El tratamiento del agua hoy en día no es sólo un desafío de ingeniería; es económico. El aumento de los precios del agua dulce, el aumento de los costos de eliminación de la salmuera y el endurecimiento de las regulaciones ambientales están remodelando la forma en que las empresas de servicios públicos y las industrias abordan la gestión del agua y la salmuera. Las decisiones que alguna vez se centraron principalmente en el gasto de capital (CapEx) ahora deben ponderar el gasto operativo a largo plazo (OpEx) con la misma importancia, si no más.

En aplicaciones municipales, industriales y mineras, los procesos avanzados de tratamiento de agua están demostrando que el aumento de las tasas de recuperación de agua puede generar no solo beneficios ambientales sino también ahorros sustanciales de costos. Este artículo examina los principios tecnoeconómicos detrás de estas estrategias, explora los enfoques tecnológicos disponibles y presenta estudios de casos del mundo real donde la optimización de la recuperación transformó la economía del proyecto.

Comprensión del coste total de propiedad

El costo total de propiedad (TCO) es la suma total de todos los costos directos e indirectos a lo largo del ciclo de vida de una planta, desde el diseño y la construcción hasta la operación y el mantenimiento.

En tratamiento de agua, el CapEx cubre elementos tales como: ingeniería, procura, construcción, obra civil e instalación, así como compra y puesta en marcha de equipos.

OpEx incluye: consumo de energía y productos químicos, consumibles, mantenimiento de equipos, mano de obra y costos de eliminación de residuos.

Si bien el CapEx puede ser sustancial, el OpEx a menudo domina el panorama financiero a largo plazo, especialmente para la gestión de salmueras. Los costos de energía y productos químicos, junto con las tarifas por la eliminación de salmuera, pueden influir en gran medida en la viabilidad de un proyecto a lo largo del tiempo. Una evaluación tecnoeconómica equilibrada va más allá de la opción inicial más barata y busca la solución que ofrece el menor coste general del ciclo de vida.

La presión del aumento de los costes del agua y de su eliminación

Dos fuerzas económicas importantes están empujando a las instalaciones hacia estrategias de alta recuperación.

Aumento de las tarifas del agua dulce.

En muchas regiones, los precios del agua industrial ahora oscilan entre 1 dólar y más de 12 dólares por metro cúbico (o entre 4 y 48 dólares por cada mil galones), y los costos más altos se dan en áreas urbanas con escasez de agua o regiones con infraestructura obsoleta. Los usuarios industriales suelen pagar más que las tarifas municipales.¹

Costes crecientes de eliminación de salmuera.

Los crecientes costos de eliminación de salmuera son otro importante impulsor del cambio, y pueden variar ampliamente según el método de eliminación. La descarga superficial a océanos, ríos o alcantarillas es generalmente la opción de menor costo cuando está permitida, pero las restricciones regulatorias hacen que esta ruta sea cada vez más rara. La inyección en pozos profundos conlleva costos más altos debido a la necesidad de construcción de pozos especializados, bombeo continuo, monitoreo y, a menudo, tratamiento previo para evitar la incrustación u obstrucción de la formación. Los estanques de evaporación requieren una cantidad significativa de tierra y una alta inversión inicial, lo que los hace viables principalmente en climas áridos con altas tasas de evaporación y bajos costos de tierra.

En el extremo superior del espectro de costos se encuentra la cristalización térmica, un proceso que consume mucha energía y que generalmente se reserva para situaciones en las que se exige descarga cero de líquido (ZLD) y no son factibles otras rutas de eliminación.

En América del Norte, la inyección en pozos profundos puede tener un costo de moderado a alto dependiendo de la geología, mientras que los estanques de evaporación requieren una inversión y un terreno importantes. Cuando tanto el suministro de agua dulce como las opciones de eliminación son costosas, recuperar y reutilizar el agua se vuelve económicamente convincente.

Impulsores de alta recuperación
Minimización de salmuera

Si bien el costo es un fuerte motivador para utilizar la minimización de salmuera de alta recuperación, otros factores incluyen:

Escasez de agua. En regiones con escasez de agua, las restricciones en el uso de agua dulce pueden obligar a las plantas a recuperar agua internamente para mantener sus operaciones.

Cumplimiento normativo. Los límites de descarga de sólidos disueltos totales (TDS) y contaminantes específicos se están endureciendo a nivel mundial.

Objetivos corporativos de sostenibilidad. Muchas organizaciones apuntan a un impacto neto positivo en el agua, buscando reducir la ingesta de agua dulce y maximizar la reutilización.

Las industrias, desde la minería hasta los semiconductores, desde la generación de energía hasta el procesamiento de alimentos, enfrentan variaciones de estas presiones y todas pueden beneficiarse de estrategias que maximicen la recuperación de agua.

Por qué la ósmosis inversa es fundamental y dónde alcanza sus límites

La ósmosis inversa (RO) sigue siendo el proceso de membrana más utilizado para minimizar la salmuera porque normalmente consume menos energía y es menos costoso que los métodos térmicos. Al empujar el agua a través de una membrana semipermeable, la OI elimina las sales disueltas y otras impurezas, produciendo una corriente de permeado limpia y una salmuera concentrada.

Sin embargo, la recuperación de RO está limitada por:

Presión osmótica mecánica. Una salinidad más alta requiere una presión operativa más alta; Las membranas y las bombas tienen clasificaciones de presión máxima.

Incrustaciones y ensuciamiento. Las sales poco solubles, como el carbonato de calcio, el sulfato de calcio y la sílice, pueden precipitarse en las membranas, mientras que las sustancias orgánicas y las biopelículas pueden ensuciar las superficies.

Factor de concentración. En recuperaciones más altas, la concentración de sal en la salmuera aumenta bruscamente, lo que acelera el riesgo de incrustación.

Por ejemplo, una concentración de sílice en el agua de alimentación de 20 mg/L puede alcanzar 200 mg/L con una recuperación del 90%, lo que está cerca del límite superior práctico para muchos sistemas. En concentraciones iniciales más altas, la descamación se vuelve inmanejable sin intervención.²

Soluciones de alta recuperación más allá de la RO convencional

Para superar los límites naturales de la ósmosis inversa, los ingenieros han desarrollado dos enfoques complementarios que impulsan la recuperación mucho más allá del estándar del 70 % al 80 % que normalmente se puede lograr.

Operación de RO cíclica y semilote.

Un método abandona el funcionamiento constante y estable de la ósmosis inversa convencional y, en cambio, se ejecuta en ciclos cortos. El sistema alterna entre producción de permeado y pulsos rápidos de salmuera a alta velocidad. Debido a que estos ciclos son más cortos que el tiempo que tardan las sales poco solubles (como la sílice o el carbonato de calcio) en nuclearse y cristalizarse, la incrustación se interrumpe antes de que pueda ocurrir.

Este modo dinámico de operación permite un rendimiento estable con recuperaciones muy altas, en algunos casos acercándose al 98%, con una cantidad dramáticamente menor de limpiezas químicas. Al reducir la contaminación, reducir el uso de productos químicos y disminuir los volúmenes de salmuera, este enfoque también ofrece importantes ahorros en costos operativos. Los patines modulares prefabricados lo hacen práctico tanto para plantas nuevas como como opción de modernización.3

Precipitación integrada con reactores de lecho fluidizado.

Un segundo enfoque combina RO con una etapa de precipitación. Aquí, la salmuera de OI circula a través de un reactor de lecho fluidizado donde sales poco solubles como el sulfato de calcio, el carbonato de calcio o la sílice precipitan sobre los gránulos de semillas en lugar de sobre las superficies de las membranas. Los gránulos crecen con el tiempo y se descargan como sólidos secos, lo que elimina la manipulación de lodos.

Este circuito semicontinuo permite que las membranas funcionen hasta su límite de presión osmótica sin incrustaciones, alcanzando recuperaciones del 90 al 99 % dependiendo de la química del agua. Debido a que el volumen de salmuera concentrada se reduce drásticamente, el tamaño y el costo de los sistemas térmicos posteriores, como evaporadores y cristalizadores, se pueden reducir a más de la mitad, lo que hace que la descarga cero de líquido sea mucho más económica.

Cuando se requiere ZLD, la combinación de procesos de membrana de alta recuperación con unidades térmicas más pequeñas (evaporadores y cristalizadores) puede reducir drásticamente el tamaño del sistema térmico y el costo operativo.

Tres estudios de caso: la economía en la práctica

Reutilización de aguas residuales municipales

(MBR + RO → RO de alta recuperación)

El desafío de la planta de tratamiento no fue solo el alto volumen de salmuera, sino también las limitaciones de un sistema de ósmosis inversa convencional, que operaba en condiciones fijas y sufría riesgos de incrustación. Al adoptar un sistema de RO de alta recuperación con operación dinámica, la planta podría alternar parámetros como flujo, pH y presión osmótica.

Esta operación flexible evitó la formación de incrustaciones de sílice mediante el uso de ciclos de lavado frecuentes, que eliminaban las partículas antes de que pudieran acumularse en la superficie de la membrana. El sistema también incorporó un régimen de limpieza en línea totalmente automatizado, que mantiene las membranas limpias sin necesidad de realizar una limpieza química fuera de línea (CIP).

Impacto económico: La recuperación aumentó del 75% al 90%, el volumen de salmuera cayó de 330 a 110 gpm y la huella del estanque de evaporación se redujo de 92 acres a solo 30 acres. El ahorro en costes de construcción de 4 millones de dólares superó ampliamente el gasto de capital incremental del sistema avanzado de ósmosis inversa.⁴

Instalación de semiconductores

(Purga de la torre de enfriamiento + Efluente de MBR → Modo RO modificado)

En esta instalación, los niveles elevados de sílice (≈140 mg/L) y las altas tendencias a la contaminación limitaron el sistema de RO existente a solo un 30 % de recuperación, con paradas semanales para CIP. La transición a una OI dinámica de alta recuperación cambió por completo el modelo operativo: el sistema alternaba continuamente el flujo, el pH y las condiciones osmóticas para suprimir la precipitación de sílice, mientras que los lavados automáticos evitaban la acumulación de incrustaciones.

Al igual que en el caso municipal, un sistema de limpieza en línea de mantenimiento automático eliminó la necesidad de limpiezas manuales frecuentes, lo que garantizó que las membranas permanecieran en óptimas condiciones.

Impacto económico: La recuperación aumentó al 50 %, se eliminó el CIP semanal y la planta obtuvo aproximadamente $3 millones por año en ahorros en eliminación y $1 millón por año en costos reducidos de agua dulce, al mismo tiempo que estabilizó las operaciones incluso bajo fluctuaciones químicas del agua de alimentación.

Mina de zinc

(ZLD con precipitación integrada en modo semi-lote)

La mina de zinc enfrentó el desafío de tratar 880 GPM de aguas residuales que contenían altos niveles de sulfato de calcio, lo que provocó incrustaciones y limitó la recuperación de RO convencional en alrededor del 55 %. En esa configuración, se tuvieron que enviar casi 400 GPM de salmuera al cristalizador, lo que generó una enorme carga operativa y de capital.⁵

El diseño mejorado implementó un proceso de precipitación integrado directamente en el flujo de reciclaje, no entre pasos de RO. El sistema se ejecutó en una operación de circuito cerrado semipor lotes, donde la salmuera se recirculaba en condiciones cuidadosamente controladas.

Dentro de este circuito, un reactor de lecho fluidizado (FBR) promovió la precipitación controlada y la cristalización de sulfato de calcio y carbonato de calcio sobre el material de semilla. Esto eliminó continuamente las especies incrustadas de la salmuera circulante, eliminando las mismas limitaciones químicas que habían limitado la recuperación.

Con la precipitación integrada en el circuito de reciclaje, la ósmosis inversa podría funcionar de forma segura con una recuperación ultra alta (≈90%), reduciendo la alimentación del cristalizador de 400 GPM a solo 88 GPM.

Impacto económico: se redujeron el tamaño y el servicio del cristalizador, lo que redujo tanto los gastos de capital como los gastos de operación. La recuperación de la inversión se logró en menos de 3 años, frente a más de 6 años para un diseño de cristalizador RO + convencional. El enfoque híbrido semipor lotes demostró cómo las membranas y la precipitación controlada pueden desbloquear ZLD a un costo mucho menor.

Conclusiones clave para los desarrolladores de proyectos

Para los desarrolladores de proyectos, varias consideraciones clave pueden determinar el éxito de una inversión de alta recuperación. Es importante cuantificar tempranamente los costos del agua y la eliminación, ya que estos valores pueden hacer o deshacer el caso de negocio. Al equilibrar el CapEx con el OpEx, recuerde que un costo de capital ligeramente mayor puede compensarse muchas veces con ahorros en tarifas de eliminación, menores compras de agua dulce y menores requisitos del sistema térmico. Los objetivos de recuperación siempre deben establecerse en función de factores específicos del sitio, como la química del agua de alimentación, los costos locales y las limitaciones regulatorias. Los diseños modulares prefabricados pueden ayudar a minimizar el tiempo de instalación, el trabajo en el sitio y los riesgos de programación. Finalmente, vale la pena pensar en sistemas; La combinación de membranas con precipitación o pasos térmicos a menudo logra mayores recuperaciones y una mejor economía que depender de un solo proceso.

Conclusión

Optimizar la gestión del agua y la salmuera ya no es sólo una aspiración medioambiental; es un imperativo económico. Al aplicar una lente tecnoeconómica a la evaluación de proyectos y aprovechar las estrategias de alta recuperación disponibles, las plantas pueden reducir drásticamente su dependencia del agua dulce, minimizar los volúmenes de eliminación y mejorar la rentabilidad del ciclo de vida.

Desde la reutilización municipal hasta la ZLD industrial, la evidencia es clara: en el contexto adecuado, las soluciones de tratamiento de agua de alta recuperación pueden transformar tanto los resultados ambientales como el rendimiento final. La clave es abordar cada proyecto de manera integral, sopesando todos los costos durante todo el ciclo de vida y seleccionando la combinación de tecnologías que ofrezca el mejor retorno total.

Referencias

1. Inteligencia global sobre el agua (2023). Encuesta Global de Tarifas del Agua. Oxford: Media Analytics Ltd.
2. Greenlee, L. F., Lawler, D. F., Freeman, B. D., Marrot, B., & Moulin, P. (2009). Desalinización por ósmosis inversa: fuentes de agua, tecnología y desafíos actuales. Agua Investigación, 43(9), 2317–2348.
3. Xu, P., Cath, T. Y., et al. (2013). Revisión crítica de la gestión, tratamiento y aprovechamiento beneficioso del concentrado desalador. Desalinización, 356, 285–300.
4. Shannon, M. A., et al. (2008). Ciencia y tecnología para la potabilización del agua en las próximas décadas. Naturaleza, 452(7185), 301–310.
5. Freschi, G., et al. (2018). Descarga cero de líquidos en las industrias minera y metalúrgica: una revisión crítica. Revista de Producción más Limpia, 196, 1336–1349.

Acerca del autor

Roi Zaken Porat es el director del departamento de procesos de tratamiento de agua en IDE Technologies. Tiene experiencia en el campo de la ósmosis inversa y la desalinización térmica, la nanofiltración y la gestión de aguas residuales industriales, y se especializa en soluciones de descarga cero de líquidos. Graduado del Technion (Instituto de Tecnología de Israel), tiene una licenciatura. en Ingeniería Bioquímica y un MBA de la Universidad de Tel Aviv.

Acerca de la empresa

IDE Technologies es un líder en soluciones de tratamiento de agua, que se especializa en el desarrollo, diseño, construcción, entrega y operación de algunas de las instalaciones más avanzadas de tratamiento de agua industrial, reutilización de agua, municipal y de desalinización.