Abstract
Como consecuencia del proceso de desalación, se produce el vertido al mar de un agua
de rechazo hipersalino o salmuera. La salinidad de este vertido es variable, dependiendo
del origen de la captación y del proceso de tratamiento. Muchos de los hábitats y
biocenosis de los ecosistemas marinos se encuentran adaptados a ambientes de salinidad
casi constante y son muy susceptibles a los incrementos de salinidad originados por
estos vertidos. Junto con el vertido de salmuera otro de los principales inconvenientes
que plantean las plantas desaladoras es el alto consumo energético, con todas las
desventajas que esto supone: alto coste del agua desalada para los consumidores,
contaminación del medio... El desarrollo de los métodos de vertido, herramientas de gestión de la salmuera, estudios del comportamiento de la pluma salina… ha buscado la mitigación de estos efectos sobre los ecosistemas marinos. El desarrollo en membranas de ósmosis inversa, diseño de bombas y sistemas de recuperación de energía ha permitido también la reducción del consumo energético en las plantas de desalación. Sin embargo, estos campos parecen haber encontrado un techo tecnológico difícil de rebasar en los últimos tiempos. La energía osmótica se plantea como uno de los caminos a investigar aplicado al campo de la reducción del consumo energético en desalación de agua de mar, a través del aprovechamiento energético de la salmuera. Con esta tesis se pretende cumplir principalmente con los siguientes objetivos: reducción del consumo energético en desalación, mitigar el impacto del vertido sobre el medio y ser una nueva herramienta en la gestión de la salmuera. En el presente documento se plantea el desarrollo de un nuevo proceso que utiliza el fenómeno de la ósmosis directa a través de membranas semipermeables, y busca la sinergia desalación depuración, integrando ambos, en un único proceso de tratamiento dentro del ciclo integral del agua.
Para verificar los valores de producción, calidad y rendimiento del proceso, se proyecta
y construye una planta piloto ubicada en la Planta Desaladora de Alicante II, escalada
de tal manera que permite la realización de los ensayos con equipos comerciales de
tamaño mínimo. El objetivo es que el resultado final sea extrapolable a tamaños superiores sin que el escalado afecte a la certeza y fiabilidad de las conclusiones
obtenidas. La planta se proyecta de forma que el vertido de una desaladora de ósmosis
inversa junto con el vertido de un terciario convencional, se pasan por una ósmosis
directa y a continuación por una ósmosis inversa otra vez, ésta última con el objeto de
abrir la posibilidad de incrementar la producción de agua potable. Ambas ósmosis están
provistas de un sistema de pretratamiento físico-químico (para adecuar la calidad del
agua de entrada a las condiciones requeridas por las membranas en ambos casos), y un
sistema de limpieza química. En todos los ensayos se usa como fuente de disolución
concentrada (agua salada), el rechazo de un bastidor de ósmosis inversa de una
desaladora convencional de agua de mar. La fuente de agua dulce marca la distinción
entre dos tipos de ensayos: ensayos con el efluente del tratamiento terciario de una
depuradora convencional, con lo que se estudia el comportamiento de la membrana ante
el ensuciamiento; y ensayos con agua permeada, que permiten estudiar el
comportamiento ideal de la membrana. Los resultados de los ensayos con agua salobre ponen de manifiesto problemas de ensuciamiento de la membrana, el caudal de paso a través de la misma disminuye con el tiempo y este efecto se ve incrementado con el aumento de la temperatura del agua. Este fenómeno deriva en una modificación del pretratamiento de la ósmosis directa añadiendo un sistema de ultrafiltración que ha permitido que la membrana presente un comportamiento estable en el tiempo. Los ensayos con agua permeada han hecho posible estudiar el comportamiento “ideal” de la membrana y se han obtenido las condiciones óptimas de operación y a las que se debe tender, consiguiendo tasas de recuperación de energía de 1,6; lo que supone pasar de un consumo de 2,44 kWh/m3 de un tren convencional de ósmosis a 2,28 kWh/m3 al añadir un sistema de ósmosis directa. El objetivo de futuras investigaciones es llegar a tasas de recuperación de 1,9, lo que supondría alcanzar consumos inferiores a 2 kWh/m3.
Con esta tesis se concluye que el proceso propuesto permite dar un paso más en la
reducción del consumo energético en desalación, además de mitigar los efectos del
vertido de salmuera en el medio marino puesto que se reduce tanto el caudal como la
salinidad del vertido, siendo además aplicable a plantas ya existentes y planteando
importantes ventajas económicas a plantas nuevas, concebidas con este diseño. As a consequence of the desalination process, a discharge of a hypersaline water or
brine in the sea is produced. The salinity of these discharges varies, depending on the
type of intake and the treatment process. Many of the habitats and biocenosis of marine
ecosystems are adapted to an almost constant salinity environment and they are very
susceptible to salinity increases caused by these discharges. Besides the brine discharge,
another problem posed by desalination plants, is the high energy consumption, with all
the disadvantages that this involves: high cost of desalinated water for consumers,
environmental pollution ... The development of methods of disposal, brine management tools, studies of saline plume ... has sought the mitigation of these effects on marine ecosystems. The development of reverse osmosis membranes, pump design and energy recovery systems have also enabled the reduction of energy consumption in desalination plants. However, these fields seem to have reached a technological ceiling which is difficult to exceed in recent times. Osmotic power is proposed as a new way to achieve the reduction of energy consumption in seawater desalination, through the energy recovery from the brine. This thesis mainly tries to achieve the following objectives: reduction of energy consumption in desalination, mitigation of the brine discharge impact on the environment and become a new tool in the management of the brine. This paper proposes the development of a new process, that uses the phenomenon of forward
osmosis through semipermeable membranes and seeks the synergy desalination-wastewater reuse, combining both into a single treatment process within
the integral water cycle. To verify the production, quality and performance of the process we have created a pilot plant. This pilot plant, located in Alicante II desalination plant, has been designed and built in a scale that allows to carry out the tests with minimum size commercial equipment. The aim is that the results can be extrapolated to larger sizes, preventing that the scale affects the accuracy and reliability of the results. In the projected plant, the discharge of a reverse osmosis desalination plant and the effluent of a convencional tertiary treatment of a wastewater plant, go through a forward osmosis module, and then through a reverse osmosis, in order to open the possibility of increasing potable water production. Both osmosis systems are provided with a physicochemical pretreatment (in order to obtain the required conditions for the membranes in both cases), and a chemical cleaning system. In all tests, it is used as a source of concentrated solution (salt water),
the rejection of a rack of a conventional reverse osmosis seawater desalination. The
source of fresh water makes the difference between two types of tests: test with the
effluent from a tertiary treatment of a conventional wastewater treatment plant (these
tests study the behavior of the membrane facing the fouling) and tests with permeate,
which allow us to study the ideal behavior of the membrane.
The results of the tests with brackish water show fouling problems, the flow rate
through the membrane decreases with the time and this effect is increased with water
temperature. This phenomenon causes the need for a modification of the pretreatment
of the direct osmosis module. An ultrafiltration system is added to enable the membrane
to present a stable behavior . The tests with permeate have made possible the study of
the ideal behavior of the membrane and we have obtained the optimum operating
conditions. We have achieved energy recovery rates of 1.6, which allows to move from
a consumption of 2.44 kWh/m3 in a conventional train of reverse osmosis to 2.28 kWh /
m3 if it is added the direct osmosis system. The goal of future researches is to achieve
recovery rates of 1.9, which would allow to reach a consumption lower than 2 kWh/m3.
This thesis concludes that the proposed process allows us to take a further step in the
reduction of the energy consumption in desalination. We must also add the mitigation of
the brine discharge effects on the marine environment, due to the reduction of the flow
and salinity of the discharge. This is also applicable to existing plants, and it suggests
important economic benefits to new plants that will be built with this design.
