Por Tal Fabian
La escasez de agua es un tema de gran preocupación en todo el mundo debido al agotamiento de las fuentes de agua potable y al aumento de la población concentrada en las zonas urbanas. Esto coloca al tratamiento y la reutilización de aguas residuales en la vitrina como una solución sostenible para la recuperación de agua, a medida que se protegen las fuentes de agua de la contaminación. La necesidad de esquemas avanzados de tratamiento de aguas residuales está aumentando, debido a la reutilización potable indirecta de facto que ocurre cuando los efluentes de aguas residuales tratadas se descargan en arroyos que sirven como fuente de agua para una instalación de tratamiento de aguas ubicada aguas abajo.
Esquemas de tratamiento de reutilización de agua
Hay dos esquemas de tratamiento principales que se aplican con frecuencia a nivel municipal. En los casos en que se requiera la eliminación de sólidos disueltos, se requieren tecnologías de desalinización basadas en membranas. En otros casos, donde se requiere la eliminación de solo contaminantes orgánicos, con frecuencia se aplica una combinación de biofiltración y procesos de oxidación avanzada (POAs).
En el lado industrial, el esquema de tratamiento depende en gran medida del tipo de industria. Cada sector industrial tiene diferentes tipos de corrientes, por lo que requieren soluciones personalizadas para abordar los diversos contaminantes. Las tecnologías de proceso más comunes incluyen:
- Pretratamiento para la eliminación de componentes orgánicos/inorgánicos de sólidos suspendidos. Este tratamiento se suele conseguir mediante coagulantes, clarificadores y filtros (filtros de arena, micro/ultrafiltración).
- Eliminación de sólidos disueltos. Las principales tecnologías implementadas son la desalinización basada en membranas(ósmosis inversa, nanofiltración)o procesos impulsados eléctricamente como la electrodiálisis.
La calidad final requerida del agua tratada depende del usuario final y del costo de eliminación de la salmuera. En algunos casos, donde la eliminación de salmuera es costosa, se necesita una solución de descarga mínima de líquidos (MLD, por sus siglas en inglés). En otros casos, cuando no hay opción para los residuos líquidos, la salmuera se minimiza a una descarga sólida mediante la aplicación de tecnologías de cristalización. Esto se conoce como descarga de líquidos cero (ZLD, por sus siglas en inglés), que se considera el tipo de tratamiento más avanzado. Hasta la fecha, solo unas cuantas industrias utilizan ZLD debido a los altos gastos de capital y operativos relacionados con esto.
Actualmente, la mayoría de los proyectos se enfocan en soluciones MLD, tratando de maximizar la recuperación de agua sin aumentar drásticamente los gastos de capital y operativos. Esta es una fuerza impulsora crucial para la implementación por parte de la industria. Al diseñar sistemas para aplicaciones MLD, las tecnologías de proceso existentes se llevan al límite. Esto introduce nuevos riesgos operativos para la incrustación y la bioincrustación, que pueden complicar el funcionamiento de dichos sistemas. Las estrategias tradicionales para aumentar la recuperación de agua del sistema introducen desincrustantes y biocidas patentados. Existe una necesidad muy clara de diseños de procesos innovadores que utilicen métodos de control avanzados con un requisito mínimo de productos químicos especiales.
Un enfoque en las tecnologías de ósmosis inversa
Los esquemas estándar de reutilización de agua generalmente incluyen unidades de ultrafiltración (UF), ósmosis inversa y UV/POA. Los compuestos de cloramina, normalmente dosificados a la corriente de alimentación de ósmosis inversa, ayudan a controlar la bioincrustación de las membranas de ósmosis inversa. La cloramina es un oxidante débil y es permitida por la mayoría de los fabricantes de membranas. La cloramina es diferente del cloro libre (que es un oxidante fuerte) porque está químicamente unida al amonio y no oxida las membranas de poliamida. Esto se practica en la mayoría de las instalaciones de reutilización de agua, como el Sistema de Reposición de Agua Subterránea del Condado de Orange (GWRS, por sus siglas en inglés), California (el sistema de purificación de agua más grande del mundo para la reutilización indirecta de agua potable) y West Basin, California.
Sin embargo, la cloramina es un precursor de la formación de subproductos de la desinfección (SPDs) como la N-nitrosodimetilamina (NDMA), un contaminante orgánico peligroso y un carcinógeno sospechoso. Los SPDs y NDMA son tratados y eliminados en la última etapa del sistema de tratamiento GWRS mediante UV/H2O2 en la corriente de permeado, antes de la descarga.
La tecnología convencional de ósmosis inversa, que se ha utilizado durante los últimos 50 años, funciona en condiciones de flujo y concentración constantes. Sin embargo, en la última década se han desarrollado nuevas tecnologías en las que la presión de alimentación y los sólidos disueltos totales SDTs) varían con el tiempo. Una de estas tecnologías es la ósmosis inversa de flujo pulsante (PFRO, por sus siglas en inglés), una versión innovadora y mejorada del proceso de desalinización por ósmosis inversa convencional. PFRO aborda los desafíos de operar sistemas de ósmosis inversa de alta recuperación, al mismo tiempo que evita el aumento de gastos de capital y operativos. Esto se puede lograr operando con mayor recuperación y flujo en comparación con la ósmosis inversa estándar. Además, PFRO no requiere dosis de cloramina; por lo tanto, evita la formación de SPDs y lleva a una reducción del costo total del agua.
La operación de PFRO utiliza condiciones hidráulicas y osmóticas alternas para controlar la formación de incrustaciones y bioincrustaciones. Estas condiciones alternativas se crean controlando la descarga de salmuera, abriendo y cerrando una válvula de salmuera en momentos específicos. Cuando la válvula de salmuera está cerrada (ciclo de producción), la operación es una filtración sin salida, lo que significa que todo el flujo de alimentación sale como permeado. Cuando se abre la válvula de salmuera (ciclo de lavado), parte de la salmuera acumulada sale del recipiente a presión, lo cual resulta en una disminución inmediata de la presión osmótica y un aumento en el flujo y la fuerza de corte. La duración de cada uno de estos ciclos determina la recuperación del sistema. Los ciclos son cortos, muy por debajo del tiempo de inducción típico necesario para formar incrustaciones.
El resultado de este proceso bien controlado es una tendencia muy baja a la formación de incrustaciones en comparación con un proceso de ósmosis inversa estándar, ya que la formación de cristales se ve perturbada por las condiciones hidráulicas y osmóticas cambiantes. La combinación con secuencias de limpieza periódicas breves mantiene limpias las membranas, lo que minimiza el tiempo de inactividad del sistema. Además, dado que los microorganismos intentan constantemente adaptarse a estas condiciones cambiantes (que requieren que inviertan su energía en su supervivencia), existe una menor tendencia a la formación de biopelículas en la superficie de la membrana. La continuidad del flujo de salmuera ha sido una base inquebrantable del proceso de ósmosis inversa convencional durante décadas, pero el cambio al flujo pulsante puede abrir las puertas a una gran cantidad de beneficios, incluyendo tasas de recuperación más altas, menor consumo de energía y mínima contaminación biológica, entre otros.
La reutilización del agua ha llegado a ser de importancia crítica en todo el mundo a medida que los suministros de agua subterránea y superficial se agotan cada vez más. Es solo cuestión de tiempo antes de que la demanda municipal e industrial supere el agua suministrada por la lluvia, ríos, lagos y embalses. Como resultado, las tecnologías de recuperación de agua, como la ósmosis inversa, deben seguir aumentando su aceptación como métodos eficientes, económicos y respetuosos con el medio ambiente para minimizar la demanda de agua y asegurar la resistencia del agua en los próximos años.
Acerca del autor
Tal Fabian se graduó del Technion – Instituto de Tecnología de Israel, con una licenciatura y una maestría en ingeniería ambiental especializada en desalinización de aguas residuales. Comenzó en IDE Technologies en 2018 como ingeniero de procesos de ósmosis inversa y pronto fue promovido a líder de equipo, donde se enfoca en plantas de desalinización de aguas residuales industriales y municipales para reciclaje y reutilización. Anteriormente, Fabian fue ingeniero de procesos en Tenova Advanced Technologies, que ofrece tecnologías de proceso para la industria química y minera.