Regeneración de aguas mediante ultrafiltración para su uso en un sistema de refrigeración

Transcripción

1 Regeneración de aguas mediante ultrafiltración para su uso en un sistema de refrigeración Silvia García Rodríguez Ingeniero Técnico Industrial; Delegada Comercial de la Empresa ELECNOR, S.A. José María Oliver Sierra Consejero Delegado de la Empresa DEISA. 1 Antecedentes 1.1 El problema La recuperación de agua depurada para darle nuevos usos es una práctica usual, y que está en franca expansión. Se ha producido un cambio reciente en la legislación que regula el uso de aguas recuperadas, y de acuerdo con la normativa recientemente entrada en vigor, la calidad del agua disponible a la salida de un tratamiento de depuración convencional, puede no ser suficiente para cumplir con las nuevas exigencias,. En ese caso, el recurso quedaría como no aprovechable. 1.2 Situación legal actual La nueva normativa (Real Decreto 1620/2007, de 7 de diciembre, que regula el régimen jurídico de la reutilización de aguas depuradas) hace referencia explícita, en su anexo I.A, a los criterios de calidad para la reutilización del agua según sus usos (urbanos, agrícolas, industriales, recreativos o ambientales). En particular, el criterio que afecta al uso en torres de refrigeración (calidad 3.2) es especialmente restrictivo. Tabla 1 Parámetros según Real Decreto 1620/2007 Parámetro Unidades Valor Sólidos en suspensión mg/l 5 Turbidez NTU < 1 Escherichia coli Ufc/100 ml Ausencia Nemátodos Huevos / 10 l < 1 Legionella Ufc/ l Ausencia 1.3 El caso de Guadalhorce La empresa GAS NATURAL SDG, SA, ha construido en Málaga una nueva Central Térmica de Ciclo Combinado. Esta nueva Central se diseñó para utilizar, en la totalidad de sus servicios industriales, agua recuperada procedente de la EDAR Guadalhorce. Los usos del agua en una Central Térmica son dos, principalmente: - Aporte a circuitos de refrigeración

2 - Aporte al ciclo (agua ultrapura) La previsión inicial era utilizar directamente el agua regenerada como aporte a los circuitos de refrigeración, y darle un tratamiento complementario para permitirle alimentar al ciclo. La EDAR Guadalhorce recibe y procesa aguas residuales urbanas procedentes del núcleo urbano de Málaga. Para adecuar la calidad del agua que produce la citada EDAR, se diseñó en 2006, construyéndose en , un tratamiento terciario formado por: - Dosificación de reactivos (cloración, coagulación, floculación) - Clarificación en decantador lamelar - Filtración sobre arena - Cloración final (ClO2) - Irradiación UV Los valores previstos a la salida de este tratamiento terciario, para los parámetros que regula el nuevo RD, son los siguientes: Tabla 2 Parámetros de salida del tratamiento terciario Parámetro Unidades Valor Sólidos en suspensión mg/l 5 Turbidez NTU < 2 Coliformes totales Ufc/100 ml < 2,2 Nemátodos Huevos / l < 1 Legionella Ufc/ l < 100 Turbidez, coliformes, huevos de nemátodos y legionella tienen exigencias superiores a las del agua disponible. Los sólidos en suspensión están justamente en el límite, y no puede asegurarse que no se presentes episodios de superación de ese límite, durante períodos de tiempo limitados. En consecuencia, es necesario complementar el tratamiento previsto para adecuar la calidad del agua producida a los requisitos legales actualmente vigentes, y poderla enviar a la Central en condiciones correctas. El caudal nominal de agua a producir es de 900 m3/h. La acumulación de agua tratada es limitada, por lo que el proceso que se implemente debe ser capaz de producir el caudal nominal en continuo, por largos períodos de tiempo. 2 Estudio de alternativas tecnológicas La exigencia de calidad que se deriva del RD no puede cumplirse con los procedimientos físico-químicos convencionales, incluso llevados hasta sus límites. La instalación existente ya está aplicando criterios de alta eficiencia para la esterilización química (pre- y postcloración, con ClO2) y física (irradiación UV), pero no puede ir más allá por diversas razones: - Hay formas de vida que son resistentes a la agresión de estos agentes, y que a posteriori pueden generar desarrollos biológicos. - La fuga de MES (turbiedad) puede contener restos de biomasa, como encapsulada en el interior de las partículas que fugan (son partículas discretas, si bien de pequeño tamaño), dejándola fuera del alcance de los agentes esterilizantes Así pues, la única manera de alcanzar la calidad requerida es mediante la inclusión en el circuito de una barrera física, que siendo permeable al agua no deje pasar los microorganismos. En la práctica, el umbral de filtración debe ser < 0,1 µ para asegurar la eficacia de la separación.

3 Existen varios sistemas comerciales que permiten proceder industrialmente a una filtración como la necesaria en este caso, utilizando membranas de micro / ultrafiltración. Físicamente, las membranas pueden presentarse en dos formatos: espiral) - Como membrana plana (en cartuchos que agrupan hojas de membrana, o en forma de arrollamiento - Como fibras o capilares huecos (agrupados en carcasas a presión o como fibras sueltas) En ambos casos, la fuerza motriz que hace que el agua atraviese la membrana es la presión; puede ser mediante presión positiva o negativa (en succión), ya que los diferenciales de presión aplicados pueden variar entre 0,2 y 2,0 bar. De los formatos comercialmente disponibles, se selecciona como preferible el siguiente: a) Membrana capilar operando a presión, filtración de dentro a fuera del capilar, con las fibras filtrantes contenidas dentro de una carcasa cilíndrica, con contralavados periódicos. Las razones son las siguientes: - Bajo consumo energético (ventaja ecológica) - el agua procesada no está en ningún momento expuesta a la atmósfera, quedando en todo momento confinada en tuberías y contenedores de membranas (menor riesgo de crecimiento biológico) - existe una sistemática de comprobación de la integridad de las membranas (mayor fiabilidad de los resultados de la explotación) - es más compacta y más ligera (mayor facilidad de implantación) Se descartan otros formatos por las siguientes consideraciones: b) Fibras huecas operando sumergidas y en depresión: el aire requerido para su limpieza agita fuertemente los haces de fibras, produciendo una cierta proporción de roturas por fatiga. En este caso, que se desea disponer una barrera física absoluta, se considera un riesgo inasumible. No se trata solamente de mejorar la calidad física, sino de impedir el paso de cualquier microorganismo. c) Membrana plana, en arrollamiento espiral, operando sumergida y en depresión, con limpieza en continuo por aire: no tiene problema de rotura, pero es constructivamente más compleja, y su consumo de aire es elevado (costo elevado en energía) d) Membrana plana agrupada en cartuchos de hojas rectangulares, operando sumergidas y en depresión: son diseños optimizados para funcionamiento en sistemas biológicos (MBR), y menos eficientes para filtrar aguas limpias como este caso. e) Membrana plana arrollada espiral y a presión: más sensible al ensuciamiento, no se presta a contralavados periódicos, y es más exigente con los lavados químicos. 3 Diseño y dimensionamiento de la instalación 3.1 Implantación general La planta de ultrafiltración está situada dentro del recinto de la EDAR de Guadalhoce, en Málaga. Debido al poco espacio disponible todo el equipamiento de ultrafiltración (filtros, bastidores, bombas retrolavado) se instala sobre la cubierta del depósito de agua tratada protegido de la intemperie por una nave de unos 600 m2 construida directamente sobre el depósito. En el exterior de la nave y sobre el terreno se implantan los depósitos auxiliares de permeado, neutralización, lavado CIP y los sistemas de almacenamiento y dosificación de reactivos El pozo de bombeo de agua de alimentación se ha situado junto a la salida del tratamiento terciario.

4 3.2 Datos de partida y resultados a obtener Las características del agua admisible en el sistema de ultrafiltración quedan reflejadas en la tabla tres. Algunos parámetros son menos exigentes que los del agua procedente del terciario, lo que nos permite cierto margen de seguridad en caso de fallo de éste: Tabla 3 Características del agua de entrada Parámetro Unidad Valor ph Fosfato (total) mg PO4-3 / l 3 Hierro Fe+ mg/l < 0,5 Cloro residual mg / l 2 Oxidantes residuales totales mg / l 2 Sólidos en Suspensión mg / l 7 Turbidez NTU 3 Coliformes fecales Ufc / 100 ml 5 Nemátodos Huevos / l 2 Legionella Ufc / l 100 Aerobios totales Ufc / ml 1000 Temperatura de diseño ºC Concentración máxima grasas y aceites mg / l 5 El efluente, además de cumplir con los parámetros del Real Decreto expresados en la tabla 1 tendrá los siguientes valores con respecto a otros parámetros de entrada: Tabla 4 Características del efluente Parámetro Unidad Valor ph Fosfato (total) g PO43- / m3 No varía con respecto al valor de entrada. Fe g / m3 No varía con respecto al valor de entrada. Cloro residual g / m3 2 Oxidantes residuales totales g / m3 2 DBO5 g / m3 No varía Coliformes fecales Ufc / l 0 Aerobios totales Ufc / ml Línea de tratamiento propuesta La instalación consta de las siguientes etapas. - BOMBEO DE AGUA A ULTRAFILTRACIÓN: (3+1R) Bombas de agua de entrada. - FILTRACIÓN PREVIA: (3+1R) Filtros de malla autolimpiantes de 50 micras. - ULTRAFILTRACIÓN: 8 bastidores de ultrafiltración.

5 - SISTEMA DE RETROLAVADO: (2+2R) Bombas de retrolavado. - LAVADO CIP: 1 Depósito de 10 m3. Bombas de recirculación CIP. - NEUTRALIZACIÓN: (1+1R) Bombas de recirculación y evacuación de neutralización. 1 Depósito de neutralización de 80 m3. - LAVADOS QUÍMICOS: Depósito y bombas de hipoclorito sódico Depósito y bombas de sosa Depósito y bombas de ácido sulfúrico. Depósito y bombas de bisulfito sódico para mantenimiento de membranas. - LINEA DE AIRE:. Test de integridad. Compresores y depósito de aire comprimido de 2 m3 3.4 Descripción de las obras e instalaciones Bombeo de agua a ultrafiltración Se ha ejecutado el pozo de bombeo junto a la salida del tratamiento terciario y en el se han instalado cuatro (3+1R) bombas sumergibles de 380 m3/h de caudal a 4 bares de presión. Estas bombas aportan los m3/h necesarios para producir los 900 m3/h requeridos.. Como la capacidad de almacenamiento de agua tratada (permeado) es únicamente de tres horas, el bombeo funciona a demanda con la señal emitida por un medidor de nivel situado en el depósito de agua tratada. El sistema cuenta con variadores de frecuencia para cada unidad lo que permite trabajar a la instalación entre el 20% y el 100% de su capacidad Filtración previa Para proteger las membranas reduciendo el riesgo de ensuciamiento se han instalado cuatro (3+1R) unidades de filtros de malla autolimpiantes de 400 m3/h de caudal unitario con una luz de paso de 50 micras. Mediante un transmisor de presión diferencial situamos la frecuencia de lavado cuando éste alcance el valor de 0,3 bar. Mientras dura la secuencia de lavado (unos 25 segundos) el filtrado continúa lo que facilita la operación de la planta. En caso de avería o mantenimiento de uno de los filtros este quedará fuera de servicio y será sustituido de forma automática por el de reserva. Figura 1 Filtro de malla autolimpiante

6 3.4.3 Sistema de ultrafiltración: El agua prefiltrada llegará seguidamente a los bastidores de membranas. Como sistema de ultrafiltración se ha optado por membranas de fibra hueca de 0,8 mm de diámetro fabricadas en Poliestersulfona modificada, agrupadas en módulos HYDRACAP-60 de la marca Hydranautics. Figura 2 Módulo de membranas Para dar flexibilidad a la instalación se optó por instalar ocho líneas de ultrafiltración de 129 m3/h de caudal máximo unitario lo que permite producir los 900 m3/h requeridos con tan solo 7 líneas en funcionamiento. Cada línea está formada por un bastidor en el que se han instalado 48 módulos de membranas. Las características principales de la planta en el proceso de filtrado son las siguientes: Tabla 5 Características principales del sistema de ultrafiltración Tipo de membrana HYDRAcap60 Diámetro de la fibra de membrana 0,8 mm Superficie de la membrana 46 m2 Número de módulos por bastidor 48 Nº de bastidores en funcionamiento en operación normal 8 Nº de bastidores en funcionamiento con reserva o lavado 7 Superficie de membrana por bastidor 2.208,00 m2 Superficie de membrana instalada ,0 m2 Parámetros del proceso: Productividad m3 por día Caudal medio filtrado en la Ultrafiltración 903 m3 por hora Tiempo de carrera de filtración 30 minutos Caudal de entrada m3/día Caudal de entrada 1004,2 m3/h Porcentaje de agua permeada con respecto al agua de la 89,9 % entrada Tiempo total de interrupción (minutos) 1083,2 minutos por día Tiempo total de interrupción por horas 18,05 horas por día Tiempo de producción de toda la instalación 173,94 hr/día Caudal de Ultrafiltración instantáneo 1111 m3/hr

7 Caudal de Ultrafiltración instantáneo por línea 139 m3/hr FLUX máximo de operación 62,95 Lmh Eficiencia 80,9 % FLUX máximo de operación (con un bastidor fuera de servicio) 72,20 Lmh El permeado se envía directamente a dos depósitos de 120 m3 de capacidad unitaria de los cuales se alimentan las bombas de retrolavado y de estos, por gravedad a un depósito de agua tratada de m3 de capacidad. En este depósito se ha instalado un sistema de esterilización del aire de entrada y se ha recubierto con pintura epoxídica las partes en contacto con el agua para impedir su contaminación. Retrolavado: A medida que las sustancias sólidas se acumulan sobre la superficie de las membranas la presión transmembrana aumenta proporcionalmente y la capacidad de filtración disminuye. Esta acumulación de sólidos puede eliminarse física o químicamente El proceso físico de eliminación de los contaminantes se conoce como retrolavado al que en caso necesario se le añaden componentes químicos. Para el retrolavado se han instalado 4 bombas (2+2R) que aspiran agua tratada de los dos depósitos de 120 m3. Todo el sistema está temporizado y en función del tipo de lavado tiene una duración determinada. Lavados químicos: Se producen cuando se introducen productos químicos en la solución de retrolavado del filtrado. Este tipo de retrolavado se conoce como retrolavado mejorado químicamente (CLC). La solución química presente por el retrolavado llevado a cabo se mantiene dentro de los módulos parados durante un periodo de tiempo definido. En la instalación están previstos los siguientes: Lavado con adición de NaOCl al 15% 6 veces al día (CLC1) Lavado con adición de NaOH al 25% 2 vecesa al día (CLC2) Lavado con adición de SO4H2 1 cada 3 días (CLC3) Para el almacenamiento y dosificación de reactivos se ha dotado a la planta del siguiente equipamiento: Hipoclorito sódico 1 bomba de trasiego. 1 Depósito de almacenamiento de volumen útil l y fabricado en PRFV 2 (1+1) Bombas dosificadoras. Caudal: 0-40 l/h Presión: 10 bar Sosa 1 Bomba de trasiego. 1 Depósito de almacenamiento de volumen útil l y fabricado en PRFV 2 (1+1) Bombas dosificadoras Caudal: l/h Presión: 7 bar Ácido sulfúrico 1Bomba de trasiego. 1 Depósito de almacenamiento de volumen útil l y fabricado en PEAD 2 (1+1) Bombas dosificadoras Caudal: l/h Presión: 7 bar Para realizar los contralavados se establecen distintas secuencias de aproximadamente 24 horas de duración, de tal forma que se inicia el lavado en el bastidor nº 1, por ejemplo, y cuando termina se inicia el retrolavado en el nº 2 y así sucesivamente. Como hay un lavado con ácido sulfúrico cada tres días existen tres secuencias, uno para cada día que se suceden de forma consecutiva. Se acompaña un ejemplo de secuencia de lavado:

8 Tabla 6 Ejemplo de secuencia de lavado Día duración (h) Ciclo Bast 1 Bast 2 Bast 3 Bast 4 Bast 5 Bast 6 Bast 7 Bast CLC1 CLC1 CL CL CL CL CL CL CL CL CLC1 CLC1 CL CL CL CL CL CL CL CL CLC1 CLC1 CL CL CL CL CL CL CL CL CLC1 CLC CLC1 CLC1 CL CL CL CL CL CL CL CL CLC1 CLC1 CL CL CL CL CL CL CL CL CLC1 CLC1 CL CL CL CL CL CL CL CL CLC1 CLC1 Conservación de Membranas Cuando se realicen paradas de tres o más días es necesario inundar las membranas con agua y bisulfito a PH 2-3 para que estas no se deterioren. Para ello se instalaron los siguientes equipos: 1Bomba de trasiego. 1 Depósito de almacenamiento de volumen útil l 2 Bombas dosificadoras (1 en reserva) Caudal: l/h Presión: 10 bar Lavado CIP El lavado CIP se emplea para limpieza de las membranas cuando estas se han visto afectadas por alguna sustancia no habitual en el agua de entrada. En el depósito de 10 m3 instalado para este fin y que se llena con permeado se añade el producto químico necesario (p. ej. ácido cítrico en caso de contaminación por hierro ) y se introduce en el bastidor, al que previamente se ha dejado fuera de servicio y aislado, durante unas horas recirculándose (dos bombas de 30 m3/h) de vez en cuando hasta conseguir limpiar las membranas. El lavado CIP se realiza también una o dos veces al año (depende de la instalación) para hacer una limpieza más en profundidad de los bastidores. El rechazo del lavado químico es conducido al depósito de agua de lavado de filtros del terciario previamente neutralizado en el depósito construido al efecto. El rechazo del lavado normal (sin químicos), es conducido a cabecera de tratamiento terciario En la tabla siguiente se recogen los volúmenes diarios producidos en los retrolavados. Tabla 7 Volúmenes de agua de retrolavado Volumen de agua sucia de limpieza Volumen de agua de retrolavado normal 1129 m3/día Volumen de agua de lavado químico CLC m3/día Volumen de agua de lavado químico CLC2 308 m3/día Volumen de agua de lavado químico CLC3 84 m3/día MIT Agua sucia por planta 38 m3/día Total agua sucia por planta 2563 m3/día Test de Integridad Es un test que se realiza para comprobar la integridad de las membranas. Se realiza introduciendo aire libre de aceites a presión en el bastidor, para lo cual se han instalado dos compresores de 300 l/min de caudal y 10 bares de presión así como los sistemas de filtros, y midiendo la pérdida de carga en función del tiempo. Estos test se realizan automáticamente durante los contralavados químicos entre la fase de remojo y el enjuague.

9 Fiabilidad de la instalación El circuito de refrigeración de la central necesita alimentación constantemente. Para ello a la planta se la ha dotado de todos los elementos de reserva necesarios para que en ningún momento por causa de una avería mecánica la instalación se pare: Bombas de entrada, filtro de malla, bombas de retrolavado, bombas dosificadoras, bombas de lavado CIP. Además, tal y como se ha dicho anteriormente, el sistema de ultrafiltración está diseñado para funcionar con un bastidor fuera de servicio y otro en proceso de lavado, aunque en operación normal todos están trabajando para que las condiciones de trabajo de las membranas sean menos exigentes. En caso de ser necesaria mayor producción de permeado la planta está pensada para una ampliación rápida y sencilla: Se ha previsto dejar el espacio así como las conexiones necesarias para instalar una bomba más en el pozo de entrada, un nuevo filtro de malla y un noveno bastidor. Así mismo en cada bastidor de 48 módulos hay espacio para instalar de forma rápida otros 4 módulos en cada uno de ellos.