REFINERÍA EN EL PUERTO DE ROTTERDAM, PAÍSES BAJOS.

Es fundamental contar con un método para prevenir la formación de bioincrustaciones en sistemas de captación de agua marina o salobre y en sistemas de refrigeración, con el fin de preservar su eficiencia e integridad. La dosificación continua de hipoclorito de sodio es el método más común, pero resulta costosa y con un impacto ambiental significativo. La técnica de dosificación pulsada de cloro, Ecodosing™ha demostrado ser efectiva, más económica y menos perjudicial para el medio ambiente en el control de bioincrustaciones en una refinería situada en la zona de Botlek, Rotterdam, Países Bajos. Además, esta técnica puede adaptarse a cualquier situación específica de bioincrustación.

El reto de la bioincrustación

Cuando el agua superficial entra en contacto con superficies sólidas artificiales, como conductos y tuberías en un sistema de agua de refrigeración, organismos vivos comienzan a colonizar dichas superficies. La colonización sigue un patrón estándar: primero se depositan moléculas orgánicas sobre la superficie. En las siguientes 24 horas, las bacterias se adhieren, iniciando su transformación en organismos sésiles que empiezan a producir una capa de limo (sustancias poliméricas extracelulares). Estas bacterias forman un biofilm donde se crean condiciones óptimas para tipos específicos de bacterias, como las bacterias reductoras de azufre. Una vez que la superficie está colonizada por bacterias, se vuelve apta para la fijación de macroinvertebrados como mejillones, percebes e hidroideos. La Figura 1 ilustra la línea temporal típica del asentamiento de bioincrustaciones.

El tipo de bioincrustación depende de la ubicación geográfica de la planta, las características del agua superficial y las influencias estacionales. La comunidad de bioincrustantes forma una entidad ecológica especial en un entorno industrial, que resulta casi óptima para todos los organismos asentados, debido a la ausencia de depredadores, un flujo continuo de agua con nutrientes y oxígeno, velocidades adecuadas del agua (0,5–2 m/s) y, sobre todo, un excedente de sustrato. Este último suele ser el factor regulador principal.

Es habitual clasificar la bioincrustación en dos tipos: microincrustación, que involucra bacterias y hongos que producen sustancias poliméricas extracelulares; y macroincrustación, que incluye organismos como mejillones, ostras, percebes e hidroides.

La macroincrustación provoca obstrucciones graves en los tubos de los intercambiadores de calor y ocasiona pérdidas térmicas debido al aumento de la rugosidad en las paredes de las tuberías de captación. Por su parte, la microincrustación reduce la eficiencia en la transferencia de calor en los intercambiadores y genera corrosión microbiana en las superficies metálicas. Todos estos efectos son indeseables en plantas industriales.

Gestión y control de bioincrustaciones

La búsqueda de métodos eficientes para controlar las bioincrustaciones en sistemas de agua de refrigeración ha sido una constante desde hace mucho tiempo. El primer artículo relevante sobre el tema, enfocado en centrales eléctricas, data de 1927.

Se ha dedicado un esfuerzo considerable al desarrollo de nuevas tecnologías y a la evaluación de metodologías conocidas para la erradicación de organismos (larvas y náyades) en los sistemas de agua de refrigeración.

Muchas de las tecnologías propuestas suelen adaptarse de aplicaciones distintas al tratamiento de agua de mar. Los productos químicos (biocidas) se dividen en dos tipos: compuestos oxidantes y compuestos no oxidantes.

Los biocidas oxidantes incluyen el cloro y el bromo, que actúan destruyendo las membranas celulares o sus enzimas extracelulares, lo que conduce a la muerte celular. Por otro lado, los biocidas no oxidantes son productos químicos que interfieren con funciones vitales necesarias, como el metabolismo o la reproducción. Sin embargo, el químico más común sigue siendo el hipoclorito de sodio.

Impulsados por las normativas ambientales que buscan reducir la cantidad de cloro liberado al medio ambiente, los propietarios de plantas industriales están buscando alternativas más ecológicas y que permitan ahorrar costes. Ecodosing (anteriormente conocido como Pulse-Chlorination®), desarrollado por H2O Biofouling Solutions BV, representa una solución eficaz en este sentido.

En el año 2000, este método de dosificación fue reconocido como la mejor tecnología disponible (BAT) según la Directiva de Prevención y Control Integrados de la Contaminación (IPPC) de la UE, para la mitigación del macroincrustamiento mediante cloro en sistemas de refrigeración de una sola pasada.

Las autoridades locales de muchos otros países también reconocen Ecodosing como la mejor tecnología disponible (BAT) para el control de la bioincrustación.

Control de la bioincrustación en una refinería

El sistema de distribución de agua de refrigeración de la refinería tiene unos 50 años de antigüedad. A lo largo de los años, el sistema ha ido presentando problemas de integridad y fiabilidad relacionados con fugas tanto en la red principal de distribución como en los intercambiadores de calor de proceso. Una de las principales causas subyacentes de estas fugas es la corrosión bajo depósitos, provocada por una combinación de bioincrustación y formación de lodos. Para garantizar la disponibilidad y prolongar la vida útil del sistema de refrigeración, el propietario del sistema desarrolló un plan maestro de agua de refrigeración en 2013/14. Como parte de este plan, se definió una estrategia para controlar la bioincrustación en la red de agua de refrigeración con el fin de prevenir futuros problemas.

La red del sistema de agua de refrigeración consta de tres partes alimentadas por diferentes tomas de agua. Se decidió implementar un procedimiento de control de la bioincrustación por fases, comenzando por una de las tomas, que abastece a una red específica de refrigeración. Esta red utiliza un sistema de agua salobre de refrigeración de una sola pasada, con un diseño de distribución en cuadrícula (‘estilo Manhattan’), alimentado con agua de río a un caudal que varía entre 10.000 y 30.000 m³/h. El agua de refrigeración se distribuye mediante cinco colectores principales a las distintas instalaciones situadas en el área.

El agua en la zona del puerto de toma se ve afectada por el caudal del río Mosa y por la marea, que empuja agua de mar hacia el interior. Como resultado, el agua en la toma varía entre dulce y ligeramente salobre a lo largo del día y según la estación del año.

Bioincrustación

Las variaciones de salinidad en el agua implican que la bioincrustación en esta zona incluye tanto especies de agua dulce como de agua salobre. Además, la mejora en la calidad del agua superficial y la invasión de nuevas especies incrustantes han intensificado los problemas de bioincrustación durante la última década. Las principales especies incrustantes son los mejillones de agua dulce, los percebes de agua salobre y los hidroides.

La demanda de agua de refrigeración en la refinería también ha cambiado con el tiempo: el cierre de algunas instalaciones ha reducido el consumo, lo que ha resultado en un sistema de agua de refrigeración sobredimensionado, con zonas estancadas. Décadas de uso de esta agua superficial con fines de refrigeración sin ningún tipo de control de bioincrustación han creado condiciones ideales para el asentamiento y crecimiento de organismos incrustantes (ver Figura 2).

La aplicación de filtros de admisión en los límites de batería solo evita que las conchas de mayor tamaño lleguen a los intercambiadores de calor. La mayoría de las larvas de organismos incrustantes atraviesan los filtros y crecen aguas abajo de estos, provocando una acumulación progresiva de bioincrustación en los pasajes estrechos, lo que incrementa el riesgo para la eficiencia y la integridad de los intercambiadores de calor.

El crecimiento de hidroides presenta un efecto secundario adicional: forman estructuras similares a telarañas que actúan como redes, atrapando partículas de sedimento y favoreciendo su acumulación en el interior de las tuberías. Este problema es especialmente relevante en el segundo puerto petrolero, donde el movimiento de los barcos provoca fuertes fluctuaciones en los niveles de sedimentos del agua.

Además, la microincrustación, que puede provocar corrosión inducida microbiológicamente (MIC), representa una amenaza para la integridad de todas las partes del sistema donde las condiciones favorecen su desarrollo.

Medidas adoptadas

Con el objetivo de controlar el crecimiento de organismos bioincrustantes y eliminar la acumulación histórica de bioincrustación en la red de agua de refrigeración de la refinería, se evaluó el método Ecodosing. Esta metodología fue seleccionada debido a los excelentes resultados obtenidos en otras instalaciones industriales de los Países Bajos, como en las zonas de Botlek y Moerdijk, donde se logró un control eficaz de la bioincrustación utilizando una cantidad mínima de cloro.

El sistema Ecodosing aprovecha los ciclos de vida naturales de los organismos incrustantes, como los mejillones y los percebes, así como su respuesta a los biocidas en función de las condiciones locales. Se basa en el principio de que estos organismos atraviesan un período de recuperación tras una exposición a cloración, durante el cual no se abren completamente ni reanudan sus funciones de filtración para la captación de oxígeno y alimento.

El sistema Ecodosing aprovecha este período de recuperación alternando ciclos cortos de cloración con intervalos sin cloro, lo que impide que los organismos incrustantes se adapten y retomen su actividad normal, maximizando así la eficacia del tratamiento con una dosis mínima de biocida.

Durante la cloración continua, los organismos se cierran y cambian de un metabolismo aeróbico a uno anaeróbico, pudiendo sobrevivir con sus propias reservas hasta por 10 semanas.

Con la cloración pulsada, los organismos se ven obligados a alternar continuamente entre metabolismo aeróbico y anaeróbico, lo que provoca un agotamiento fisiológico. Esto resulta en un control más rápido de la bioincrustación en comparación con la cloración continua [Ref 1].

Las condiciones locales se utilizan para determinar el programa de dosificación más efectivo para controlar el asentamiento y crecimiento de la bioincrustación. En consecuencia, durante una prueba in situ en la refinería se establecieron el intervalo de dosificación necesario y la concentración óptima de cloro.

Antes de la implementación del sistema, se estudiaron los tiempos de residencia del agua en los diferentes equipos de la red de agua de refrigeración. Dado que algunos equipos reciben agua de distintos colectores, los tiempos de residencia pueden variar significativamente. Para un control eficaz de la bioincrustación, es fundamental que los pulsos de cloro lleguen según el intervalo definido para cada equipo.

Se realizaron estudios adicionales con el objetivo de verificar la efectividad de la dosificación de cloro en todos los equipos. Además, un año antes de la implementación, se instalaron monitores de bioincrustación Biovision® (Figura 3) para obtener un diagnóstico detallado del proceso de incrustación.

Se instalaron unidades de inyección montadas sobre estructura para dosificar hipoclorito de sodio en las tomas de agua. La dosificación de hipoclorito se realiza en las líneas de descarga de las bombas de agua de refrigeración mediante cánulas retráctiles de inyección.

El régimen de Ecodosing se implementó en la red de agua de refrigeración de la refinería en 2018. Su eficacia se evaluó a partir de la tasa de limpieza de los monitores de bioincrustación. Se colocaron mejillones adultos para medir la velocidad y tasa de mortalidad. Además, se realizaron mediciones de cloro en los diferentes equipos para asegurar que los pulsos efectivos de cloro llegaran a todos ellos.

Resultados

Después de seis semanas de aplicación del sistema Ecodosing, los monitores de bioincrustación quedaron libres de organismos vivos, y la tasa de mortalidad de las especies adultas superó el 75 %. En las semanas siguientes se esperaba un aumento en el porcentaje de mortalidad diferida de las especies adultas. Durante el período de dosificación, no se registraron impactos negativos en el sistema de agua de refrigeración como consecuencia de la liberación de residuos de bioincrustación.

Al inicio del régimen Ecodosing, el cupón de bioincrustación (Figura 4(a)) estaba cubierto de hidroides, percebes y algunos mejillones. La Figura 4(b) evidencia que el régimen Ecodosing eliminó los hidroides, reflejándose en una reducción significativa de la sedimentación sobre el cupón, así como los percebes, cuyos restos visibles indican la eficacia del tratamiento. Los fragmentos de hidroides y conchas fueron relativamente pequeños (<1 cm), por lo que no obstruyeron los intercambiadores de calor. Ajustar el inicio del régimen Ecodosing según el tamaño de las especies de bioincrustación contribuye a prevenir posibles bloqueos en los intercambiadores de calor.

Conclusión

Un ensayo demostró que la dosificación pulsada de hipoclorito mediante el sistema Ecodosing previene el crecimiento de bioincrustación en la red de agua de refrigeración de la refinería sin generar problemas operativos. No obstante, es necesario un monitoreo riguroso del desempeño del sistema para evitar la sobredosificación (que podría afectar permisos) y la subdosificación (que comprometería la eficacia).

Los monitores de bioincrustación Biovision ofrecen información detallada sobre la colonización y las tasas de crecimiento de la bioincrustación. Esta información ha permitido a la refinería reducir el período de aplicación del sistema Ecodosing a un máximo de ocho semanas al año. Durante el resto del año, se aplica una dosificación diaria de cloro de 15 minutos para controlar la microincrustación en las líneas de agua de refrigeración salobre y en los intercambiadores de calor.

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