V. ANÁLISIS ECONÓMICO. Los costos incluyen: el empleo del regenerante químico; mano de

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1 V. ANÁLISIS ECONÓMICO 5.1 RESINAS DE INTERCAMBIO IÓNICO Costos de tratamiento Los costos incluyen: el empleo del regenerante químico; mano de obra, volumen de la salmuera regenerante y de agua residual producida, así como tiempo de agotamiento. El incremento de estos requerimientos se ve reflejado en un aumento de los costos de operación y mantenimiento Costos de Construcción Los costos de construcción fueron aplicados para unidades de intercambio iónico con volúmenes entre.85 y 14.7 m 3. 9 Con los datos obtenidos en Small Water System Treatment Costs, se elaboraron gráficos, a los que se les realizaron ajustes para encontrar una ecuación en función del volumen de agua a tratar lo que permitió obtener un costo aproximado. A continuación se muestran los datos reportados en la literatura con sus respectivas gráficas: 44

2 Volumen Volumen Costo Resina Resina construcción m 3 ft 3 USD $ volum Req ft3 costo ($) costo ($) Tabla Datos de costos de construcción para resinas de intercambio iónico Es importante mencionar que estos datos corresponden al año 1986, por lo que se efectuó una conversión a valor futuro (al año 25). COSTOS DE CONSTRUCCIÓN 2 15 (USD$) 1 5 y = x x R 2 = volumen de resina ft 3 Fig Costos de construcción vs volumen para resinas de intercambio iónico Costos y Requerimientos de Operación y Mantenimiento La energía de construcción para calentamiento, ventilación e iluminación es de 156 kwhr/m 2 /yr para edificios de 3.5m de altura y

3 kwhr/m 2 /yr para edificios de 4.3 m. Los requerimientos están basados en una iluminación promedio de 3 horas por día. Los materiales de mantenimiento requeridos incluyen arreglo periódico de la resina y reemplazo misceláneo de componentes para el intercambiador, las válvulas y el tanque de salmuera. La pérdida de resina fue estimada con un 3% anual para regeneración cada 4 días, 6% para cada tercer día y 1% para regeneración diaria. Volumen Energía (kwhr/y) ft Tabla Datos de requerimiento energético para resinas de intercambio iónico REQUERIMIENTO ENERGÉTICO 1 8 kwh/yr y = -.144x x R 2 = VOLUMEN DE RESINA (ft 3 ) Fig Requerimiento energético vs volumen para resinas de intercambio iónico 46

4 Material para el Mantenimiento ($/año) Reg. C/4 días cada 2 días reg. Diaria Tabla Datos de costos de material de mantenimiento para resinas de intercambio iónico 6 5 MATERIAL DE MANTENIMIENTO $/YR 4 3 y = -.33x x R 2 =.9983 y = -.29x x R 2 = y = -.31x x R 2 = VOLUMEN DE RESINA ft 3 CADA 4 DÍAS CADA 2 DÍAS DIA RIA Fig Costos de material de mantenimiento vs volumen para resinas de intercambio iónico Se requiere la mano de obra para la adición de sal a la salmuera del tanque; así mismo, se requiere del operador para efectuar revisiones a las unidades de intercambio de manera constante para asegurar que éstas operen de manera satisfactoria. 9 47

5 Volumen Mano de Obra (hr/yr) ft3 Reg. C/4 días cada 2 días reg. Diaria ANÁLISIS ECONÓMICO Tabla 3.1.4a. Datos del tiempo requerido de mano de obra para resinas de intercambio iónico Volumen Costo de Mano de Obra ($USD) ft3 Reg. C/4 días cada 2 días reg. Diaria Tabla 3.1.4b Datos de costos de mano de obra para resinas de intercambio iónico Volumen Costo Total ft3 Reg. C/4 días cada 2 días reg. Diaria Tabla Datos de costos totales para resinas de intercambio iónico 48

6 Costo total $ USD y = -.37x x R 2 =.996 y = -.42x x y = -.43x x volumen de resina ft 3 diariamente 2 días 4 días Fig Costos totales vs volumen para resinas de intercambio iónico Las cantidades de sal requeridas van en función del flujo de agua a tratar en la planta y de la cantidad de dureza removida. NaCl NaCl ton/yr $ ton/yr < [2,2] > Tabla 3.1.6a. Datos de costos de químicos para regeneración resinas de intercambio iónico 49

7 Remoción de Dureza, mg/l (CaCO3) Flujo promedio 2 4 de la planta (gpd) Sal (ton/año) Costo ($/año) Sal (ton/año) Costo ($/año) Tabla 3.1.6b Datos de requerimiento y costos de químicos para la regeneración resinas de intercambio iónico Flujo promedio 5 6 de la planta (gpd) Sal (tons/año) Costo ($/año) Sal (tons/año) Costo ($/año) Tabla 3.1.6c Datos de requerimiento y costos de químicos para la regeneración resinas de intercambio iónico REQUERIMIENTO DE REACTIVOS (REMOCIÓN DE 2 ppm) SAL REQUERIDA (TON/YR) y = 7E-12x 2 +.6x R 2 = FLUJO AGUA (GPD) Fig a. Requerimiento de sal vs flujo de agua para remover 2 ppm de dureza 5

8 REQUERIMIENTO DE REACTIVOS (REMOCIÓN DE 4 ppm) SAL REQUERIDA (TON/YR) y = 1E-12x x +.23 R 2 = FLUJO AGUA (GPD) Fig b Requerimiento de sal vs flujo de agua para remover 4 ppm de dureza REQUERIMIENTO DE REACTIVOS (REMOCIÓN DE 5 ppm) SAL REQUERIDA (TON/YR) y = 6E-13x x R 2 = FLUJO AGUA (GPD) Fig c Requerimiento de sal vs flujo de agua para remover 5 ppm de dureza 51

9 REQUERIMIENTO DE REACTIVOS (REMOCIÓN DE 6 ppm) SAL REQUERIDA (TON/YR) y = 1E-13x x R 2 = FLUJO AGUA (GPD) Fig d Requerimiento de sal vs flujo de agua para remover 6 ppm de dureza Generación de Residuos Con respecto al efluente resultante de la regeneración, que consiste en CaCl 2, no se presentan costos de tratamiento, ya que esta solución se emplea como estabilizador de neumáticos, por lo que su reultilización representa una ganancia. 52

10 5.2 CAL-CARBONATO Costos de construcción Los datos de costos de construcción disponibles son para dos tipos de configuraciones de plantas de tratamiento analizadas: en una etapa con adición de cal y de carbonato de sodio; y en dos etapas con adición de cal en la primera de ellas y carbonato de sodio en la segunda. El tratamiento consiste en adición de especies químicas, mezclado rápido, mezclado lento, y flotación de sólidos en la clarificación. COSTOS DE CONSTRUCCIÓN CAPACIDAD DE COSTO ($) LA PLANTA gpd UNA ETAPA DOS ETAPAS Tabla Datos de costos de construcción mediante adición de cal 53

11 COSTOS DE CONSTRUCCIÓN USD $ y = 8E-8x x R 2 = y = 3E-8x x R 2 = CAPACIDAD DE LA PLANTA gpd 12 UNA ETAPA DOS ETAPAS Fig Costos de construcción vs capacidad de la planta mediante tratamiento con cal Costos de Operación y de Mantenimiento Se necesita de energía eléctrica para la alimentación de la cal y del carbonato de sodio, así como para los procesos de mezclado rápido, floculadores, bombeo de lodos y la refrigeración del dióxido de carbono (sólo para las plantas grandes). La cal hidratada se alimenta directamente en las mezcladoras y los lodos de la cal provenientes del tratamiento pasan a la mezcladora rápida por gravedad. También se necesita energía para la iluminación, ventilación y calentamiento, entre otros. Así mismo, se requiere aproximadamente un promedio de 29.8 kwh/m 2 /año. 9 Los materiales para mantenimiento son instrumentos de laboratorio, elementos para la alimentación de compuestos químicos, bombas de lodos y unidades de tratamiento, entre otros componentes. 54

12 También se deben considerar costos de mano de obra para ajustes de procesos químicos, así como los costos de adición de compuestos químicos a los alimentadores en pequeñas plantas y los costos de reparación y mantenimiento de los equipos. COSTOS DE OPERACIÓN Y MANTENIMIENTO ENERGÍA kwh/yr CONSTRUCCIÓN PROCESO TOTAL UNA ETAPA DOS ETAPAS UNA ETAPA DOS ETAPAS UNA ETAPADOS ETAPAS Tabla Datos de requerimiento de energía (kw/yhr) mediante adición de cal ENERGÍA kwh/yr y = 1E-8x x y = 1E-8x x y = 1E-8x x y = 9E-9x x y = 2E-9x x y = -3E-9x x B-1 B-2 P-1 P-2 T-1 T-2 CAPACIDAD DE LA PLANTA gpd Fig Requerimiento de Energía vs capacidad de la planta mediante tratamiento con cal 55

13 CAPACIDAD DE MATERIAL MANTEN. ($) LA PLANTA gpd UNA ETAPA DOS ETAPAS Tabla Datos de costos de operación y mantenimiento mediante adición de cal CAPACIDAD DE MANO DE OBRA (HR/YR) MANO DE OBRA ($) LA PLANTA gpd UNA ETAPA DOS ETAPAS UNA ETAPA DOS ETAPAS Tabla Datos de tiempo requerido y costos de mano de obra mediante adición de cal CAPACIDAD DE COSTOS ENERGÍA ($) COSTOS TOTALES ($) LA PLANTA gpd UNA ETAPA DOS ETAPAS UNA ETAPA DOS ETAPAS Tabla Datos de costos de energía y totales mediante adición de cal 56

14 COSTOS DE OPERACIÓN Y MANTENIMIENTO $ y = 7E-9x x R 2 =.9835 y = 2E-9x x R 2 =.988 $T-1 $T-2 E-1 E-2 1 y = 9E-1x2 +.41x y = 7E-1x2 +.24x CAPACIDAD DE LA PLANTA gpd Fig Costos de operación y mantenimiento vs capacidad de la planta mediante tratamiento con cal Costos de los requerimientos químicos Las especies químicas utilizadas en una planta de remoción de dureza son cal, carbonato de sodio y dióxido de carbono. Las dosis utilizadas de cal y carbonato de sodio están en función del tipo de dureza presente y de la dureza deseada en el agua al final del proceso. 9 Es difícil describir un requerimiento de compuestos químicos que sea aplicable a todos los casos debido a la gran variabilidad de las aguas tratadas Generación de residuos Los lodos generados en este tratamiento deberán ser secados para reducir su peso y volumen; con el objetivo de integrarlos al proceso de fabricación; destacando que el espacio que requieren para su secado y el transporte de éstos hacia su lugar de origen implican costos considerables. 57

15 5.3 ÓSMOSIS INVERSA Los avances en la tecnología de membranas llevan a un desarrollo de membranas que operan a bajas presiones, alrededor de 14.6 kg/cm 2, en contraste con las membranas que operan a alta presión, de aproximadamente kg/cm 2 o más. Las membranas de baja presión resultan ser sustanciales para el ahorro de energía eléctrica en el proceso. Algunas desventajas de estas membranas comparándolas con las que operan a alta presión incluyen un menor porcentaje de remoción de contaminantes, puesto que no operan correctamente con altos porcentajes de sólidos suspendidos, es decir, tienen un bajo porcentaje de recuperación del líquido, sin embargo es una tecnología que sigue en desarrollo. En la siguiente discusión, al hablar de baja presión se refiere a una presión de operación de 14.6 kg/cm 2 y un sistema a alta presión habla de aquellos operados a kg/cm 2. Membranas de baja presión 2 psia 14.6 kg/cm 2 hasta 2 ppm Membranas de alta presión 4 psia kg/cm 2 hasta 1 ppm Tabla Tipos de membranas utilizadas en la ósmosis inversa 58

16 Temperatura de alimentación C ph 5.5 a 6 Flujo de alimentación Recuperación de Agua (%) 2,5-1, gpd 4 1, - 5, gpd 5 5, - 1, gpd 65 1, - 1 mgd 75 Tabla Recuperación de agua de acuerdo al flujo empleado en la ósmosis inversa Concentración Recuperación de Agua (%) 5 ppm 75 6 ppm 7 7 ppm 65 8 ppm 6 9 ppm 55 1ppm 5 Tabla Recuperación de agua de acuerdo a la concentración de sales Capacidad de la planta gpd Costo de construcción $ Tabla Costos de construcción en ósmosis inversa Costos de construcción Los datos de los costos de construcción fueron calculados para una sola etapa de sistemas de tratamiento que son capaces de tratar concentraciones de sólidos disueltos totales de aproximadamente 2, mg/l en membranas de baja presión; y de 1, mg/l en membranas que operan a alta presión. Los costos de construcción son comparables para ambos sistemas. 59

17 Puede considerarse que el costo de capital del tratamiento de ósmosis inversa se mantiene sin cambios hasta una concentración de sólidos totales disueltos de 1, mg/l, aún cuando el porcentaje de recuperación disminuye. Esto incrementa la capacidad de las bombas de alimentación al sistema; sin embargo, también incrementa el costo total de la ósmosis inversa en menos de un cinco por ciento. Sin embargo, no se cuenta con costos para sistemas que tratan concentraciones mayores a los 5, mg/l. El efecto más grande que se tiene en los costos de la ósmosis inversa corresponde a la energía y los costos de pretratamiento, ya que éstos aumentan en razón al flujo de agua a tratar. 9 Una ventaja de utilizar sistemas múltiples estándares cuando se tiene un flujo de más de m 3 /d es que se puede confiar en que se tienen varios sistemas en caso de que una unidad necesite ser removida para ser reparada. Este análisis de costos utilizó unidades montadas así como unidades múltiples para todos los rangos de flujo. 9 Algunos de los componentes que se toman en cuenta para calcular los costos de construcción son la habitación, los costos de las estructuras de acero y otros metales, tanques, tuberías, válvulas, bombas de alta presión para la alimentación, elementos de la membrana de ósmosis inversa, válvulas de presión, medidores de flujo, filtros, equipo para alimentar ácido y polifosfato al sistema, equipo de limpieza y el degasificador. Los datos de los 6

18 costos están basados en el uso de ya sea una membrana de fibras finas o de espiral. El material para las membranas puede ser de acetato de celulosa o poliamidas. COSTOS DE CONSTRUCCIÓN $ USD y = -1E-7x x R 2 = gpd Fig Costos de construcción vs capacidad de la planta mediante ósmosis inversa Requerimientos de energía Se necesita energía eléctrica para operar las bombas de agua, para el pre y post tratamiento químico, y para operar el degasificador. La eficiencia combinada de la bomba para alimentación y la eficiencia del motor se incrementan cuando el flujo aumenta. Las eficiencias utilizadas en estos cálculos fueron: 4% hasta m 3 /d de capacidad de planta, 5% para m 3 /d y 6% sobre los 378.5m 3 /d, con base en datos reportados. 9 61

19 Los requerimientos energéticos para la alimentación de químicos al proceso y al degasificador fueron de 1% para los sistemas de alta presión y capacidades menores a m 3 /d, y de 5% para una capacidad de planta sobre m 3 /d. 9 La energía del proceso varía con el porcentaje de recuperación. Como se discutió en los costos de construcción, el porcentaje de recuperación es proporcional al tamaño de construcción. Sin embargo, si los sólidos totales disueltos se incrementan arriba de los 5, mg/l, se obtendrá un menor porcentaje de agua de recuperación, para así mantener una concentración de salmuera razonable y prevenir el deterioro del equipo. Se ha desarrollado un análisis de los datos de gasto energético del proceso para una concentración de sólidos totales disueltos de 2, mg/l para sistemas de baja presión y de 5,, 8,, y 1, mg/l para sistemas de alta presión. 9 Se incluye la energía para la edificación, iluminación, calentamiento y ventilación basado en estimados por área requerida para las instalaciones del equipo de ósmosis, a excepción del degasificador, que se encuentra fuera de la instalación. Fue utilizado un requerimiento energético de 29.8 kwh/m 2 /año para la iluminación, calentamiento y ventilación. Este requerimiento se basa en el factor de iluminación de tres horas por día. 62

20 Los requerimientos más grandes en cuanto a materiales de mantenimiento son las membranas, la vida de éstas es de aproximadamente tres años. Otros requerimientos de mantenimiento son los filtros, limpieza de membrana con agentes químicos, y materiales para la reparación periodica de bombas, motores y equipo de control eléctrico. En este análisis no se incluyen los costos de pretratamiento químico, como el de ácido y el del polifosfato y de post tratamiento químico. Los costos de material para mantenimiento se incrementan un poco al disminuir el porcentaje de recuperación, debido a un incremento en el bombeo a la unidad de ósmosis inversa. Los requerimientos de mano de obra se consideran necesarios para la limpieza y el reemplazo de las membranas, re-acidificación de los filtros, mantenimiento de las bombas de alta presión y otras bombas, preparación de los agentes químicos para el tratamiento y determinación de las dosis necesarias, mantenimiento de la alimentación de los agentes químicos y el monitoreo de las membranas de ósmosis inversa. La limpieza de la membrana se realiza en forma mensual y los requerimientos de trabajo mínimos fueron estimados de aproximadamente 1 hr/diaria para la planta más pequeña. 63

21 Capacidad de la Construcción y proceso planta (gpd) Energía (kwh/yr) Tabla Requerimiento de energía para ósmosis inversa Capacidad de la COSTOS ($) planta (gpd) MantenimienMano de Obra Costo total Energía Tabla Costos de operación y mantenimiento en ósmosis inversa COSTOS DE OPERACIÓN Y MANTENIMIENTO y = -6E-8x x R 2 = 1 $mantenimento 2 y = -3E-8x x mano de obra R 2 = 1 Costo total 1 5 y = -7E-9x x R 2 = Capacidad de la planta (gpd) Fig Costos de operación y mantenimiento vs capacidad de la planta mediante ósmosis inversa 64

22 Los agentes químicos que se requieren en la ósmosis inversa son el hexametafosfato de sodio para el control de la incrustación, el ácido sulfúrico para el ajuste del ph antes del tratamiento, el hidróxido de sodio para incrementar el ph después de la aplicación del tratamiento. Los costos de cada uno de estos están en función de la dosis, el costo unitario del compuesto químico y el porcentaje de recuperación. 65

23 5.4 FILTROS La calidad del agua tiene un impacto inversamente proporcional al costo del tratamiento de filtración, ya que establece las dosis requeridas de coagulante y complemento del coagulante, que se aplican a los procesos. Generalmente, al incrementarse la turbidez, el color y la concentración bacteriana en el agua, se necesitará una dosis más alta de coagulante, así mismo se incrementan los costos debido a un aumento en la temperatura del proceso. Los flujos de filtración que exceden los m 3 /m 2 /h, con un flujo dual o en medio mezclado requieren la adición de agentes auxiliantes al coagulante, especialmente cuando la temperatura del agua se encuentra en un rango de C. 9 En aplicaciones en las cuales el único pretratamiento es el mezclado flash o el contacto de recipiente (filtración directa), las cargas de sólidos suspendidos a los filtros reducen el ciclo de filtrado, por lo que se requiere de retro-lavados mucho más frecuentes y se reduce la producción neta de agua filtrada. Para agua con una calidad muy pobre, es deseable operar con un bajo flujo de filtración, lo que puede proporcionar un incremento en el costo del tratamiento Costos de construcción Los costos de construcción fueron evaluados bajo estos criterios, para aquellas instalaciones que emplean dos tanques abiertos cilíndricos con 66

24 válvulas automáticas y controladores. Estos costos incluyen el retro-lavado, bombas de lavado de superficie y los controladores, así como la tubería de los filtros, el filtro mezclador, polímeros, equipo de alimentación y otros accesorios dentro de los limites de batería. Las velas de filtración miden ocho pies de alto y descargan a través de válvulas de nivel que controlan el efluente, la descarga se dirige a un almacén de agua. El retro-lavado de los filtros es automático, de acuerdo a las pérdidas de los mismos. Los costos de construcción excluyen las instalaciones del pre-tratamiento, del almacenamiento de agua y del bombeo del agua tratada. Costos de Construcción Flujo (gpm) Flujo (gpm) Área (ft2) Costo $ 2 gpm/ft2 5 gpm/ft Tabla Costos de construcción para filtros 67

25 COSTO DE CONSTRUCCIÓN 3 25 $ USD y = x x R 2 = AREA DEL FILTRO (ft 2 ) Fig Costos de construcción vs área del filtro Requerimientos de energía Los costos energéticos calculados para el proceso de retro-lavado se realizan para una y dos veces por día, para flujos de filtración de 4.88 y 12.1 m 3 /m 2 /h. 9 La energía para construir se basa en 29.8 kwh/m 2 /y para calentamiento, ventilación e iluminación. Este uso considera el uso de iluminación durante tres horas diarias. Área Filtro Consumo de Energía kwh/yr.7 (ft2) 2 gpm/ft2 1rl 2 gpm/ft2 2rl 5 gpm/ft2 1rl 5 gpm/ft2 2rl Tabla Consumo de energía anual para filtros 68

26 CONSUMO DE ENERGÍA kwh/yr y = 122.3x R 2 =.9926 y = x R 2 = Área de filtro (ft2) 1 retrolavado/día 2 retrolavados/día Fig Consumo de energía vs área del filtro Área Filtro Costo de Energía $/año (ft 2 ) 2 gpm/ft2 1rl 2 gpm/ft2 2rl 5 gpm/ft2 1rl 5 gpm/ft2 2rl Tabla Costos energía para filtros Los materiales para el mantenimiento y el reemplazo de componentes que se desgastan o se rompen durante la operación normal, también están considerados. Algunos materiales típicos para el mantenimiento son sellos de bombas, lubricantes, repuestos para algunas partes de las bombas, 69

27 reparación de instrumentación y algunos otros productos necesarios para facilitar el mantenimiento. Área Filtro Costos de Material de Mantenimiento ($/año) (ft 2 ) 2 gpm/ft2 1rl 2 gpm/ft2 2rl 5 gpm/ft2 1rl 5 gpm/ft2 2rl Tabla Costos de material de mantenimiento para filtros COSTO MATERIAL DE MANTENIMIENTO 25 2 y = Ln(x) R 2 =.9656 $ USD y = 339.2Ln(x) R 2 = Área Filtro (ft 2 ) 1retrolavado 2 retrolavados Fig Costos material de mantenimiento vs área del filtro Los requerimientos de trabajo cubren tanto mantenimiento como operación, en donde se canaliza la mayor parte del trabajo a las operaciones de rutina. El operador tiene las tareas de revisar la operación mecánica de los filtros diariamente, de asegurar que las dosis de especies químicas alimentadas 7

28 sean las correctas para que se obtenga la calidad deseada en el agua. También debe efectuar pruebas de rutina a las instalaciones de mantenimiento. Área Filtro Mano de Obra (hr/año) (ft 2 ) 2 gpm/ft2 1rl 2 gpm/ft2 2rl 5 gpm/ft2 1rl 5 gpm/ft2 2rl Tabla Tiempo requerido de mano de obra para filtros Área Filtro Costos de Mano de Obra ($/año) 11 (ft 2 ) 2 gpm/ft2 1rl 2 gpm/ft2 2rl 5 gpm/ft2 1rl 5 gpm/ft2 2rl Tabla Costos de mano de obra para filtros 71

29 MANO DE OBRA hr/yr y = Ln(x) R 2 =.975 y = Ln(x) R 2 =.9761 y = Ln(x) R 2 =.9761 y = Ln(x) R 2 =.975 2gpm/ft2-1rl gpm/ft2-2rl 25 ÁREA FILTRO (ft2) 5gpm/ft2-1rl 5gpm/ft2-2rl Fig Tiempo requerido de mano de obra vs área del filtro Área Filtro Costo Total ($/año) (ft 2 ) 2 gpm/ft2 1rl 2 gpm/ft2 2rl 5 gpm/ft2 1rl 5 gpm/ft2 2rl Tabla Costos totales para filtros 72