Los sistemas híbridos de ósmosis directa e inversa muestran capacidad para reducir el consumo energético en desalinización

La investigadora Rajashree Yalamanchili defenderá el próximo 7 de julio en la Facultad de Ciencias de la Universidad de Girona su tesis doctoral, titulada Optimization of osmotic pressure usage for safe water production in the context of combining water reuse and desalination. El trabajo, desarrollado en el grupo de investigación LEQUIA, analiza el potencial de los sistemas híbridos de ósmosis directa (OD) y ósmosis inversa (OI) para integrar la desalinización de agua de mar con la reutilización de aguas residuales, reduciendo el consumo energético y favoreciendo la recuperación de recursos.

La investigación demuestra que es posible reducir el consumo energético de la desalinización por debajo de 1 kWh/m³ mediante sistemas híbridos de ósmosis directa e inversa.

La creciente escasez de agua está impulsando la búsqueda de recursos hídricos alternativos, entre ellos la desalinización y la reutilización de aguas residuales. Sin embargo, la desalinización mediante ósmosis inversa continúa presentando importantes desafíos relacionados con su consumo energético y la gestión de la salmuera, mientras que el vertido de aguas residuales tratadas supone una oportunidad desaprovechada para recuperar agua y otros recursos.

En este contexto, la tesis propone un sistema híbrido OD-OI capaz de diluir el agua de mar y preconcentrar simultáneamente las aguas residuales, disminuyendo la intensidad energética del proceso de desalinización y aumentando la recuperación de agua.

Recuperaciones de agua de hasta el 90%

Mediante modelos de simulación y criterios de diseño, la investigación demuestra que la optimización de los procesos de dilución osmótica permite alcanzar recuperaciones de aguas residuales de hasta el 90% durante la etapa de ósmosis directa y reducir el consumo energético de la desalinización por debajo de 1 kWh/m³.

Asimismo, el estudio confirma la viabilidad de procesar agua de mar previamente diluida en plantas desalinizadoras existentes, lo que permitiría incrementar la producción de permeado hasta un 67%.

No obstante, el análisis energético también muestra que, al comparar el sistema híbrido con esquemas independientes, la reutilización autónoma del agua continúa siendo una alternativa muy competitiva desde el punto de vista del consumo energético.

La configuración hidráulica resulta determinante

La tesis pone de manifiesto que el rendimiento de estos sistemas depende en gran medida del diseño hidráulico. Factores como la orientación del flujo, la disposición de los módulos o las limitaciones de transferencia de masa condicionan la recuperación alcanzable y la proximidad al equilibrio osmótico.

La combinación de ensayos a escala piloto y tareas de modelización permitió comprobar que una configuración multimodular en forma de árbol, operando en flujo a contracorriente, favorece una distribución hidráulica más equilibrada y mantiene de forma más eficiente la fuerza motriz osmótica que una disposición convencional en serie.

Reutilización segura y recuperación de recursos

Una vez validado el potencial del sistema híbrido, la investigación abordó aspectos relacionados con la calidad del agua obtenida y las posibilidades de recuperación de recursos mediante la integración de las aguas residuales preconcentradas con procesos biológicos, como la digestión anaerobia y el cultivo de microalgas.

Los modelos desarrollados muestran potenciales de recuperación en la etapa de ósmosis directa de entre el 80% y el 82%, dependiendo de las condiciones de operación.

El estudio concluye además que el permeado obtenido cumple las directrices para riego agrícola, aunque sería necesario incorporar tratamientos de desinfección más avanzados para satisfacer los requisitos exigidos para agua potable y mejorar la eliminación de amonio y patógenos.

La investigación también señala que el aumento de la salinidad y de la concentración de amonio derivado de la preconcentración debe validarse experimentalmente, ya que ambos parámetros pueden afectar al funcionamiento de los procesos biológicos posteriores.

El sistema híbrido permite alcanzar recuperaciones de aguas residuales de hasta el 90% y aumentar la producción de permeado hasta un 67%.

Menor presencia de contaminantes emergentes en el agua producida

Otro de los aspectos analizados fue el comportamiento de los contaminantes emergentes dentro de un sistema híbrido formado por ósmosis directa, ósmosis inversa y digestión anaerobia.

Los resultados muestran que la etapa de ósmosis directa consigue un elevado rechazo inicial de estos compuestos, aunque las sustancias más persistentes tienden a acumularse en el efluente de digestión anaerobia debido a su limitada biodegradación.

En el caso de la desalinización de agua de mar, la combinación de la dilución osmótica con el elevado rechazo de la ósmosis inversa permite obtener un permeado de alta calidad, manteniendo los contaminantes residuales confinados en la salmuera.

Según la investigación, frente a configuraciones convencionales de OI o DA-OI, el sistema híbrido OD-OI-DA proporciona las menores concentraciones de contaminantes emergentes tanto en el permeado como en la salmuera, aunque concentra una mayor carga en el efluente de digestión anaerobia, lo que requiere una gestión específica.

La tesis, dirigida por el Dr. Gaëtan Blandin y el Dr. Ignasi Rodriguez-Roda, aporta nuevos conocimientos sobre la integración de tecnologías de reutilización y desalinización mediante sistemas híbridos de membranas para una producción segura de agua, e identifica diversos parámetros de operación que deberán abordarse en futuras investigaciones dentro de la línea de trabajo del grupo LEQUIA de la Universidad de Girona.