Ensayos a escala piloto para la desaladora de Qingdao Jorge Salas Orta (Abengoa) Abel Riaza Frutos (Abengoa) Pedro Almagro (Abengoa) Francisco Javier Bernaola (Abengoa)

Resumen Abengoa opera una gran planta desaladora en China que representa su primer contrato BOT en este país. Con una producción de 100.000 m3/d, la planta desaladora se sitúa en la ciudad de Qingdao, provincia de Shandong, al este del citado país. La toma de agua se localiza a unos kilómetros de la planta en una laguna de agua de mar compartida con otras industrias existentes donde el agua llega por medio de una tubería sumergida con la pleamar. Este hecho hace que el agua bruta sea difícil de tratar ya que posee una alta concentración de sólidos totales en suspensión, altos valores de turbidez, y diferentes agentes contaminantes. Además, existe el reto de operar con grandes variaciones de temperatura en las diferentes estaciones del año y por lo tanto es necesario minimizar los saltos de presión para cada una de ellas. Por este motivo, al objeto de garantizar el suministro de agua, se ha elegido la tecnología ultrafiltración y ósmosis inversa. Debido a los retos anteriores, es necesario determinar la viabilidad, eficiencia y optimización del pretratamiento seleccionado mediante estudios a escala piloto empleando diferentes tipos de sistemas de UF disponibles en el mercado (dentro-fuera, fuera-dentro, tipo de membrana, etc.). Por lo tanto, el presente artículo describe los principales resultados y conclusiones obtenidas durante la campaña de ensayos a escala piloto al objeto de validar y optimizar el pretratamiento seleccionado para la desaladora de Qingdao. Palabras clave: Pre-treatment, Ultrafiltración, Integrated Membrane System, Reverse Osmosis

Introducción El éxito de los procesos de desalación depende de varios factores. Uno de ellos es la calidad del agua. Dependiendo de la ubicación de la captación y las variaciones estacionales anuales, la calidad del agua cambia y el pre-tratamiento debe ser diferente según aplique. Respecto a la ósmosis inversa (O.I), el agua que llega a las membranas debe tener una calidad mínima y por tanto, el pre-tratamiento juega un papel crucial en el proceso de cara a asegurar la vida media de las membranas, producir la calidad deseada así como ahorrar en el coste de operación y mantenimiento. Abengoa, tras ser adjudicataria de la construcción de la planta desaladora de agua de mar de Qingdao (100.000 m3/d) bajo un contrato BOT de 25 años, decidió ensayar diferentes pretratamientos a escala piloto, principalmente de los Sistemas Integrados de Membrana (IMS) incluyendo distintos sistemas de UF y MF. Estas pruebas han sido desarrolladas durante más de dos años. Al mismo tiempo, se llevó a cabo un pilotaje de un sistema de pre-tratamiento convencional al objeto de comparar resultados con los procedentes de los Sistemas Integrados de Membrana. El pre-tratamiento convencional incluye las siguientes unidades de operación: coagulaciónfloculación, decantador lamelar, flotación por aire disuelto (DAF), filtro de gravedad (GSF) y filtro a presión (PSF). Los principales objetivos de los estudios del pilotaje son la validación de los datos de funcionamiento aportados por los fabricantes y la optimización de los parámetros de operación para conseguir los costes más bajos con el mejor pre-tratamiento posible para la planta desaladora de Qingdao. Así mismo, otro gran objetivo sería verificar si un pre-tratamiento basado en membranas sería el más adecuado para la planta desaladora de Qingdao en comparación con un pre tratamiento convencional. Finalmente, con todos los resultados será posible establecer las diferencias principales entre cada tipo de pre-tratamiento.

Material y métodos Localización de la planta desaladora de Qingdao: La planta desaladora de agua de mar de Qingdao (SWDP) se encuentra situada en la provincia de Shandong, en el este de China. Esta planta cuenta con una capacidad de 100.000 m3/d para suministrar agua potable a dicha ciudad, bajo un contrato del tipo BOT durante 25 años. La captación se encuentra ubicada a unos pocos kilómetros en una laguna cercana que se comparte con una industria existente. El agua bruta es conducida hacia la laguna desde la bahía mediante una tubería sumergida cuando la marea está alta. Las plantas pilotos están situadas cerca de la laguna al objeto de obtener datos lo más representativo posibles y de aplicación al diseño final y a la O&M de la planta industrial.

En la Figura 1 se puede observar la situación de la ciudad de Qingdao y una fotografía de la laguna que es alimentada por el mar abierto y donde ahora están instalados tanto las plantas piloto como el laboratorio que da apoyo al pilotaje.

Figura 1. Localización de Qingdao y fotografía de la laguna

Escala de laboratorio El objetivo es la optimización de las dosis de reactivos químicos y otros parámetros involucrados en el proceso de pre-tratamiento. Por este motivo, se llevaron a cabo diferentes experimentos a escala de laboratorio previamente a la puesta en marcha de las plantas piloto. Coagulante: Se empleó FeCl3 (99 %) y Ca(OH)2 (96 %) en el rango de concentraciones de 0 a 60 ppm para ambos casos Polielectrolito: El reto fue evaluar el comportamiento de diferentes polielectrolitos (Nalco, Genesys, etc.) entre 0 y 1,5 ppm Ácido: Al objeto de ajustar el pH; se empleó H2S04 (98 %) entre 0 y 50 ppm. Base: A pesar de no ser un reactivo que se vaya a usar en la planta piloto, se experimentó en el laboratorio con NaOH (98 %) entre 0 y 50 ppm a fin de ajustar el pH hasta valores básicos. Desinfectante: El desinfectante adoptado fue Cl2. Se probaron dosis de NaOCl entre 0 y 5 ppm como Cloro libre A fin de optimizar las dosis de reactivos se realizaron diferentes pruebas. Coagulación- floculación- flotación: Se empleó un equipo de Jar Test con seis posiciones y control de velocidad para la agitación. Los experimentos se llevaron a cabo en jarras de 1 L usando muestras de agua de mar de 0,75 L. El tiempo de coagulación fue de un minuto a velocidad alta, mientras que para la floculación el tiempo fue de 30 minutos a baja velocidad. Una etapa final de flotación fue realizada introduciendo agua con aire presurizado hasta alcanzar el volumen seleccionado. En este sentido se hizo posible obtener la información relativa a las variables que gobiernan el proceso de flotación así como los reactivos necesarios coagulación- floculación- decantación: A fin de poder comparar resultados, se realizaron pruebas con una etapa de decantación de 40 minutos en lugar de la de flotación final descrita en los ensayos anteriores. Desinfección: se realizó en línea con Na0Cl (12 %). También se realizaron pruebas específicas para los sistemas de membrana como: ensuciamiento sobre la superficie de las membranas por materia orgánica natural (NOM), contralavados, etc.

Escala piloto Sistemas Integrados de Membrana (IMS). Abengoadecidió probar diferentes tecnologías tanto de ultrafiltración (UF) como microfiltración (MF) a fin de seleccionar el mejor sistema para la planta desaladora de Qingdao. Para ello hubo que operar entre uno y dos años según cada caso debido a la variabilidad esperada de los parámetros del agua durante las distintas estaciones del año. Pretratamiento convencional. A fin de optimizar el sistema de pre-tratamiento de la Planta desaladora de Qingdao, Abengodesarrolló una planta piloto con un caudal máximo de 12 m3/h. La planta piloto se compone de las siguientes unidades de proceso: Coagulación-floculación: La coagulación se llevó a cabo en una cámara equipada con un agitador vertical para generar turbulencias y en la que se añadía el FeCl3 (40 %). El tiempo de retención fue aproximadamente de dos minutos. La floculación tenía lugar después de la etapa de coagulación añadiendo polielectrolito. El tiempo de retención fue del orden seis minutos. La concentración de H2SO4 y Ca(OH)2 eran del 90 % y del 92 %, respectivamente Flotación: Este equipo corresponde a una unidad de flotación por aire disuelto (DAF). Se ha situado en paralelo a la línea de decantación lamelar Decantador lamelar: Tras la coagulación- floculación. (10 m3/m2/h) Filtro de Gravedad: La configuración de la planta permitía la filtración directa o la filtración con la etapa previa de coagulación-floculación seguida de decantación. Se diseñó con una velocidad de filtración de 5 m3/m2/h y siempre trabajó como primera etapa con lavados de aire y agua. Se ensayó con 0,85 m de arena Filtro a presión: Valido para filtración directa ó para filtración con la etapa previa de coagulación-floculación seguida de decantación además de como primera o segunda etapa de filtración (configuración ensayada). Posee un sistema de lavado únicamente por agua. La velocidad de filtración fue de 10.8 m3/m2/h. En este caso, la unidad se ensayó con una capa de antracita (0.3 m) y arena (0.7 m) Desinfección: Se realizó en línea usando NaOCl (10 %). En este documento, Abengoa presenta los resultados obtenidos con la operación en el modo que se muestra a continuación: Tabla 1. Modo de operación de la planta piloto de pre-tratamiento convencional Coagul.-Flocul.

Decantador Lamelar

Filtro de Gravedad

Filtro a Presión

1°

2°

3°

4°

Flotación

Estrategia experimental La estrategia consiste en: (1) estudiar las diferentes dosis de químicos a escala de laboratorio así como los parámetros involucrados en el proceso ensayado, (2) ensayar los diferentes tipos de pre-tratamiento y comparar los resultados obtenidos una vez hayan sido optimizados y (3) comprobar el mejor modo de operación bajo las variaciones estacionales de la calidad del agua de alimentación. Metodología analítica

Para determinar las mejores condiciones experimentales, diferentes parámetros de calidad del agua fueron analizados empleando la metodología analítica recomendada por APHA-AWWA-WPCF [4] y USEPA [5]. Los análisis fueron llevados a cabo por Abengoa en el laboratorio ubicado en la zona de pilotaje y por un laboratorio externo contratado Abengoa. Resultados y discusión Agua bruta La calidad del agua bruta de alimentación se presenta en la siguiente Tabla. Puede ser observado que los valores para cada parámetro analizado en función del rango de temperaturas (distinguiendo para los casos extremos de invierno y verano). Estos parámetros pueden afectar tanto a la presión transmembrana de los sistemas IMS como a las operaciones unitarias del proceso convencional y a la O.I.

Tabla 2. Principales parámetros físico-químicos del agua bruta

Escala de laboratorio Durante el pilotaje se llevaron a cabo diferentes pruebas para establecer la dosis de FeCl3, polielectrolito, pH, etc. Además fue necesario realizar experimentos de coagulación y floculación con una etapa final de flotación o decantación mediante un equipo de Jar Test. Tabla 3. Condiciones experimentales para estudiar el efecto de la dosis de FeCl3 en los ensayos de flotación y decantación Etapa Coagulación Flocculación Flotación Decantación

Duración 1 min 30 min 5 min 40 min

Velocidad / Recirculación 170 rpm 25 rpm 25% recirculación -----

Presión del aire Atmosférica Atmosférica 6 bar Atmosférica

Un ejemplo de los resultados obtenidos en este tipo de ensayos se presenta en la Figura 3. En ésta se puede observar la influencia de la concentración de FeCl 3 para flotación y decantación. Las muestras fueron tomadas en diferentes días y la turbidez varía en cada prueba: 4 y 3,25 NTU respectivamente. Sin embargo la evolución parece ser muy parecida. El agua bruta sin hierro parece reducir este valor. Sin embargo, desde 2,5 ppm la turbidez del agua aumenta para ambos casos empezando a decrecer a partir de 10 ppm. Por lo tanto, la concentración óptima (desde un punto de vista técnico y económico) podría situarse alrededor de 10 ppm de FeCl3, ya que se alcanzan valores de turbidez entre 2,75 y 1,68 NTU respectivamente. Hay que destacar que los valores más altos de turbidez en los ensayos de flotación pueden ser debidos a que el agua de alimentación era ligeramente más turbia que en los ensayos de decantación tal y co mo se comentó anteriormente. Además, la etapa de flotación sólo dura cinco minutos frente al caso del decantador que dura 40 minutos.

Figura 3. Flotación y decantación lamelar. Escala piloto Sistemas Integrados de Membrana. El presente estudio consistió en evaluar cada tipo de membrana desde un punto de vista tanto técnico como económico. Por esta razón, se asumió que cada membrana tiene unas propiedades diferentes y esto hace imposible una comparación directa entre ellas. Además, el objetivo es obtener información del funcionamiento general incluyendo los contralavados (caudal, reactivos químicos, etc), calidad y cantidad de agua producto, etc. para hacer un análisis técnico y económico. Previo a cada sistema de membranas, se ha instalado un filtro de de corte. Sistema PES/PVP-P UF. Este sistema es del tipo presurizado / dentro-fuera. La Figura 4 presenta la evolución de las distintas variables en función del tiempo de operación durante todo el pilotaje. Se puede

observar, que los mejores resultados fueron obtenidos para un flux de 85 lmh manteniendo la calidad del agua producto y el rendimiento de la operación. Las primeras semanas se emplearon para poner en marcha la planta y encontrar los valores iniciales de los distintos parámetros empleando flux bajos. A partir de ese punto, la planta piloto estuvo en operación sin adición de cloruro férrico el cuál era dosificado automáticamente mediante un software en función de los valores máximos teóricos de TMP. Desde el inicio en marzo de 2008 hasta agosto 2009 la planta fue operada con una configuración de membrana horizontal y 80 m2 de superficie activa, siendo sustituida en esa fecha por una configuración vertical y 55 m2 de superficie de membrana. Los datos obtenidos como resultado de ambos periodos son igualmente significativos y válidos. Tras las semanas de la puesta en marcha, el sistema demostró gran robustez en el funcionamiento alcanzando un nuevo equilibrio de 0,25 bar tras los CEB. Una vez establecidos los parámetros y las secuencias de funcionamiento de dicho sistema, el software para el control de la dosificación de coagulante modificó su punto de consigna a finales de julio de 2008 puesto que la dosis para todo el periodo anterior había sido de prácticamente 0 ppm. A mediados de agosto se alcanzaron las máximas temperaturas, descendiendo hasta valores por debajo de 0°C durante el invierno (diciembre a febrero). Se observa como la TMP aumenta en función de la temperatura llegando al valor máximo del fabricante (1 bar). Por este motivo, hubo que diferenciar dos modos de operación según las variaciones estacionales: Invierno: T < 10°C. Ciclos de filtración de 50 minutos, flux de 85 lmh, CEB ácidos y alcalino-clorado diarios y adición de FeCl3 entre 0 y 0,5 ppm. Verano: T > 10°C. Ciclos de filtración de 60 minutos, flux de 85 lmh, CEB ácidos y alcalino-clorado diarios y adición de FeCl3 entre 0 y 0,2 ppm. En relación con la calidad de agua obtenida se alcanzaron valores de turbidez por debajo de 0,1 NTU (adecuados para la entrada a las membranas de ósmosis), TSS 1 ppm y SDI dentro de los límites esperados de entrada a membrana. El sistema que usa membranas de PES/PVDF es más hidrófilo que los sistemas con membranas de PVDF y en consecuencia teóricamente tienen una mayor tendencia al ensuciamiento. Sin embargo, durante el tiempo de pilotaje no se observó dicha tendencia debido probablemente a los altos flux empleados durante las operaciones de contralavado que a su vez evitaban una frecuencia mayor de lavados químicos tipo CEB.

Figura 4. PES/PVDF-P UF Evolución en función del tiempo de operación

Sistema PVDF-P UF. Este sistema es del tipo presurizado / fuera-dentro. En primer lugar, es necesario comentar que este sistema comenzó más tarde porque inicialmente se llevaron a cabo pruebas con membranas sumergidas. Además, comenzó sin posibilidad de dosificar coagulante porlo que hubo que asumir esas condiciones de operación, es decir, sin coagulante y sin modificar el pH. Igualmente, las variaciones estacionales en temperatura y calidad del agua de alimentación, determinaron la optimización del funcionamiento y hubo que adoptar dos modos de funcionamiento, que variaban fundamentalmente respecto del previsto en la adición de coagulante y la adopción de la secuencia de lavados ácidos cada menos tiempo a fin de optimizar el funcionamiento de la planta durante los periodos de bajas temperaturas: Invierno: T < 10°C. Ciclos de filtración de 25 minutos, flux de 64 lmh, MW clorados diarios y ácidos cada 3 días. Realización de CIP cada 10 días. TMP máxima de 1,5 bar. Adición de FeCl3 para temperaturas por debajo de 0°C Verano: T > 10°C. Ciclos de filtración de 30 minutos, flux de 70 lmh, MW clorados diarios y ácidos cada tres días. Realización de CIP cada 10 días. TMP máxima de 1,5 bar. Sin dosificación de coagulante En relación con la calidad de agua obtenida se alcanzaron valores de turbidez por debajo de 0,1 NTU (adecuados para la entrada a las membranas de ósmosis), TSS 1 ppm y SDI dentro de los límites esperados de entrada a membrana. En la siguiente Figura pueden observarse los resultados obtenidos y la evolución de la TMP debido al ensuciamiento y a la evolución de la temperatura.

Figura 6. PVDF-P UF Evolución en función del tiempo de operación Sistema PVDF-P MF. A diferencia de los casos anteriores este sistema fue el último en comenzar la operación (agosto 2009) además de ser un sistema de microfiltración a presión / fuera-dentro. En este caso, también se comenzó sin prever ninguna dosis de coagulante y sin sistema de dosificación por lo que se asumió un funcionamiento sin adición de coagulante o modificación de pFI. Se estableció el mismo criterio de funcionamiento que para las otras plantas piloto en función de las temperaturas de operación en invierno y verano y asumir las variaciones estacionales en temperatura y calidad del agua de alimentación, variando principalmente respecto a lo previsto en cuanto a la adición de coagulante y adopción de lavados ácidos diarios a fin de optimizar el funcionamiento durante los periodos de bajas temperaturas: Invierno: T < 10°C. Ciclos de filtración de 20 minutos, flux de 80 lmh, FIEFM alcalino-clorados y ácidos diarios. TMP máxima de 1,8 bar (T en torno a 1°C) y 2,25 bar (T < 0°C). Adición de FeCl3 para temperaturas por debajo de 0°C Verano: T > 10°C. Ciclos de filtración de 40 minutos, flux de 85 lmh, FIEFM alcalino-clorados diarios y ácidos semanales. Sin dosificación de coagulante En relación con la calidad de agua obtenida se alcanzaron valores de turbidez por debajo de 0,1 NTU (adecuados para la entrada a las membranas de ósmosis), TSS 1 ppm y SDI dentro de los límites esperados de entrada a membrana.

Figura 7. PVDF-P MF evolución como función del tiempo de operación

Pretratamiento convencional. Por otro lado, la planta piloto de pre-tratamiento convencional estuvo funcionando simultáneamente a fin de obtener datos y poder compararlos con los resultados obtenidos por los sistemas de membranas. Esta planta se puso en marcha a principios de 2009. Inicialmente la planta piloto estuvo operando sin reactivos químicos sin alcanzar resultados óptimos. Más tarde, se emplearon las condiciones determinadas en laboratorio: en torno a 10 ppm de FeCl3, pH 7,5 y polielectrolito entre 0.05 y 0.3 ppm. Estos valores fueron reajustados dependiendo de las necesidades experimentales. Las Figuras 8 y 9 presentan los valores de turbidez y TSS obtenidos durante los meses de operación de la planta piloto empleando las condiciones experimentales anteriormente comentadas. En la Figura 8 se observa que la turbidez inicial varía entre 2,77 y 12,06 NTU con un valor medio de 5,48 NTU. Sin embargo, tras el pre-tratamiento, la turbidez se reduce hasta valores que oscilan entre 0,13 y 0,67 NTU (al comienzo del tratamiento) con un valor medio de 0,25 NTU. Además se observa que se alcanza un rendimiento mayor de operación. Para el caso de los TSS (Figura 9) se observa una tendencia similar a la presentada por los resultados de la turbidez. El rango de TSS varió desde 18,8 ppm hasta 46,5 ppm con un valor medio de 27,92 ppm. Tras el pre-tratamiento, el contenido en TSS se redujo hasta valores por debajo de 1 ppm. De nuevo una mejora en el rendimiento puede ser observada. Como es sabido, el agua de mar que entra a las membranas tiene que tener ciertos requerimientos de SDI. La Figura 10 muestra los resultados que se obtuvieron para las medidas de SDI. Se puede observar que el SDI5 inicial oscila entre 15,8 y 19 durante el períodos de operación (3 meses) con un valor medio de 17,24. El SDI15 del agua final pre-tratada alcanzó valores entre 3,15 y 6,2 siendo el valor medio de 4,25. Por tanto, este tipo de pre-tratamiento es apto desde el punto de vista del SDI.

Figura 8. Pretratamiento convencional: turbidez en función del tiempo de operación

Figura 9. Pretratamiento convencional: TSS en función del tiempo de operación

Figura 10. Pretratamiento convencional: SDI en función del tiempo de operación

Después de comprobar los resultados obtenidos hasta la fecha, parece que el sistema de pretratamiento convencional adoptado en este pilotaje parece ser apto para este tipo de agua de mar y puede no ser necesario modificar las dosis de reactivos usadas en el estudio. Sin embargo, desde el punto de vista de los consumos, cuando se reduzcan dichos consumos de reactivos manteniendo la calidad del agua producto, se traducirá en un ahorro en los costes de operación y mantenimiento. En cualquier caso, es parte del presente estudio evaluar nuevas condiciones experimentales y compararlas con los resultados obtenidos en los sistemas de membrana. En lo que se refiere a medidas intermedias como la salida del decantador lamelar, el filtro por gravedad y filtro a presión (salida general), es necesario hacer las siguientes puntuaciones: el decantador lamelar no ha funcionado como se esperaba. Esto significa que se hace posible la eliminación de dicha unidad de proceso en la línea y así lo demuestran los resultados iniciales, pero habría que operar la planta piloto durante muchos meses para confirmarlo. En relación al filtro abierto decir que los resultados obtenidos son muy similares a los del filtro a presión. Bajo las condiciones de operación descritas anteriormente, el filtro por gravedad se lavó una vez cada uno ó dos días mientras que la frecuencia para el filtro a presión fue de 5 a 6 días sin registros de incidencias mayores. Estos valores coinciden los teóricos calculados mediante un software de simulación desarrollado por Abengoa.

Conclusiones El presente documento está enfocado principalmente en la calidad del agua. Sin embargo es necesario realizar un nuevo estudio (O&M y consumo energético) para desarrollar una comparación completa y poder seleccionar el mejor pre-tratamiento de los casos estudiados. Esta comparación está siendo desarrollada actualmente.

Teniendo en cuenta la calidad del agua producto, ambos tipos de proceso parecen adecuados para pre-tratamiento este tipo de agua de mar. Sin embargo, los Sistemas Integrados de Membrana parecen ser mejores que el pre-tratamiento convencional siendo los valores de SDI la principal diferencia: valores de SDI alrededor de 3 y 3-4 y de turbidez de 0,06-0,15 y 0,25 NTU para los procesos de membrana y el pre-tratamiento convencional respectivamente.En cuanto a valores de TSS los resultados fueron muy parecidos para ambos tipos de pre-tratamiento. En resumen, los sistemas de membrana parecen más adecuados frente al pre-tratamiento convencional aplicado en este estudio; no obstante, variando las condiciones de este último (por ejemplo la granulometría de los medios filtrantes, nuevos modos de operación según las unidades de proceso, etc.) quizás podrían obtenerse resultados similares.

Bibliografía [1] APHA — AWWA — WPCF (1992). Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater. 17 Edition. [2] USEPA (2007) www.epa.gov [3] TCHOBANOGLOUS, G. and SCHROEDER, E.D. (1985) Water Quality: Characteristics, Modeling, Modification. Addison-Wesley, Reading, MA [4] METCALF & EDDY, INC. (1991) Wastewater Engineering. Treatment, Disposal, Reuse, Ed. McGrawHill [5] MALLEVIALLE, J.; ODENDAAL, P.E. and WIESNER, M.R. (1998) Tratamientos del Agua por Procesos de Membrana: Principios, Procesos y Aplicaciones, Ed. McGraw Hill

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