Desalación por ósmosis inversa y su aprovechamiento en agricultura en el valle del Yaqui, Sonora, México

• Dévora-Isiordia, Germán Eduardo ^[1] ; López Mercado, María Elena ^[1] ; Fimbres Weihs, Gustavo Adolfo ^[1] ; Álvarez Sánchez, Jesús ; Astorga Trejo, Sebastian ^[1]
  1. [1] Instituto Tecnológico de Sonora

     Instituto Tecnológico de Sonora

     México

     
• Localización: Tecnología y Ciencias del Agua, ISSN-e 2007-2422, Vol. 7, Nº. 3 (mayo-junio de 2016), 2016, págs. 155-169
• Idioma: español
• Títulos paralelos:
  • Desalination by Reverse Osmosis and Its Use in Agriculture in Valle Del Yaqui, Sonora, Mexico
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    Sonora, situado al noroeste de México, ocupa el segundo lugar en cultivos de riego en el país. Los problemas de disponibilidad de los recursos hídricos, principalmente para agricultura en ese estado, se deben a la alta concentración de sales en los pozos, que van desde 2 000 hasta 5000 mg/l de sólidos disueltos totales (SDT). Estos altos valores de SDT son atribuidos a efectos de intrusión salina (Dévora, Gonzalez, & Saldivar, 2009), al tener una excesiva explotación del manto acuífero (Conagua, 2011). Sin embargo, el uso de tecnologías de desalación y modelos de predicción del proceso permiten aprovechar el recurso de manera óptima tanto en agua producto como en el rechazo. Es por esto que el objetivo 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. 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 SWC4 de 8”X40”, para ser utilizada en el riego del cultivo de sorgo (Sorghum), el cual presenta un rendimiento de 100%, a una concentración máxima de 2 000 mg/l de SDT en el agua de riego (4 mS/cm), en un área de 0.25 ha, con la finalidad de evaluar rendimiento en kg/m2 (ton/ha). Se regó la mitad del terreno con agua desalinizada (promedio de 64.8 mg/l de SDT) y la otra mitad con agua salobre de pozos subterráneos (promedio de 6 610 mg/l de SDT). Con el apoyo de un equipo de medición multiparamétrico modelo YSI 556 se determinó en el agua de alimentación, rechazo y permeado, la conductividad eléctrica (ìS/cm), sólidos disueltos totales (mg/l), pH y temperatura (°C). Con los datos obtenidos de la planta piloto 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, obteniendo concentraciones de agua producto y rechazo en diferentes arreglos con iteraciones de control, que incluye recirculación de salmuera en diferentes volúmenes. De forma subsecuente, este modelo fue utilizado para simular el aprovechamiento de caudal en el agua de rechazo, con la finalidad de incrementar la sustentabilidad del proceso. Los resultados del estudio muestran que al alimentar un agua de 6 610 mg/l de SDT, las corrientes de producto y rechazo son de 64.8 y 21 300 mg/l de SDT, respectivamente. La evaluación del proceso muestra que el costo de producción de agua es de 6.05 MX$/m3, muy similar a lo reportado por la International Desalination Association, que es de 6.70 MX$/m3. Con el uso de esta agua desalinizada se logró un incremento de producción de 1 ton/ha de sorgo, comparado al riego con agua salada. Estos datos se usaron para validar y calibrar el modelo. Los resultados de la modelación de recirculación muestran que conforme sea menor el porcentaje de recirculación de salmuera se pueden realizar hasta cinco iteraciones, sin incrementar la concentración del agua de alimentación por arriba de 42 000 mg/l, que es lo máximo permitido por la membrana utilizada en la planta. Se incrementó la productividad agrícola, por lo cual las inversiones públicas y privadas 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 hacer 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 realizarse, pero serán reducidas en mayor medida las descargas al medio ambiente.

  • English

    Sonora, situated in northwest Mexico, ranks second among the country’s irrigation crop producing states. The problems of water resource availability in Sonora, particularly for farming, are due to the high concentration of salts in well water, which go from 2 000 to 5 000 mg/l of total dissolved solids (TDS). High salt concentration in groundwater wells is attributed to the effects of saline intrusion related to the excessive exploitation of aquifers (Conagua, 2011).

    Nonetheless, desalination technologies and process prediction models can allow the optimal use of this resource. This work aims to develop a mathematical simulation model for predicting the performance of an RO desalination plant fed with brackish water, whilst ensuring that the product water achieves the permissible limits for its use in agriculture. In order to validate the model, an RO desalination plant with a nominal capacity of 100 m3/d, consisting of eight commercial SWC4 8”×40” membranes, was used to desalinate groundwater for the irrigation of 0.25 ha of sorghum crop. For a brackish feed water with 6 610 mg/L TDS, the product and rejected flows presented 64.8 and 21,300 mg/l TDS respectively. With the help of a YSI 556 multiparameter measuring unit, the electric conductivity (mS/ cm), TDS (mg/l), pH and temperature (°C) were determined for the permeate, retentate and feed water of the desalination plant. Using data obtained from the pilot plant, a simulation model was developed in MATLAB 2009a using Simulink, which has the function of predicting the behavior of the desalination plant. The model is able to determine the concentration of dissolved solids in the retentate and product water depending of the process configuration and the number of control iterations. Each iteration includes different volumes of brine recirculation. For this study, this model is used to simulate the utilization of the flow of retentate, in order to increase the sustainability of the process. The results of the measurements in the desalination plant show that for a feed water with 6,610 mg/l TDS, the product and retentate flows have 64.8 and 21 300 mg/l TDS respectively. The economic assessment of the process shows that the water production cost without brine recirculation is MX$6.16/m3. This is very similar to the MX$6.70/m3 cost reported by the International Desalination Association. Using the desalinated water, a production increase of 1 ton/ha of sorghum was achieved, compared with brackish water irrigation. Using the data obtained from the pilot plant, the simulation model was developed, validated and calibrated, in order to predict the behavior of the desalination plant in terms of concentrations in the retentate and product water. The model was then used to simulate brine recirculation, in order to increase the sustainability of the process. It was found that, for the conditions of the 100 m3/d plant, it is possible to totally or partially recirculate the brine stream. Recirculation modeling results show several brine recirculation iterations can be carried out without significantly affecting the product water. Further, using a low brine recirculation rate, up to five iterations can be carried out without increasing the concentration in the feed water above 42 000 mg/l. At higher brine recirculation rates, less iterations can be achieved, but brine discharges to the environment would be reduced. Given that desalinated water increased the agricultural productivity, public and private investments in desalination for the rural sector appear viable in the short term.