Filtración convencional y de membrana: selección de un prefiltro SWRO

El pretratamiento de agua de mar es una parte integral de cada planta de desalinización de agua de mar por ósmosis inversa (SWRO), que se utiliza para eliminar partículas, desechos, microorganismos, sólidos en suspensión y sedimentos de la fuente de agua de mar. Pero con filtración convencional y de membrana para elegir, ¿cuál es la adecuada para usted? Nicolay Voutchkov compara las dos opciones.

Introducción

El pretratamiento de agua de mar es una parte integral de cada planta desalinizadora de agua de mar por ósmosis inversa (SWRO). Idealmente, después del pretratamiento, los únicos sólidos que quedan en el agua de mar serían los minerales disueltos y, siempre que el sistema de agua de mar funcione de manera que evite que los minerales se precipiten en la superficie de la membrana, las membranas SWRO podrían funcionar sin necesidad de limpieza durante un mucho tiempo.

En realidad, sin embargo, los sistemas de pretratamiento eliminan la mayoría, pero no todos, los sólidos en suspensión contenidos en el agua de mar de origen y, por lo tanto, son propensos a ensuciarse con los sólidos en suspensión, las partículas y el sedimento que quedan en el agua de mar después del pretratamiento. El ensuciamiento se puede revertir mediante la limpieza periódica del SWRO; sin embargo, en algunos casos, el ensuciamiento de la membrana puede ser irreversible y es posible que la limpieza no recupere la productividad, lo que puede requerir el reemplazo de algunas o todas las membranas del SWRO.

Normalmente se utilizan dos tipos de sistemas de pretratamiento para proteger las membranas SWRO del ensuciamiento: filtración de medios granulares convencionales y filtración de membrana. Actualmente, la filtración por medios granulares convencionales es la tecnología de pretratamiento predominante para las plantas desaladoras de tamaño grande y mediano. Los filtros de pretratamiento de agua de mar convencionales tienen una configuración y medios similares a los que se utilizan en las aplicaciones de filtración de agua dulce y pueden ser filtros accionados por gravedad o por presión. Los filtros de pretratamiento por gravedad se han utilizado en algunas de las plantas de desalinización SWRO más grandes del mundo que están en funcionamiento hoy en día, como la planta Ashkelon de 325 000 m³/día en Israel (consulte la Figura 1).

Los filtros de medios granulares a presión, por ejemplo, se utilizan para la planta de 160 000 m³/día en Perth, Australia (consulte la Figura 2). Los filtros de presión también se usan ampliamente en plantas pequeñas en todo el mundo porque son rentables, ahorran espacio y son más fáciles y rápidos de instalar y operar en comparación con los filtros de gravedad de medios granulares. A menudo, cuando la fuente de agua de mar se recolecta a través de una toma abierta, se aplican filtros de presión de medio doble de dos etapas (arena y antracita). Una de las principales desventajas económicas de estos filtros es que funcionan bajo presión y, por lo tanto, consumen más energía que los filtros de gravedad.

La aplicación de la filtración por membrana para el pretratamiento de agua de mar es relativamente nueva. En la actualidad, menos de media docena de plantas desalinizadoras de agua de mar a gran escala en todo el mundo utilizan pretratamiento de membrana. Estos sistemas de pretratamiento aplican membranas de ultrafiltración (UF) o microfiltración (MF) instaladas en módulos a través de los cuales se filtra el agua de mar de origen mediante presión o vacío.

El sistema de pretratamiento de membrana de agua de mar a gran escala más grande del mundo está ubicado en la planta SWRO de 140 000 m³/día en Addur, Bahréin. Esta planta, así como el sistema de pretratamiento de membranas más grande de Asia, ubicado en la planta desalinizadora de Fukuoka de 96 000 m³/día en Japón (consulte la Figura 3), utiliza membranas de UF impulsadas por presión para el pretratamiento de agua de mar.

Hasta la fecha, las membranas UF han encontrado una aplicación más amplia para el pretratamiento del agua de mar que las membranas MF, principalmente porque generalmente proporcionan una mejor eliminación de sustancias orgánicas en suspensión, sedimentos y patógenos del agua de mar de origen. A menudo, las partículas de limo contenidas en el agua de mar tienen un tamaño similar al de las aberturas de los poros de las membranas de MF, lo que significa que las partículas de limo suspendidas en la fuente de agua de mar pueden alojarse en los poros de la membrana de MF durante el proceso y causar un ensuciamiento irreversible. Dado que los poros de la membrana UF son significativamente más pequeños que los de las membranas MF, por lo general no enfrentan este problema.

La selección de la tecnología de filtración para el pretratamiento del agua de mar debe basarse en un análisis exhaustivo de costo-beneficio del ciclo de vida. También se recomienda encarecidamente la prueba piloto en paralelo de los dos tipos de sistemas para desarrollar información de rendimiento del sistema de fondo para la selección objetiva. Se deben tener en cuenta los siguientes aspectos al seleccionar entre medios granulares y filtración de pretratamiento de membrana.

Efecto de la calidad del agua de mar de origen

La microfiltración y la ultrafiltración tienen un espectro más amplio de capacidades de eliminación de partículas que la filtración de medios convencionales. Los filtros de medio simple o doble generalmente tienen una menor eficiencia de eliminación en términos de materia orgánica del agua cruda en forma suspendida, precursores de subproductos de desinfección, partículas finas, sedimentos y patógenos. Las tecnologías de filtración por membrana también son menos propensas a las alteraciones causadas por los cambios estacionales en la temperatura, el pH, la turbidez, el color, la contaminación por patógenos y el tamaño y tipo de las partículas de agua del agua de mar de origen, ya que su principal mecanismo de tratamiento es la eliminación mecánica de partículas a través de membranas de poro fino. .

Por lo tanto, para aplicaciones en las que la calidad del agua de entrada experimenta variaciones estacionales significativas y presenta un desafío en términos de alto contenido de patógenos, partículas finas y elevada contaminación de partículas orgánicas, es probable que las tecnologías de filtración por membrana ofrezcan beneficios de rendimiento. Sin embargo, si la fuente de agua para la planta desalinizadora se recolecta de una toma abierta ubicada lejos de la zona de rompientes y a una profundidad adecuada para estar expuesta solo a variaciones estacionales limitadas (generalmente 20 metros o más profundo), la filtración de medios granulares puede ofrecer un costo muy alto. -Alternativa efectiva de pretratamiento a la filtración por membrana.

La temperatura del agua de mar de origen es un factor muy importante al seleccionar un sistema de pretratamiento. La aplicación de sistemas de pretratamiento de membrana accionados por vacío suele ser menos rentable que la filtración por membrana a presión y la filtración por medios granulares convencionales para agua de mar a una temperatura inferior a 12 ºC, porque la productividad (flujo) de la filtración por membrana accionada por vacío se reduce drásticamente por la aumento significativo en el peso unitario del agua de mar a baja temperatura.

La filtración con medios de arena puede tener ciertos beneficios adicionales para una fuente de agua de mar que es muy probable que esté expuesta a cambios repentinos e impredecibles en la calidad del agua, tales como: derrames químicos de pH muy alto o bajo; grandes derrames de aceite y grasa; exposiciones frecuentes a temperaturas muy altas del agua u otros contaminantes que pueden dañar irreversiblemente las membranas de pretratamiento de MF o UF, si se utilizan para esta aplicación. Por lo general, los medios filtrantes granulares pueden manejar una gama más amplia de condiciones extremas de calidad del agua de entrada y el costo de reemplazo de los medios es significativamente más bajo que el reemplazo de todos los elementos de membrana para una planta del mismo tamaño.

Esta cuestión es de una importancia muy significativa para los sistemas de pretratamiento de plantas desaladoras de agua de mar con tomas superficiales. A menudo, el agua de mar de origen contiene pequeños objetos afilados (como partículas de conchas), que pueden perforar fácilmente las membranas de pretratamiento y provocar una pérdida muy rápida de su integridad, a menos que las partículas dañinas se eliminen aguas arriba del sistema de pretratamiento de la membrana mediante incorporando un sistema de microtamizado con un tamaño de malla de tamiz de 120 micras o menos delante del sistema de pretratamiento de membrana (consulte la Figura 4).

Además, el agua de mar contiene percebes, que en su fase embrionaria de desarrollo tienen un tamaño de 130 a 150 micrones y pueden pasar las aberturas de la pantalla a menos que sean de 120 micrones o menos. Una vez que los percebes establecen colonias en las instalaciones y equipos de pretratamiento, son muy difíciles de eliminar y pueden resistir la cloración, que por lo demás es un biocida muy eficaz para la mayoría de los demás organismos marinos. El uso de micropantallas finas (tamaño de 80 a 120 micras) es esencial para el funcionamiento fiable de toda la planta de desalinización de agua de mar que utiliza el pretratamiento de membrana y, por lo tanto, su coste debe tenerse en cuenta al comparar el pretratamiento convencional y el de filtración por membrana. . Las micropantallas no son necesarias para los sistemas de pretratamiento que utilizan medios de filtración granulares porque estos sistemas eliminan eficazmente los percebes en todas las fases de su desarrollo.

Si se selecciona el pretratamiento de membrana para plantas de desalinización con tomas de mar abierto propensas a mareas rojas o floraciones de algas frecuentes y extensas, se recomienda encarecidamente el uso de flotación por aire disuelto (DAF) o un sistema de filtración de medios granulares antes de la instalación de pretratamiento de membrana. .

Huella

Las tecnologías de membrana son más eficientes en cuanto al espacio en comparación con la filtración de medios granulares. Los beneficios de una huella más pequeña de la filtración por membrana suelen ser de mayor importancia cuando se actualizan las plantas de tratamiento de agua existentes con disponibilidad de área de sitio limitada o donde el costo de la adquisición de nuevas tierras es significativo.

Según el tipo y el tamaño de los módulos de membrana y las características de calidad del agua de entrada, el sistema de filtración por membrana puede ocupar un espacio entre un 20 y un 60 por ciento más pequeño que un sistema de filtración convencional. Los beneficios de espacio de la filtración por membrana son más significativos para el agua de mar de alta turbidez donde se puede requerir una filtración de medio granular de dos etapas para lograr un rendimiento comparable al de un sistema de pretratamiento de membrana de una sola etapa. Para una toma de agua de mar más difícil de tratar, que requiere que el sistema de filtración de medios granulares esté diseñado para índices de carga de superficie de menos de 4,0 gpm/pie cuadrado (10 m³/m².h), o donde se necesita una filtración de medios granulares de dos etapas para producir efluentes de filtro comparables, los sistemas de filtración de membrana pueden tener hasta un 60 por ciento menos de espacio.

Como regla general, en condiciones típicas de calidad del agua superficial, la huella de los filtros de medios granulares, diseñados para una tasa de carga superficial de 3,5 a 5,0 gpm/pie cuadrado (8,5 a 12,2 m³/m².hr), es de aproximadamente 30 a 50 por ciento más grande que la de un sistema de ultra o microfiltración que produce una calidad de agua filtrada similar. Para una calidad de agua afluente mejor que el promedio donde los filtros de medios granulares pueden funcionar adecuadamente a índices de carga de superficie de 6 a 8 gpm/pie cuadrado (15 a 20 m³/m².hr) de índice de carga de superficie hidráulica, la diferencia de huella total suele ser 20 a 40 por ciento en beneficio del pretratamiento de membrana.

Cantidad y calidad del flujo de residuos

Los sistemas de pretratamiento convencionales y de membrana difieren significativamente por el tipo, la calidad y la cantidad de los flujos de desechos generados. Por lo general, los sistemas de filtración de medios convencionales generan solo una corriente de desechos: retrolavado del filtro de desechos. El volumen de esta corriente en una planta bien diseñada varía entre el 4 y el 6 % del volumen total de agua de entrada de la planta. Además de los sólidos que originalmente estaban en la fuente de agua, esta corriente de desechos también contiene coagulante (generalmente sal de hierro) y polímero.

Los sistemas de pretratamiento de membrana generalmente generan dos grandes flujos de desechos: agua de lavado de membrana residual y solución de limpieza de membrana. El volumen de la corriente de agua de lavado de membranas suele ser del 8 al 12 % del volumen de la fuente de entrada de la planta, es decir, aproximadamente el doble que el retrolavado del filtro de residuos generado por los sistemas convencionales. La diferencia de flujo de residuos es aún mayor, teniendo en cuenta que las micropantallas que se requieren instalar para proteger los filtros de membrana de pretratamiento generarán descargas de residuos adicionales para su limpieza. El volumen de flujo de residuos relativamente mayor del sistema de pretratamiento de membranas requieren un volumen de fuente de entrada proporcionalmente mayor, lo que a su vez daría como resultado un mayor tamaño y costos de construcción para las instalaciones de entrada de la planta de desalinización y mayores costos de operación y mantenimiento para el bombeo de agua de fuente a las instalaciones de pretratamiento.

Además del lavado diario de membranas y la limpieza mensual de membranas, el diseño y la operación rentables de los sistemas de pretratamiento de membranas a menudo requieren un retrolavado de membrana mejorado químicamente (CEB, por sus siglas en inglés) diario corto usando una alta dosis de cloro y base y ácido durante un corto período de tiempo. Este CEB que mejora el rendimiento también se suma al volumen de los flujos de desechos generados en la planta de membranas de ósmosis inversa y al costo total del pretratamiento del agua de origen.

uso químico

Por lo general, los sistemas de pretratamiento de medios granulares convencionales utilizan productos químicos de acondicionamiento de agua de origen para una separación efectiva de sólidos. Esto se suma a los costos de los productos químicos de la planta. Sin embargo, no utilizan productos químicos para la limpieza de medios (aparte de la adición ocasional de cloro). Los sistemas de pretratamiento de membrana utilizan cantidades significativas de productos químicos de limpieza de membrana, que pueden ser comparables en costo anual total a los productos químicos de acondicionamiento de agua de fuente utilizados por los filtros de medios granulares convencionales. El costo de estos productos químicos de limpieza debe considerarse en el análisis de costo-beneficio del sistema de pretratamiento de la planta.

Otro factor que debe tenerse en cuenta en el uso general de productos químicos de la planta y el análisis de costos es que la frecuencia de limpieza del sistema de OI y, por lo tanto, los costos de limpieza de la membrana SWRO, pueden reducirse mediante el uso de pretratamiento de la membrana debido a que los sólidos y los sedimentos suelen ser mejores. capacidades de eliminación de este tipo de pretratamiento.

uso de energía

Los sistemas de pretratamiento convencionales usan una cantidad limitada de energía para separar partículas en la fuente de agua. Como se mencionó anteriormente, las grandes plantas de desalinización SWRO suelen incluir un proceso de pretratamiento de filtración granular por gravedad que tiene requisitos mínimos de energía. Por otro lado, según el tipo de sistema de membrana (impulsado por presión o vacío), los sistemas de membrana utilizan aproximadamente dos veces más energía para eliminar partículas de la fuente de agua en comparación con los filtros de medios granulares por gravedad. No solo se utiliza más energía para crear una presión de conducción de flujo a través de las membranas, sino también para el retrolavado de membranas y el bombeo de agua de mar de origen. El uso total de energía debe tenerse en cuenta al completar una comparación del costo del ciclo de vida del sistema de pretratamiento convencional versus el de membrana para una aplicación determinada.

Frecuencia de reemplazo de los medios de filtración

Los filtros de medios granulares que funcionan bien pierden entre el 5 y el 10 % de los medios filtrantes por año, que deben reemplazarse para mantener un rendimiento constante. Los costes de sustitución de medios granulares suelen ser bien predecibles y relativamente bajos. En la actualidad, la vida útil de los elementos de membrana suele variar en un rango de 3 a 5 años. Suponiendo 5 años de vida útil, en promedio, aproximadamente el 20 por ciento de los elementos de la membrana deberían reemplazarse por año para mantener la capacidad de producción y el rendimiento del sistema.

Un factor adicional que puede contribuir a la necesidad de un reemplazo más frecuente de los elementos de la membrana es la falla de la integridad del elemento de la membrana. De hecho, un estudio reciente de los sistemas de membrana existentes en los EE. UU. y en todo el mundo indica que, en la mayoría de las instalaciones encuestadas, la razón principal que provocó la necesidad de reemplazar los elementos de membrana antes de tiempo fue la pérdida de integridad en lugar de la pérdida de capacidad de producción. El historial limitado de uso a largo plazo de los sistemas de membrana y la incertidumbre relacionada con los factores que desencadenan la necesidad de su reemplazo deben tenerse en cuenta al seleccionar entre medios granulares y tecnología de pretratamiento de membrana para plantas de OI. El riesgo de pérdida de integridad de la membrana debe manejarse en consecuencia en la garantía de vida útil del elemento de la membrana proporcionada por el fabricante/proveedor de la membrana.

Teniendo en cuenta que los costos anuales de reemplazo de las membranas de pretratamiento suelen ser comparables a los gastos anuales de reemplazo de las membranas SWRO para las que están instaladas, los grandes gastos de reemplazo de las membranas de pretratamiento a menudo hacen que este tipo de tecnología de tratamiento menos atractiva que el pretratamiento convencional con medios granulares. Aunque en teoría, el uso de pretratamiento de membrana en lugar de filtración granular debería reducir la frecuencia de limpieza y reemplazo de membranas SWRO, debido a la falta de un historial a gran escala para probar esta suposición, en la actualidad, la mayoría de los proveedores de membranas SWRO son reacios a proporcionar garantías de mayor vida útil o ciclos de limpieza para sus productos de membranas de agua de mar. Como resultado, el beneficio potencial del pretratamiento de membranas no se puede considerar fácilmente en un análisis real de costo-beneficio para proyectos de desalinización de agua de mar a gran escala.

Diversidad de elementos de membrana y configuraciones.

Actualmente, todos los fabricantes de membranas UF y MF ofrecen su propio diseño, tamaño y configuración de elementos y sistemas de membrana. Los sistemas de membranas se diferencian por el tipo de fuerza motriz de filtración (presión o vacío); el tamaño de los elementos de membrana individuales; el tamaño de los vasos de la membrana; la configuración de los módulos de membrana; el tipo de retrolavado del elemento de membrana; y el tipo de método de prueba de integridad de la membrana.

La falta de uniformidad y mercantilización del producto en el mercado de membranas actual es una señal de un campo de rápido crecimiento de la industria de equipos de agua y conlleva ventajas y desventajas. La disponibilidad de múltiples proveedores y sistemas de membranas permite adaptarse mejor a las necesidades específicas del sitio de una determinada aplicación de membrana, aumentando así el uso de sistemas de membrana para el tratamiento del agua. Además, la falta de mercantilización del mercado de membranas MF y UF junto con el aumento de las aplicaciones de membranas en los últimos años, estimula el interés de muchos fabricantes que tradicionalmente no producen membranas para ingresar al mercado de membranas con nuevos productos. Esto, a su vez, da como resultado una mayor competencia y un desarrollo acelerado de nuevas tecnologías y equipos de membrana.

Si bien un nuevo sistema de tratamiento de membrana de primera línea que tiene características únicas puede generar ahorros apreciables en los costos de construcción y operación a corto plazo, estos ahorros pueden verse comprometidos durante la vida útil del proyecto, que generalmente es de 30 años o más. si el diseño del sistema no es lo suficientemente flexible para adaptarse a los beneficios de las futuras tecnologías de membrana. Además de esto, se debe considerar la amenaza potencial de que los fabricantes de membranas cancelen su producto, y el tiempo de inactividad resultante y los gastos acumulados al reemplazar las membranas y renovar una planta para que sea adecuada para un nuevo producto que esto implicaría.

Con base en el estado actual y la diversidad de las tecnologías de micro y ultrafiltración, un enfoque sólido para reducir los riesgos asociados con la financiación y la implementación de un sistema de membrana es diseñar la configuración del sistema de tal manera que se adapte al reemplazo de este sistema. elementos de membrana con al menos otro sistema existente/elementos de membrana de tipo similar. Los gastos adicionales de costos de construcción e instalación para proporcionar una configuración de sistema de membrana flexible que permita futuras modificaciones del sistema de membrana y el uso de proveedores alternativos del mismo tipo de elementos de membrana con un gasto mínimo o reemplazo, es muy probable que se compensen al reducir los costos de financiación (costos de capital) para el proyecto y minimizando los costos generales del ciclo de vida de la planta de membranas.

Costos del ciclo de vida

En la actualidad, el coste de producción de agua desalada mediante el pretratamiento de membrana suele ser entre un 5 y un 10 % superior al del agua dulce producida por plantas desalinizadoras con pretratamiento de agua de mar convencional. En algunos casos, como en condiciones en las que el costo y la disponibilidad de la tierra son elevados y/o los costos químicos unitarios y la energía son relativamente bajos, el pretratamiento con membrana puede ser más rentable.

Los factores clave que a menudo se subestiman u omiten cuando se comparan los sistemas de pretratamiento convencionales y de membrana son: (1) el capital adicional y los costos de operación y mantenimiento del sistema de microdetección necesarios para proteger las membranas de pretratamiento; (2) los costos químicos reales y la frecuencia de la limpieza de la membrana de pretratamiento y el retrolavado mejorado químicamente; (3) la vida útil y los costos de reemplazo de las membranas de pretratamiento: la mayoría de los análisis asumen 5 años, mientras que los datos operativos reales muestran que las membranas deben reemplazarse en aproximadamente 3 años debido a la pérdida de integridad; (4) suposición errónea de que los fabricantes de membranas SWRO garantizarán frecuencias más bajas de reemplazo y limpieza de membranas RO si se utiliza un pretratamiento de membranas; (5) el mayor costo de financiamiento de proyectos asociado con el uso de pretratamiento de membrana debido al riesgo a largo plazo asociado con el uso de tecnología de historial limitado a gran escala, especialmente para instalaciones a gran escala.

Resumen y conclusiones

El pretratamiento de agua de mar con membrana es una alternativa atractiva a la filtración convencional con medios granulares. Sin embargo, teniendo en cuenta los numerosos factores que afectan los costos de pretratamiento de una planta de desalinización de agua de mar a gran escala, la selección del sistema de pretratamiento más adecuado para un proyecto de desalinización de agua de mar determinado debe completarse en función de un ciclo de vida completo. análisis de costos que da cuenta de todos los gastos y costos reales asociados con la instalación y operación de los dos sistemas.

A medida que la industria de la desalinización adquiere experiencia a largo plazo con la operación de sistemas de pretratamiento de membrana de agua de mar en los próximos cinco a diez años y las tecnologías de pretratamiento de membrana existentes evolucionan y convergen en productos compatibles, estandarizados y comercializados, el uso de UF o MF Se espera que las membranas para el pretratamiento de agua de mar se vuelvan más competitivas y atractivas con el tiempo. Mientras tanto, se prevé que las condiciones impulsadas por las circunstancias que favorezcan el uso de filtración de medios granulares convencionales de pretratamiento de membrana UF o MF continúen dominando las aplicaciones de agua de mar en el futuro cercano.