Acciones de implementación

Junto a la optimización del CPD, se llevará a cabo un estudio de Front End Engineering Design (FEED) para el mejor escenario operativo y la configuración óptima del proceso. El estudio FEED incluirá hojas de datos mecánicos y eléctricos y la preparación de paquetes de licitación para la adquisición del equipo principal, el desarrollo de diagramas de procesos e instrumentos y la elaboración de los diseños principales de tuberías, instrumentos y eléctricos. Además, el estudio FEED considerará la incorporación de medidores inteligentes al sistema de suministro de energía, para para controlar cuánta electricidad está utilizando la tecnología en su conjunto. Se diseñará también un sistema de control automático del reactor conectado con los instrumentos de medida para tener una visión de la relación de los parámetros del proceso con el consumo de energía. También se definirán los puntos de control apropiados para el muestreo. NCSRD procederá a la construcción del reactor y la integración de las membranas fotocatalíticas y los componentes ópticos. La preparación del sitio y la adquisición de consumibles y equipos para la integración del reactor montado sobre patines en las instalaciones existentes también se implementarán en esta acción.

Progreso de la acción: La fase de implementación del Proyecto comenzó con la Acción B1, relacionada con la construcción del sistema PNFR a gran escala. Esta acción abarca todas las actividades que son necesarias para salvaguardar la operación de todo el proceso y del PNFR in situ, teniendo como punto de partida el resultado del CPD y los estudios preliminares de diseño y optimización de la Acción A2. El CPD dio como resultado un diseño optimizado del proceso y del escalado del reactor PNFR. En base a esto, se implementó un detallado estudio de ingeniería inicial y diseño, FEED (Front End Engineering Design), que condujo a la definición de las especificaciones exactas de los diversos componentes y equipos de todo el proceso y a la preparación y publicación de los paquetes de licitación requeridos o la preparación y firma de los contratos necesarios para su obtención.
B1.1 – Diseño de ingeniería de detalle
La FEED y la ingeniería de detalle se han realizado en base a los resultados de los estudios de CPD (Acción A2.1) y a la implementación de estudios de optimización del reactor PNFR y del proceso general. Los estudios de optimización se realizaron a través de la herramienta de simulación de procesos desarrollada con la plataforma gPROMS Process Builder.
La FEED incluyó:
A) Datos mecánicos y eléctricos.
B) Elaboración de los principales diseños de tuberías.
C) Medidores para el sistema de suministro de energía e instrumentos de medición (medidores de flujo, transductores de presión, conductividad en línea y analizador de TOC en línea) interconectados con el sistema de control automático del reactor y la aplicación de registro y control de datos, que se ha desarrollado en la plataforma LabView.
D) Definición de los puntos de control apropiados para el muestreo y análisis de los plaguicidas.

En las tareas de ingeniería de detalle, se han desarrollado los diagramas de tuberías, bridas e instrumentos necesarios para la construcción (incluidos los detalles de construcción para terminar las puntas de las fibras ópticas y la interfaz con los LED UV de alta potencia), los diseños detallados de las tuberías y los diseños detallados relacionados con instrumentación e instalaciones eléctricas y se ha realizado el control de costes y el calendario. Como resultado de esta tarea, los planos de los prototipos del PNFR se han preparado y desarrollado en una plataforma de trabajo sólida.
B1.2 – Adquisición de consumibles y equipos para el desarrollo de las membranas y el reactor. Se ha llevado a cabo la licitación pública, contratos y puesta en marcha directa para comprar los consumibles y equipos necesarios. Estas acciones se encuentran en proceso.
B1.3 – Preparación de la localización e integración del reactor.
El lugar para la instalación del proceso en ZAGORIN está decidido. Un plano del proceso general, que incluye los cuatro módulos del reactor, el tanque CFS, las bombas, las tuberías y los tanques para recoger el agua limpia, ha sido preparado por el NCSRD a escala (1: 41.7) y enviado a ZAGORIN junto con la carga estimada de cada componente y los requisitos de potencia esperados para la operación de todo el proceso.

Plano del proceso general en ZAGORIN:

Imágenes del proceso de fabricación de sustratos monolíticos para ser utilizados en el desarrollo de membranas de nanofiltración fotocatalítica. Los bordes azules indican el acristalamiento que garantiza el sellado entre el compartimento de filtrado y el compartimento de alimentación dentro del reactor PNFR.

El procedimiento operacional estándar y seguro en términos laborales y ambientales será corroborado para las condiciones in situ. NCSRD realizará las pruebas de puesta en marcha con la participación del personal técnico de ZAGORIN. Esto incluye las pruebas de funcionalidad preliminares de los componentes individuales del sistema y los subsistemas, incluida la electrónica, durante un período de 1 semana antes de la etapa final de operación. NCSRD preparará el manual de operación, seguridad y mantenimiento del proceso general y organizará cursos de capacitación en dos niveles, orientados al personal técnico y científico de ZAGORIN. Una vez finalizadas las actividades de capacitación, se realizarán pruebas y operaciones in-situ durante 2 años, lo cual es de gran importancia para la validación de los resultados. Estos resultados incluyen el desempeño del proceso en términos de eficiencia de eliminación de plaguicidas, recuperación de agua pura, productividad de los módulos de membrana y consumo de energía. Además, las pruebas planificadas a largo plazo (2 años) garantizan resultados y conclusiones fiables sobre el ciclo de vida del proceso, permitiendo la definición de intervalos de mantenimiento (tanto para el equipo electromecánico como para las membranas fotocatalíticas) y garantizando la sostenibilidad del proceso PNFR en la industria.

Progreso de la acción: Con el resultado del FEED y el estudio de ingeniería de detalle, fue posible implementar un Análisis Funcional de Operatividad (HAZOP, Hazard and Operability) del reactor PNFR y del proceso general, enfocándose en cómo el diseño hará frente a condiciones anormales e identificará todas las posibles desviaciones del diseño inicial, que deriven en efectos no deseados en el trabajo y el medio ambiente. El estudio HAZOP cubrió aspectos relacionados con el diseño, instalación, operación y mantenimiento de la instalación del PNFR en desarrollo y clasificó los riesgos en aquellos que plantean una preocupación de seguridad significativa (que tienen el potencial de un incidente serio o grave), y aquellos que plantean preocupaciones operativas sustanciales, y trata de reducir cada riesgo a “lo más bajo razonablemente práctico”. Además, se ha tratado de evitar la creación de un sistema de tratamiento de agua demasiado complejo y demasiado instrumentalizado, que pueda considerarse tan inseguro y problemático como la falta de protección y control. Se ha seleccionado el número óptimo de niveles de protección para obtener un sistema relativamente sencillo y robusto.

Actualmente, el PNFR está operativo en España. Se están realizando ensayos con varios tipos de agua, diferentes plaguicidas utilizados como microcontaminantes modelo a distintas concentraciones para estudiar su efecto en el rendimiento del PNFR. En cuanto al PNFR a gran escala, el proceso de instalación en las instalaciones de ZAGORIN está en curso y el reactor está entrando en la fase de pruebas de funcionamiento inicial.

Entregable B2.1: Estudio HAZOP del proceso piloto

Demokritos tuvo que realizar el Análisis de Peligro y Operabilidad (análisis HAZOP) del reactor PNFR y del proceso general, integrado al proceso de selección/lavado de frutas de pepita. En esta acción, debe identificarse y evaluarse un procedimiento de operación estándar seguro, tanto en términos de mantenimiento de la operabilidad del proceso así como garantizar la seguridad laboral y ambiental para las condiciones de la localización.
Logros: Una vez que se obtuvo el resultado del FEED y del estudio detallado de ingeniería fue posible implementar el estudio HAZOP del reactor PNFR en el proceso general, concentrándonos en cómo el diseño enfrentará condiciones anormales e identificará todas las posibles desviaciones de la intención del diseño con efectos indeseables en la operabilidad y el medio ambiente. Por lo tanto, el estudio HAZOP cubrió todo el alcance requerido para el diseño, instalación, operación y mantenimiento de la instalación de agua del PNFR en desarrollo y se clasificaron los riesgos que pudieran plantear una preocupación de seguridad significativa (potencial de un incidente serio o grave), y aquellos que planteban preocupaciones operativas sustanciales, junto con tratar de reducir cada riesgo a niveles tan bajos como sea razonablemente práctico. Por lo tanto, hemos estudiado los efectos de irradiación, temperatura, flujo en el PNFR , nivel del líquido en los tanques y en el módulo del reactor, junto con la calidad del agua residual en términos de pH, presencia de sustancias interferentes y la existencia de oxidantes/aceptores de electrones y especies cargadas. En esta línea, hemos decidido cuáles de estos parámetros generan preocupaciones significativas de operabilidad y seguridad y concluimos con el diseño de un sistema de monitoreo simple para los parámetros de proceso más importantes. El resultado de este trabajo fue la descripción de las ubicaciones de monitoreo del proceso y la definición de una guía, así como un programa final sobre cómo se usa esta guía junto con los parámetros del proceso, las causas, las consecuencias y las recomendaciones.

Para obtener más información, póngase en contacto con Dr E. Markellou (e.markellou@bpi.gr)

Los residuos de plaguicidas, sus metabolitos, metales pesados y parámetros fisicoquímicos (DQO, DBO, STS) se determinarán en las corrientes influente y efluente de la unidad PNFR que opera en Zagorin, para confirmar la reducción estimada de desechos del 95%. Residuos de plaguicidas y metales pesados también se determinarán en muestras de lodos de aguas residuales, recolectados de las instalaciones de la unidad de lavado. Para la cuantificación de los analitos, se aplicarán métodos analíticos validados mediante el uso de instrumentos analíticos de última generación (LC/MS-MS, ICP-MS).
Se determinará la carga microbiológica total (bacteriana y fúngica) en todas las muestras de agua residual para identificar posibles amenazas (es decir, patógenos humanos y de plantas) para el uso y destino posterior de esos efluentes en riego de campos y en limpieza de instalaciones de la unidad de envasado. Los análisis microbiológicos se realizarán mediante métodos de diagnóstico microbiológicos clásicos (dependientes del cultivo), observación microscópica y recuento de colonias siguiendo los protocolos estándar de caracterización y cuantificación.
Se realizarán ensayos de toxicidad aguda en muestras de aguas residuales utilizando como organismos indicadores el crustáceo Daphnia magna y la bacteria Vibrio fisheri. En paralelo, la determinación analítica de los niveles de plaguicidas u otros contaminantes en las mismas muestras permitirá establecer correlaciones entre exposición y efectos. Estos resultados se utilizarán para la evaluación del PNFR para el tratamiento de aguas residuales.

Progreso de la acción: En el contexto de la implementación del Proyecto, se determinaron microcontaminantes, como residuos de plaguicidas y sus metabolitos, metales pesados, además de parámetros fisicoquímicos (dureza, sólidos en suspensión, TOC, pH, conductividad, DQO), parámetros microbiológicos y toxicológicos en muestras de agua (influente), aguas residuales (efluente) y lodos, recolectados antes, durante y al final del proceso de lavado en la etapa de producción en las instalaciones de la Cooperativa Agrícola de Zagora, “ZAGORIN”.
Algunos de los microcontaminantes pueden causar efectos tóxicos en organismos ambientales o humanos y, por lo tanto, la Comisión Europea ya ha establecido niveles máximos legales para su concentración en diferentes matrices.
Un objetivo clave del proyecto, a través de la aplicación del novedoso sistema PNFR (reactor fotocatalítico de nanofiltración) es la reducción de la emisión de cualquier microcontaminante ambiental y de la toxicidad de las aguas residuales (15 m3 por día), con miras a la reutilización de estas aguas, ya sea reciclada en el propio proceso de lavado o reutilizada, por ejemplo, para riego.
El control previo de la calidad del agua, mediante la evaluación de sus características fisicoquímicas, microbiológicas y toxicológicas, fue esencial para la definición de las condiciones de referencia, con el objetivo de mejorar y optimizar las condiciones de operación del reactor en función de las características del sistema “agua de entrada al reactor” (por ejemplo, pretratamiento del agua para evitar la dureza y el ensuciamiento de las membranas).
En general, el agua en todos los lugares de muestreo, que abarca toda la línea desde manantiales, tanques de recolección de agua, tanques de lavado hasta el efluente final de las aguas residuales en los tanques de recolección de agua de lavado, se analizó desde mediados de septiembre de 2018 hasta principios de octubre de 2019 en 4 períodos de muestreo por lotes de agua de lavado de manzanas. Para el seguimiento de los microcontaminantes ambientales objetivo, antes y durante la operación del reactor se aplicaron métodos analíticos avanzados (GC-MS/MS, LC-MS/MS, ICP-MS).
Asimismo, las pruebas de toxicidad aguda de las muestras de agua recolectada, también se llevaron a cabo con organismos indicadores (por ejemplo, Daphnia magna y Vibrio fischeri), que son especies sensibles a la presencia de plaguicidas, metales pesados y otros contaminantes ambientales. Esta evaluación de toxicidad está en línea con los requisitos del marco legislativo actual para la evaluación de plaguicidas y biocidas.
Las medidas analíticas y los bioensayos de toxicidad se llevarán a cabo para comparar las muestras de influente y efluente del reactor durante el periodo del Proyecto. Estos resultados se utilizarán para evaluar la eficiencia general del reactor.

Entregables:

D-B3.1: Informe sobre análisis químicos, toxicológicos y microbiológicos de muestras de aguas residuales tratadas de Grecia

En cuatro períodos de muestreo diferentes (desde mediados de septiembre de 2018 hasta finales de septiembre de 2019), se recolectaron muestras de agua y aguas residuales de 9 puntos de muestreo definidos. Todas las muestras fueron analizadas por métodos analíticos estándar y validados teniendo en cuenta características fisicoquímicas, microbiológicas y toxicológicas.
Se definieron los parámetros fisicoquímicos y se consideró el peor de los casos en la Acción A2.
Los metales pesados se cuantificaron en muestras de agua y lodo mediante la aplicación de métodos analíticos validados en ICP-MS.
Para los análisis microbiológicos en muestras de agua, se analizaron los siguientes parámetros o agentes patógenos específicos de acuerdo con los métodos estándar ISO: recuento total de viables (TVC) a 22 ° C y 37 ° C (ISO 6222: 1999), enterococos intestinales (ISO 7899: 2000), Coliformes y Escherichia coli (ISO 9308-1: 2014), Clostridium perfrigens (y esporas) (ISO 14189: 2013) y Pseudomonas aeruginosa (ISO 16266: 2006).
Para investigar la posible aparición de residuos de plaguicidas en el agua, se recolectaron muestras de varios puntos estratégicamente seleccionados y se analizaron con un LOQ de 0.01 mg/L utilizando un método multirresiduo interno para el análisis de 250 compuestos.
Los plaguicidas en lodo se analizaron mediante un amplio método analítico multirresiduo de un laboratorio externo (contratista externo) y mediante un método analítico interno validado en BPI enfocado en sustancias activas que son relevantes para el cultivo de manzanas.
La toxicidad de las muestras de agua recolectadas se ha evaluado en organismos indicadores acuáticos no objetivo, es decir, el crustáceo de agua dulce Daphnia magna y la bacteria luminiscente no patógena Vibrio fischeri (Microtox ©).
La Acción B3.1 se ha implementado con éxito.

D-B3.2: Informe sobre análisis químicos, toxicológicos y microbiológicos de muestras de aguas residuales tratadas de España

Los resultados descritos en este documento se incluyen en el contexto de las Acciones preparatorias A.2.1: Diseño conceptual de procesos (CPD) y optimización (2da parte) y B.3: Procedimientos analíticos, para contribuir a la transferibilidad y replicabilidad en el rendimiento del reactor PNFR en una industria agroalimentaria en España.
Para la implementación del PNFR, el efluente de la planta de tratamiento de aguas residuales se eligió como agua de alimentación al reactor, debido al interés en reutilizar esta agua recuperada para riego agrícola.
Además de la caracterización fisicoquímica de los diferentes puntos de muestreo, se realizaron análisis de pesticidas y análisis microbiológicos para completar la caracterización del agua.

Para obtener más información, póngase en contacto con Dr E. Markellou (e.markellou@bpi.gr).

El análisis técnico-económico de la tecnología PNFR se implementará a través de evaluaciones comparativas con tecnologías competitivas, aprovechando los resultados de los estudios de diseño de procesos conceptuales (CPD). El objetivo es obtener con precisión los gastos de capital (CAPEX) y el costo operacional (OPEX) del proceso PNFR, y compararlos con las tecnologías de tratamiento de aguas residuales (BAT) más modernas mediante el cálculo de los datos de rendimiento técnico-económico de las membranas convencionales de NF y RO, carbón activado, fotocatalizadores en polvo y biocatalizadores.
Una segunda actividad es comparar las membranas innovadoras frente a las convencionales. Así, además de la mejora en rendimiento obtenido con la tecnología PNFR que implementa las nuevas membranas, otro objetivo de suma importancia es definir el impacto ambiental de la producción de estas nuevas membranas. Con este propósito se utilizará la evaluación del ciclo de vida (LCA), a fin de caracterizar los impactos ambientales relacionados con la fase de producción de las nuevas membranas, desde su inicio hasta su finalización. NCSRD realizará el análisis de LCA basándose en la norma ISO14040 siguiendo la metodología de evaluación de impacto definida por el Programa de las Naciones Unidas para el Medio Ambiente y se llevará a cabo utilizando el software SimaPro 7.0.