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Introducción
La escasez de agua tiene lugar cuando la demanda supera el suministro de agua dulce en un área determinada. Los tres aspectos principales que caracterizan la escasez de agua son la falta física de agua disponible para satisfacer la demanda; el nivel de desarrollo de las infraestructuras que controlan el almacenamiento, distribución y acceso; y la capacidad institucional para aportar los servicios de agua necesarios (FAO, 2013). En México existe escasez crónica y aguda de agua, sobre todo en la parte norte del territorio nacional, donde la cantidad de la precipitación es mucho menor que la evapotranspiración potencial (Jürgen, 2000). En Sonora, situado al noroeste de México, aproximadamente 95% de la región se considera árida o semiárida, y se caracteriza por altas temperaturas y falta de precipitaciones. Dadas las condiciones anteriores, y debido a la sobreexplotación de los acuíferos y la falta de recarga de los mismos, se ha producido una disminución en los niveles de agua disponible (Hallack-Alegría & Watkins, 2006).
Sonora ocupa el segundo lugar en cultivos de riego en México. Los problemas de disponibilidad de los recursos hídricos, principalmente para agricultura en Sonora, se deben a la alta concentración de sales en los pozos, que van desde 2 000 hasta 5 000 mg/l de sólidos disueltos totales (SDT). Estos altos valores de SDT son atribuidos a efectos de intrusión salina (Dévora et al., 2009), al tener una excesiva explotación del manto acuífero (Conagua, 2011). Uno de los acuíferos en estado de sobreexplotación de mayor importancia es el de la Costa de Hermosillo, cuya cercanía a la zona de estudio de este trabajo refleja la situación general de las aguas subterráneas de dicha zona geográfica (Salazar, Moreno, & Lutz, 2012).
Un estudio realizado por Ingenieros Civiles y Geólogos, S. A. (ICGSA) en el año 2007 explica que la escasez de agua dulce obliga a buscar otras fuentes de abastecimiento de agua dulce, entre ellas la desalinización de agua por ósmosis inversa (OI). La utilización de tecnologías de desalación (Dévora-Isiordia, González-Enríquez, & Ruiz-Cruz, 2013) y modelos de predicción del proceso abren la posibilidad de aprovechar el recurso de manera óptima tanto en agua producto como en el rechazo. Un número considerable de programas para simular procesos de desalinización han sido desarrollados en años recientes (Nafey, Fath, & Mabrouk, 2006). La simulación de procesos, en el caso de la tecnología de OI ha sido empleada para diferentes propósitos. Tal es el caso de Verhuelsdonk, Attenborough, Lex y Altmann (2009), quienes se dieron a la tarea de simular y predecir el comportamiento de los diferentes equipos que componen un proceso de OI mediante IPSEpro. Por su parte, Villafafila y Mujtaba (2002) realizaron análisis de sensibilidad para algunos parámetros de operación (flujo y presión de alimentación), y simularon la injerencia que tienen los dispositivos de recuperación de energía al ser utilizadas en OI. Otro software utilizado en la simulación de procesos de desalinización es MATLAB, el cual puede ser usado para operaciones matemáticas, modelaciones y simulaciones, análisis de datos y procesamiento, visualización y gráficas, y desarrollo de algoritmos (Gilat, 2010). El objetivo de este trabajo es definir un modelo matemático de simulación para la predicción de la operación de una planta desaladora de ósmosis inversa alimentada por agua salobre, validando que el agua producto cumpla con los límites permisibles para su uso en agricultura.
Metodología
Habilitación de planta desaladora
Con motivo de validar el modelo, el experimento consistió en habilitar una planta desaladora por ósmosis inversa (OI) con capacidad nominal de 100 m3/d, compuesta por ocho membranas comerciales de la empresa Nitto Denko de Hydranautics, modelo SWC4 de 8"×40", para ser utilizada en el riego del cultivo de sorgo (Sorghum). Las membranas antes descritas desalinizan corrientes de agua que van desde 35 000 mg/l de SDT hasta 50 mg/L de SDT; es decir, tienen una eficiencia de remoción entre 97 y 99%. La configuración de las ocho membranas están en paralelo, en una sola etapa, con la siguiente configuración: 4 en el bastidor 1, y 4 en el bastidor 2.
Pretratamiento
Para asegurar la calidad del agua de alimentación a los bastidores de membranas se aplicó un pretratamiento físico basado en especificaciones de los requerimientos de agua de alimentación propuesta por Hydranautics en 2005. El pretratamiento cuenta con filtros de cartucho de 5 μm, y un filtro multimedia compuesto de arena, carbón activado y grava, tanques con bomba para dosificación de antiescalante y ajuste de pH. Los filtros de cartucho y filtro multimedia serán evaluados durante la operación del proceso de desalinización para monitorear la caída de presión (una vez por semana). La sustitución de estos filtros se propone sea cada tres años (Hydranautics, 2005).
Selección de cultivo y área de estudio
Se eligió el cultivo de sorgo, por ser un material vegetal resistente a altas concentraciones de sal, dada la finalidad del proyecto de utilizar agua salobre (6 610 mg/l de SDT) y desalada (64.8 mg/l de SDT). Además de la salinidad, se eligió este cultivo por las condiciones de humedad ambiental de la zona del estado de Sonora (zona semiárida con atmósfera seca) y porque el drenaje del suelo del sitio cumple con las características necesarias para el crecimiento óptimo del sorgo.
El experimento se realizó en el campo agrícola ubicado en el block 1814, en el Valle del Yaqui, al sur de Ciudad Obregón, Sonora, México; en las coordenadas geográficas latitud norte 27° 11' 21.7'', y longitud oeste 109° 52' 15.6'' (figura 1). El Valle del Yaqui es uno de los mayores productores agrícolas en todo el estado de Sonora. Aproximadamente 450 000 hectáreas es la extensión territorial del Valle del Yaqui. El principal cultivo que se siembra en la región es el trigo. Sin embargo, también se siembran oleaginosas, algodón y hortalizas. El clima predominante es cálido extremoso. La temperatura media anual es de 24 °C y la media máxima es de 31 °C; de julio a agosto, la máxima es de 48 °C y en enero la mínima es de 16 °C (INIFAP, 2008).
En un área de 0.25 ha se regó la mitad del terreno con agua desalinizada (muestras 1, 2, 5 y 6) y la otra mitad (muestras 3, 4, 7 y 8) con agua salobre de pozos subterráneos (6 610 mg/l de SDT), tal como se especifica en el cuadro 1. Se instalaron sensores electrónicos (Watermak 200) y tensiómetros manuales (figura 2) para monitorear la humedad del suelo (potencial mátrico), que permiten determinar el momento exacto para volver a regar el suelo.
Esta fuerza o tensión de humedad del suelo (potencial mátrico) con que el agua es retenida es producto de la adhesión o atracción entre la superficie de las partículas de suelo y el agua; y la cohesión, o atracción entre las moléculas de agua. Este proceso de retención que depende de las características de tensión superficial del agua del suelo y del ángulo de contacto entre el agua y las partículas de suelo es el mecanismo principal de retención de agua en los suelos livianos, mediados y, dentro de determinados intervalos de humedad, también en los suelos pesados. Bajo este contexto, un potencial mátrico con valores de 30 a 40 kPa indica que el suelo necesita riego; por el contrario, un potencial mátrico con valores de 0 a 10 kPa revela que el suelo está saturado. Con base en dichas mediciones se determinó el momento de riego y duración del mismo. Estos instrumentos se colocaron en el cultivo de sorgo a una profundidad de 15 centímetros.
Se establecieron riegos de alrededor de 1.5 horas, tres veces por semana en los meses de abril y mayo de 2013. Cuando la demanda evaporativa fue más alta, como sucedió en el mes de julio, la frecuencia de los riegos aumentó de 3 a 6 veces por semana, con dos horas promedio por riego.
Calidad en agua y suelo
Con el apoyo de un equipo de medición multiparamétrico modelo YSI 556, se determinaron los siguientes parámetros de campo en el agua de alimentación, rechazo y permeado: conductividad eléctrica (μS/cm), sólidos disueltos totales (mg/l), pH y temperatura (°C). También se midieron pH y conductividad eléctrica (μS/ cm) en muestras de suelo.
Por otra parte, se tomaron y preservaron muestras de suelo en los puntos geográficos de muestreo (cuadro 1) al inicio y fin del experimento, las cuales se llevaron al laboratorio central, donde se determinaron cationes, aniones, razón de adsorción de sodio (RAS) y porcentaje de sodio intercambiable (PSI) en el suelo.
Modelos de simulación usando Simulink
A pesar de la ventaja que ofrece la desalación de disminuir la concentración de sales en su agua producto para su uso en agricultura, existe un rechazo de sales del proceso que no se reutiliza en la mayoría de los casos y que puede provocar un daño ambiental. Cuando la alimentación de agua al proceso de desalación proviene de pozos salobres (de 1 000 a 7 000 mg/l), el rechazo del proceso oscila entre 2 000 y 14 000 mg/l. Este rechazo se puede recircular al agua de alimentación, formando una mezcla en promedio de 9 500 mg/l. Considerando que las membranas para agua de mar pueden desalinizar aguas de hasta 42 000 mg/l, es evidente que si se hace recircular agua rechazo para formar una nueva mezcla en el agua de alimentación, existe potencialmente un aprovechamiento de caudal y una disminución de vertidos hacia al ambiente. Esta recirculación tiene como límite la tolerancia 42 000 mg/l.
Para aplicar estos conceptos se diseñó un modelo de simulación en la plataforma de MATLAB R2009a, usando Simulink, que cumple con la función de predecir el comportamiento de la planta desaladora. El modelo permite obtener las concentraciones de agua producto y rechazo en dos diferentes configuraciones con iteraciones de control, que incluye recirculación de salmuera en diferentes volúmenes. De modo subsecuente, este modelo se usó para simular el aprovechamiento de caudal en el agua de rechazo, con la finalidad de incrementar la sustentabilidad del proceso.
La primera configuración (figura 3) fue recirculación de salmuera al agua de alimentación, buscando determinar el máximo de iteraciones posibles para obtener un agua producto de concentración de su original de 64.8 mg/l hasta un máximo propuesto de 2 000 mg/l.
Estudios previos de López (2013) reportan que en la planta desaladora de 100 m3/d existe una conversión de 90% sin recirculación de salmuera y sin segundos pasos. En este experimento se planteó una segunda configuración, que fue la recirculación de salmuera al agua de alimentación, buscando determinar el máximo número de pasos (iteraciones posibles) para obtener una disminución de la conversión de agua producto de su original de 90 a 60% (figura 4).
Costo de producción de agua
Para el cálculo del costo de producción de agua se consideraron los siguientes rubros: costo energético (bombas de alta presión, bombas de dosificación y energía general); importe unitario de mano de obra (personal operativo y asesoría técnica); importe unitario de químicos (anti-incrustante o antiescalante y RO clean), e importe del mantenimiento expresados (tuberías, accesorios y soldadura) en MX$/m3.
Resultados
Planta desaladora de OI 100 m3/d
Para el proceso, la planta tiene un sistema de control automatizado por Programmable Logic Controller (PLC), que controla la apertura y cierre de válvulas durante la operación. También cuenta con manómetros para monitorear las presiones del sistema. El tiempo de vida útil de las membranas en los arreglos y etapas descritas en metodología se espera que sea de siete años. Bajo este contexto se propone sustitución de membranas cada siete años, según lo reportado por Kucera (2008), Craig (2009) y GE Water & Process Technologies (2014).
En la figura 5 se muestra la fotografía de la planta desaladora descrita.
Pretratamiento
Se usaron tres litros de antiescalante y se aforó hasta 30 l (concentración de 10%). Se dosificó la mezcla de antiescalante a un flujo de 2.97 ml/ min, a 30% pulsaciones y 30% de frecuencia. El anti-incrustante utilizado fue Flocon Plus N, de la marca BWA Water Additives. El costo de dosificación de este químico es de unos 0.06 MX$/m3.
Calidad del agua, suelo y comportamiento del cultivo
Las mediciones en la planta desaladora muestran que al alimentar un agua de 6 610.2 mg/l de SDT, las corrientes de producto y rechazo son de 64.8 y 21 300 mg/l de SDT, respectivamente. Se presenta un aumento en la temperatura de 0.5 y 3 °C en las corrientes de producto y rechazo, respectivamente, considerando que la temperatura en el agua de alimentación es de 26.5 °C (cuadro 2).
En el cuadro 3 se presentan de manera detallada los cationes y aniones presentes en las tres diferentes corrientes de agua (alimentación, producto y rechazo).
Cuadro 3 Composición fisicoquímica para las diferentes corrientes de agua en la planta desaladora de 100 m3/d.
Las mediciones en suelo al inicio y final del experimento se tienen en los cuadros 4 y 5. La figura 6 muestra la variación promedio en los parámetros de caracterización del suelo agrícola al inicio y final del experimento.
Figura 6 Variación promedio en los parámetros de caracterización del suelo agrícola entre el inicio y final del experimento. Las barras de error muestran los cambios máximos y mínimos, donde SAR: razón de adsorción de sodio (RAS); ESP: porcentaje de sodio intercambiable (PSI).
Cuadro 4 Caracterización del suelo agrícola en los diferentes puntos de muestreo al inicio del experimento. Tipo de muestra: 1, 2, 5 y 6 (desalado); 3, 4, 7 y 8 (salobre).
Cuadro 5 Caracterización del suelo agrícola en los diferentes puntos de muestreo al final del experimento. Tipo de muestra: 1, 2, 5 y 6 (desalado); 3, 4, 7 y 8 (salobre).
Con el uso del agua desalinizada se observan dos resultados favorables del experimento. El primer resultado se muestra en la figura 7, con la diferencia de alturas que existe en el cultivo de sorgo al estar expuesto a dos corrientes con diferente concentración de sales: una proveniente directa del pozo (6 610 mg/l de SDT) y la otra corriente de la planta desaladora (64.8 mg/l de SDT).
El segundo resultado se observa en el cuadro 6.
Al cosechar, se verifica que parámetros como altura (m), número de panojas por m2 y peso por panoja (g) en todos los casos es mayor cuando se utilizó agua con baja concentración de sales, lo que da como resultado, al cuantificar la producción de ambos experimentos, un incremento de 1 ton/ha (12.6%) de sorgo comparado con el riego con agua salobre.
Concentraciones de agua producto y rechazo con iteraciones de control modeladas
El resultado de la modelación de recirculación de agua rechazo se presenta en la figura 8.
Este modelo se alimenta de una concentración y caudal de entrada, y requiere sólo del porcentaje de recuperación del producto para trabajar; de igual manera, muestra las concentraciones de producto y rechazo, además de sus caudales.
Por otra parte, los resultados sobre modelación de recirculación de salmuera hacia la corriente de alimentación en la planta de 100 m3/d muestran que conforme sea menor el porcentaje de recirculación de salmuera en 80 y 100% de recirculación, se pueden hacer hasta cinco iteraciones, sin incrementar la concentración de mezcla entre salmuera y agua de alimentación por arriba de 42 000 mg/l (figura 9), que es lo máximo permitido por la membrana utilizada en la planta, según ficha técnica de fabricante.
Ambas configuraciones (figuras 8 y 9) resuelven problemáticas ambientales, al minimizar el agua rechazo por medio de recirculación hacia el agua de alimentación (es decir, para la primera iteración, el caudal de rechazo baja de 0.22 a 0.205 l/s) y disminuir los efluentes hacia al ambiente, favoreciendo la obtención de agua en zonas áridas como la del estado de Sonora.
En el cuadro 7 se presentan las concentraciones de diferentes corrientes del proceso de desalación generadas del modelo matemático propuesto con recirculación de 100% de salmuera. Al inicio del proceso, en la corriente de alimentación se tiene una concentración de 6 610 mg/l de SDT. De acuerdo con la ficha técnica de las membranas SWC4, la capacidad máxima de remoción es de 42 000 mg/l de SDT. Bajo este argumento, el modelo matemático propuesto por autores sólo permite realizar cinco iteraciones hasta llegar a la capacidad máxima de la membrana, en un proceso supuesto por lotes.
Cuadro 7 Concentraciones en corrientes del proceso de desalación, en diferentes iteraciones del modelo matemático.
Por otra parte, la corriente de producto llega en la quinta iteración hasta una concentración de 507 mg/l de SDT. Evidentemente, la eficiencia de remoción de la membrana permite que no sufra una pérdida en la calidad del producto; sin embargo, en la corriente de rechazo, en cada iteración se puede observar un incremento elevado por efecto de reducción del caudal. Por último, la corriente de mezcla aumenta también su concentración de forma gradual por efecto de la mezcla de un caudal alto en la corriente de alimentación y un caudal pequeño en el rechazo.
Costo de producción de agua
La evaluación del proceso muestra que el costo de producción de agua sin recirculación de salmuera es de 6.16 MX$/m3 (cuadro 8), muy similar a lo reportado por la International Desalination Association (IDA, 2008), que es de6.70 MX$/m3; ambos casos para agua salobre. La evaluación de implementar tubería para recirculación de salmuera hacia el agua de alimentación es de 12 000 MX$, lo que representa un costo de producción de agua de 6.22 MX$/ m3.
A pesar de que el sorgo presentó números positivos de rentabilidad, fueron bajos por el precio de venta por tonelada del cultivo. Bajo este contexto, si el agricultor desea aumentar la rentabilidad, deberá buscar alternativas de alto rendimiento, como con hortalizas, para que el efecto costo-beneficio sea mayor.
Discusión
Calidad del agua
El análisis de la planta desaladora por ósmosis inversa muestra que trabaja de manera eficiente en cuanto a la relación producto-rechazo (80%-20%) y con remoción de sales de 99.7%, disminuyendo de modo satisfactorio la concentración de sales en el agua producto. Estos datos de operación de la planta concuerdan con los resultados reportados por la Asociación Internacional de Desalación (IDA, por sus siglas en inglés) en 2008.
Por otra parte, la temperatura del agua en el caudal de rechazo (29.57 °C) y de producción (27.02 °C) siempre fue mayor a la de alimentación (26.50 °C), esto debido a la fuerte presión que ejerce el bombeo en la ósmosis inversa, así como a la fricción dentro de los módulos de membranas. Según lo reportado por Hydranautics en 2015, se debe cuidar que la temperatura no presente un valor mayor a los 45 °C en el agua de alimentación, para no afectar al equipo.
Las altas temperaturas pueden causar que se abran los poros de la membrana, ocasionando el paso de sal sin ser retenida, así como otros daños a la estructura de la membrana.
Calidad del suelo
La eliminación de carbonatos y bicarbonatos del agua en la ósmosis inversa es lo que ocasiona la reducción del pH en el agua producto (de 7.42 a 6.40). Esto se debe a que el agua de alimentación proveniente de pozo suele contener bicarbonatos (cálcico, sódico, magnésico) y carbonatos (cálcico), que elevan el pH del agua (Infoagro, 2015).
Tomando como referencia al ion cloro, como el mayor indicador de sales presentes en una muestra, se puede verificar el evidente incremento en la salinidad (mayor a 600% en promedio) de las muestras 3, 4, 7 y 8, atribuido a la salinidad del agua del pozo con la que se regó el sorgo en el área de estudio. En contraste, en las muestras 1 y 2 se observa un decremento de alrededor de 11% en promedio en la concentración de sales, atribuido directamente a la baja concentración de éstas en el agua producto proveniente de la planta desaladora de OI con la que se regó el cultivo.
Por otra parte, el RAS y PSI al inicio y final del experimento no presentan cambios significativos en las muestras regadas con agua desalada, originado principalmente por la facilidad del drenaje interno del suelo (Gasca, Menjivar, & Torrente-Trujillo, 2011). Sin embargo, en las muestras con agua de pozo se observa un incremento promedio del 230% en RAS y de 610% en PSI. Debido a la alta concentración de sodio en el suelo en estas dos variables (RAS y PSI), se presenta una defloculación del suelo, perdiendo estructura, lo cual se refleja en la afectación del desarrollo vegetal, ya que al modificarse la estructura del suelo, disminuyen aireación y permeabilidad.
Comportamiento del cultivo
Por medio de un análisis elemental, en todos los casos se determinó sólo la altura promedio en el periodo del 27 de marzo al 3 de septiembre de 2013 en el cultivo de sorgo regado con agua proveniente de la planta desaladora, que fue mayor en comparación con la altura promedio del cultivo regado con agua salobre (agua salada). Esto se atribuye de forma directa al manejo del suelo y concentración de sales en el agua y, por ende, en el suelo. Los resultados en el incremento de sales coinciden con lo reportado por la FAO (2015), que expresa que una salinidad alta afecta directamente la asimilación de nutrientes en los cultivos.
Conclusiones
El uso de agua desalinizada incrementó la productividad agrícola, por lo cual las inversiones públicas y privadas en desalación en el sector rural se consideran viables en el corto plazo. Se encontró que es posible, para las condiciones de la planta de 100 m3/d, recircular total o parcialmente la corriente de salmuera. Se pueden realizar varias iteraciones con esta corriente sin afectar de modo significativo el agua producto ni llevar al máximo la capacidad de la planta. Entre mayor sea el porcentaje de salmuera recirculada, menos iteraciones podrán ser realizadas. De manera sustentable, recircular salmuera permitirá extraer menos agua del pozo estudiado y reducir las descargas al medio ambiente de salmuera. En este estudio se descargó un promedio de 20 m3/d de salmuera. Se deberán buscar alternativas para evitar impactos negativos al ecosistema receptor; pudiera ser inyección en pozos profundos, estanques de evaporación, aplicación en suelo y cero descargas de líquidos, entre otras acciones. Las opciones de manejo y disposición se harán en puntos estratégicos que no afecten la flora y fauna del sitio.
La simulación es una herramienta útil para observar el funcionamiento de los procesos. En desalación, generar y utilizar modelos de simulación permite vislumbrar los escenarios que se pueden alcanzar al realizar modificaciones a las plantas o condiciones en las que trabajan. Reducir los impactos de las descargas de salmuera al medio ambiente es un reto y una gran preocupación de los expertos en desalación en la actualidad; el uso de simulación sirve como una herramienta para iniciar el proceso de generación de soluciones a ésta y otras problemáticas que pueda presentar la desalación.
Se cumple el objetivo del proyecto, al desarrollar un modelo matemático de predicción, validando que las concentraciones en el agua producto después de los diferentes arreglos de recirculación de salmuera hacia la corriente de alimentación no excedieran los límites permisibles (2 000 mg/l de SDT) óptimos para obtener el crecimiento máximo del sorgo. Otro aspecto importante es que con el uso de desalación, los productores no se preocuparán por sembrar cultivos que soporten o toleren la concentración de sus pozos, pues podrán establecer siembras de alto rendimiento y valor comercial. Notablemente, el costo de producción es un factor de éxito en sitios donde se aplique la desalación, como en agricultura y otros. Es por ello que estos procesos de desalación deben incorporar la obtención de energía eléctrica por medio de fuentes renovables.
