Defensa de tesi doctoral de Rajashree Yalamanchili “Optimization of osmotic pressure usage for safe water production in the context of combining water reuse and desalination”

L’escassesa d’aigua continua empenyent regions de tot el món a cercar recursos hídrics alternatius, com ara la dessalinització d’aigua de mar i la reutilització d’aigua residual. Si bé la dessalinització per osmosi inversa subministra aigua de manera fiable, continua estant limitada per l’alt consum d’energia específic i els impactes ambientals de l’eliminació de salmorra. Alhora, l’abocament d’aigües residuals tractades és una oportunitat perduda per a la seva reutilització i la recuperació de recursos. En aquest context, es proposa un sistema híbrid d’osmosi directa-osmosi inversa (OD-OI) capaç de diluir l’aigua de mar i pre-concentrar les aigües residuals de manera simultània, tot reduint la intensitat energètica de la dessalinització, i augmentant la recuperació d’aigua i de recursos de les aigües residuals.

Aquesta tesi va demostrar, mitjançant enfocaments de modelització i de disseny, que optimitzant els processos de dilució osmòtica és possible aconseguir una recuperació d’aigües residuals de fins al 90% en processos d’osmosi directa i reduir l’energia de dessalinització d’osmosi inversa per sota d’1 kWh/m³. Un altre resultat rellevant és la viabilitat de processar aigua de mar diluïda en una planta dessalinitzadora existent per a millorar el sistema híbrid OD-OI i augmentar així la producció de permeat fins al 67%. Tot i així, quan es compara energèticament el procés OD-OI amb esquemes independents, la reutilització autònoma de l’aigua continua essent atractiva. Més enllà d’aquestes valuoses troballes, el treball també demostra que la integració de l’osmosi directa com a etapa de concentració prèvia depèn de la comprensió de les condicions hidràuliques, l’orientació del flux, la disposició dels mòduls i les limitacions intrínseques de transferència de massa; factors que determinen la recuperació que es pot assolir i la proximitat a l’equilibri osmòtic. Així, la combinació d’experiments a escala pilot i de modelització va revelar que una configuració multi-modular en forma d’arbre que opera en flux a contracorrent promou una distribució hidràulica més equilibrada i manté la força motriu osmòtica de manera més eficaç que una disposició en sèrie.

Un cop establert el potencial dels sistemes híbrids OD-OI, la tesi de Rajashree Yalamanchili es va centrar en preguntes més àmplies: L’aigua produïda és segura per a la reutilització? I quin és el potencial de recuperació quan les aigües residuals pre-concentrades de l’OD s’integren amb processos biològics com ara la digestió anaeròbica (DA) i les microalgues? Mitjançant models basats en la literatura, el sistema híbrid va mostrar un potencial de recuperació en la OI de fins al 80-82% a diferents condicions de funcionament. A més, el permeat de l’OI compleix amb les directrius per a reg agrícola, tot i que requeriria dur a terme etapes de desinfecció més avançades per complir amb la normativa d’aigua potable i reduir els valors d’eliminació logarítmica d’amoni i patògens. Amb la preconcentració de l’OD, els impactes de la salinitat elevada i l’amoni en els processos biològics posteriors (sistemes de DA i microalgues) necessiten ser validats experimentalment, ja que ambdós paràmetres poden influir en l’estabilitat i la productivitat del procés. Tanmateix, fins i tot quan el sistema s’alimenta amb energia generada a partir de DA, la reutilització d’aigua continua sent una opció de baix consum energètic, tot i que les pèrdues de metà en absència de pre-concentració podrien limitar els guanys energètics nets.

Finalment, la investigadora es va centrar en l’eliminació de contaminants emergents. En un sistema híbrid OD-OI-DA, l’OD aconsegueix un alt rebuig inicia d’aquestes substàncies, però els compostos persistents i recalcitrants s’acumulen a l’efluent de digestió anaeròbica a causa d’una biodegradació limitada. Pel que fa a l’aigua de mar, la dilució osmòtica combinada amb l’alt rebuig de l’OI garanteix un permeat d’alta qualitat sostinguda, amb contaminants residuals confinats a la salmorra. Les variacions operatives afecten principalment els nivells dels contaminants emergents a l’efluent de digestió anaeròbica, mentre que la qualitat del permeat es manté estable. En general, en comparació amb els trens autònoms d’OI i AD-OI, el sistema híbrid OD-OI-DA proporciona les concentracions més baixes de contaminants emergents en el permeat i la salmorra, alhora que concentra la càrrega més alta a l’efluent de la AD, la qual cosa que requereix d’una gestió adequada.

En conjunt, la tesi aporta nous coneixements científico-tècnics sobre la integració de la reutilització i la dessalinització mitjançant sistemes híbrids OD-OI per a una reutilització segura de l’aigua. També identifica paràmetres i processos operatius rellevants que s’haurien d’estudiar en treballs de recerca futurs. Dirigida pel Dr. Gaëtan Blandin i el Dr. Ignasi Rodriguez-Roda, la tesi s’alinea amb la recerca actual sobre tecnologies de membranes per al tractament sostenible d’aigües al grup de recerca LEQUIA de la Universitat de Girona.

Main publications:

(1) Rajashree Yalamanchili et al, Can a forward osmosis-reverse osmosis hybrid system achieve 90 % wastewater recovery and desalination energy below 1 kWh/m³? A design and simulation study, Desalination, 585, 2024, 117767, https://doi.org/10.1016/j.desal.2024.117767.

(2) Rajashree Yalamanchili et al, Single-pass forward osmosis for efficient feed concentration: Optimizing multiple modules arrangement and flow distribution, Desalination, 615, 2025, 119224, https://doi.org/10.1016/j.desal.2025.119224