Osmosis inversa > Ósmosis inversa vs. intercambio iónico

¿OSMOSIS INVERSA O INTERCAMBIO IONICO?

La decisión de instalar un sistema de intercambio iónico o un sistema de ósmosis inversa depende de numerosos factores económicos, incluyendo costos de inversión y operativos, como así también requerimientos de disposición de químicos y agua de rechazo.

Como fabricante de ambas tecnologías, Unitek® puede proveer una visión objetiva, sin inclinaciones sobre una tecnología o la otra.

Existen varios factores a considerar en la comparación económica entre intercambio iónico y ósmosis inversa. Los factores económicos que afectan el análisis incluyen químicos, resinas, membranas, energía eléctrica, horas hombre, mantenimiento y bienes de capital.

Ocasionalmente, consideraciones técnicas harán necesaria la elección de una u otra alternativa, independientemente del aspecto económico. Algunos ejemplos son la calidad de agua requerida y caudal a tratar, o las dimensiones del equipamiento.

Ya sean factores económicos o técnicos los que determinen cual es la alternativa más favorable, se debe considerar el tiempo de repago de los equipamientos a incluir.

 OSMOSIS INVERSA O INTERCAMBIO IONICO

La primera pregunta que se plantea en el diseño de una planta de tratamiento de agua, es si debe instalarse un sistema de intercambio iónico, o un sistema de tratamiento por ósmosis inversa. Los principales condicionantes de la respuesta serán factores económicos, en lo que se refiere a costos de inversión y operativos, y otros requerimientos como el desecho de químicos y agua de rechazo. En muchos casos, la familiaridad con alguna de las tecnologías puede ser también un factor importante en el proceso de decisión.

La comparación entre ambas tecnologías como alternativas de tratamiento de agua ha sido objeto de numerosos estudios y continúa generando un alto interés en la literatura (1). Con el continuo avance en el desarrollo de ambas tecnologías, como sistemas de intercambio iónico tipo con regeneraciones en contra-corriente, resinas de menores dimensiones y membranas de alto rechazo y baja energía, se hace necesario monitorear la performance desde el punto de vista económico. Además, factores externos, como el costo del agua cruda y del descarte del agua de rechazo, costo de químicos y energía eléctrica (diferentes en las distintas instalaciones), afectan aún más el análisis económico.

 ECONOMIA DE INTERCAMBIO IONICO Y OSMOSIS INVERSA

Estudios llevados a cabo con un modelo económico que incluye inversión de capital, depreciación, consumo de químicos, utilidad y costo del agua cruda se han llevado a cabo sobre un amplio rango de salinidad de agua y horas de servicio, con análisis de aguas basados en composiciones promedio de diferentes instalaciones.

Se utilizaron dos medios diferentes de tratamiento: Intercambio Iónico solamente (IX) y Osmosis Inversa seguida de una etapa de pulido por lechos mixtos (RO+IX). Los sistemas fueron diseñados para producir continuamente agua de calidad de lecho mixto (< 1 mS/cm y 10 ppb de SiO2)  a caudales netos de entre 50 y 200 m3/hr. Los costos operativos incluyen químicos, energía eléctrica, horas hombre y mantenimiento, junto con el consumo de agua y rechazo de la misma, lo cual se esta volviendo un factor económico cada vez mas importante para analizar (2,3). Para ambos casos se utilizó aguas superficiales con pre-tratamiento consistente en floculación, clarificación y filtración a través de filtros de arena. Se dosificó ácido y antincrustante previo al tratamiento por ósmosis inversa y se utilizaron filtros de 5 micrones. Se incluyo también el costo de almacenamiento, el costo de neutralizar el agua de rechazo, y el costo de disposición de efluentes. El costo de horas hombres fue considerado invariable para las dos alternativas, y se estimó en 1.5 hombres por año. Se tuvieron en cuenta los costos de mantenimiento anual, pero no los costos de impuestos o construcciones/terrenos.

La planta de tratamiento de agua considerada consistía en dos sistemas de resina de tamaño uniforme (UPS) con regeneración en contra-corriente, cada uno con la capacidad para tratar la totalidad del caudal, y compuestos por torre catiónica-degasificador-torre catiónica-lechos mixtos pulidores. La regeneración fue evaluada tanto para H2SO4 (ácido sulfúrico) como para HCl (ácido clorhídrico) encontrando que el costo por volumen de agua tratada es similar para ambos regenerantes, ya que la mayor eficiencia del HCl y la necesidad de menor cantidad de resina se ven equiparadas por el mayor costo del químico. Es por lo anterior que solo se reportan los datos del análisis económico considerando regeneraciones con H2SO4.

El sistema de tratamiento de agua por ósmosis inversa consistió en un equipo para obtener 50 m3/hr, seguido de un degasificador y un lecho mixto pulidor. Además un segundo equipamiento compuesto de dos líneas de ósmosis inversa en paralelo para obtener un total de 200 m3/hr. Se diseño con una recuperación global del 80% y el lecho mixto utilizado responde al mismo diseño que en el caso de IX solamente.

Resultados:

Los resultados del cálculo indican que los costos operativos de la producción de agua utilizando únicamente intercambio iónico aumentan a medida que aumenta el TDS del agua cruda, como era de esperarse, principalmente debido al costo de regeneración del lecho. Aún cuando los costos de regeneración aumentan proporcionalmente, el efecto de aumentar el tamaño de la planta reduce los costos totales, debido a que el capital, agua cruda, horas hombre y mantenimiento son menores para las plantas más grandes.

Los costos de Intercambio Iónico varían entre $0,5-0,7/m3 a un caudal de 50 m3/hr de agua y $0,25-0,45/m3 a 200 m3/hr de agua producto. Al caudal más bajo el costo operativo representa el 70% de los costos totales, siendo las principales contribuciones las regeneraciones, agua cruda, horas hombre y mantenimiento. Al caudal mayor, los costos operativos aumentan a alrededor del 80%.

El costo de producir agua mediante OR+IX depende también del TDS del agua de alimentación, pero en forma mucho menos pronunciada que para el sistema de intercambio iónico simple, debido a que los principales contribuyentes a los costos operativos (energía eléctrica, costo de agua cruda, horas hombre, mantenimiento e inversión) se mantienen relativamente constantes a lo largo de un amplio rango de salinidad.

Los costos operativos del sistema de OR+IX son de $0,6 y 0,4 por m3 de agua permeada, para las plantas de 50 y 200 m3/hr respectivamente. Los costos operativos son de 72-80% del costo total para ambas capacidades.

El punto de quiebre para ambas tecnologías se encontró entre 350-400 ppm como CaCO3 de TDS para ambos caudales. Se debe hacer hincapié en el hecho que este punto de quiebre deriva de un grupo definido de suposiciones (costo de energía eléctrica, químicos), por lo cual se realizaron estudios de sensibilidad para conocer el efecto en la variación de dichos parámetros.

Estudios de sensibilidad:

Variar los costos operativos en un rango de entre $0,05-0,16/kWh resultó en un cambio en el costo de producir agua de +/- $0,04/m3 para el caso de OR+IX comparado con el caso base; afectando el punto de quiebre en +/- 75 pum de CaCO3 de TDS.

La sensibilidad en el precio del regenerante soda cáustica, variando entre $200-400/tonelada, produjo en el caso de IX un cambio en el punto de quiebre de +/- 60 ppm de CaCO3.

Finalmente el efecto de variar el bajo costo del agua cruda / efluente (agua superficial) fue considerado y reflejó una variación mínima en el punto de quiebre (+/- 30 ppm de CaCO3). En cambio, si se toma agua de red, o si el costo de efluente es muy alto, los costos de OR+IX aumentan en comparación con IX, y el punto de quiebre se desplaza a 500 ppm de CaCO3.

Conclusiones:

Esta evaluación económica tiene en cuenta los factores más importantes contribuyentes al costo total del tratamiento de agua por OR+IX vs. IX. El efecto de las dimensiones del equipamiento y las últimas tecnologías en resinas y membranas fueron incluidos en el análisis. Las principales conclusiones se resumen abajo:

  • El punto de quiebre por encima del cual es más económico trabajar con RO+IX versus IX solamente, es 350-400 ppm de CaCO3. Este punto de inflexión es mayor que el reportado en estudios anteriores (1,5,6), y refleja los avances que ha habido en el desarrollo de torres regenerando en contra-corriente vs. co-corriente.
  • El costo de productos químicos en IX y el de energía eléctrica en OR+IX son los más importantes para cada caso, y deben ser considerados y analizados cuidadosamente en el diseño de una nueva planta.
  • Si bien los costos de inversión son significantes en el costo total de agua tratada, para ambos casos considerados, los costos operativos representan la principal fracción, variando entre un 70 y 80% del total.
  • El presente estudio considera principalmente el uso de agua superficial, y el bajo costo de descargar el efluente desde la planta de tratamiento de agua hacia un río. Fuentes de agua menos económicas (ej. agua de red) tendrá un mayor impacto en el costo de OR, excepto cuando el uso del concentrado de la ósmosis puede ser reutilizado en otro proceso.

Referencias

1. Ver por ejemplo, A.F. Ashoff, UltraPure Water, July/August 1995 p. 39
2. VGB-Kraftwerkstechnik GmbH literature, May 1995
3. K. Grethe and C. Beltle, "Power station make-up water using RO and ion exchange for demineralisation" Steinmuellertagung 1993
4. S. Beardsley, S. Coker and S. Whipple, Watertech Expo '94, 9. Nov 1994
5. S.S. Whipple, E. Ebach and S. Beardsley, UltraPure Water, October 1987