓN Y VERTIDO DE LA SALMUERA

La salmuera rechazada por las membranas de ósmosis inversa, que asciende a aproximadamente 79.444 m3/día, tiene una salinidad de 68.200 ppm y, después de pasar por los intercambiadores de presión y transmitirle su energía al agua bruta de mar que será desalada, se somete a una proceso de dilución en una proporción de 1:6 con agua de mar. De este modo, la salinidad del vertido se reduce hasta niveles que no afecten medioambientalmente al entorno del punto de vertido y al ecosistema marino

Parte de esta salmuera antes de la dilución se utilizará para evolucionar el proyecto de investigación y desarrollo que tiene por objeto aumentar la eficiencia energética del proceso de desalación por ósmosis inversa.

EL PROYECTO DE I+D PARA LA RECUPERACIÓN DE ENERGÍA DE LA SALMUERA MEDIANTE ÓSMOSIS DIRECTA.

Además de los vertidos en el mar de la salmuera rechazada en el proceso de ósmosis inversa, otro problema planteado por las plantas desaladoras es el alto consumo de energía, con todos los inconvenientes que esto implica, como el alto coste del agua desalada para los consumidores o la contaminación ambiental, entre otros. El desarrollo de métodos de eliminación de salmuera y de herramientas de gestión de la salmuera, así como los estudios sobre la columna de agua salina, han intentado mitigar estos efectos en los ecosistemas marinos. Por su parte, el desarrollo de membranas de ósmosis inversa, el diseño de las bombas y los sistemas de recuperación de energía también han permitido reducir el consumo de energía en las plantas desaladoras en comparación con sus predecesoras. No obstante, estos sectores parecen haber alcanzado un techo tecnológico que está siendo difícil de superar en los últimos tiempos.

Planta Piloto.

Por este motivo, la energía osmótica se propone como una nueva forma de lograr reducir el consumo de energía en la desalación del agua de mar a través de la recuperación de energía de la salmuera. GS Inima ha desarrollado un nuevo proceso que busca aumentar la producción de agua potable a partir de dos vertidos: salmuera (procedente de una planta desalinizadora de agua de mar) y agua salobre (procedente de una planta de tratamiento terciario de aguas residuales).

Para desarrollar este proyecto de innovación, se instaló una planta piloto dentro de las instalaciones de la planta desalinizadora de agua de mar. La planta piloto está instalada dentro de un contenedor de 40 pies. Consta, además de los depósitos de almacenamiento de agua salobre y salmuera, de un módulo de ósmosis directa y un módulo de ósmosis inversa, cada uno de ellos con su sistema de pretratamiento y su sistema de limpieza química.

La salmuera rechazada en la planta desalinizadora por ósmosis inversa y el efluente de un tratamiento terciario convencional de una planta de aguas residuales urbanas pasan a través de un módulo de ósmosis directa y, a continuación, a través de una ósmosis inversa. Logrando los objetivos de reducción del consumo de energía, reducción de la salinidad del vertido de salmuera y el aumento de la producción de agua potable.

La investigación consta de dos objetivos, el primero es demostrar la viabilidad de aplicar una desalación mediante ósmosis directa, mientras que el segundo consiste en comprobar si el agua obtenida en la segunda ósmosis (ósmosis inversa) es potable. Los resultados de la ósmosis inversa han demostrado un buen rendimiento de la membrana y las pruebas que se están llevando a cabo con esta segunda ósmosis confirman que el agua permeada obtenida es de calidad alimentaria. Por lo tanto, se demuestra que es posible obtener agua potable a partir de dos vertidos.

Esquema de la planta de ósmosis inversa y la nueva planta de ósmosis directa.

Tras varios años de trabajo y mejora en el proceso de ósmosis directa, testeando diferentes tipos de membranas y configuraciones de las mismas, hemos logrado tasas de recuperación de energía de un 210 %, lo que supone una importante reducción del consumo de 2,44 kWh/m3 del tren convencional de ósmosis inversa a un consumo de 1,85 kWh/m3 cuando se incorpora el sistema de ósmosis directa, y todo ello consiguiendo una salinidad del vertido de 29,26 g/l, considerablemente inferior a la salinidad del agua de mar.

La aplicación de este proceso nos permite obtener más agua potable con el mismo consumo. De hecho, hemos constatado que, con este sistema (ósmosis inversa existente + ósmosis directa + nueva ósmosis inversa), somos capaces de aumentar la producción de agua potable de la planta original en un 46 % en el caso que nos ocupa. El consumo total de la planta que combina la ósmosis existente, la ósmosis directa y la nueva ósmosis inversa es de 1,81 kWh/m3, muy inferior al consumo de la ósmosis inversa existente. En caso de vertido, obtendríamos un volumen de producción básicamente igual al de la planta existente original, pero obteniendo una salinidad de la salmuera de 53,97 g/l, lo que supone una reducción del 15 % inferior.

VENTAJAS Y SOSTENIBILIDAD

Para aquellas zonas con escasez de recursos, tratamos de proporcionar una solución completa utilizando ambos procesos como uno solo dentro del ciclo integral del agua, lo que permite aumentar la producción de agua potable a través de la sinergia entre ellos. Combinar la desalación con la reutilización de aguas residuales en un solo proceso de tratamiento es posible, económicamente viable y sostenible desde el punto de vista medioambiental y siempre cumpliendo estrictamente las normas relativas al agua destinada al consumo humano.

La ósmosis directa es un proceso que puede aplicarse en la desalación para reducir el consumo de energía y la salinidad del vertido, utilizando salmuera procedente de una planta desaladora de agua de mar y agua salobre obtenida del tratamiento terciario de una planta convencional de depuración de aguas residuales urbanas. Este nuevo proceso nos permite obtener agua potable a partir de dos vertidos. El proceso puede aplicarse a las plantas existentes y a las nuevas y, además, permite suponer que las nuevas plantas que se construyan con este diseño presentarán importantes ventajas económicas.

CONCLUSIONES

Esta planta piloto, ubicada en la planta desalinizadora de Alicante-II, se ha diseñado y construido en una escala que permite llevar a cabo las pruebas con equipos comerciales de un tamaño mínimo. El objetivo es que los resultados puedan extrapolarse a tamaños más grandes, sin que esto afecte a la exactitud y la fiabilidad de los resultados.

Esquema de la nueva ósmosis inversa

Es posible, económicamente rentable y sostenible desde el punto de vista medioambiental. Además, cumple las regulaciones sobre agua destinada al consumo humano e integra la desalación y la reutilización de aguas residuales en un solo proceso de tratamiento dentro del ciclo integral del agua.

El nuevo proceso nos permite dar un paso más para reducir el consumo de energía durante la desalación. A esto hay que añadir la disminución de los efectos del vertido de salmuera en el medio marino, pues también se reduce el caudal y la salinidad de dicho vertido.

Puede incorporarse en las plantas desalinizadoras existentes que tengan cercanía con un efluente de aguas residuales tratadas y permite suponer que las nuevas plantas que se construyan con este diseño presentarán importantes ventajas económicas y reducirán su tamaño si el proyecto se planifica integrando la planta desaladora con la planta de tratamiento de aguas residuales.

DESARROLLO Y RESPONSABILIDAD

Proyecto de investigación desarrollado por la Dirección de I+D+i de GS Inima Environment, y dirigido por D. Antonio Ordoñez, Dª Belén Gutierrez y D. Fernando Huertas. Documentos protegidos por los derechos de patente PCT/ES2011/070218.

Vista exterior de la planta desalinizadora.

 

Escrito por :

Javier Romero Sanz. Ingeniero por la Universidad Politécnica de Madrid, cuenta  con más de 15 años de experiencia en el sector del agua y saneamiento. Actualmente ocupa el cargo de Gerente de Desarrollo de Negocio Internacional en la Dirección de Concesiones y Desarrollo Internacional de la empresa GS Inima Environment. Anteriormente ha ocupado cargos en esta y otras empresas como Gerente Internacional en la Dirección de Construcción y Jefe de Proyectos en la Dirección Técnica.

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