INTRODUCCIÓN A LA INGENIERÍA DEL AGUA

María Elena Alemán Domínguez

-Introducción

-Recursos hídricos

-Características del agua según su destino final

-Legislación relacionada con la desalación

-Evolución histórica de la desalación y situación actual

-Tipos de destilación

-Costes económicos

-Problemas técnicos

-Impacto medioambiental

INTRODUCCIÓN Agua: La sustancia más abundante pero distribuida de

forma desigual

1370mill km

Cúbicos de agua

• 0,5-1 km cúbico dulce

Distribución del agua dulce desigual

• 26 países actualmente con escasez, 66 para el 2050

• Distribución climatológica y socioeconómica

INTRODUCCIÓN

Porcentaje de la población con acceso agua potable. Cortesía de World Health Organization

LA DESALACIÓN Definición: Proceso en el

que una corriente de aguade alto contenido en salesdisueltas es transformadapor un mecanismo deseparación en doscorrientes de salida: una demenor salinidad apropiadapara el empleo enactividades humanas y otracon una concentración altade soluto.

LA DESALACIÓN Zonas de actuación: regiones áridas y/o alta presión

demográfica.

Termodinámica del proceso:

Donde a es la actividad de los iones en disolución

RECURSOS HÍDRICOS

Datos: Desalación de aguas. Juan Carlos Ibrahim Perera

Origen Conductividad

(s/cm)

SDT (ppm) Na (ppm) SiO2(ppm) COT(ppm)

Mar 51000 36000 11000 1-20 1-10

Río 100-3000 50-2000 50-200 5-20 100-300

Pozo 150-1000 100-600 1-100 10-30 0-1

Pozo salobre 1200-10000 800-6000 150-1500 1-20 1-5

Pura 25ºC 0,0548 0 0 0 0

RECURSOS HÍDRICOS TRATADOS EN LA DESALACIÓN Característica fundamental: salinidad

Importancia: afecta al diseño de las instalaciones

• Concentración de sales totales disueltas

Definición

• Análisis qco exhaustivo

• Gravimetría

• Medidas indirectas: conductividad,ρ,índice de refacción, etc

Formas de determinación

• Aguas marinas

• Aguas salobres

Clasificación

Agua marina

Gráfico de la composición promedio del agua de mar. Fuente: Química del agua. David Jenkins y Vernon L. Snoeyink

Sodio

Magnesio

Calcio

Potasio

Cloruro

Sulfato

Bicarbonato

Bromuro

Otros sólidos

Agua marina Composición microbiológica: la posible patogenicidad

de zoo y fitoplancton y compuestos sintetizados porlos mismos hacen necesario añadir una etapa detratamiento microbiológico (cloración).

Aguas salobres Contenido en STD: < 10000ppm

Menor salinidad que el agua de mar→ técnicas más

económicas

Naturaleza hidrogeológica: filtración de aguas

superficiales (retención de sólidos en suspensión ymenor cantidad de seres vivos)

Aguas salobres Tipos de acuíferos

Cortesía de: Las aguas salobres. Una alternativa al abastecimiento en regiones

semiáridas. J.A. López Geta y M. Mejías Moreno

Comparativa técnicaVentajas del agua salobre Desventajas del agua salobre

Menor coste de desalación por la menorsalinidad (equipos de membrana debaja presión)

Menor disponibilidad

Menor capacidad de corrosión(alargamiento de la vida útil de losequipos y disminución delmantenimiento)

Variabilidad en la composición: mayorgrado de flexibilidad de la instalación

Características del agua según su destino final

Agua urbanaAgua para uso industrial

Agua para uso agrícola

Legislación relacionada• Real Decreto 1138/1990

• Directiva europea 80/778/CEE

• Real Decreto 1327/1995

• Orden SCO/778/2009, etc

• *Calidad de agua, régimen jurídico y otros factores

Aguas

• Ley 11/1990, de 13 de julio, de Prevención de Impacto Ecológico

• Real Decreto 60/2011

• Etc

• *Impacto de las instalaciones sobre el entorno.

Costas, medio marina e impacto

ambiental

• Almacenamiento de productos químicos(Real Decreto 379/2001)

• Prevención de accidentes (Real Decreto 886/88)

• Etc

Leyes generales para proyectos

industriales

EVOLUCIÓN HISTÓRICAPrimera referencia: siglo XIX en viajes

transoceánicos (restricción: costes de equipos)

Auge: durante la segunda guerra mundial para el abastecimiento de tropas

OSW y OWRT: I+D sobre la desalación. Base del fundamento científico

Construcción de instalaciones en zonas áridas a partir de los años 60 y 70

Las crisis energéticas marcan la evolución del sector

DISTRIBUCIÓN GLOBAL

Capacidad por regiones. Fuente:Wangnick Consulting GMBH

DISTRIBUCIÓN GLOBAL

Volumen desalado por países. Unesco (2000) y datos porcentuales (CEDEX)

TENDENCIA DE LA DESALACIÓN A ESCALA GLOBAL Dependiente de los vaivenes económicos, aunque en

general se ha seguido una tendencia al alza

Evolución hasta el 2001. IDA Report nº18

LA DESALACIÓN EN ESPAÑA BREVE RECORRIDO HISTÓRICO

APARICIÓN DE LA ÓSMOSIS INVERSA

Famara (Lanzarote) Melilla

LAS PRIMERAS PLANTAS SON DE DESTILACIÓN

La administración ve en la desalación la solución al abastecimiento de ciertas zonas

PLANTA DE TERMOLANZA(LANZAROTE)

1964 Construida con tecnología estadounidense

LA DESALACIÓN EN ESPAÑA El hecho de no poseer recursos

energéticos promueve eldesarrollo de rentabilización delos procesos (empresas pionerasen este sentido). Además, estehecho incentiva la predominanciade la ósmosis inversa.

Fuente: IDA. Report nº16

Datos procedentes de: WaterDesalination Report nº16

LA DESALACIÓN EN ESPAÑA

Distribución de las instalaciones

Marcada por la escasez derecursos hídricos y ladensidad demográfica. Sedesarrolla especialmente enla cuenca mediterránea,Canarias, Ceuta y Melilla.

Cortesía de: Ministerio de Medio Ambiente

LA DESALACIÓN EN CANARIASASPECTOS QUE PROPICIAN EL EMPLEO DE LA

DESALACIÓN:

- Insularidad

- Climatología. Escasez de recursos hídricos

- Densidad de población

RECURSOS HÍDRICOS CANARIOS

La escasez de

precipitaciones

unida a la abrupta morfología

provocan una

deficiente recarga

de los acuíferos.

La sobreexplotación

hizo necesaria la

búsqueda de alternativas.

Datos: Plan Hidrológico de Canarias

0 200 400 600 800

Gran Canaria

Fuertevent…

Lanzarote

Tenerife

La Palma

La Gomera

El Hierro

Pluviometría canaria

mm precipitaciones

Isla Precipitacione

s

Evapotranspi

ración

Escorrentía Recarga

Lanzarote 156 150,3 1,6 4,1

Fuerteventur

a

111 99,5 3 8,5

Gran Canaria 300 195 48 57

Tenerife 425 298 10 117

La Palma 740 340 23 377

La Gomera 368 182 20 166

El Hierro 352,7 257,5 1,1 94

EVOLUCIÓN HISTÓRICA DE LA DESALACIÓN EN CANARIAS

Canarias es y sigue siendo lacomunidad española másdesarrollada en cuanto atecnología de desalación.

La primera planta del país seinstaló en Lanzarote(Termolanza).

Las Palmas I (1969) fue referentemundial de la época.

Planta piloto de ósmosis inversa(1983) en Arrecife. La OI seconvirtió en la tecnología másextendida en España.

Desaladora del sureste. Cortesía del Centro Canario del Agua.

SITUACIÓN ACTUAL Capacidad total desalada: 588057 metro cúbico/día. La totalidad del abastecimiento en Lanzarote y Fuerteventura. El

80% en Gran Canaria. En general: factor clave del desarrollo canario. Propósito de futuro: empleo energías renovables.

Información del gobierno de Canarias.

Nº desaladoras Públicas Privadas Producción (m3)

Tenerife 44 5 36 118143

Gran Canaria 137 11 126 336195

Fuerteventura 64 4 60 65049

Lanzarote 80 0 80 62.570

La Gomera 1 0 1 4.100

El Hierro 4 4 0 2.000

La Palma 0 0 0 0

PROCESOS TÉRMICOS

PROCESOS DE MEMBRANA

OTROS PROCESOS

PROCESOS TÉRMICOS. Principios fundamentales

Técnica por la que segenera el 60% del aguadesalada del mundo.

Principio químico: lossólidos no son volátiles ala T de trabajo, por loque permanecen en lasalmuera no evaporada

Imitación del ciclonatural: desalación porevaporación

PROCESOS TÉRMICOSCaracterísticas técnicas generales Denominación habitual: destilación (diferencia

conceptual con la operación unitaria).

Tres etapas:

Formación de vapor por adición de calor

Separación del vapor del residuo

Condensación para la obtención de agua producto

Diferencias entre procesos: medios técnicos para eldesarrollo y optimización de las etapas.

DESTILACIÓN SIMPLE Es el caso más sencillo y

supone el esquemabásico del que se derivanel resto de alternativas.

Dos cámaras deintercambio: evaporadory condensador. En elcondensador se empleaagua de alimentacióncomo fluido refrigerante. Imagen facilitada por: José Miguel Veza, Desalación

de aguas

DESTILACIÓN MULTIEFECTO (MED) Conexión de varios intercambiadores de destilación simple

para aprovechamiento energético de las corrientes queintervienen por disminución progresiva de la P de trabajo.

Diagrama cortesía de: Ecoagua ingenieros

DESTILACIÓN FLASH MULTIESTADO

Esquema similar a las instalacionesMED, pero en este caso se produce unprecalentamiento seguido de unadestilación flash, disminuyendo losrequerimientos energéticos.

Planta Lanzarote I (MSF). Ibrahim Perera

Diagrama cortesía de: thewatertreatments.com

DESTILACIÓN POR COMPRESIÓN DE VAPOR

La fuente de energía caloríficaen vez de externa es interna(el propio vapor producido),sólo es necesaria energía enforma de trabajo mecánico(compresión) más unacantidad inicial de calor.

El aumento de la temperaturade ebullición de unadisolución frente aldisolvente puro provoca quesea necesaria la compresiónpara el aprovechamiento de laentalpía de condensación.

Imagen cortesía de Norland Int’I

PROCESOS DE MEMBRANAS. Principios fundamentales.• Inspirados en la función de las membranas celulares

en los procesos metabólicos en los seres vivos.

• Empleo de membranas selectivas que diferenciansales y agua para poder llevar a cabo su separación

• Aplicación comercialmente rentable a partir de ladécada de los 70.

ELECTRODIÁLISIS Proceso en el que los iones

son transportados a travésde membranas deintercambio iónico de unasolución a otra por efectode un potencial eléctrico.Las membranas estáncompuestas por iones fijosa un polímero como puedeser el poliestireno quecapta los iones de signocontrario que entran encontacto con su superficie. Imagen cortesía de Hispagua.

ELECTRODIÁLISIS

Imagen facilitada por: interempresas.net

ÓSMOSIS INVERSA Definición de ósmosis:

fenómeno consistente en ladifusión de dos disolucionesde distinta concentraciónrealizada a través de unamembrana semipermeableque permite preferentementeel paso de disolvente frente alos solutos.

Causas: diferencia depotenciales químicos(función de P, T ycomposición). El equilibrio sealcanza al compensar lapresión osmótica.

ÓSMOSIS INVERSA Si se proporciona a la disolución concentrada una

presión superior a la osmótica, el flujo de disolvente seejerce en sentido contrario.

ÓSMOSIS INVERSA Las membranas más

empleadas son de acetato de celulosa y polímeros de poliamida aromática.

El ensamblaje debe poseer resistencia mecánica (presión de trabajo: 17-27 atm para aguas salobres y 54-80 atm para agua marina) sin impedir la acción de separación Imagen cortesía del cabildo de Lanzarote

ÓSMOSIS INVERSA

Instalación industrial de OI. Cortesía del cabildo de Lanzarote

OTROS PROCESOS Evaporación solar. Uso

restringido a gran escalapor: Grandes requerimientos

de área.

Inversión muy elevada.

Dependenciaclimatológica.

Congelación. Dificultadde automatización delproceso Balsa-invernadero para evaporación solar. Imagen

facilitada por: Spiegler y El Sayed

ELECCIÓN DEL TIPO DE INSTALACIÓN

Diseño de la

instalación

Calidad del agua de alimentación

(contenido en sales, grado de

contaminación,etc)

Requerimientos de energía, mano de

obra y otras materias primas

Necesidad de espacio y

consideraciones ambientales

Diseño y eficiencia del proceso (Capacidad

operativa, requisitos del producto...)

ELECCIÓN DEL TIPO DE INSTALACIÓN

Capacidad

• MSF y ME sóloson viablestécnica yeconómicamentepara grandescapacidades. CVsólo para bajacapacidad.

Agua de alimentación

• Salina:Destilación uósmosis inversa

• Salobre: Procesosde membrana

Energía

• Empleo del tipomás adecuadosegún laubicación.Consideración deplantas duales.

Información facilitada por el cabildo de Lanzarote.

COSTES ECONÓMICOS Evaluación económica:

Estas instalaciones pueden contar con subvenciones. Influencia sobre el precio del producto.

INVERSIÓN INICIAL + COSTES DE EXPLOTACIÓN

COSTES ECONÓMICOS.Diferencias según el tipo de tecnología.

Procesos térmicos Procesos de membranaConcepto MED MSF

Energía térmica 0,59-0,79 0,79-1,18

Energía eléctrica 0,05-0,07 0,13-0,14

Inversión 0,21-0,29 0,29-0,44

Mantenimiento y mano de

obra

0,04-0,07 0,05-0,07

Productos químicos 0,02-0,03 0,02-0,04

Total 0,91-1,25 1,28-1,87

Método Ósmosis inversa Electrodiálisis

Concepto Aguas Salinas Aguas Salobres Aguas Salobres

Energía eléctrica 0,13-0,27 0,04-0,12 0,06-0,12

Inversión 0,21-0,38 0,08-0,13 0,09-0,13

Mantenimiento y

mano de obra

0,05-0,10 0,03-0,08 0,03-0,07

Aditivos 0,02-0,05 0,01-0,03 0,01-0,02

Reposición de

membranas

0,01-0,04 0,01-0,02 0,01

Total 0,42-0,84 0,17-0,38 0,20-0,35

00.5

11.5

2

coste mínimo

coste máximo

PROBLEMAS TÉCNICOSEnsuciamientos Corrosión

Incrustaciones

Ensuciamiento por materiaparticulada

Biofouling

Características que hacen alas desaladoras especialmentevulnerables:

Alta concentración decloruros

Ligera acidez por la presenciade dióxido de carbonodisuelto

Etc

IMPACTO AMBIENTAL

CAPTACIÓN DE AGUA

En el acuífero litoral.

Factores a considerar:intrusión salina eidoneidad de la reserva.

Toma abierta.

Factores a considerar:perfil batimétrico, calidaddel agua (identificaciónfocos deriesgo), protección defondos.

IMPACTO AMBIENTAL Emisiones de dióxido de carbono indirectas por el consumo

energético. Desarrollo de tecnología eficiente.

Fuente: Impacto ambiental de la desalación. Juan J. Martínez de la Vallina

IMPACTO AMBIENTAL Líneas de investigación actuales: intercambiadores de

presión y empleo de energías renovables.

IMPACTO AMBIENTAL

VERTIDOS

IMPACTO GLOBAL

IMPACTO LOCAL

Vertidos.Impacto global.

El efecto global es nulo debido a la composición de la salmuera:

Concentración de iones al 50% que se ve compensada por la dilución del océano.

Iones del agua tratada

Agentes inocuos de tratamiento

(baja cantidad)

Solutos de la salmuera

Vertidos. Impacto local.

Efecto de la alta concentración de sales en el punto devertido. Ámbito hipersalino.

Caso importante: Posidonia mediterránea, deimportante valor ecológico y comercial.

Vertidos. Impacto local.

Recomendaciones a seguir para el establecimiento del foco emisor: Localización en zonas donde no

existan comunidades bentónicas o el impacto sobre éstas sea mínimo.

Evitar bahías cerradas y zonas de interés ecológico.

Elección de agua bruta de calidad para minimizar el empleo de agentes

químicos.

Estudio sobre el impacto del vertido.

Vertidos.Impacto local.

Para el estudio: empleo de software de simulación de la pluma de salmuera según las condiciones de vertido.

Cortesía de: Miguel Torres Corral y Noemí Sánchez Castillo.

CONCLUSIÓN

Importancia de la desalación como forma de aumentarlos recursos hídricos.

Necesidad de establecer parámetros de calidad delproducto y sostenibilidad ambiental.

Integración de la tecnología de desalación en unaplanificación hídrica racional y responsable.