¿Qué es el tratamiento previo?
El pretratamiento es un término amplio que se utiliza para describir cualquier equipo, químico o proceso utilizado para tratar el agua industrial antes de usarla para otro propósito. Si tiene una unidad de ósmosis inversa (RO), es posible que necesite filtros aguas arriba para eliminar los sólidos suspendidos. Si tiene calderas , será necesario eliminar contaminantes como la dureza y los sólidos suspendidos. El agua que debe descargarse de una planta también puede requerir una forma de tratamiento previo antes de poder desecharse.
¿Por qué es importante el tratamiento previo?
Desafortunadamente, no puede simplemente enviar el agua de la ciudad directamente a una caldera o descargar aguas residuales directamente al suministro de agua de la ciudad. Esto podría causar descamación y/o deposición de sólidos suspendidos, que pueden tapar los tubos. Esto puede, a su vez, requerir que alimente más productos químicos, realice más limpiezas y reemplace su equipo con más frecuencia.
Según las necesidades de su sistema, los sistemas de pretratamiento pueden volverse muy complejos.
Fuentes de agua
Cuando se trata de unidades de ósmosis inversa, hay dos categorías diferentes de agua a considerar:
- Agua blanquecina: menos de 15.000 sólidos disueltos totales
- Agua de mar: más de 15.000 sólidos disueltos en total
Sin embargo, los sólidos disueltos totales (TDS) no son el único factor definitorio. También es importante distinguir entre agua superficial, agua subterránea/de pozo y agua terciaria/de reutilización.
- Agua superficial: mayor concentración de bacterias, sólidos suspendidos, suciedad y arenilla, así como fluctuaciones en la temperatura y la química según los patrones climáticos locales
- Agua de pozo/tierra: mayor alcalinidad, dureza y potencialmente hierro porque esta agua viaja a través de la piedra caliza subterránea
- Agua terciaria/reutilizada: más alto en TDS, sólidos suspendidos totales (TSS), metales disueltos y nutrientes bacterianos como compuestos de fosfato y nitrógeno porque es probable que esta agua ya haya sido utilizada por la ciudad o la planta misma.
Cada una de estas fuentes de agua requerirá diferentes tipos de tratamiento previo.
Tratamiento del agua de alimentación de ósmosis inversa
Dos de las mayores preocupaciones al preparar el agua para alimentar una unidad de ósmosis inversa son la eliminación de sólidos suspendidos hasta un límite aceptable del índice de densidad de limo (SDI) y el tratamiento del agua para bacterias. La unidad de ósmosis inversa puede tolerar una amplia gama de inorgánicos, pero cuando los niveles de metales pesados superan las 0,05 ppm, estos deberán eliminarse antes de la ósmosis inversa.
La composición del agua puede cambiar, por lo que diseñar un programa de tratamiento puede plantear desafíos. Incluso si tiene una fuente de agua de pozo con una tasa de conductividad constante, los niveles de dureza y alcalinidad pueden cambiar con el tiempo. Es muy importante usar las muestras de agua más recientes, así como más de una muestra durante un período de tiempo, siempre que sea posible, al diseñar un programa de tratamiento para garantizar que tenga los datos correctos para tomar una decisión. Muchas plantas descuidan cualquier forma de prueba de SDI o bacterias al diseñar una planta de pretratamiento, lo que puede afectar negativamente las unidades de ósmosis inversa.
Efectos negativos del mal tratamiento previo
Esta imagen ilustra los efectos negativos del pretratamiento deficiente. Un pretratamiento deficiente puede afectar negativamente a su equipo tanto aguas arriba como aguas abajo.
Seis consejos para optimizar su tratamiento previo
1. Maximizar la eficiencia de la sal del suavizante
Los suavizantes eliminan la dureza y cualquier otro ion disuelto con una carga positiva mayor que el sodio, incluidos algunos potasio, hierro y metales pesados. También puede actuar como filtro físico y eliminar parte del TSS, aunque normalmente no están diseñados para hacerlo en el proceso de pretratamiento. Todo lo demás pasa a través del suavizador.
Cuando el ablandador agota su sodio, las perlas deben recargarse con salmuera de cloruro de sodio.
Tres cosas a tener en cuenta al determinar la capacidad de resina:
- Libras de sal agregadas por pie cúbico
- Pie cúbico de resina en el recipiente
- Dureza total en el agua que va al ablandador
A medida que se agrega más sal durante la regeneración, la capacidad aumentará.
libras de sal ÷ Kgr/ft3 para capacidad = eficiencia de sal
El aumento en la capacidad no es lineal, y verá un punto de interrupción para la cantidad de sal que debe usar y la capacidad que obtendrá de eso. El equipo de ChemTreat tiene mucha experiencia en estos cálculos y puede trabajar activamente con usted para ayudarlo a optimizar sus sistemas.
Tenga en cuenta las fugas de sodio: cuanto menos sal use durante la regeneración, más probable será que se filtre dureza.
Muchas instalaciones configurarán la regeneración de su suavizante en un temporizador, pero es posible que esta no sea la mejor manera de lograr ahorros de agua y sal. Es importante asegurarse de tomar el control de su sistema para evitar desperdiciar recursos. Además, tenga en cuenta que si su planta tiene limitaciones de descarga, es posible que no pueda descargar fácilmente el exceso de cloruros de la sal, lo que hace que minimizar las regeneraciones sea aún más crucial. Es importante confiar en los datos y no regenerar el suavizante a menos que se agote el sodio.
2. Aumentar la recuperación de ósmosis inversa
Puede pensar que cerrar la válvula de concentrado es suficiente para operar con una recuperación de RO más alta. Sin embargo, el aumento de la recuperación de RO tiende a ser un poco más complicado.
Preste atención a su SDI y asegúrese de que los alimentos químicos sean correctos. Lavar a contracorriente sus ultrafiltros anteriores o filtros multimedia con regularidad es otro factor importante que debe tener en cuenta. Si está diseñando una nueva planta de ósmosis inversa, es vital considerar estos problemas cuando busque aumentar la producción de ósmosis inversa.
Como ilustra este diagrama, si tenemos 100 gpm entrando en una unidad de ósmosis inversa y estamos operando a una recuperación del 75 %, estamos creando 75 gpm de agua filtrada (permeado) y 25 galones por minuto están bajando por el drenaje. Esta es la tasa de recuperación estándar en la que casi todos los sistemas de ósmosis inversa tradicionales se han diseñado en el pasado.
Sin embargo, esta tasa de uso del agua no es muy eficiente, especialmente si se está enfocando en la sostenibilidad en sus instalaciones. A medida que las prácticas ambientales, sociales y de gobernanza (Environmental, Social, and Governance, ESG) en torno a la conservación del agua se vuelven cada vez más frecuentes en la mayoría de las industrias, la recuperación de la unidad de RO del 75 % ya no es una tasa de recuperación aceptable para muchas instalaciones.
Muchos de nuestros clientes han solicitado ayuda para modernizar los diseños a recuperaciones más altas, instalar unidades de recuperación de RO y lidiar con nuevas tecnologías como la ósmosis inversa de circuito cerrado (CCRO), que puede aumentar la recuperación a más del 90 %.
Cuando se busca aumentar la recuperación, es importante considerar el potencial de descamación, la carga iónica y el sistema hidráulico.
Diferencia entre los costos de agua para diferentes tasas de recuperación para alimentación de 100 gpm
En este ejemplo, aumentar la tasa de recuperación del 75 % al 80 % ahorra solo $13,000 en costos de agua. Aunque la capacidad de cada instalación varía, esto muestra los posibles ahorros de costos que puede lograr al aumentar la recuperación de RO.
Sin embargo, antes de que estos ahorros puedan lograrse, es importante evaluar la carga iónica observando su análisis de agua.
Factor de concentración
Relación entre la tasa de recuperación del sistema de ósmosis inversa y el factor de concentración del TDS
Existe un factor de concentración asociado con cada tasa de recuperación. Lo que ingrese en la RO debe concentrarse hacia arriba y dejar la unidad en el flujo de rechazo según el factor de concentración. A medida que aumenta la tasa, también aumenta la cantidad de TDS. Si está corriendo a 3 ciclos de concentración a aproximadamente 66 % de recuperación y desea aumentar a 4 ciclos, la recuperación aumentará a 75 %, un refuerzo del 9 % en solo 1 ciclo adicional. Pero si desea aumentar de 4 a 5 ciclos, la tasa de recuperación solo aumenta un 5 % mientras se agrega más estrés al sistema. La recuperación del 90 % significa aumentar hasta 10 ciclos. Por lo tanto, si ingresan 10 ppm de dureza, 100 ppm de dureza dejarán el sistema con una recuperación del 90 %.
Cuanto más alta sea la tasa de recuperación, más deberá prestar atención incluso a las fluctuaciones menores en la calidad del agua de alimentación, ya que pueden causar problemas de incrustación.
Carga iónica
Ejemplo del configurador de ósmosis inversa de ChemTreat, que mide los niveles de saturación de la escala en ciertas condiciones para proporcionar recomendaciones de dosis y productos antiescalantes
Como lo indica esta tabla, la escala no debe formarse si la saturación del concentrado es inferior al 100 %. Siempre que busque aumentar las tasas de recuperación, se debe realizar una nueva proyección de escalado para asegurarse de que el antiescalante pueda manejar la nueva carga al pH y la temperatura especificados. Esto también puede ayudarle a calcular cuánto ácido alimentar para mantener un nuevo objetivo de pH, si es necesario, y determinar si el costo del ácido será menor que el ahorro de costos de agua proyectado.
Limitaciones hidráulicas
Las limitaciones hidráulicas a menudo se pasan por alto, y no solo cuando se están modernizando las ósmosis inversa o se está incrementando la recuperación. Nuestro personal ha visto muchos casos de sistemas de ósmosis inversa con un flujo de concentrado de aproximadamente 4 galones por minuto, cuando el flujo mínimo desnudo para una membrana de 8 pulgadas es de 12 galones por minuto. Operar de esta manera creará una situación de escalamiento que una proyección iónica no atraparía ni predeciría.
Independientemente de cuánto controlen estas instalaciones sus tasas de antisarro y recuperación, aún están poniendo sus sistemas en riesgo de escalamiento. Si la proyección de diseño muestra que los límites hidráulicos están fuera de sus pautas de diseño, se puede formar una escala.
Cada fabricante de membranas ofrece una descarga gratuita de su software para la evaluación hidráulica, que señala consideraciones como el flujo de alimentación máximo para varios elementos, las tasas de flujo máximo, etc. Una unidad de ósmosis inversa que utiliza ultrafiltración como paso de pretratamiento puede empujarse un poco más alto desde un punto de vista de flujo, mientras que una unidad que utiliza únicamente un filtro multimedia puede ser más susceptible a la contaminación de sólidos suspendidos y, por lo tanto, más limitada desde un punto de vista de flujo. Cuanto mejor sea su tratamiento previo, mejores serán las tasas de flujo, lo que significa menos agua que desciende por el drenaje.
Si busca aumentar la recuperación de su unidad y conservar agua, le recomendamos que ejecute una proyección de diseño (o que le pida a su proveedor de tratamiento de agua que lo haga) para comprender mejor sus limitaciones hidráulicas además de las proyecciones de sarro normales que comúnmente se ejecutan al tomar estas decisiones.
Reutilización del rechazo de RO para mejorar la sostenibilidad
Existen varias maneras de reutilizar el rechazo de RO en otras partes de su sistema. Algunas instalaciones lo agregan a sus torres de enfriamiento, especialmente en sistemas de enfriamiento más grandes donde se puede diluir junto con agua de aporte normal de la torre.
El rechazo de ósmosis inversa también puede utilizarse como agua de enjuague para ciertos equipos en su planta, siempre y cuando cumpla con los criterios.
Puede haber otras áreas en las que se pueda utilizar el rechazo de RO. Puede hacer un equilibrio de agua de su sistema para evaluar posibles oportunidades.
3. Caídas de presión de tendencia (dP) en todas las etapas individuales
La tendencia de las caídas de presión en las etapas individuales de su sistema de ósmosis inversa implica agregar manómetros entre las etapas, como se ilustra en rojo en el siguiente diagrama.
Las etapas individuales se refieren a los recipientes de presión que comparten la misma agua de alimentación.
El agua de alimentación cruda siempre golpeará los recipientes en la primera etapa. Estos recipientes filtrarán un poco de agua, y el agua que no se empuja a través de la membrana puede enviarse a la segunda etapa para aumentar la recuperación, etc.
Primera etapa
La primera etapa es lo que generalmente se ensucia con materia microbiológica, coloidal, orgánica y suspendida (ensuciamiento físico). Si su tratamiento previo está estresado y su SDI es alta, la primera etapa será la más afectada. Esto significa que la suciedad, la arenilla, las bacterias, etc. quedarán atrapadas en esos primeros elementos.
A menudo se recomienda instalar manómetros entre etapas para que pueda identificar dónde está ocurriendo un problema. De lo contrario, cuando llegue el momento de solucionar problemas, deberá limpiar todo el sistema con varios productos en lugar de solo una parte de él.
Última etapa
La última etapa es donde puede aparecer la escala. Si la recuperación aumenta o se pierde la alimentación de antisarro, aumenta el potencial de incrustación. Dado que la última etapa tiene agua de alimentación con la conductividad más alta, aquí es donde aparecerá inicialmente la escala.
Esta tabla desglosa muchos de los problemas clave que afectan las diferentes etapas. La tendencia de las caídas de presión por etapas puede ayudarlo a realizar limpiezas más eficientes en su sistema, lo que reduce el uso de productos químicos y agua y los requisitos de mano de obra.
Ejemplo de tendencia de caídas de presión en diferentes etapas
Azul: 1.a etapa dP
Verde: dP de 2.a etapa
4. Normalice sus datos
Temperatura
Muchos factores afectan la función de su unidad de ósmosis inversa, incluida la temperatura. El agua más fría es más densa, lo que significa que requiere presiones de bombeo más altas para producir la misma cantidad de agua que las temperaturas más cálidas. El Manual técnico de las membranas de ósmosis inversa FilmTec ́ establece específicamente que una caída de la temperatura del agua de alimentación de 7 °F (4 °C) causará una disminución del flujo de permeado de aproximadamente 10 % (DuPont ́, 2022, pág. 140).
Salinidad
A medida que el agua se enfría, la calidad del permeado puede mejorar porque los poros se vuelven más estrechos, lo que reduce el paso de la sal. Lo inverso es cierto a medida que el agua se calienta.
Recopilación de datos para limpiezas eficientes
Al igual que la tendencia de las caídas de presión, recopilar datos de temperatura, presión, flujo y salinidad es importante para garantizar limpiezas eficientes. Si los datos se normalizan, se puede distinguir un problema de contaminación de un cambio en el funcionamiento basado en las fluctuaciones de temperatura. Esto le ayudará a ahorrar productos químicos, agua y mano de obra cuando se trata de realizar procedimientos de limpieza en el lugar (Clean-in-Place, CIP).
Hay muchas herramientas de tendencias disponibles para la normalización de datos. ChemTreat ofrece esta capacidad como parte de CTVista®+, nuestro software inteligente de gestión del agua. El uso de software automatizado significa menos tiempo dedicado a clasificar los datos sin procesar y un análisis de datos mejorado para una toma de decisiones efectiva e informada.
Si observa un cambio del 10 al 15 % en el flujo de permeado normalizado, puede ser el momento de una limpieza. Esperar demasiado tiempo antes de la limpieza puede afectar la salud de sus membranas de ósmosis inversa e incluso causar daños mecánicos, por lo que es importante usar sus datos normalizados como punto de referencia. Su programa de limpieza variará según el tipo de agua que use y los contaminantes que ingresen en su sistema, por lo que el uso de un enfoque de mantenimiento estándar o preventivo puede hacer que se retrase en las limpiezas y provoque el reemplazo prematuro de la membrana.
5. Mejorar las prácticas de limpieza
Dado que los contaminantes varían según la etapa, se necesitan diferentes tipos de limpiadores para las diferentes etapas.
Proceso de limpieza de alto pH
Los limpiadores de alto pH proporcionan buenos resultados cuando se dirigen a la materia suspendida, las bacterias y los productos orgánicos que tienden a aparecer en la primera etapa.
Los pasos a continuación proporcionan una descripción general del proceso de limpieza. Sin embargo, es fundamental seguir atentamente las pautas del fabricante de la membrana.
1. Prepare una solución X%* de limpiador de pH alto a un pH de 11,8–12,0 y una temperatura de 100 °F
2. Enjuague el primer 20 % de la solución a través de las membranas hasta el drenaje
3. Haga circular y remoje la solución restante a intervalos de 15 minutos durante 2 a 3 horas, manteniendo el pH y la temperatura (el flujo para membranas de 8 pulgadas es de aproximadamente 40 gpm por recipiente a presión)
4. Monitoree los niveles de pH cada 15 minutos y agregue cáustico si se registra una disminución del pH superior a 0,5 (si tiene una carga orgánica alta, es posible que desee lavar el cáustico a través de su sistema antes de la limpieza para eliminar parte de la suciedad más pesada; el cáustico tiende a ser más barato que los limpiadores especializados y agregar este paso puede ahorrarle algo de dinero en lugar de usar dos lotes de limpiador especializado de alto pH).
5. Deseche y enjuague minuciosamente con agua de buena calidad sin cloro (enjuague hasta que el pH del permeado sea 7,5)
*La solución al % dependerá del producto que esté usando y de la recomendación de su proveedor de tratamiento de agua.
Proceso de limpieza de pH bajo
Los limpiadores de pH bajo funcionan bien para los problemas de sarro que pueden surgir en la segunda etapa. Si realiza una limpieza de pH bajo inmediatamente después de una limpieza de pH alto, es importante enjuagar primero el sistema para mantener un pH neutro y una conductividad de permeado inferior a 100.
El procedimiento para la limpieza de pH bajo es similar al de pH alto. Sin embargo, el calor no suele agregarse porque el objetivo es eliminar la incrustación.
Si su solución de limpieza se vuelve de color oscuro y opaco (limpieza de pH alto) o naranja y turbio (limpieza de pH bajo), debe vaciarse y comenzar una nueva solución.
¿Por qué no puedo usar simplemente cáustico?
Aumentar la conductividad de su solución de CIP con un limpiador especializado puede tener más beneficios que simplemente usar surfactantes, agentes humectantes, tampones, etc. Por ejemplo, si tenemos una solución cáustica con un pH de 12, la conductividad es de aproximadamente 3.000 μs, que se convierte a aproximadamente 1.950 ppm de sólidos disueltos totales. Por cada 100 ppm de TDS, tiene una presión osmótica, por lo que, en este escenario, tenemos 19,5 psi empujando hacia atrás contra la presión de la bomba que se utiliza para el CIP.
Las presiones típicas de la bomba CIP funcionan a aproximadamente 60 psi. Al usar productos cáusticos en lugar de un limpiador especializado, la presión de la bomba puede superar la presión osmótica, lo que hace que el permeado, que potencialmente retiene mucha suciedad, arenilla y bacterias de las que intenta deshacerse en lugar de aumentar el flujo cruzado, que es el objetivo de un CIP. Agregar un limpiador especializado aumentará la conductividad a aproximadamente 10.000+ μs, lo que aumentará la carga osmótica a más de 60 psi y proporcionará un gran flujo cruzado turbulento para raspar los contaminantes.
6. Considere la nueva tecnología de membrana de ósmosis inversa
Membranas de baja energía
Las membranas de baja energía producen la misma cantidad de flujo de permeado a aproximadamente 150 psi en comparación con las membranas estándar, que se prueban a aproximadamente 225 psi. Esto significa que las membranas de baja energía producen la misma cantidad de agua mientras usan menos energía para hacerlo.
Esta capacidad significa que puede usar una bomba de alimentación más pequeña para ahorrar en costos operativos y gastos de capital. Sin embargo, si diseña su sistema en torno a membranas de baja energía, es importante no sustituirlas en membranas estándar, ya que esto causará problemas en el sistema.
Las membranas de baja energía reducen significativamente la energía de bombeo, lo que le ayudará a ahorrar en costos operativos. También se desempeñan mejor en áreas con bajas temperaturas del agua de alimentación, aunque es posible que vea una calidad de permeado ligeramente menor.
Un ejemplo en el que ChemTreat participó ahorró a una planta un 42 % en costos de energía al cambiar a una membrana de ósmosis inversa de baja energía que solo costó $10 más que el equivalente estándar.
Ósmosis inversa de circuito cerrado (CCRO) y otras unidades de ósmosis inversa de alta recuperación
Hay tres factores importantes que debe considerar si está pensando en instalar un CCRO en su instalación:
1. Recuperación volumétrica
Si bien las unidades de ósmosis inversa tradicionales operan a una tasa de recuperación estándar constante, los CCRO utilizan la recuperación volumétrica. La recuperación estándar significa que por cada minuto que la unidad está funcionando, se filtra el mismo flujo de agua y también se envía al drenaje.
Por ejemplo, una unidad de 100 gpm que funciona con una recuperación estándar del 75 % envía 75 galones de agua al tanque de agua filtrada y 25 galones de agua para drenar cada minuto que la unidad está funcionando.
La recuperación volumétrica tiene en cuenta el tiempo. Por lo tanto, para la misma unidad de 100 gpm que funciona con una recuperación del 75 %, la unidad envía 100 galones de agua al tanque de almacenamiento filtrado durante aproximadamente 15 minutos y luego envía 500 galones de agua al drenaje después de que se acabe ese tiempo. Esta recuperación toma el flujo total producido / (flujo total producido + flujo al drenaje) x 100 para obtener su recuperación.
En el ejemplo, se están produciendo 1.500 galones de agua con 500 galones que se drenarán. Esto significa que la recuperación volumétrica sería de 1.500/2.000 x 100 = 75 % de recuperación. Esto es importante al diseñar estos sistemas porque el tiempo del ciclo juega un papel importante en lo que se pueden lograr las recuperaciones. Si la unidad de ósmosis inversa no puede funcionar durante más de 15 minutos sin apagarse, no se puede lograr una recuperación superior al 75 %.
Al considerar recuperaciones superiores al 90 % donde los tiempos de ciclo pueden ser de 30 minutos o más, asegúrese de que haya un almacenamiento de permeado adecuado para permitir que la unidad funcione durante este tiempo sin interrupción.
2. Química del agua
Los sistemas de ósmosis inversa tradicionales tienen en cuenta la escala y las altas limitaciones hidráulicas. Para CCRO, realmente solo debe considerar la escala. Deberá trabajar estrechamente con sus proveedores de productos químicos y equipos para asegurarse de que está alimentando la cantidad correcta de ácido para controlar la incrustación. Verifique la información de su compañía de equipos con su proveedor de tratamiento de agua para que pueda seleccionar el antisarro correcto y ajustar el pH si es necesario para ayudar a cumplir con la recuperación especificada.
3. Tendencias automatizadas
Los CCRO y otras nuevas unidades de ósmosis inversa de alta recuperación pueden digitalizarse y automatizarse. A diferencia de las ósmosis inversa estándar, los operadores pueden tener dificultades para monitorearlas porque no pueden acercarse al sistema y completar una hoja de registro para recopilar datos. La tendencia de los datos de CCRO puede ser un poco complicada, pero su proveedor de tratamiento de agua puede ayudarle a recopilar métricas significativas del sistema.
Pensamientos finales: La importancia del mantenimiento regular para el tratamiento previo
Mantener su sistema de ósmosis inversa es tan importante como su diseño.
Recomendamos los siguientes procedimientos de mantenimiento para mejorar la vida útil de su sistema y la calidad del agua. Consulte siempre los manuales y guías del equipo para obtener la orientación adecuada.
- Lavar a contracorriente o cambiar los filtros aguas arriba en función de la caída de presión, no en un temporizador
- Realice limpiezas químicas en sus filtros de pretratamiento y/o reemplace los medios según sea necesario a lo largo de los años
- Recuerde: las tuberías pueden ensuciarse tanto como los filtros y las unidades de ósmosis inversa, así que tenga en cuenta dónde está sucediendo realmente el problema
- Inspeccione los sistemas anualmente, ¡no espere hasta que haya un problema!
Recuerde siempre: muchos factores contribuyen a la eficiencia de sus sistemas de pretratamiento y RO. Al igual que con todas las demás tecnologías, la diligencia debida es necesaria al determinar la viabilidad de utilizar nuevos métodos. Consulte siempre los manuales y guías de su equipo y comuníquese con nuestro experimentado equipo para obtener ayuda.
Referencias
DuPont. (2022). Manual técnico de las membranas de ósmosis inversa FilmTec. Recuperado de: https://www.dupont.com/content/dam/dupont/amer/us/en/water-solutions/public/documents/en/RO-NF-FilmTec-Manual-45-D01504-en.pdf.
