Vertido cero en la industria: cómo combinar membranas, evaporación y cristalización para recuperar agua y sales

Marc Albert.

Ingeniero químico especializado en tratamiento de aguas residuales y emisiones industriales.

Condorchem Enviro Solutions.
marcalbert.pro

Una aproximación práctica al diseño de sistemas ZLD y a la posible valorización de sus corrientes finales.

El vertido cero no consiste en instalar un único equipo. Es una estrategia de proceso que concentra las sales, recupera agua y convierte la última corriente líquida en un sólido o en una materia prima potencialmente reutilizable.

Qué es el ZLD y cuándo se aplica en la industria

ZLD son las siglas de Zero Liquid Discharge, o vertido líquido cero. El concepto describe una instalación en la que no sale una corriente residual líquida dentro de la frontera de proceso definida. El agua se recupera para reutilización y los compuestos no volátiles terminan en un sólido, una torta o una corriente de muy baja humedad.

La frontera es importante. Para hablar de ZLD deben considerarse también las purgas, los lavados, las regeneraciones y los licores madre. Si alguna de esas corrientes se envía de forma habitual a un gestor como residuo líquido, se habrá reducido el vertido, pero no se habrá cerrado completamente el circuito.

El ZLD suele estudiarse cuando no existe un punto de descarga viable, los límites de salinidad son restrictivos, el agua recuperada tiene un valor elevado o la gestión externa de salmueras resulta costosa. También puede responder al objetivo de depender menos del suministro externo de agua. Aun así, no siempre es necesario llegar hasta el sólido. Un esquema de descarga líquida mínima (MLD) puede ser preferible si recupera la mayor parte del agua y deja un volumen pequeño que puede gestionarse de forma segura y económica.

Por eso, el diseño no debería comenzar escogiendo un evaporador. Primero se cierra el balance de agua y sales, después se identifican los límites de solubilidad y, por último, se comparan las fuentes de energía y los destinos posibles del concentrado.

Tecnologías que componen habitualmente un sistema ZLD

Un tren ZLD combina operaciones unitarias. La secuencia exacta depende de la química del efluente, pero normalmente comienza con una segregación correcta de corrientes y un pretratamiento. La filtración, la clarificación, la ultrafiltración, el ablandamiento o el intercambio iónico pueden retirar sólidos, aceites, dureza y especies que limitarían las etapas posteriores.

La ósmosis inversa (OI), y en algunos casos la nanofiltración, recupera agua con un consumo específico menor que la evaporación. Sin embargo, las membranas no eliminan las sales: producen un permeado y las concentran en un rechazo. El ensuciamiento, la presión osmótica y la precipitación marcan el punto hasta el que resulta razonable seguir concentrando.

El rechazo de membranas pasa entonces a evaporación. El vapor generado se condensa como agua recuperada, mientras la fase líquida alcanza una concentración próxima a la saturación. Si el objetivo es producir sólidos, hace falta una etapa de cristalización que controle la sobresaturación y el crecimiento de cristales. Finalmente, una centrífuga o un filtro separa los sólidos del licor madre. El secado solo se incorpora cuando lo exige el destino del producto.

El agua recuperada tampoco debe darse por válida automáticamente. Los compuestos volátiles pueden acompañar al vapor y exigir un afino posterior. Del mismo modo, el licor madre suele acumular las impurezas más solubles y necesita una purga o un tratamiento específico. El sistema funciona cuando todas estas corrientes están incluidas en el balance, no solo cuando el diagrama principal parece cerrado.

Tres formas de aportar energía a la evaporación

La evaporación al vacío reduce la temperatura de ebullición y permite recuperar el calor de diferentes maneras. Las cifras siguientes son órdenes de magnitud por metro cúbico de agua evaporada. Sirven para una comparación preliminar, pero no sustituyen una prueba ni una garantía calculada con la composición real.

En los evaporadores por bomba de calor, un circuito frigorífico transporta energía desde el vapor generado hasta el intercambiador de calentamiento. Suelen trabajar alrededor de 35 a 40 °C y resultan interesantes para caudales pequeños o medios, productos termosensibles y plantas sin vapor. Como referencia, el consumo puede situarse aproximadamente entre 130 y 170 kWh eléctricos por metro cúbico.

La recompresión mecánica de vapor (MVR) comprime el propio vapor de proceso para elevar su presión y temperatura y reutilizarlo como fuente de calor. Puede reducir mucho la demanda térmica, a cambio de electricidad y de un compresor que necesita condiciones de operación estables. Un intervalo preliminar habitual es de 35 a 100 kWh eléctricos por metro cúbico. La elevación del punto de ebullición, el caudal, la relación de compresión y el ensuciamiento explican buena parte de esa amplitud.

Los sistemas térmicos utilizan vapor, agua caliente o calor residual. En un múltiple efecto, el vapor de una etapa calienta la siguiente a menor presión. Como valores simplificados, un efecto puede requerir unos 650 kWh térmicos por metro cúbico, dos efectos unos 330 y tres efectos unos 220, además de los consumos eléctricos auxiliares. Esta opción puede ser competitiva cuando existe energía térmica disponible y estable.

La tecnología con menor consumo de catálogo no siempre ofrece el menor coste. Deben compararse precios de electricidad y calor, horas anuales, capacidad de las acometidas, operación a carga parcial, limpiezas y mantenimiento.

Cristalización, separación y secado de sales

El evaporador produce un concentrado líquido. Para convertirlo en sólidos se controla la sobresaturación en un cristalizador, normalmente con circulación forzada cuando hay riesgo de incrustación o una carga elevada de cristales. Después se separa la suspensión mediante centrifugación o filtración. El líquido separado puede recircularse, aunque necesita una purga para evitar la acumulación indefinida de impurezas.

Esta última parte del proceso suele gobernar la disponibilidad de la planta. La selección de materiales, la granulometría, el lavado de los cristales y la estrategia de limpieza son tan importantes como el balance energético. También determinan si se obtiene una sal mezclada que debe gestionarse o un producto con posibilidad real de valorización.

Qué puede recuperarse en un proceso ZLD

El primer recurso recuperado es el agua. Según su calidad, puede volver a torres de refrigeración, lavados, preparación de reactivos o a etapas que exijan un tratamiento adicional. La reutilización debe definirse por especificación, no solo por apariencia del destilado o del permeado.

Las sales ofrecen una oportunidad más condicionada. En corrientes segregadas y relativamente simples pueden recuperarse cloruro sódico, sulfato sódico u otras materias primas. En efluentes mezclados, en cambio, los sólidos suelen contener varias sales, materia orgánica y metales. En ese caso su valor puede ser nulo y el objetivo razonable es reducir volumen y estabilizar el residuo.

La valorización requiere tres comprobaciones: composición constante, pureza compatible con el usuario receptor y coste total competitivo frente a la materia prima convencional. Sin estas tres condiciones, llamar producto al sólido final puede ocultar un coste de gestión que sigue existiendo.

Caso de estudio: recuperar NaCl a partir de un rechazo de desalación

En un proyecto de ingeniería para una instalación de desalación de gran capacidad se estudió transformar el rechazo de ósmosis inversa en agua recuperada y cloruro sódico con calidad potencial para su reutilización como materia prima en un proceso cloroalcalino. El interés no era únicamente eliminar una salmuera, sino separar un compuesto mayoritario y darle una segunda función industrial.

El paso decisivo estaba antes de la evaporación. El calcio y el magnesio debían eliminarse mediante un acondicionamiento específico, porque la dureza favorece incrustaciones y contamina el cristal. También era necesario controlar sulfatos y otras impurezas. Después, la salmuera pretratada podía concentrarse y entrar en un sistema MVR de circulación forzada, adecuado para trabajar con sólidos en suspensión y recircular el vapor como fuente de calor.

La cristalización generaría una suspensión rica en NaCl. La separación entre sólidos y líquidos, el posible lavado del cristal y la purga del licor madre permitirían limitar la incorporación de impurezas. El producto solo podría considerarse apto después de analizarlo frente a la especificación del proceso receptor. La tecnología no convierte automáticamente cualquier rechazo en sal comercial.

Este caso resume una idea útil para otros sectores: el ZLD puede ser una plataforma de recuperación de recursos cuando la corriente de origen está bien caracterizada y las impurezas se gestionan antes de que se mezclen con el producto. Si la química no permite esa selectividad, el mismo sistema seguirá recuperando agua y reduciendo residuos, pero no necesariamente producirá una materia prima reutilizable.

Diseñar el sistema completo

Una evaluación rigurosa empieza con caudal, composición iónica, materia orgánica, variabilidad y horas de operación. Continúa con un balance de masas que incluya todas las purgas y con pruebas de solubilidad, ensuciamiento y calidad del agua recuperada. Solo entonces tiene sentido comparar configuraciones y consumos.

El ZLD no es una solución universal ni una garantía automática de circularidad. Bien planteado, puede reducir la dependencia de agua, evitar descargas difíciles y recuperar sales. Mal planteado, puede desplazar el impacto hacia la energía o producir un sólido sin salida. La decisión correcta es la que cierra el balance técnico, ambiental y económico de todo el proceso.

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* Los intervalos energéticos son valores preliminares de ingeniería y no garantías de rendimiento. El caso de recuperación de NaCl se ha anonimizado y no incluye datos identificativos ni parámetros de diseño del cliente.