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Un sistema único de descarga cero de líquidos
que utiliza la tecnología de microfiltración
Por
Peter S. Cartwright, PE
Cartwright Consulting Co. Página 2 Porex® Filtration Abril de 2012 PFD-122-061912-00
RESEÑA
Introducción
Descripción del proceso
Requisitos de filtración
Microfiltración
Diseño del sistema
Limpieza
Conclusiones
Cartwright Consulting Co. Página 3 Porex® Filtration Abril de 2012 PFD-122-061912-00
INTRODUCCIÓN
High Desert Power Project, LLC, es un gran generador de energía de California que utiliza la
tecnología de microfiltración (microfiltration, MF) para tratar y reutilizar la purga de la torre de
enfriamiento en un proceso de cero descarga de líquido (Zero Liquid Discharge, ZLD).
En funcionamiento desde 2003, el proceso consiste en la adición de agentes químicos al agua de
purga para remover la dureza y sílice por medio de la precipitación. Los sólidos precipitados son
removidos continuamente con la tecnología de microfiltración.
El pH del agua tratada con MF (permeada) se ajusta y se dirige a una unidad de ósmosis inversa
(reverse osmosis, OI) de la primera etapa, donde una porción de su permeado se envía
directamente a la torre de enfriamiento como agua de reposición y el resto a una OI pulidora, y
se trata su permeado con tecnología de desionización continua (Continuous Deionization, CDI)
para alimentación de calderas. La corriente de concentrado de la unidad de OI de la primera
etapa se envía a una OI de la segunda etapa, donde su permeado se utiliza como agua de
reposición de la torre de enfriamiento y el concentrado se deshidrata en un cristalizador. La
corriente del concentrado de OI pulidora se utiliza como agua de reposición de la torre de
enfriamiento.
A continuación se presenta un esquema de este sistema.
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DESCRIPCIÓN DEL PROCESO
La torre de enfriamiento se alimenta de agua del acueducto de California (California Aqueduct
Water) clarificada. La purga de la torre de enfriamiento se bombea a un tanque de reacción de la
primera etapa. Se agrega sulfato férrico, carbonato sódico, el cloruro de magnesio e hipoclorito
de sodio (lejía); el pH en este tanque es aproximadamente 8,5, lo cual inicia la precipitación de
carbonato de calcio y sílice.
El efluente del tanque de reacción de la primera etapa se rebalsa a un tanque de reacción de la
segunda etapa que recibe cal y carbonato sódico, elevando el pH a 10,5-11,0, para después
precipitar carbonato de calcio y sílice.
Este tanque se rebalsa a un tanque de concentración que también recibe la corriente de
concentrado (“desecho”) de un sistema de microfiltración (MF). El tanque de concentración
recolecta sólidos precipitados y químicamente saturados y el lodo resultante se alimenta a un
tanque espesador de lodo.
(CDI)
Torre de
enfriamiento
Tanque de
alimentación
Tanque de reacción
(Primera etapa)
Tanque de reacción
(Segunda etapa) Tanque de
concentración
Sistema de MF Tanque de ajuste de
pH
Tanque espesador de
lodo Prensa de filtro
Cristalizador
OI (Primera etapa)
OI (Segunda etapa)
OI pulidora Desionización
continua
Sólidos al vertedero
Sólidos al vertedero
Al tanque de
concentración
Concentrado
Concentrado
Condensado
Concentrado
Permeado
Permeado
Permeado
Alimentación de
calderas
Desecho de CDI
Purga
Agua de reposició
n
Remoción
de lodo Lodo
pH = 6,3
pH = 8,5 pH = 10,5 – 11,0
Alimentación química Ácido sulfúrico (H2SO4)
Bisulfito de sodio (NaHSO3)
Alimentación química Cal [Ca(OH)2)
Carbonato sódico (Na2CO3)
Alimentación química Sulfato férrico [Fe2(SO4)3]
Carbonato sódico (Na3CO3) Cloruro de magnesio (MgCl2)
Hipoclorito de sodio (NaOCl)
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La pasta de sólidos suspendidos en el tanque de concentración se dirige a un sistema de MF para
completar virtualmente la remoción de estos sólidos. El permeado de MF (la porción de la
corriente de alimentación que pasa a través de la membrana) fluye hacia el tanque de ajuste de
pH donde recibe bisulfato de sodio para neutralizar el cloro (de la adición de lejía) en el tanque y
ácido clorhídrico para bajar el pH a 6,3.
Tal como se mencionó anteriormente, el concentrado de MF (la porción de la corriente de
alimentación que pasa por y sobre la superficie de la membrana) transporta sólidos suspendidos
del sistema de MF y de regreso al tanque de concentración. Con el paso del tiempo, la
concentración de sólidos total en este tanque se incrementa a aproximadamente 5 %, en cuyo
momento, los sólidos se bombean al tanque espesador de lodo que alimenta una prensa de filtro.
Los sólidos deshidratados se arrastran a un vertedero y la porción líquida se dirige de regreso al
tanque de concentración.
Desde un tanque de ajuste de pH, el permeado de MF tratado se procesa con tecnología de
ósmosis inversa (OI) y la corriente de permeado de la primera etapa se regresa como reposición a
la torre de enfriamiento o se alimenta a una OI pulidora. El permeado de OI pulidora se dirige a
un sistema de desionización continua para producir agua de alimentación de calderas y la
corriente de concentrado se vuelve parte del agua de reposición de la torre de enfriamiento.
La corriente de concentrado de OI de la primera etapa se alimenta a una OI de la segunda etapa;
el permeado de este sistema se dirige de regreso a la torre de enfriamiento como agua de
reposición y la corriente de concentrado se alimenta a un cristalizador. Los sólidos de esta unidad
se entregan a un vertedero y el condensado del cristalizador se devuelve a la torre de
enfriamiento como reposición.
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REQUISITOS DE FILTRACIÓN
A medida que el agua se evapora, tal como sucede en una torre de enfriamiento, el nivel de
contaminantes en el agua de purga incrementa sustancialmente.
Las tecnologías requeridas para remover sólidos disueltos (ósmosis inversa, desionización
continua y otros), se ven perjudicialmente afectadas por los sólidos suspendidos y sales
ligeramente solubles que se precipitan en la concentración. Casi todos los suministros de agua,
con excepción del agua de mar, están saturados con carbonato de calcio y magnesio.
Adicionalmente, muchos suministros también tienen altas concentraciones de sílice, otro
contaminante relativamente insoluble, así como sales de sulfato.
El ablandamiento convencional de la cal es el proceso de ablandamiento de agua tradicional para
altos volúmenes de flujo e incluye el agregado de cal [Ca(OH)2] y carbonato sódico (Na2CO3). A
medida que el pH aumenta debido a la adición de cal, el carbonato de calcio, el hidróxido de
magnesio y el carbonato de magnesio de precipitan. El hidróxido de magnesio también remueve
la sílice mediante la absorción a medida que se precipita.
Virtualmente todos los elementos de membrana de ósmosis inversa actualmente en venta son de
una configuración en espiral, tal como se ilustra a continuación.
Elemento de membrana en espiral dentro de un reactor
Membrana
Concentrado
Permeado
Adhesivo
Reactor
Elemento de membrana
Tubo de permeado
Agua de alimentación
Espaciador de
alimentación
Refuerzo de
tela
Transportador de permeado
Forro de membrana de fibra
de vidrio
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A pesar de ser la más barata de todas las configuraciones de elementos de membrana, los
elementos de membrana de ósmosis inversa en espiral son los más susceptibles a incrustaciones
de sólidos suspendidos. En muchos casos, el proceso de filtración de multimedios normal a
menudo utilizado para ablandar cal, no ofrece la remoción adecuada de sólidos suspendidos para
minimizar las incrustaciones de la membrana. Aquí es donde se pueden explotar las capacidades
superiores de filtración de la tecnología de MF.
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MICROFILTRACIÓN
La microfiltración es una tecnología de separación de membranas de flujo cruzado, impulsada a
presión, diseñada para remover sólidos suspendidos submicrónicos (y más grandes) de los
suministros de agua. Difiere de la filtración convencional (“sin salida”) en cuanto a que en este
proceso, todo el suministro de agua pasa a través del filtro medio, mientras que en el proceso de
flujo cruzado una porción pasa a través de la membrana convirtiéndose en “permeado” mientras
que el resto sale del sistema como “concentrado”, llevándose casi todos los sólidos suspendidos.
La siguiente ilustración compara estos dos procesos.
Filtración convencional versus filtración de flujo cruzado
A continuación se muestra el mecanismo de microfiltración.
Sólidos suspendido
s Macromoléculas
Sales
Agua
Membrana
Concentrado
Permeado
Alimentació
n
Alimentació
n
Filtrado
Filtración convencional Filtración de flujo cruzado
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Las membranas de MF que se usan en esta aplicación son membranas tubulares TMF de Porex®,
que se muestran a continuación.
Específicamente, los tubos son I.D. de 1" con un sustrato de polietileno que soporta una capa de
PVDF (fluoruro de polivinileno) con poros de 0,10 μ. A continuación se ilustran los módulos de
la membrana.
Permeado
Concentrado
Alimentación
Flujo tubular (12-15 ft/seg)
Filtración cortesía de Porex®
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Cada módulo de membrana consiste de diez tubos de 72" de longitud encerrados dentro de un
armazón de PVC. Las especificaciones de los módulos y tubos son las siguientes:
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Módulos Diámetro del armazón 6" Schedule 40
Puerto de permeado (Cant. 2) Abrazadera para tubo en L de 2,875"Ø x 1,89"
Puertos de concentrado Ranura Anvil Gruvlok para tubería de 6" Ø
Montaje requerido Horizontal; 2 puntos
Longitud del módulo 72"
Tubos Número de tubos 10
ID nominal 1"
OD nominal 1,34"
Área de la superficie activa total 15,2 ft2
Volumen interno de líquido
Volumen de permeados 4,33 galones
Volumen de concentrados 2,45 galones
Volumen total 6,78 galones
Materiales de construcción
Encapsulado Cemento solvente
Soportes internos Polipropileno
Material de juntas Ninguno
Preservante (envío) Propilenglicol
Membrana PVDF
El flujo de alimentación se encuentra al centro del tubo (alimentación de lumen) donde el
permeado pasa por la pared tubular y se recolecta del área alrededor de la parte exterior de los
tubos adentro del armazón. En este sistema de MF hay un total de 216 módulos de Porex®.
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DISEÑO DEL SISTEMA
Sistema TMF Porex®
Los módulos se dividen en seis plataformas, cada uno con tres trenes de 12 módulos conectados
en serie. La corriente de alimentación entra en un extremo del primer módulo y el concentrado
sale por el otro extremo como alimentación para el próximo módulo. Este flujo continúa a través
de los 12 módulos y regresa al tanque de concentración. Mientras tanto, el permeado de cada
módulo se recolecta en paralelo y se alimenta a un cabezal cuando se dirige al tanque de ajuste
de pH para tratamiento adicional por ósmosis inversa.
A continuación se ilustra un tren de 12 módulos:
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Esquema del sistema de MF
Al tanque de ajuste del pH
Al tanque de concentración
Alimentación
10 módulos de TMF Porex®
Pe
rme
ad
o
Co
nce
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ado
Co
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Con
ce
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ado
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La siguiente tabla resume el desempeño de este sistema de MF:
Parámetro Agua de alimentación de
MF
Permeado de MF
pH 8,0 10,7
Dureza total 2122 mg/l 127 mg/l
Alcalinidad total 58 mg/l 197 mg/l
Turbidez 4,63 0,03 NTU
Sílice 99 mg/l 6 mg/l
Ósmosis inversa (OI)
La OI de la primera etapa remueve los sólidos disueltos con una porción de su permeado que
suministra agua de reposición a la torre de enfriamiento y el resto del permeado fluye
directamente a una OI pulidora para la remoción adicional de sólidos disueltos y posteriormente
se purifica en una unidad de desionización continua para producir agua de alimentación de
calderas de alta calidad.
Las corrientes de concentrado de la primera etapa y las unidades de OI pulidora se combinan y se
alimentan a una OI de la segunda etapa; su permeado se utiliza como agua de reposición de la
torre de enfriamiento y su concentrado se trata con un cristalizador para producir sólidos para
relleno; el condensado se utiliza para reposición de agua de enfriamiento.
Ya que el proceso de MF remueve tan efectivamente los sólidos suspendidos, las corrientes de
concentrado de OI podrían devolverse realmente al extremo delantero del sistema para más
tratamiento.
La siguiente tabla contiene las tasas de alimentación y permeado para los sistemas de OI junto
con los cálculos de recuperación resultantes (tasa de permeado ÷ tasa de alimentación) para cada
una.
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Flujos y recuperaciones del sistemas de
membrana
OI de la primera etapa
OI pulidora OI de la
segunda etapa
Tasa de alimentación (gpm) 350 110 150
Tasa de permeado (gmp) 255 82 100
Recuperación del sistema (%) 73 % 75 % 67 %
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LIMPIEZA
Debido a que el sistema de MF continuamente deshidrata la dureza de los precipitados y sólidos
de sílice al remover el agua filtrada y devolver los sólidos al tanque de concentración, estos
sólidos aumentan regularmente en este tanque al 5 % (% en peso). En este punto, los sólidos se
drenan al tanque espesador de lodo delante de la prensa de filtro.
A medida que incrementan estos sólidos en el tanque de concentración, aumenta la probabilidad
de incrustaciones adentro de los elementos de membranas tubulares, lo cual reduce el flujo de
permeado a través de la membrana. Para minimizar esto, la velocidad del líquido se mantiene a
un caudal elevado (12-15 ft/seg) para garantizar la turbulencia dentro de los elementos de
membranas.
El clima idílico del sur de California no es solamente atractivo para las criaturas bípedas sino
también para los microorganismos. Cuando la temperatura del clima aumenta, proliferan las
bacterias. Esto resulta en una bioincrustación en el sistema de tratamiento.
Aunque se agrega cloro para reducir la actividad bacteriana, el ambiente alto en pH reduce la
eficacia de este desinfectante y se debe tener cuidado de garantizar que esta sea removida
completamente antes de las unidades de OI.
Cuando la incrustación aumenta a un cierto punto, se puede emplear un número de
procedimientos para restaurar el caudal, incluida la retropulsación con aire o permeado, el
retrolavado con permeado o la interrupción del flujo a través de los módulos para permitir que
las membranas se “relajen” y el material incrustado se desprenda de la superficie de la membrana.
Limpieza con ácido
Cuando la tasa de permeado de una plataforma baja a aproximadamente 60 gpm, se requiere la
limpieza química. Por lo general, los módulos se limpian inicialmente con una solución de ácido
clorhídrico (HCL) del 3 % al 5 % para disolver el carbonato de calcio acumulado y otros
depósitos solubles en ácido.
Al utilizar un sistema exclusivo de limpieza en el lugar (clean-in-place, CIP), la solución de
ácido se bombea a la plataforma y esta solución de limpieza se hace circular a través de los
módulos de MF durante 15 minutos, seguido de un remojo de 45 minutos. Luego, la solución se
hace circular de nuevo por el sistema de membranas durante otros 45 minutos. Posteriormente, la
solución regresa al tanque de almacenamiento de CIP y los módulos se enjuagan y aclaran con el
agua recolectada, la cual también regresa al tanque de aclarado para ser reutilizada.
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Limpieza cáustica
Cuando la limpieza con ácido ya no es efectiva para restaurar el caudal (usualmente entre una y
cuatro veces al mes; una función del tiempo del año), se lleva a cabo una limpieza de pH elevado.
El sistema de CIP utiliza hidróxido de sodio (NaOH) e hipoclorito de sodio (NaOCl) en una
solución de limpieza que contiene NaOCl al 12 %-15 % a un pH de 12-13. Este paso de limpieza
es efectivo para remover biopelículas y otros incrustantes orgánicos.
Esta solución se hace circular a través de los módulos de MF durante 30 minutos, seguido de un
remojo de 150 minutos y 30 minutos de recirculación.
El sistema de MF fue diseñado con una plataforma extra para que siempre esté uno disponible
para estos procesos de limpieza sin afectar la tasa de procesamiento total de la planta.
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CONCLUSIONES
Cada componente de este sistema contribuye al éxito total de este diseño único. Las adiciones
químicas a los tanques de reacción resultan en dureza y precipitación de sílice. El sistema de MF
remueve continuamente el agua clarificada de los sólidos. Esta agua tratada se pule
posteriormente con tecnología de OI para remover las sales con el fin generar agua de reposición
de la torre de enfriamiento o para alimentar la tecnología de desionización continua para producir
agua de alimentación de calderas.
La efectividad de la tecnología de MF se confirma por el hecho de que las unidades de OI
pueden recuperar un porcentaje muy alto del agua tratada para su total reutilización. Además, las
membranas de OI deberán limpiarse con una frecuencia no mayor que cada seis meses.
El lodo resultante de la dureza y precipitación de sílice se deshidrata en una prensa de filtro y se
lleva a un vertedero. La corriente de líquido de la prensa de filtro se redirige al sistema de MF.
Las sales concentradas de las unidades de ósmosis inversa se vuelven insolubles en un
cristalizador con estos sólidos vertidos. El condensado del cristalizador también se utiliza como
reposición de la torre de enfriamiento.
