Regeneración de Aguas para la Industria

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Regeneración de Aguas para la Industria: Proyecto de Demostración de El
Camp de Tarragona
Jovés Paniello, Joan. Agencia Catalana del Agua
Navaz Guinea, Alfredo. Agencia Catalana del Agua
Trillo Montsoriu, Juan D**. Asesoría Técnica y Control
Riera Llordella, Simón*. Asesoría Técnica y Control
Sanz Ataz, Joan**. Veolia Water Solutions & Technologies
Ortega Díaz, Juan Manuel*. Veolia Water Solutions & Technologies
Mujeriego Sahuquillo, Rafael. Universidad Politécnica de Cataluña
RESUMEN
La aportación de recursos hídricos para consumo humano desde el río Ebro, la implantación de una
potente industria petroquímica, los avances del saneamiento urbano en el Camp de Tarragona, con
EDAR en Vilaseca y Tarragona, la disponibilidad de efluentes secundarios como materia prima para la
obtención de agua regenerada y la larga experiencia en reutilización de agua para riego agrícola y de
jardinería configuran un marco singular para la gestión integrada del agua, donde el agua regenerada
aparece como una alternativa viable al agua de consumo humano para suministro industrial. Los
criterios de calidad del agua para uso industrial comportan unos parámetros y unos niveles de calidad
específicos del uso considerado, en particular el suministro de agua para refrigeración. El agua
regenerada para suministro de torres de refrigeración debe cumplir los requisitos del RD 1620/2007 y
las especificaciones propias de los circuitos de refrigeración industrial. Parámetros como amonio,
fosfatos, DBO, TOC, DQO, conductividad, cloruros, sulfatos, calcio y alcalinidad se unen a los fijados
en el RD 1620/2007. La Agencia Catalana del Agua ha patrocinado un proyecto de demostración para
documentar la eficacia y la fiabilidad de un proceso de regeneración avanzada capaz de producir agua
que satisfaga las especificaciones de los sistemas de refrigeración de la industria petroquímica. El
proyecto de demostración se realizó en la EDAR de Tarragona entre mayo y julio de 2008. El objetivo
de esta comunicación es presentar los resultados de este proyecto de demostración.
ABSTRACT
The contribution of water resources for human consumption from the Ebro river, the introduction of a
powerful petrochemical industry, urban sanitation in the Camp de Tarragona, advances with WWTP
Vilaseca and Tarragona, the availability of secondary effluent as raw material for obtaining reclaimed
water and long experience in water reuse for agricultural irrigation and garden set up a unique
framework for the integrated management of water, where the reclaimed water appears as a viable
alternative to industrial supply drinking water. Water quality criteria for industrial reuse take into
account some parameters and specific quality levels for specific use, and in particular the supply of
water for cooling water systems. Reclaimed water for supply of cooling tower water must meet the
requirements of RD 1620/2007 and the specifications of the industrial cooling water systems.
Parameters such as ammonium, phosphates, BOD, TOC, COD, conductivity, chloride, sulphate,
calcium and alkalinity added to the RD 1620/2007. The Catalan Water Agency has sponsored a
demonstration project to document the effectiveness and reliability of a process able to produce water
that meets the specifications of the petrochemical industry cooling water systems with an advanced
water reclamation treatment. The demonstration project was carried out in WWTP Tarragona between
May and July 2008. This communication aims to present the results of this demonstration project.
PALABRAS CLAVE
Regeneración, reutilización, ósmosis inversa.
1
INTRODUCCIÓN
El estudio de la regeneración de aguas residuales depuradas es un hecho necesario debido a la escasez
general de agua en la geografía española. Desde el proyecto de demostración DEREA en Canarias
(DEmostración en REutilización de Aguas, 1994/95) se han llevado a cabo diversas experiencias a
escala de proyecto de demostración y muchas instalaciones de regeneración de aguas residuales
depuradas han entrado en servicio presentando un nuevo escenario en el campo de la regeneración y
reutilización del agua (Iglesias, 2005).
En las instalaciones con ósmosis inversa, ha existido la tendencia a utilizar pretratamientos basados en
tecnologías de membrana (microfiltración/ultrafiltración) en detrimento de las tecnologías
convencionales (fisicoquímicos, filtración). La operación de estas instalaciones de ósmosis inversa con
diversidad de pretratamiento, ha proporcionado un gran conocimiento y la optimización de los diseños
de las plantas (AEAS, 2006). Entre las experiencias recogidas ha aparecido una cuestión principal: la
influencia de la calidad y la variabilidad del efluente secundario en la operación del pretratamiento y
por tanto de la ósmosis inversa.
La promulgación del RD 1620/2007 (Ministerio de la Presidencia, 2007) y su aplicación ha
comportado una revisión de las tecnologías disponibles en la regeneración de agua en función de los
usos previstos en él por parte del CEDEX (Iglesias et al, 2009).
Dentro de este contexto, la Agencia Catalana del Agua (ACA) adjudicó a la UTE GPO Ingeniería
S.A.- Asesoría Técnica y Control S.A., el proyecto del tratamiento terciario de las aguas residuales de
Tarragona y Vila-seca y Salou, para la reutilización en las industrias del Camp de Tarragona. Dentro
de los trabajos incluidos en el contrato anterior, se incluyó el proyecto de demostración de
regeneración de las aguas. Se seleccionó para realizar el proyecto de demostración la EDAR de
Tarragona, gestionada por EMATSA.
El desarrollo del proyecto de demostración se efectuó durante los meses de mayo, junio y julio de
2008. En dicho proyecto se regeneró el agua procedente del efluente secundario de la EDAR de
Tarragona con dos objetivos fundamentales:
1. Obtener un agua a la salida del proceso que se adaptara a la normativa del RD 1620/2007
de 7 de diciembre, por el que se establece el régimen jurídico de la reutilización de las
aguas depuradas, en lo que se refiere al uso industrial aplicado a torres de refrigeración
(Tabla 1).
2. Cumplir con las especificaciones de calidad de agua para sistemas de refrigeración
requerida por los clientes industriales del área química / petroquímica de Tarragona (Tabla
2 y Tabla 3).
Como consecuencia de los objetivos anteriores se planteó otro objetivo adicional a los anteriores:
3. Evaluar la fiabilidad del proceso elegido como pretratamiento tanto en términos de calidad
de agua regenerada como en la estabilidad de operación del proceso de ósmosis inversa y
estudiar la variabilidad y caracterizar el efluente secundario de la EDAR de Tarragona
durante la duración del proyecto de demostración.
2
Tabla 1 Especificación requerida de la calidad del agua regenerada calidad 3.2 del RD1620/2007
Tabla 2 Especificación requerida de la calidad fisicoquímica del agua
Tabla 3 Especificación requerida de la salinidad del agua
3
PLANTA DE DEMOSTRACIÓN
El tratamiento convencional avanzado llevado a cabo para garantizar los parámetros exigidos para el
cumplimiento del RD1620/2007 y las especificaciones particulares de este proyecto de demostración,
contenía los siguientes elementos (Figura 1):
o
o
o
o
o
o
o
Decantación lastrada
Filtración por discos de microtamices
Filtración en serie: Filtro bicapa en primera etapa y filtro monocapa en segunda etapa
Filtros de seguridad
Ósmosis Inversa 1er Paso
Ósmosis Inversa 2º Paso
Desinfección del permeado: luz UV y/o ácido peracético
De acuerdo con la especificación particular de concentración de amonio inferior a 0,8 mg/L en el agua
regenerada, y las concentraciones de amonio en el afluente procedentes de estudios previos realizados
por la ACA, se planteó el empleo de un segundo paso de ósmosis inversa que garantizase su
cumplimiento.
La desinfección del agua regenerada se diseñó con la aplicación de luz ultravioleta con la posibilidad
de complementarla con la desinfección química en base a ácido peracético como posible alternativa a
la cloración en un futuro si fuera necesario.
Figura 1 Diagrama de proceso de la planta demostración de la EDAR de Tarragona
4
Descripción del Proceso
El proceso de decantación lastrada es un sistema completo de tratamiento fisicoquímico que incluye
un proceso basado en una precipitación química y decantación por lamelas combinadas con la
tecnología de floculación lastrada con microarena (Plum et al, 1998). El resultante es un flóculo
característico y uniforme que decanta muy rápidamente, lo que permite diseños con altas velocidades
de decantación y cortos tiempos de retención. Estas ventajas dan lugar a diseños de plantas con
implantaciones que son entre 5 y 20 veces inferiores a los sistemas convencionales de capacidad
similar.
La Figura 2 muestra el proceso esquemático de decantación lastrada. Como primer paso se añade un
coagulante al agua afluente en el tanque de coagulación (1) o en línea a la entrada del mismo. Dicho
coagulante puede ser una sal metálica como por ejemplo cloruro férrico, sulfato de aluminio o
policloruro de aluminio, con el cual la materia coloidal y algunas materias solubles se combinan, tanto
por neutralización de las cargas de los coloides como por procesos de absorción en la superficie de los
hidroxocomplejos formados, dando lugar a la retención de estas materias en forma de partículas en
suspensión. En algunos casos, el tanque de coagulación puede no ser necesario debido al corto tiempo
de reacción, dosificándose en este caso el coagulante antes de entrar al tanque de inyección.
Fango
5
Hidrociclón
Microarena
Decantador lamelar
Efluente
1
2
4
3
Bomba
arena
Influente
Tanque
coagulación
Tanque
inyección
Coagulante
Tanque
maduración
Fango + microarena
Floculante
Figura 2 Esquema del proceso de decantación lastrada
El agua pasa a continuación al tanque de inyección (2), en el que se añade microarena que se mezcla
por medio de un agitador con control de velocidad. La microarena tiene una talla efectiva de entre 130
y 80 micras según aplicación.
Cuando el agua pasa del tanque de inyección al tanque de maduración (3) se añade el floculante,
generalmente un polímero aniónico de alto peso molecular (poliacrilamida). En este tanque con diseño
específico, se dan las condiciones adecuadas para la formación de “puentes” de polímeros entre la
microarena y las partículas coaguladas, formando grandes flóculos fácilmente sedimentables. La gran
superficie específica disponible con la microarena favorece este proceso. Para evitar la rotura de los
flóculos formados, la floculación se realiza con agitación lenta.
5
Después de la floculación el agua pasa al decantador lamelar (4) donde los flóculos sedimentan
rápidamente, ya que la microarena aumenta considerablemente su densidad, en comparación con
procesos clásicos de precipitación. Esto implica que la velocidad superficial en el separador lamelar
puede ser entre 30 y 80 veces superior que en las plantas de tratamiento por precipitación química
convencionales. Por último, el agua tratada pasa a través de las lamelas y abandona la planta por
medio de los canales superiores de recogida.
El fango precipitado y sedimentado con la microarena se extrae de la parte inferior del decantador y se
bombean hacia el hidrociclón (5) por medio de la bomba de arena. El caudal típico impulsado hacia el
dispositivo anterior representa aproximadamente entre el 3 y el 6 % del caudal de entrada,
dependiendo de la concentración de sólidos en suspensión en el afluente. Sin embargo, es posible
incrementar este caudal con el fin de hacer el sistema más flexible.
En el hidrociclón la presión de bombeo se convierte en fuerza centrífuga, que provoca la separación
del fango de la microarena. Una vez separados, la microarena se descarga a través de la parte inferior
del hidrociclón y se reinyecta en el proceso para su reutilización. El fango de baja densidad se extrae
por la parte superior enviándose a continuación a la disposición final de los lodos. El caudal de fangos
se encuentra entre el 2 y el 4 % del caudal de agua tratada.
El agua decantada se conduce seguidamente por gravedad al sistema de filtración superficial mediante
microtamices en el que una malla de tejido de poliéster actúa como barrera física ante el paso de
partículas (Persson et al, 2006). La combinación de la decantación lastrada y filtración con
microtamices ya fue evaluada previamente en diferentes plantas de demostración y estaciones de
regeneración de agua (Sanz et al, 2007).
El agua de alimentación entra por la parte central del tambor desde donde se filtra hacia el exterior,
quedando los sólidos retenidos en la malla. La luz de la malla es de 10 µm. El agua, libre de sólidos,
pasa al tanque o canal de agua filtrada, desde donde se extraerá del filtro por gravedad. Durante el
proceso de filtración la tela se va colmatando y la diferencia de presión a través de la malla aumenta.
Cuando el agua de entrada alcanza un límite marcado por un sensor de nivel dentro del tambor, se
activa el proceso de contralavado que consiste en la aplicación de unos chorros de agua filtrada a alta
presión sobre la superficie exterior de la malla. La Figura 3 representa el diagrama de flujo de este
sistema.
Figura 3 Esquema de la filtración superficial mediante microtamices
Durante el funcionamiento normal, el tambor permanece estático hasta que el nivel de agua de entrada
alcanza la sonda de nivel. El contralavado empieza por tanto cuando se alcanza una determinada
6
presión hidrostática entre ambas caras de la malla filtrante. La materia en suspensión retenida en el
filtro es liberada por los chorros de agua de lavado y evacuada por el canal de contralavado mientras
que el tambor gira. El flujo de agua de lavado y el sistema de cabezales móviles del contralavado
aseguran una profunda limpieza de los paneles con un consumo mínimo de agua. El proceso de
contralavado requiere aproximadamente entre un 1-3 % del caudal de diseño del filtro.
El agua filtrada mediante microtamices se almacena en un depósito de 7,6 m3 de donde se alimenta el
siguiente paso de filtración a través de lechos de minerales filtrantes. Dos sensores de nivel regulan el
nivel en el depósito dando la orden de marcha y paro a dos bombas centrífugas.
El sistema de filtración es configurable para trabajar de manera individual: FIB (filtración bicapa),
FIM (filtración monocapa) o filtración multietapa (FIB en primera etapa de filtración y FIM en
segunda etapa de filtración). El agua producida se almacena en un depósito de 1 m3 desde donde se
bombea al primer paso del sistema de ósmosis inversa RO previa filtración de seguridad con cartuchos
filtrantes de 5 µm. La filtración en las tres disposiciones (FIB, FIM y FIB + FIM) se combina con la
posibilidad de dosificar coagulante y floculante en línea para aumentar la eficiencia de la retención del
material coloidal.
La ósmosis está configurada en dos etapas con disposición 2 + 1, en 6 tubos de presión de 4”, con 3
membranas FilmTec BW30-4040FR en cada uno de ellos. Existe una bomba entre etapas (booster)
que puede en caso necesario utilizarse para aumentar el flujo de la segunda etapa. El agua producida se
almacena en otro depósito de 1 m3 y la salida del agua producida se realiza a través del rebose.
El segundo paso de ósmosis es un pequeño equipo con membrana FilmTec BW30-2540 para tratar una
parte del permeado del primer paso.
La etapa final del proceso consiste en una desinfección con luz ultravioleta, cuya eficacia se combinó
con la adición de ácido peracético. También se realizaron ensayos sin aplicar ningún método de
desinfección con objeto de evaluar la eficiencia del proceso de ósmosis inversa respecto a la presencia
de Escherichia coli como indicador bacteriano.
Desarrollo de los trabajos
La primera fase de las pruebas consistió en poner a punto la decantación lastrada, optimizando la
concentración de microarena en el proceso, así como los tipos y concentraciones de coagulante y
floculante a ensayar en el proceso.
Se ensayaron distintos coagulantes, tanto sales metálicas como polímeros orgánicos con ingrediente
activo en base a cloruro de polidialildimetilamonio (PolyDADMAC), teniendo en cuenta su porcentaje
de carga catiónica y su peso molecular. Los ensayos de floculación en laboratorio y posterior
aplicación en planta indicaron que la dosificación óptima de policloruro de aluminio era del orden de
13 mg Al3+/L, y la dosis óptima de poliacrilamida aniónica era del orden de 1,1 mg/L.
El equipo de decantación lastrada trabajó a un caudal entre 40–50 m3/h (velocidad de sedimentación
entre 40–50 m3/m2.h, superficie lamelar 1 m2) bombeados desde la salida de uno de los decantadores
secundarios de la EDAR. Los lodos producidos, entre 1 y 2 m3/h, se llevaron al canal de lodos de la
depuradora. Al caudal de 40 m3/h, los tiempos de retención en el tanque de coagulación, inyección y
maduración fueron de 2, 2, y 6 minutos, respectivamente.
Una vez ajustado el proceso de decantación lastrada, todo el caudal de agua decantada pasó por el
sistema de filtración por discos de microtamices y a continuación al sistema de filtración multietapa a
un caudal de 2,7 m3/h (velocidad específica 13 m3/m2.h), probando distintas combinaciones entre ellos
y diferentes coagulantes para obtener la mayor retención de la materia coloidal.
7
Una vez puesto en funcionamiento el sistema de ósmosis inversa, se evaluó el comportamiento de las
membranas realizando un seguimiento de los parámetros normalizados de operación. El caudal final
producido durante los ensayos fue aproximadamente 1,8 m3/h a una tasa de conversión aproximada del
70%, siendo el flujo específico promedio de 14 l/m2.h.
CARACTERIZACIÓN DEL AFLUENTE A LA PLANTA DE DEMOSTRACIÓN
Los resultados obtenidos se han tratado estadísticamente utilizando el programa MINITAB v.14. La
fiabilidad del proceso de regeneración se ha representado mediante gráficos de probabilidad
(Mujeriego y Peters, 2008). En los gráficos de probabilidad se representa la probabilidad (eje X) de
que un valor obtenido para una variable considerada (representada en el eje Y), se encuentre por
debajo de un determinado valor, mostrando su línea de tendencia. Estos gráficos están realizados con
un Intervalo de Confianza (CI) del 95%.
Todas las analíticas de los parámetros requeridos por las especificaciones se han realizado de manera
periódica por el laboratorio de análisis de EMATSA (con acreditación ENAC) en todo el periodo de
demostración. Asimismo, la toma de muestras también ha sido realizada por personal cualificado del
laboratorio de EMATSA que también posee la acreditación de ENAC para el proceso de la toma de
muestras. La tabla 4 muestra el resumen de los resultados obtenidos en el análisis del afluente a la
planta de demostración durante el periodo de demostración.
Tabla 4 Calidad del afluente a la planta de demostración
Entre los parámetros analizados destaca la variabilidad de la concentración de las materias en
suspensión, DBO5, amonio, y carbono orgánico disuelto (Figura 4). En cuanto a los parámetros
microbiológicos, mencionar que la totalidad de las muestras analizadas indican que la presencia de
Legionella spp., es inferior al límite de cuantificación (2000 UFC/L) y en relación a la presencia de
huevos de helmintos parásitos, ésta es inferior a 1 huevo/10L para todas las muestras analizadas.
RESULTADOS DE LA PLANTA DE DEMOSTRACIÓN
Se han divido en dos apartados separados, correspondientes a la discusión de la calidad del agua
regenerada obtenida a la salida del primer paso y segundo paso de ósmosis inversa, y a la estabilidad
del proceso de ósmosis inversa de primer paso de acuerdo a la normalización de los datos de operación
empleando el programa FT-Norm de Dow Water Solutions.
Calidad del Agua Regenerada
La Tabla 5 resume la calidad del agua regenerada después del primer paso de ósmosis inversa. La
concentración de amonio es superior a la requerida, como indicaban las proyecciones previas, y
precisa un segundo paso para alcanzar la especificación requerida de 0,8 mg/L. La DBO5 cumple la
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especificación para el percentil 50, pero no así para el percentil 90, y por tanto precisa como en el caso
del amonio un segundo paso. El resto de parámetros fisicoquímicos cumplen con las especificaciones
de calidad. En cuanto a los parámetros microbiológicos, la totalidad de las muestras analizadas indican
que la presencia de Legionella spp., es inferior al límite de cuantificación (30 UFC/L) tanto para las
muestras desinfectadas como las tomadas sin desinfección posterior del agua permeada. En el caso de
Escherichia coli, sí se aprecia diferencias entre las muestras con o sin desinfección posterior. En
relación a la presencia de huevos de helmintos parásitos, ésta es inferior a 1 huevo/10L, al igual que
sucedía en el afluente a la planta de demostración.
Figura 4 Gráficos de distribución de probabilidad para MES, DBO5, amonio, y TOC en el afluente
Tabla 5 Calidad del agua regenerada procedente del permeado del primer paso
9
La Tabla 6 muestra los resultados del análisis de amonio y conductividad en el permeado de segundo
paso. En este caso el agua regenerada presenta una concentración de amonio en todas las muestras
inferior al valor requerido (0,8 mg/L). El gráfico 1 muestra la fiabilidad del proceso de regeneración
en la reducción de amonio considerando cada paso de ósmosis inversa y el valor de la especificación
para la alimentación de sistemas de refrigeración que contienen aleaciones de cobre en sus
componentes.
Tabla 6 Calidad del agua regenerada procedente del permeado del segundo paso
Gráfico 1 Concentración de amonio en el agua regenerada en el primer y segundo paso de ósmosis inversa
Normalización de las Variables de Proceso de la Ósmosis Inversa
La puesta en marcha de la ósmosis inversa de primer paso se realizó el 20 de mayo. La normalización
de los datos de operación se realizó con la ayuda del programa FT-Norm y la supervisión de los
gráficos obtenidos fue realizada por el departamento técnico de Dow Water Solutions. A continuación
se muestran los gráficos normalizados correspondientes al caudal de permeado (gráfico 2), a la pérdida
de carga delta P (gráfico 3), y al paso de sales (gráfico 4) desde la puesta en marcha hasta el último día
de operación (31 de julio).
La tendencia de la evolución del caudal de permeado normalizado y de la pérdida de carga
normalizada ha sido la estabilidad durante el periodo de operación de la ósmosis inversa. La operación
fue interrumpida durante los fines de semana sin emplear biocida como conservante y sólo se procedió
al desplazamiento forzado al final de cada jornada y al desplazamiento natural desde el permeado
mediante el almacenamiento de agua permeada por encima del nivel de las membranas (ósmosis
directa). De acuerdo con la valoración técnica del fabricante de la membrana no fue preciso realizar
ninguna limpieza química de las membranas durante el periodo de demostración.
10
Gráfico 2 Evolución del caudal de permeado normalizado
Gráfico 3 Evolución de delta P normalizada
11
Gráfico 4 Evolución del paso de sales normalizado
CONCLUSIÓN
Las concentraciones de amonio presentes en el afluente se adecuan a la especificación requerida para
sistemas de refrigeración que contengan elementos construidos en aleaciones de cobre con el empleo
del proceso de ósmosis inversa en doble paso, siendo el amonio el parámetro crítico de la calidad del
agua regenerada.
El resultado de las determinaciones de Legionella spp., fue tanto en el afluente como en el agua
regenerada inferior al límite de cuantificación. En el caso del agua regenerada el límite de
cuantificación fue de 30 UFC/L.
La reducción de Escherichia coli en el agua regenerada, combinando la desinfección por luz
ultravioleta y desinfección química (ácido peracético) permite obtener valores inferiores a 1 UFC/100
mL.
La normalización de los valores de caudal de permeado y de pérdida de presión mostró la tendencia a
la estabilidad con las aguas de alimentación al proceso de ósmosis tratadas con un proceso
convencional avanzado.
Finalmente, según los ensayos realizados durante la operación de la planta de demostración y a la vista
resultados obtenidos, se puede confirmar la viabilidad técnica del proceso de regeneración de las aguas
procedentes de la EDAR de Tarragona para un futuro uso industrial, ya que el agua a la salida del
proceso cumple con las especificaciones requeridas para dicho uso.
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RECONOCIMIENTOS
Agradecer al personal de EMATSA de la EDAR de Tarragona por la prestación de su depuradora, su
colaboración técnica en la instalación de la planta de demostración y encaje en la operación diaria de
la EDAR, y por su ayuda en todo momento durante el desarrollo de los trabajos del proyecto de
demostración en sus instalaciones.
BIBLIOGRAFÍA
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CONTACTO
Joan Sanz
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