Tesi doctoral de Rajashree Yalamanchili: "Optimization of osmotic pressure usage for safe water production in the context of combining water reuse and desalination". Direcció: Dr. Gaëtan Blandin i Dr. Ignasi Rodriguez-Roda Layret
La creixent escassetat d'aigua
continua empenyent les regions de tot el món a buscar recursos hídrics
alternatius com la dessalinització d'aigua de mar (AP) i la reutilització
d'aigües residuals (AP). Si bé la dessalinització d'AP, dominada globalment per
l'osmosi inversa (RO), proporciona un subministrament fiable, continua estant
limitada per l'alt consum d'energia específic i les implicacions ambientals de
l'eliminació de salmorra concentrada. Al mateix temps, l'AP tractada sovint es
descarrega després de complir els límits d'eliminació, cosa que representa una
oportunitat perduda per a la reutilització, especialment a les zones costaneres
amb estrès hídric. En aquest context, combinant la reutilització de l'aigua i
la dessalinització, l'híbrid d'osmosi directa-osmosi inversa (FO-RO) es va
concebre com una via integrada que dilueix osmòticament l'AP i preconcentra
l'AP simultàniament, reduint així la intensitat energètica de la
dessalinització i augmentant el potencial de recuperació de recursos.
Aquesta tesi va demostrar,
mitjançant enfocaments sistemàtics de modelització i disseny, que optimitzant
els beneficis de la dilució osmòtica, s'aconsegueix una recuperació d'AP de
fins al 90% en OP alhora que es permet una energia de dessalinització d'RO
inferior a 1 kWh/m³, que és substancialment inferior a la demanda energètica
típica per tractar l'AP de màxima potència. El processament d'aigua residual
diluïda en una planta de dessalinització existent va mostrar la viabilitat de
la modernització a un híbrid FO-RO i també de millorar la producció de permeat
fins a un 67% amb el disseny de la planta existent. Tanmateix, comparant
energèticament l'híbrid FO-RO amb esquemes independents, la reutilització
d'aigua autònoma va seguir sent atractiva.
Més enllà d'això, el treball va
demostrar que la integració de l'FO com a pas de concentració depèn de la
comprensió de com les condicions hidràuliques, l'orientació del flux, la
disposició dels mòduls i les limitacions intrínseques de transferència de massa
de l'FO configuren col·lectivament la recuperació assolible i la proximitat a
l'equilibri osmòtic. Les conclusions dels experiments combinats a escala pilot
i la modelització van revelar que una configuració multimòdul en forma d'arbre
que opera en flux contracorrent (provada mitjançant un sistema FO de dues
etapes amb tres mòduls) promou una distribució hidràulica més equilibrada i
manté la força motriu osmòtica de manera més eficaç que una simple disposició
en sèrie.
Un cop establert que es poden
aconseguir una alta recuperació d'FO i una dessalinització de baixa energia, la
tesi es va centrar en preguntes més àmplies centrals per avaluar la viabilitat
de l'híbrid FO-RO: l'aigua produïda per un sistema FO-RO és adequada per a la
reutilització segura complint els estàndards d'aigua potable i agrícola? I quin
és el potencial de recuperació de recursos quan l'aigua residual preconcentrada
d'FO s'integra amb processos biològics posteriors com la digestió anaeròbica
(DA) i les microalgues? Emprant un marc de modelització basat en la literatura,
el sistema híbrid va mostrar potencial per assolir una recuperació d'osmosi
inversa de fins al 80-82% en diferents condicions operatives. El permeat d'OS
generalment va complir les directrius agrícoles i d'aigua potable pertinents,
excepte pels valors d'eliminació logarítmica d'amoni i patògens (LRV), que
ambdós es van mantenir per sobre dels requisits de reutilització potable. No
obstant això, la reutilització agrícola va seguir sent factible, mentre que el
compliment dels estàndards d'aigua potable requeriria passos addicionals i més
avançats de desinfecció o poliment. Amb la preconcentració d'FO, els impactes
de la salinitat elevada i l'amoni en els processos biològics posteriors, els
sistemes de DA i microalgues necessiten una validació experimental addicional,
ja que ambdós paràmetres poden influir en l'estabilitat i la productivitat del
procés. Fins i tot quan el sistema s'alimenta amb energia generada per la DA,
la reutilització d'aigua autònoma continua sent una opció de baix consum
energètic, tot i que les pèrdues de metà en absència de preconcentració podrien
limitar els guanys energètics nets. Amb un enfocament específic en els
contaminants de preocupació emergent (CEC), en l'híbrid FO-RO-AD, l'FO
aconsegueix un rebuig inicial elevat, però els compostos persistents i
recalcitrants s'acumulen a l'efluent AD a causa d'una biodegradació limitada.
Al costat SW, la dilució osmòtica combinada amb l'alt rebuig de RO garanteix un
permeat de qualitat constantment alta, amb contaminants residuals confinats a
la salmorra RO. Les variacions operatives afecten principalment els nivells de
CEC a l'efluent AD, mentre que la qualitat del permeat es manté estable. En
general, en comparació amb els trens SWRO i AD-RO independents, l'híbrid
FO-RO-AD proporciona les concentracions de CEC més baixes en permeat i
salmorra, alhora que concentra la càrrega de CEC més alta a l'efluent AD, la
qual cosa requereix una gestió adequada.
Lectura de la tesi: 07/07/2026 a l'Aula Magna de la Facultat de Ciències (informació extreta de l’Agenda activitats de la web Escola de Doctorat).
