NIVEL BÁSICO LA RIVIERA MAYA A RIVIERA MAIA Desalinización en Lugares Turísticos Carentes de Agua Dessalinização em Locais Turísticos Carentes de Água por Ing. Roger Biset Español Português L a población mundial continúa creciendo y las existencias de agua adecuada para el consumo humano siguen mermando en forma alarmante. Debido a esto, la producción de agua potable ha comenzado a buscar alternativas, y una de éstas, con cantidades sin límite, es el uso de agua de mar para obtención de agua apta para consumo humano. Nada mortifica más al desarrollo de nuevos centros urbanos como la falta de servicios. El género humano de hoy es muy cómodo—donde hasta hace poco tiempo, cada persona y/o familia era autosuficiente, hoy dependemos totalmente de la comunidad y de las facilidades que la vida comunitaria trae aparejada—y aun vemos que hay ciertos lugares en el mundo donde no se dispone de agua corriente. El ejemplo más claro y cercano está en la “Riviera Maya”, que empieza en Cancún al norte, y baja hasta Chetumal en el estado de Quintana Roo, en el este de México (la península de Yucatán). Allí se han empezado varios complejos turísticos y centros urbanos en los cuales no hay ni el más mínimo servicio, tanto así, que la línea de energía se encuentra a varios kilómetros de distancia, sobre la carretera CancúnChetumal, y se lleva al punto deseado, normalmente a costo del usuario. Una vez que hay posibilidad de energía, el horizonte empieza a expandirse; primero hay luz, posibilidad de extraer agua del subsuelo, y las demás amenidades que la electricidad otorga. A Sal del mar Sal do mar La mayoría de las veces, el agua del subsuelo está contaminada con agua de mar, ya que el subsuelo es muy poroso y los complejos turísticos se encuentran muy cercanos a la orilla del golfo de México, y aquí empieza el problema que nos concierne a todos los interesados en esta “industria del agua”. La separación de sales por membranas semipermeables ha sido usada desde hace ya muchos años, a partir del momento en que un grupo de científicos de la Universidad de la Florida, EE.UU., demostró el proceso de ósmosis inversa (OI), utilizando una membrana de acetato de celulosa. A partir de este punto, la expansión de su uso en el mercado fue inmediata y a gran velocidad. Numerosos proveedores presentan hoy en día equipos para desalinización (o desalación) de características variables, desde muy simples, con bombas de pistón, baja producción y controles muy rudimentarios, hasta equipos complejos con bombas centrífugas de alta velocidad y motores con rotación variable por ajuste de frecuencia, con recuperación de energía del agua de concentrado, controles programables y recolección de datos a distancia, y con volúmenes que sobrepasan Na maioria das vezes, a água do subsolo está contaminada com água do mar, já que o subsolo é muito poroso e os complexos turísticos se encontram muito próximos da orla do Golfo do México, e então começa o problema que preocupa a todos nós interessados nesse “setor de abastecimento de água”. A separação de sais por membranas semipermeáveis vem sendo utilizada há muitos anos, desde o momento em que um grupo de cientistas da Universidade da Flórida, EE.UU., demonstrou o processo de osmose reversa (OR) utilizando uma membrana de acetato de celulose. A partir de então, a expansão de seu uso no mercado foi imediata e em ritmo acelerado. Inúmeros fornecedores apresentam atualmente equipamentos de dessalinização de características variáveis, desde os muito simples, com bombas de pistão, baixa produção e controles muito rudimentares, até equipamentos complexos com bombas centrífugas de alta velocidade e motores com rotação variável por ajuste de freqüência, com recuperação de energia da água de concentrado, controles programáveis e coleta de dados à distância, e com volumes que ultrapassam milhões de galões por dia. Atualmente existem fornecedores que garantem consumos de população mundial continua crescendo e a disponibilidade de água apropriada para consumo humano continua minguando de forma alarmante. Em virtude disso, a produção de água potável começou a buscar alternativas, e uma dessas, com quantidades ilimitáveis, é o uso de água do mar para obtenção de água apropriada para consumo humano. Nada prejudica mais o desenvolvimento de novos centros urbanos do que a falta de serviços. O gênero humano de hoje é muito cômodo— enquanto que até pouco tempo cada pessoa e/ou família era auto-suficiente, hoje dependemos totalmente da comunidade e das facilidades que a vida comunitária traz consigo—e ainda vemos que há certos lugares do mundo em que não se dispõe de água corrente. O exemplo mais claro e próximo está na “Riviera Maia”, que começa em Cancun, ao norte, e vai até Chetumal, no estado de Quintana Roo, no leste do México (na península de Yucatã). Ali iniciaram-se vários complexos turísticos e centros urbanos nos quais não há a menor disponibilidade de serviços, tanto que a linha de força se encontra a vários quilômetros de distância, sobre a rodovia Cancun-Chetumal, e só chega ao ponto desejado normalmente às custas do usuário. Uma vez que há possibilidade de energia, o horizonte começa a se expandir; primeiro vem a luz, com a possibilidade de se extrair água do subsolo, e depois as demais conveniências que a eletricidade possibilita. Español varios millones de galones por día. Actualmente existen proveedores que garantizan consumos energéticos menores de US$2.5 por cada 1,000 galones (3,800 litros) de agua producto a partir de agua de mar, cuando estos valores eran insospechables hasta hace poco tiempo. La tendencia de los proveedores es fabricar equipos más competitivos en cuanto a su costo, ofrecer soluciones de reducción de consumo energético y disminuir la cantidad de horas-hombre necesarias para mantenimiento. A su vez, los fabricantes de componentes y partes utilizados en equipos para desalinización, sean estos fabricantes de membranas, tubos, bombas y/o demás componentes, se encuentran en un mercado tan dinámico que para tentar al fabricante o ensamblador de equipos, ofrecen variables como membranas de alta producción, baja presión y buen rechazo, membranas de mayor superficie filtrante, membranas que aceptan presiones de hasta 1,200 libras por pulgada cuadrada (psi*) (84 Kg/ cm2); los tubos porta membranas por ende se adecuan a las membranas de alta producción, con aberturas de mayor tamaño para disminuir la fricción y pérdida de presión, que permiten trabajar a presiones elevadas y salidas de permeado de mayor tamaño. Por último, cabe destacar el rubro que más ha variado en los últimos tiempos, el de la bomba de alta presión. Cuando hasta hace poco el mercado estaba dominado principalmente por las bombas de pistón y/o sopapa, hoy vemos que el sistema de impulsión de agua por medio de bombas centrífugas está de moda, con materiales exóticos (aleaciones de titanio, acero inoxidable dúplex 2205, acero inoxidable 904L, etc.). Mencionamos también como parte del sistema de impulsión de agua a los recuperadores de energía de varios tipos, que proporcionan un uso de energía mucho menor que con bombas convencionales solamente, y prometen costos asequibles en la producción de agua potable. Hay tres tipos de recuperadores de energía: tipo “turbo booster”, que actúa como un supercargador de carro (turbo); tipo turbina Pelton, en donde el agua de concentrado mueve una bomba centrífuga que provee al sistema con agua pre-presurizada; y el tipo “pressure exchanger” (o intercambiador de presión) que toma el caudal de concentrado y “pasa” o intercambia esta presión al mismo volumen de agua de alimentación. Siendo este proceso más complicado que los dos anteriores, se supone que la energía recuperada por el intercambiador de presión es mayor a los otros dos sistemas. Existen otros procesos de obtención de agua “potable” proveniente de agua de mar, como la compresión mecánica de vapor (MVC*), compresión térmica de vapor (TC*), destilación de efecto múltiple (MED*), evaporación instantánea de etapas múltiples (MSF*) y evaporación simple por destilación (D). No hablaremos de estos métodos debido a que su uso está restringido a industrias cuyas posibilidades de energía, mano de obra capacitada y costos operacionales están muy por encima de las posibilidades que se presentan en nuestra zona de estudio. El proceso de desalinización de agua de mar por OI se puede dividir en cuatro partes fundamentales: Captación del agua de mar, pretratamiento, equipo de ósmosis inversa y postratamiento. Português energia inferiores a US$ 2,5 para cada 1.000 galões (3.800 litros) de água produzida a partir de água do mar, quando tais valores eram impensáveis até pouco tempo atrás. A tendência dos fornecedores é fabricar equipamentos mais competitivos em termos de custo, oferecer soluções de redução de consumo de energia e diminuir a quantidade de homens-horas necessárias para manutenção. Por sua vez, os fabricantes de componentes e peças utilizadas em equipamentos de dessalinização, sejam eles fabricantes de membranas, tubos, bombas e/ou outros componentes, encontram-se num mercado tão dinâmico que, para atrair o fabricante ou montador de equipamentos, oferecem variáveis como membranas de alta produção, baixa pressão e boa taxa de rejeito, membranas de maior superfície filtrante, membranas que aceitam pressões de até 1.200 libras por polegada quadrada (psi*)(84 kg/cm2); os tubos porta-membranas, por conseguinte, adequam-se às membranas de alta produção, com aberturas de maior tamanho para diminuir o atrito e a perda de pressão, permitindo trabalhar a pressões elevadas e saídas de permeado de maior dimensão. Por último, convém destacar o segmento que mais se modificou nos últimos tempos, o da bomba de alta pressão. Enquanto há pouco tempo o mercado estava dominado principalmente pelas bombas de pistão e/ou de charneira, hoje vemos que o sistema de impulsão de água por meio de bombas centrífugas está na moda, com materiais exóticos (ligas de titânio, aço inoxidável duplex 2205, aço inoxidável 904L etc.). Mencionamos também como parte do sistema de impulsão de água os recuperadores de energia de vários tipos, que proporcionam um uso de energia muito menor do que apenas com bombas convencionais e prometem custos viáveis na produção de água potável. Existem três tipos de recuperadores de energia: o tipo “turbo booster”, que funciona como um turbocompressor de carro; o tipo turbina Pelton, no qual a água de concentrado aciona uma bomba centrífuga que fornece água pré-pressurizada ao sistema; e o tipo “trocador de pressão”, que capta a vazão de concentrado e “transmite” ou intercambia essa pressão ao mesmo volume de água de alimentação. Como este último processo é mais complicado que os dois anteriores, supõe-se que a energia recuperada pelo trocador de pressão seja maior que a dos outros dois sistemas. Existem outros processos de obtenção de água “potável” proveniente da água do mar, como a compressão mecânica de vapor (MVC*), compressão térmica de vapor (TC*), destilação de efeito múltiplo (MED*), evaporação instantânea de etapas múltiplas (MSF*) e evaporação simples por destilação (D). Não abordaremos esses métodos porque seu uso se restringe a setores cujas possibilidade de energia, mão-de-obra qualificada e custos operacionais são muito superiores às possibilidades abrangidas pelo âmbito do nosso estudo. Pode-se dividir o processo de dessalinização de água do mar por OR em quatro partes fundamentais: Captação da água do mar, prétratamento, equipamento de osmose reversa y pós-tratamento. Captação da água do mar Captación del agua de mar Al obtener agua de alimentación lo más limpia posible, es muy común utilizar pozos hechos en la playa o “pozos playeros” que ya han filtrado el agua en cierta forma y disminuye la posibilidad de contaminación por algas o microorganismos. Si se toma agua de mar abierto, hay que considerar una cantidad de pasos de pretratamiento para disminuir la posibilidad de contaminación y ensuciamiento. La contaminación más común de agua de mar abierto es el crecimiento de algas dentro de las Para se obter água de alimentação o mais limpa possível, é muito comum utilizar poços feitos na praia, que já filtraram a água de uma certa forma e diminuem a possibilidade de contaminação por algas ou microorganismos. Quando se capta água de mar aberto, é preciso considerar inúmeros passos de pré-tratamento para diminuir a possibilidade de contaminação ou sujeiras. A contaminação mais comum da água de mar aberto é o crescimento de algas dentro das membranas, porém não se pode esquecer dos óleos e hidrocarbonetos, sedimentos, Español membranas, pero no hay que descartar los aceites e hidrocarburos, sedimento, materia orgánica en general, oxigeno disuelto (que incrementa la posibilidad de corrosión en los metales utilizados en el equipo), y hasta materia fecal por los descargues de aguas negras al mar. De ser posible, se hace un pozo piloto para determinar la calidad del agua a entrar al equipo y diseñar el pretratamiento adecuado. Muchas veces, al perforar en la playa, todavía se obtiene agua con salinidad media, proveniente de los acuíferos y esto beneficia con una mayor recuperación posible y una presión de operación más baja en el equipo. Una vez que este pozo esté aforado, se podrá determinar la cantidad de pozos necesarios para obtener el volumen total de agua requerida. Português matéria orgânica em geral, oxigênio dissolvido (que aumenta a possibilidade de corrosão dos metais utilizados no equipamento) e até matéria fecal do despejo de esgotos no mar. Quando possível, abre-se um poço piloto para se determinar a qualidade da água que entra no equipamento e projetar o pré-tratamento adequado. Muitas vezes, ao se perfurar na praia, ainda se obtém água com salinidade média, proveniente de aqüíferos, e isso propicia uma maior recuperação e uma pressão de operação mais baixa no equipamento. Uma vez avaliado esse poço, poder-se-á determinar a quantidade de poços necessários para se obter o volume total de água necessária. Pré-tratamento Pretratamiento En cualquier caso de captación de agua, se considera el pretratamiento adecuado para que el agua de alimentación esté de acuerdo a los parámetros requeridos por el fabricante de membranas, ya sea filtración, cloración, decloración, floculación, adición de biocontroladores y/o alguicidas, luz UV, etc., todo diseñado para el volumen máximo de alimentación del equipo. Los parámetros más comunes a tener en cuenta en dicha agua son: turbidez (NTU*), índice de densidad de cieno (SDI*), contenido total de sólidos disueltos (TDS*), temperatura, conductividad, pH, carbono orgánico total (TOC*) o materia orgánica, demanda química de oxígeno (COD*), demanda biológica de oxígeno (BOD*), etc. concentración de cloro libre y análisis de microorganismos. Los fabricantes de membranas indican que los máximos límites permisibles para trabajo de membranas son: a) Turbidez: <1 NTU b) SDI a 15 min: <5 c) Temperatura: <45°C d) Concentración de cloro libre: <0.1 partes por millón (ppm) e) Radio de concentrado/permeado máximo: 5:1 f) Caída de presión máxima por elemento: 10 psi Existen otros parámetros que no se encuentran tan claramente especificados y se determinan por uso de los programas de proyección, donde se obtienen los parámetros operacionales como: • Presión de operación; • Porcentaje de recuperación; • Caudales de alimentación, producto y rechazo; • Índices de Langelier o de Stiff & Davis en el rechazo; • Caída de presión por elemento y/o tubo; • Calidad del agua permeada, y • Requerimiento de potencia (que se obtiene de los valores de caudal de alimentación, presión de operación y eficiencia de la bomba/ motor). Estos parámetros obtenidos por proyección, si bien son muy informativos, son solamente pronósticos de cómo operará el equipo en esas condiciones, y los valores reales de operación se obtendrán una vez que el equipo se encuentre en condiciones normales en el lugar de operación. Una vez que se hayan proyectado los valores de operación del equipo, se obtiene toda la información necesaria para calcular el pretratamiento, el diámetro de las tuberías, etc. Equipo de ósmosis inversa Después de determinar los requerimientos del cliente, se procederá a hacer una proyección de computadora (programa provisto por el Em qualquer caso de captação de água, considerar-se-á o prétratamento adequado para que a água de alimentação esteja de acordo com os parâmetros exigidos pelo fabricante de membranas, ou seja, filtração, cloração, descloração, floculação, adição de biocontroladores e/ou algicidas, luz UV etc., tudo projetado para o volume máximo de alimentação do equipamento. Os parâmetros mais comuns a serem considerados nesse tipo de água são: turbidez (NTU*), índice de densidade de lodo (SDI*), conteúdos sólidos dissolvidos totais (TDS*), temperatura, condutividade, pH, carbono orgânico total (TOC*) ou matéria orgânica, demanda química de oxigênio (COD*), demanda biológica de oxigênio (BOD*) etc., concentração de cloro livre e análise de microorganismos. Os fabricantes de membranas indicam que os limites máximos admissíveis para operação de membranas são: a) Turbidez: <1 NTU b) SDI a 15 min: <5 c) Temperatura: <45 °C d) Concentração de cloro livre: <0,1 parte por milhão (ppm) e) Razão máxima concentrado/permeado: 5:1 f) Queda de pressão máxima por elemento: 10 psi Existem outros parâmetros que ainda não se encontram muito claramente especificados e que são determinados utilizando-se os programas de projeção, com os quais se obtêm parâmetros operacionais como: • Pressão de operação; • Porcentagem de recuperação; • Vazões de alimentação, produto e rejeito; • Índices de Langelier ou de Stiff & Davis no rejeito; • Queda de pressão por elemento e/ou tubo; • Qualidade da água permeada, e • Requisito de potência (que se obtém dos valores de vazão de alimentação, pressão de operação e eficiência da bomba/motor). Esses parâmetros obtidos por projeção, embora sejam muito informativos, são apenas prognósticos de como o equipamento funcionará nessas condições, sendo que os valores reais de operação serão obtidos uma vez que o equipamento estiver sob condições normais no local de operação. Uma vez projetados os valores de operação do equipamento, obtêmse todas as informações necessárias para se calcular o pré-tratamento, o diâmetro da tubulação etc. Equipamento de osmose reversa Depois de determinar os requisitos do cliente, realizar-se-á uma projeção por computador (programa fornecido pelo fabricante de membranas), que fornecerá os valores de operação estimados, levando em consideração os valores específicos para cada caso (informações fornecidas também pelo fabricante de membranas). Com esses valores Español fabricante de membranas), donde se obtendrán los valores de operación estimados, teniendo en cuenta los valores específicos para cada caso (información provista también por el fabricante de membranas). Con estos valores de diseño, se procederá a la fabricación del equipo de OI. Los fábricantes de equipos ofrecen unidades que pueden variar dependiendo de los límites aceptables para cálculo del equipo. Mientras más precauciones se tomen con respecto a estos límites, mejor será el diseño, y por ende más fácil la operación y mayor duración operacional de dicho equipo. Como norma general, se debe tomar como máximo de caudal de permeado por pie cuadrado de membrana por día (gfd*) de 12, es decir que en promedio, cada pie cuadrado de membrana producirá unos 12 galones por día de permeado para agua de mar, hasta 15 para aguas superficiales, 18 para aguas de pozo y 24 para aguas pretratadas con ultrafiltración, nanofiltracion y/o OI (equipos de doble paso). Se deben tener en cuenta los materiales a utilizar en cada parte del equipo, al igual que los diámetros y presiones en cada tramo del mismo. Siendo lo más común el uso de PVC cédula 80 para baja presión y acero inoxidable (304, 316L, 904L dúplex 2204/2205, etc.) para alta presión. Es común hoy en día el uso de aceros resistentes a la corrosión, tipo 904L cédula 40, para equipos de agua de mar, donde se logra una alta resistencia a la corrosión, posibilidades de operar a presiones de más de 1,000 psi y se encuentran fácilmente en el mercado a costos razonables. Bajo ningún punto de vista se utilizarán uniones roscadas para alta presión, siendo muy común el uso de uniones tipo Victaulic y/o acoples bridados (flanges). Postratamiento Al hablar de postratamiento, debemos hacer hincapié en los requisitos del cliente en cuanto a calidad del producto. Por lo general, en equipos de desalinización de agua de mar se requiere obtener agua “potable”. Aunque los valores para agua potable no están muy bien delineados, es común observar los valores máximos de la Organización Mundial de la Salud (OMS) para determinar si dicho producto se encuentra dentro de los límites de agua potable. Sin entrar en detalles, cuando un equipo de desalinización de agua de mar por OI se encuentra operando correctamente, los valores del agua producto están muy por debajo de dichos límites, teniendo solamente que elevar el pH por encima de 6.5 y agregar algún tipo de desinfectante con poder residual para mantener a un mínimo la posibilidad de proliferación de microorganismos en el agua. Hay fábricas que preveen la incorporación de sales y/o bases para la elevación del pH como también la inyección de cloro (normalmente como hipoclorito de sodio) como desinfectante. Es común poseer ciertos monitores en la línea de permeado para observar la variación en la calidad del mismo, como también hacer un muestreo en línea de uso para la obtención de estos valores. Como monitores más comunes, tenemos el de sólidos disueltos totales (TDS*) o de conductividad, de volumen, de pH, de potencial oxidoreductor (ORP*) (para determinar la cantidad de cloro a agregar), etc. Sin duda alguna, existen muchos puntos que no han sido presentados en este ensayo, pero es intención del autor proveer información general acerca del proceso de desalinización, y no entrar en detalles de diseño y teoría que dificulten el entendimiento de este artículo por una amplia gama de lectores. * Por sus siglas en inglés. Português de projeto, procede-se à fabricação do equipamento de OR. Os fabricantes de equipamentos oferecem unidades que podem variar em função dos limites aceitáveis para cálculo dos equipamentos. Quanto mais precauções se tomarem em relação a esses limites, melhor será o projeto e, por conseguinte, mais fácil a operação e maior a vida útil do referido equipamento. Como regra geral, deve-se considerar o valor 12 como máximo de vazão de permeado por pé quadrado de membrana por dia (gfd*), ou seja, que na média cada pé quadrado de membrana produzirá cerca de 12 galões por dia de permeado para água do mar, até 15 para águas de superfície, 18 para águas de poço e 24 para águas pré-tratadas com ultrafiltração, nanofiltração e/ou OR (equipamentos de passagem dupla). Deve-se observar os materiais a serem utilizados em cada parte do equipamento, bem como os diâmetros e pressões em cada trecho do referido equipamento. O mais comum é usar PVC S 80 para baixa pressão e aço inoxidável (304, 316L, 904L duplex, 2204/2205 etc.) para alta pressão. Atualmente é comum o uso de aços resistentes à corrosão, tipo 904L S 40 para equipamentos de água de mar, com os quais se obtém uma alta resistência à corrosão, possibilidades de operação a pressões acima de 1.000 psi e que são facilmente encontrados no mercado a custos razoáveis. Sob hipótese alguma utilizar-se-ão uniões roscadas para alta pressão, sendo muito comum o uso de uniões tipo Victaulic e/ ou acoplamentos flangeados. Pós-tratamento Ao falarmos de pós-tratamento, devemos insistir nos requisitos do cliente quanto à qualidade do produto. Em geral, em equipamentos de dessalinização de água do mar, exige-se obter “água potável”. Embora os valores para água potável não estejam muito bem definidos, é comum observar os valores máximos da Organização Mundial da Saúde (OMS) para se determinar se um produto específico se encontra dentro dos limites de potabilidade. Sem entrar em detalhes, quando um equipamento de dessalinização de água do mar por OR se encontra operando corretamente, os valores da água produzida estão muito abaixo dos referidos limites, tendo-se apenas que elevar o pH para mais de 6,5 e adicionar algum tipo de desinfetante com poder residual para manter mínima a possibilidade de proliferação de microorganismos na água. Há fábricas que prevêem a incorporação de sais e/ou bases para elevação do pH como também a injeção de cloro (normalmente como hipoclorito de sódio) como desinfetante. É comum haver certos monitores na linha de permeado para se observar a variação na qualidade deste, como também fazer uma amostragem em linha de uso para a obtenção desses valores. Como monitores mais comuns temos o de sólidos dissolvidos totais (TDS*) ou de condutividade, de volume, de pH, de potencial oxirredutor (ORP*) (para determinar a quantidade de cloro a ser adicionada) etc. Sem dúvida alguma, existem muitos pontos que não foram abordados neste estudo, porém a intenção do autor é fornecer informações gerais sobre o processo de dessalinização e não entrar em detalhes de projeto e teoria que dificultem o entendimento deste artigo por uma ampla gama de leitores. Acerca del Autor Roger Biset cuenta con estudios técnicos en cartografía y topografía y una licenciatura en ingeniería agraria de la Univ. Nacional de Córdoba, Argentina, además de una maestría en química de la Univ. Río Cuarto, Argentina. Desde 1975 ha trabajado en la industria del agua, al principio en el campo de la agricultura y en los últimos 10 años en ósmosis inversa. Ha trabajado para EP, Crane, y ahora es ingeniero de diseño y gerente de ventas para Latinoamérica con Haliant Technologies. Contacto: +1(941) 359-3862, Fax: +1(941) 360-9632, [email protected]