Aumenta el interés en ZLD, impulsado por los costes y el medio ambiente
Por Matt Hale, director internacional de Ventas & Marketing, HRS Heat Exchangers
10/01/2024¿Qué es ZLD?
El residuo líquido cero (ZLD) es un tratamiento de flujo de desechos líquidos que implica transformar dichos flujos de desechos líquidos en agua limpia (que se puede reutilizar) y un volumen mínimo de residuos sólidos. Una de las ventajas de ZLD sobre otras técnicas de tratamiento es su capacidad teórica para separar los materiales no deseados del agua, ya sean benignos, peligrosos o tóxicos. El residuo sólido resultante suele ser más estable, por lo que es adecuado para el reciclaje o el vertedero.
Sin embargo, una mala gestión o manipulación del residuo restante puede tener consecuencias ambientales no deseadas. Por ejemplo, las balsas de almacenamiento pueden fugar y afectar la vida silvestre local, con la posibilidad de que los productos químicos tóxicos se filtren en el agua subterránea desde los vertederos. Por lo tanto, es importante que al implementar un sistema ZLD, se tenga en cuenta todo el proceso, incluido el destino final de los flujos de desechos líquidos y (semi) sólidos. Un sistema ZLD bien diseñado debe minimizar o incluso eliminar los flujos de desechos líquidos, obteniendo agua limpia para su reutilización o descarga respetuosa con el medio ambiente, y un residuo sólido adecuado para su posterior procesamiento (para recuperar componentes valiosos para su uso en otros lugares) o para su eliminación segura.
Los factores que impulsan la adopción de ZLD
Según Transparency Market Research1, ZLD se está implementando en una amplia gama de industrias, incluida la producción química y petroquímica, la producción de alimentos y bebidas, los textiles, la energía y la industria farmacéutica. Estas industrias se ven obligadas a adoptar la tecnología debido a la creciente conciencia ambiental de los peligros de las aguas residuales tóxicas y al aumento de la regulación ambiental. A su vez, esto ha incrementado los costes de tratamiento y eliminación de dichos flujos de desechos y, en algunos casos, ha imposibilitado su eliminación. Como resultado, las empresas buscan alternativas más sostenibles, y ZLD es una de las tecnologías líderes en esta área.
Los factores específicos que impulsan la adopción son diferentes para cada industria. Por ejemplo, en el sector energético (históricamente el mayor usuario de tecnologías ZLD), el acceso a los proveedores de agua limpia es una preocupación creciente. El control de la contaminación también es un factor importante, y la EPA de los Estados Unidos considera el residuo cero como la opción de tratamiento preferida para el agua de transporte de cenizas volantes y cenizas de fondo, y las aguas residuales de los sistemas de control de mercurio de gases de combustión(2).
En otros lugares, la creciente conciencia de los efectos tóxicos de los productos petroquímicos y los productos de desecho que generan está impulsando los esfuerzos de la industria para limpiar sus sistemas de procesamiento de desechos. Los métodos ZLD ya se utilizan ampliamente en el tratamiento de aguas residuales industriales para recuperar minerales y subproductos utilizables y rentables procedentes de los flujos de desechos, y el éxito de dichos sistemas está fomentando su adopción por otras empresas. En 2015, el gobierno indio emitió un borrador en el que se pedía que todas las plantas textiles que generan más de 25 metros cúbicos de efluentes de aguas residuales al día instalen sistemas ZLD(2).
La tecnología ZLD se ha utilizado en todo el mundo, incluida Europa, Australia, Canadá, Oriente Medio y México, pero los mercados más grandes y el mayor potencial de expansión se encuentran en Estados Unidos, China e India(2).
Los beneficios y desafíos de ZLD
En términos generales, el uso de ZLD reduce la contaminación del agua y aumenta el suministro de agua, pero tradicionalmente, los elevados costes y consumo de energía han limitado la adopción de esta tecnología. La reutilización de aguas residuales minimiza el volumen y el riesgo ambiental de las aguas residuales vertidas, pero también alivia las presiones asociadas con la extracción de agua dulce, y estos beneficios deben equilibrarse con los costes económicos y energéticos que conlleva la implementación de sistemas ZLD.
A medida que la escasez de agua y la contaminación ambiental en todo el mundo se intensifican, ZLD se vuelve más factible y generalizado, y los costes relativos de la tecnología ZLD frente a las alternativas (suponiendo que existan alternativas) se reducen.
Aumento de la eficiencia de ZLD
Separar toda el agua del producto requiere grandes cantidades de energía. Se necesita aproximadamente 6 veces más energía para evaporar el agua (calor latente) en su punto de ebullición que la energía necesaria para llevarla a ese punto de ebullición (calor sensible).
Por esa razón, los procesos ZLD suelen iniciarse con un proceso de separación basado en membranas (ósmosis inversa). La separación de membranas no requiere cambio de fase/ebullición. La energía eléctrica (bombeo) se utiliza para empujar el agua a través de los poros de la membrana y separarla de los sólidos disueltos.
La membrana solo puede funcionar para llevar el producto a una cierta concentración. Para lograr una separación completa, se necesitan procesos de evaporación/cristalización que lo completen. Como se explicó anteriormente, la evaporación (debido al calor latente) consume mucha energía. Por lo tanto, es aconsejable elegir un proceso de evaporación que implique formas de optimización de energía, siendo las más populares:
• Evaporación multietapa: utilizar el calor latente del agua evaporada como fuente de energía en una siguiente etapa de evaporación reduce el consumo total de la caldera a la planta de evaporación.
• Recompresión térmica de vapor (TVR): el vapor evaporado se mezcla con vapor de la caldera. La reutilización del vapor evaporado reduce la demanda de energía.
• Recompresión mecánica de vapor (MVR): Se puede usar un compresor MVR (impulsado por un motor eléctrico) para comprimir el vapor evaporado, aumentando así su presión, y usar este vapor como entrada de energía para el proceso. La compresión MVR es muy eficiente en términos de consumo energético.
Debido a los factores descritos anteriormente, las plantas de compresión de vapor (multietapa) siguen siendo el principal método empleado para el procesamiento ZLD a nivel mundial, y la evaporación generalmente recupera alrededor del 95 por ciento de las aguas residuales como destilado. Cualquier concentrado restante se trata física o químicamente para producir residuos sólidos (como cristales) y agua. Los evaporadores utilizados en los sistemas ZLD trabajan normalmente a presiones más bajas para reducir el punto de ebullición del líquido tratado.
La solución HRS ZLD
Dependiendo del producto a concentrar, HRS selecciona entre varias tecnologías para diseñar el proceso ZLD óptimo. Los métodos de optimización de energía (multietapa, TVR, MVR) se pueden combinar con otros tipos de tecnologías de transferencia térmica (evaporadores de placas, de tubo corrugado o de superficie rascada). Cualquiera que sea la tecnología aplicada, el proceso general se puede separar en tres pasos:
1.- Evaporación/concentración: El producto se concentra justo por debajo de su concentración máxima (saturación). La planta de evaporación suele ser una configuración de evaporador de varias etapas.
2.- Enfriamiento: si la curva de solubilidad máxima es pronunciada (gran concentración a alta temperatura, baja concentración a baja temperatura), el producto obtenido en la etapa 1 se enfría, provocando la precipitación inmediata de sólidos disueltos.
3.- Cristalización: La cristalización/sedimentación de los sólidos obtenidos en el paso 2 ocurre en tanques de cristalización especialmente diseñados. Una capa sobrenadante de solución concentrada permanece después de esta etapa y se devuelve al paso 1 para su reprocesamiento.
Para productos sin una curva de solubilidad pronunciada, es necesaria su concentración dentro del evaporador por encima de la solubilidad máxima. Esto significa que el proceso del paso 1 está equipado con una etapa final del evaporador (finisher), especialmente diseñado para trabajar con sólidos suspendidos. El fluido con sólidos suspendidos se transfiere directamente a los tanques de cristalización en el paso 3.
El enfriador de salmuera y el finalizador del evaporador funcionan con sólidos en suspensión, lo que implica que haya que tratar también con productos incrustantes. Un evaporador/finalizador HRS típico utiliza evaporadores de superficie rascada Unicus, que son autolimpiantes y mantienen tasas de evaporación óptimas. Por lo general, nuestros enfriadores de superficie rascada de la Serie R se utilizan para enfriar las salmueras saturadas que se envían a los tanques de cristalización. El resultado es un proceso eficiente que puede funcionar continuamente sin requerir tiempo de inactividad programado.
Cualquiera que sea el tipo de evaporador que se emplee, los intercambiadores de calor desempeñan un papel crucial en los sistemas ZLD para reducir los costes de funcionamiento, utilizando el calor del agua de proceso y otras fuentes existentes y recapturando calor al final del proceso y reutilizándolo para aumentar la eficiencia energética del sistema ZLD en su conjunto.
(2) Tong, T. & Elimelech, M. (2016) The Global Rise of Zero Liquid Discharge for Wastewater Management: Drivers, Technologies, and Future Directions in Environmental Science & Technology. Available at https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.est.6b01000
