Diseño de una planta de desalación de agua de mar mediante ósmosis inversa para riego agrícola

Abstract

El agua es un recurso esencial cuya escasez es uno de los principales desafíos del siglo XXI, especialmente en regiones áridas. La agricultura, que depende en gran medida del riego, requiere fuentes alternativas y sostenibles de agua, como la ósmosis inversa para la desalación y reutilización del agua. En el sur de España, una cooperativa agrícola planea utilizar agua de mar de un pozo costero para el riego de cultivos, proponiendo una planta de desalación con capacidad de 500 m³/día. El diseño de la planta incluye la selección de membranas y el dimensionado de componentes clave, como filtros y bombas, optimizando el proceso mediante el simulador Q+ de LG. Se simularon diversas configuraciones de membranas y tasas de recuperación, determinando que una tasa de recuperación del 45% es óptima en términos de calidad del agua, consumo energético y estabilidad. La disposición híbrida de membranas, con una combinación de alto rechazo, rechazo común y ahorro energético, resulta la más adecuada para mantener bajos niveles de sólidos disueltos y eficiente rechazo de boro. Posteriormente se diseñaron los equipos de filtración y bombas de presión necesarios para el correcto funcionamiento de la planta. Finalmente, se evaluó el impacto de varias variables operativas en el rendimiento de la planta, tales como la temperatura y el pH del agua de alimentación. Los resultados mostraron que un incremento en la temperatura del agua conduce a una disminución de los costes operativos, ya que reduce la presión requerida para el proceso de ósmosis inversa. Sin embargo, este beneficio viene acompañado de un aumento en la concentración de sólidos disueltos en el agua permeada, lo cual puede afectar a la calidad final del agua. Por otro lado, se observó que un pH más elevado contribuye significativamente a la reducción de los niveles de boro en el agua desalinizada, lo que es crucial para cumplir con los requisitos de calidad del agua destinada al riego de cultivos sensibles al boro. Esta simulación permitió identificar y balancear estas variables para optimizar tanto la eficiencia operativa como la calidad del agua producida, garantizando un funcionamiento más sostenible de la planta a largo plazo.

Water is an essential resource, and its scarcity is one of the main challenges of the 21st century, especially in arid regions. Agriculture, which heavily depends on irrigation, requires alternative and sustainable water sources, such as reverse osmosis for desalination and water reuse. In southern Spain, an agricultural cooperative plans to use seawater from a coastal well for crop irrigation, proposing a desalination plant with a capacity of 500 m³/day. The plant design includes the selection of membranes and the sizing of key components, such as filters and pumps, optimizing the process using the Q+ simulator from LG. Various membrane configurations and recovery rates were simulated, determining that a recovery rate of 45% is optimal in terms of water quality, energy consumption, and operational stability. The hybrid membrane configuration, with a combination of high rejection, standard rejection, and energy-saving membranes, was found to be the most suitable for maintaining low levels of dissolved solids and efficient boron rejection. Subsequently, the filtration equipment and pressure pumps necessary for the proper functioning of the plant were designed. Finally, the impact of several operational variables on plant performance, such as temperature and pH of the feedwater, was evaluated. The results showed that an increase in temperature leads to a decrease in operating costs, as it reduces the pressure required for the reverse osmosis process. However, this benefit is accompanied by an increase in dissolved solids concentration in the permeated water, which may affect the final water quality. On the other hand, a higher pH was observed to significantly contribute to the reduction of boron levels in the desalinated water, which is crucial to meet the quality requirements for water intended for irrigating crops sensitive to boron. This simulation helped to identify and balance these variables to optimize both operational efficiency and the quality of the produced water, ensuring a more sustainable long-term operation of the plant.