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Salmuera – Descarga Cero de Líquidos (ZLD) Fundamentos e Ingeniería
H2O H2O H2O SAL
H2O H2O SAL SAL H2O
H2O H2O SAL SAL H2O
Una guía para la conceptualización básica de la ingeniería del proceso de ZLD/MLD y las tecnologías relativas
involucradas
SAL
SAL SAL SAL
SAL SAL SAL
H2O H2O H2O
H2O H2O H2O Sep
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om
Cuando empecé a investigar sobre la Descarga Cero de Líquidos (ZLD por sus siglas en inglés),
encontré que no había guías compactas, en línea, acerca de este proceso. Es así como nació la
idea de crear un documento sobre la ZLD. Esta es una guía aproximada pensada para ayudarlo a
entender las bases y a decidir qué es lo mejor para su caso de Tratamiento de Salmuera.
Nuestro equipo en Lenntech B.V. estará feliz de ayudarlo con los detalles y de encontrar la
mejor opción disponible que disminuya los costos e incremente la eficiencia de su proyecto.
Christos Charisiadis
Ingeniero R&D
christos@lenntech.com
Septiembre de 2018
“Zuinigheid met vlijt” (Ahorro y diligencia). ¡Sé frugal, trabaja duro! Los holandeses defienden
estas dos virtudes sobre todas las cosas.
INDICE
CAPÍTULO 1: Fundamentos de Salmuera 1
1. ¿Qué es Salmuera? 1
2. Salmuera de Desalinización 1
2.1 Cantidad 3
2.2 Calidad 3
2.3 Propiedades Físicas y Químicas de la Salmuera 5
2.3.1 Antiincrustantes 5
CAPÍTULO 2: Métodos Convencionales para el Tratamiento de Salmuera 8
1. Disposición Convencional de Salmuera 8
2. Comparación 10
2.1 Comparación de Costos 10
3. Legislaciones Regulatorias 11
4. Implementación 11
5. Huella Ambiental 12
6. confiabilidad y Limitaciones de operación 12
7. Descarga de Salmuera en Agua Superficial 13
7.1 Impactos Potenciales Medioambientales 15
7.2 Requerimientos Potenciales para el Tratamiento de Salmuera de SWRO 15
7.3 Costos para Descarga en Agua Superficial 16
8. Co-disposición de Salmueral con Efluente de Agua Residual 18
8.1 Impactos Medioambientales Potenciales 18
8.2 Impacto sobre Plantas de Operación de Tratamiento de Agua Residual 18
8.3 Efecto sobre la Reutilización del Agua 19
8.4 Costos para Descarga de Salmuera en Alcantarilla 19
9. Inyección de Salmuera en Pozo Profundo 20
9.1 Impactos Medioambientales Potenciales 21
9.2 Criterios y Métodos para la Evaluación de Factibilidad 22
9.3 Costos para Inyección en Pozos 22
10. Estanques de Evaporación de Salmuera 23
10.1 Impactos Medioambientales Potenciales 23
10.2 Criterios y Métodos para la Evaluación de Factibilidad 24
10.3 Costos para Estanques de Evaporación 24
11. Aplicación de Salmuera en Terrenos 26
11.1 Impactos Medioambientales Potenciales 26
11.1.1 Irrigación 26
11.1.2 Filtración Rápida 27
11.2 Criterios y Métodos para la Evaluación de Factibilidad 27
CAPÍTULO 3: Ingeniería Fundamental ZLD 28
1. ¿Qué es ZLD? 28
2. Controladores 29
3. Aplicaciones 30
4. Factores Determinantes 31
5. Costos de Operación 31
6. Diseño Básico – Bloques ZLD 33
6.1. Preconcentración 33
6.1.1. Electrodiálisis / Electrodiálisis Inversa 34
6.1.2. Ósmosis Forzada 34
6.1.3. Destilación por Membrana 34
6.1.4 La Importancia de la Preconcentración en un Proceso de ZLD 34
6.2 Evaporación y Cristalización 37
7. Electrodiálisis / ED Inversa 38
7.1 EDR Función del Proceso 39
7.2 Ventajas y Desventajas 40
7.3 Aplicaciones Industriales del Proceso 41
8. Ósmosis Forzada 42
8.1 Función del Proceso 43
8.2 Ventajas y Desventajas 45
8.3 Aplicaciones Industriales del Proceso 46
9. Destilación por Contacto Directo con Membrana 47
9.1 Función del Proceso 47
9.2 Ventajas y Desventajas 49
9.3 Aplicaciones Industriales del Proceso 50
10. Evaporadores 51
10.1 Selección del Evaporador Adecuado 51
10.2 Efecto Simple vs Efecto Múltiple 52
10.3 Tipos de Evaporador 54
10.4 Explicación del Proceso 55
10.5 Ahorro de Energía 57
10.5.1 Compresión Mecánica de Vapor 57
11. Cristalizadores 59
11.1 Explicación del Proceso 59
11.2 Sales Altamente Solubles y Evaporador BPR 60
12. Descarga Mínima de Líquidos (MLD) 61
12.1 ZLD vs MLD 61
12.2 ¿Por qué MLD? 62
12.3 Impactos Medioambientales & Costos Reducidos 64
12.4 Evaluando las Necesidades del MLD 64
CAPÍTULO 4: Opciones de Recuperación de Salmuera ZLD 66
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1. ¿Qué es la Salmuera?
La Salmuera en un término amplio es una solución líquida con temperatura y salinidad
incrementada que se produce a partir de la minería y muchos procesos industrializados.
Entre las fuentes de salmuera están:
1) Desalinización
2) Procesos de minería
3) Solución de extracción de cúpulas de sal para el almacenamiento de hidrocarburos
2. Salmuera de Desalinización
La salmuera de desalinización es una corriente líquida de subproducto derivada del proceso de
desalinización, la cual contiene mayores concentraciones de la mayoría de sólidos disueltos en
el alimento y algunos de los aditivos del pretratamiento (cantidades residuales de coagulantes,
floculantes y antiincrustantes), contaminantes microbianos y algunas partículas rechazadas por
las membranas de Ósmosis Inversa (RO).
La demanda en el suministro de agua industrial y potable, con buena calidad, ha aumentado
durante la última década. Con la disminución de las fuentes de agua fresca, el incremento de la
población y los nuevos avances hechos en la tecnología de desalinización, los proveedores de
agua han recurrido al tratamiento de agua salobre (BW) y agua de mar (SW) para atender todas
las demandas.
CAPÍTULO 1: Salmuera Fundamentos
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Para el 2007, el total de agua producida alrededor del mundo había crecido hasta 47.6 m3/d y
para 2015 ya era el doble, con 97.5 m3/d. El 45% de esta producción se desarrolló en el medio
oriente. El 70% de la desalinización en plantas después del 2000 son procesos de membrana,
los cuales usan Ósmosis Inversa para el 63% del total de las operaciones. El 23% son Multi Etapa
Flash (MSF); el 8%, Destilación Multi Efecto (MED), y el resto son Electrodiálisis
(ED)/Electrodiálisis Inversa (EDR) e híbridos. La RO de agua de mar (SWRO por sus siglas en
inglés) puede reunir concentraciones de sal de 1.3 a 1.7 veces mayores, y la MSF de 1.1 a 1.5
veces. Estos procesos generan el agua de producto y un líquido residual con alta concentración
de cloruro de sodio (NaCl) y otras sales disueltas, el cual es llamado Salmuera.
Fig.1. Industria de Desalinización por tecnología, usos y costo de componentes (se relaciona un costo de electricidad de $0.05/kWh y un
precio de petróleo de $60/bbl). Desalinización y sostenibilidad – una apreciativa y actual perspectiva, Veera Gnaneswar Gude, Water
Research 89 (2016).
“Salmuera” es un término muy flexible en la industria del agua, pero aquí lo usaremos para
salinidades entre 65,000-85,000 ppm (mg/L) del Total de Sólidos Disueltos (TDS) que no pueden ser
tratados por el proceso de desalinización convencional como RO (límite de presión osmótica RO
70,000 ppm). La disposición de la salmuera puede resultar ser muy problemática ya que 1)
Incrementa la salinidad de los cuerpos de agua receptores, 2) Impacta la vida marina local, 3)
Puede contener químicos de pretratamiento y limpieza de membrana, 4) contiene metales de
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la corrosión del sistema (Cu, Fe, Ni, Mo, Cr), 5) crea problemas estéticos (coloración), 6)
Impacta los acuíferos que estén cerca de fugas en las tuberías de salmuera, 7) Crea daños
permanentes debido a la descarga de trabajos de infraestructura.
La salmuera es depuesta, ya sea directamente, o minimizada antes de la deposición. Sin
embargo, debido al incremento de legislaciones gubernamentales estrictas, los métodos
convencionales de administración de salmuera como la descarga de agua superficial/profunda,
la inyección en pozos profundos o la descarga para plantas de tratamiento de agua residual, no
podrán ser opciones factibles en un futuro cercano.
2.1 Cantidad
La cantidad de salmuera depende de la capacidad de producción de las plantas de
desalinización y su tasa de recuperación, la cual es expresada como el porcentaje (%) del
volumen de agua fresca producido del volumen total del agua de la fuente salina. La Ósmosis
Inversa de Agua Salobre (BWRO en inglés) usualmente tiene recuperación del 70 al 90% y la
Ósmosis Inversa de Agua de Mar (SWRO) típicamente 40 a 55%. Una mayor recuperación
genera volúmenes de concentrado más pequeños (mayor salinidad) y viceversa. El volumen de
salmuera producido por la planta de destilación puede ser calculado así:
Vb = Vp x (1-R)/R (1)
Donde,
Vp = Volumen de permeado
Vb = Volumen de salmuera
R = Tasa de recuperación del sistema (%)
2.2 Calidad
La calidad de la salmuera depende de:
1. La composición de la alimentación y su salinidad
2. El rechazo de sal de las membranas de desalinización
3. La recuperación total
El factor de concentración para BWRO típicamente es 4 a 10 mientras que para SWRO
usualmente es 1.5 a 2.0 veces. El TDS (TDSb) de salmuera depende de la alimentación y las
concentraciones de TDS de permeado (TDSf y TDSp) y la recuperación de la planta (Y).
TDSb = TDSf x 1/(1-R) x (RxTDSp)/(100x(1-Y)) (2)
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La concentración puede ser calculada así:
CF (%) = 1/(1-R) (3)
Si se conoce el paso de sal (SP) de la membrana, la CF se puede calcular así:
CF (%) = [1 – (R x SP)]/(1-R) (4)
Donde
SP (%) = 1 - % rechazo de sal = permeado TDS (TDSp)/alimento TDS (TDSf) (5)
La sal CF es principalmente limitada por el incremento de presión osmótica de la salmuera
(πsalmuera). Para SWRO, este límite es ca. 65,000 a 85,000 mg/L. La recuperación óptima para
un sistema de paso simple de SWRO es 40 a 45% y el CF se mueve en un rango de 1.5 a 1.8.
Para comparar, las plantas de BWRO típicamente tienen recuperaciones de 70 a 90% y factores
de concentración de 4 a 10.
Dependiendo de la calidad de la alimentación podemos usar las pautas para predecir la calidad
de salmuera:
1. El pH de salmuera es mayor que la alimentación porque tiene mayor alcalinidad
2. Las membranas de RO rechazan metales pesados en una relación similar, como calcio y
magnesio
3. La mayoría de los orgánicos son rechazados en ≥ 95% (excepto para aquellos con bajo
peso molecular (MW))
4. La salmuera de agua subterránea (GW), BWRO puede ser anaeróbica y puede contener
sulfato de hidrógeno (H2S)
Si el pretratamiento está incluido en el proceso de desalinización, el agua de alimentación de
RO habrá reducido los niveles de ciertos constituyentes como metales disueltos,
microorganismos y partículas, pero también incrementado ligeramente la concentración de
iones inorgánicos como sulfato, cloruro y hierro si se usan coagulantes. La salmuera también
puede contener residuos orgánicos de fuentes de agua condicionada con polímeros y
antiincrustantes.
La salmuera generada tiene baja turbiedad (usualmente <2 NTU), un total de sólidos
suspendidos (TSS) y una demanda bioquímica de oxígeno (BOD) (típicamente <5 mg/L) bajos,
porque la mayoría de las partículas son contenidas en la alimentación debido a su remoción en
el pretratamiento. Pero si las corrientes laterales en el pretratamiento de la planta son
mezcladas y descargadas con la salmuera, la mezcla puede tener un incremento de la
turbiedad, TSS y ocasionalmente BOD. Los ácidos y los inhibidores de incrustaciones adheridos
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al agua de alimentación son rechazados por la membrana de SWRO afectando también el
mineral contenido y la calidad de la salmuera. Los niveles del inhibidor de incrustaciones en el
concentrado son usualmente < 20 mg/L.
2.3 Propiedades Físicas y Químicas de la salmuera
La tasa de conversión de los procesos de RO (fig.2) está entre 20 y 55%.
Fig.2, Esquema de los aditivos químicos en el proceso de RO.
2.3.1 Antiincrustantes
Las especies de incrustación en plantas de RO son principalmente carbonato de calcio, sulfato
de calcio y sulfato de bario. Con el fin de aplicar control sobre las incrustaciones, se usan el
tratamiento con ácido y la dosificación de antiincrustantes. En RO era más comúnmente usado
el ácido sulfúrico, pero el uso de antiincrustantes, tales como polifosfatos, fosfonatos o ácidos
policarbónicos se ha vuelto muy común debido a los efectos negativos del tratamiento de ácido
inorgánico.
Tabla 1. Propiedades físicas y químicas de la salmuera de desalinización de agua de mar y los impactos potenciales ecológicos y en el medio
ambiente de su disposición.
Plantas de RO Plantas MSF Impactos Ecológicos y Medio
Ambientales
Propiedades físicas
Salinidad y Temperatura
65,000-85,000 mg/L a
temperatura ambiente del agua
de mar
Cerca de 50,000 mg/L, ± 5-15 oC por
encima de la temperatura ambiente
del agua de mar
Puede ser nocivo; reduce la
vitalidad y la biodiversidad en
una mayor medida; inofensivo
después de una buena
disolución
Antiincrustantes; Ácidos Policarbónicos
Salmuera ↑↑Sales, Cloro, Antiincrustantes
Post
Tratamiento RO
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Densidad de la Pluma Negativamente flotante
Positive, neutral o negativamente
flotante dependiendo del proceso,
mezcla con agua refrigerada desde
las plantas de energía instaladas y
estratificación de la densidad
ambiental
Puede ser nocivo; puede tener
impacto local en la
biodiversidad
Oxígeno disuelto (DO)
Si se usa well intakes: tipicamente
debajo del DO ambiente de agua
de mar debido al bajo contenido
de DO de la fuente de agua si se
usa open intakes:
aproximadamente la misma
concentración de Do del agua de
mar ambiente
Podría estar debajo del DO de agua
de mar ambiente debido a la
desaireación física y el uso de
carroñeros de oxígeno
/
Aditivos para control de bioincrustaciones y subproductos
Cloro
si el cloro u otros oxidantes son
usados para el control de
incrustaciones, estas son
típicamente neutralizadas antes
de que el agua entre a las
membranas para prevenir el daño
de la membrana
Aprox. 10-25% de la dosificación de
agua de alimento de fuente, si no
está neutralizado
Muy tóxico para muchos
organismos en la zona de
mezclado, pero rápidamente
degradado, THM - RO - MSF
Orgánicos halogenados Tipicamente bajo contenido por
debajo de niveles dañinos
Variación de composición y
concentraciones, típicamente
trihalometanos
Efectos cancerígenos; posibles
efectos crónicos, más
persistencia, dispersar con
corriente, la principal ruta de
pérdida es a través de la
evaporación
Remoción de sólidos suspendidos
Coagulantes (ej. hierro-III-
cloruro)
Puede estar presente si la fuente
de agua es condicionada y el filtro
de agua salobre no es tratado.
Puede causar coloración en el
efluente si no es ecualizado antes
de la descarga
Not present (treatment not
required)
Non-toxic; increased local
turbidity /may disturb
Photosynthesis; possible
acumulación de sedimentos
Ácidos coagulantes (ej.
poliacrilamida)
Puede estar presente si la fuente
de agua es condicionada y el filtro
de agua salobre no es tratado
No presenta (tratamiento no
requerido) /
Aditivos de control de incrustaciones
Ácidos antiincrustantes
(H2SO4)
No presenta (reacciona con agua
de mar para causar compuestos
inofensivos, i.e. agua y sulfatos; la
acidez es consumida por la
alcalinidad natural del agua de
mar, así que la descarga de pH es
típicamente similar o ligeramente
menor que la del agua de mar a
ambiente). Típicamente menor
Típicamente menor contenido bajo
niveles tóxicos (reacciona con agua
de mar para causar compuestos
inofensivos, i.e. agua y sulfatos; la
acidez es consumida por la
alcalinidad natural del agua de mar,
así que la descarga de pH es
típicamente similar o ligeramente
menor que la del agua de mar a
Pobre o moderada
degradabilidad + cargas totales
altas →acumulación, efectos
crónicos, efectos laterales
desconocidos
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contenido bajo niveles tóxicos ambiente)
Aditivos de control de espuma
Agentes antiespumantes (e.j.
poliglicol)
No presenta (no requiere
tratamiento)
Típicamente menor contenido bajo
niveles dañinos
No tóxico en niveles de
concentración; buena
degradabilidad
Contaminantes debido a corrosión
Metales pesados
Puede contener niveles elevados
de hierro, cromo, níquel,
molibdeno si se usa baja calidad
de acero inoxidable
Puede contener concentraciones
elevadas de cobre y níquel si se
usan materiales inapropiados para
los intercambiadores de calor
Cobre- MSF (15-100 mg/L)-
toxicidad aguda para muchas
especies; alto riesgo de
acumulación y efectos a largo
plazo; bioacumulación
Solo rastreo de metales;
compuestos de agua de mar
parcialmente naturales; sin
toxicidad o efectos a largo
plazo (excepto, quizás, para Ni
en MSF)
Cleaning chemicals
Químicos de limpieza
Alcalino (pH 11-12) o ácido (pH 2-
3) soluciones con aditivos tales
como: detergentes (ej.
dodecilsulfato), agentes
complejos (ej. EDTA), oxidantes
(ej. perborato de sodio), biocidas
(ej. formaldehido)
Solución ácida (pH 2) que contiene
inhibidores de corrosión tales como
derivados del Benzotriazol
Soluciones alcalina de limpieza
o altamente ácidas que pueden
causar toxicidad sin
neutralización, desinfectantes
altamente tóxicos a muy bajas
concentraciones, detergentes
moderadamente tóxicos;
agentes complejos muy
pobremente degradables
Soluciones de limpieza MSF -
bajo pH, inhibidores de
corrosión – soluciones de
limpieza altamente ácidas sin
neutralizar la toxicidad baja;
pobre degradabilidad
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1. Disposición Convencional de Salmuera
Las cinco opciones convencionales para administrar la salmuera en los Estados Unidos (Tabla 2
& Fig.3):
1. Descarga de agua superficial (45%)
2. Disposición en alcantarilla (27%)
3. Inyección en pozo profundo (13%)
4. Aplicaciones de la tierra (8%)
5. Estanques de evaporación (4%)
CHAPTER 2:
Métodos Convencionales de Disposición de Salmuera
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Table 2. Métodos más comunes de disposición de salmuera en los Estados Unidos
Método de Disposición
de Salmuera
Principio y Descripción % de la
Capacidad Total
Inyección en pozo
profundo
La salmuera es inyectada dentro de los poros superficiales de las formaciones rocosas 13
Aplicaciones de la tierra La salmuera es utilizada para irrigación de cosechas y pastos tolerantes a la sal 8
Estanques de
evaporación
La salmuera es admitida para evaporarse en estanques mientras que las sales sobrantes se
acumulan en la base del estanque
4
Descarga en alcantarilla Descarga de salmuera dentro de un sistema de colección de agua residuales existente.
Bajo en costo y energía
27
Descarga en agua de
mar; superficial
La salmuera es descargada en la superficie del agua de mar. El método más común para
todas las grandes instalaciones de desalinización alrededor del mundo
45
Descarga en agua de
mar; sumergida
La salmuera es descargada lejos de la costa a través de difusores de puertos múltiples
instalados en el fondo del mar
Fig.3, Métodos más comunes para disposición de salmuera en los Estados Unidos
La descarga en agua superficial es la alternativa más común porque puede ser aplicada a todos
los tamaños de plantas de desalinización. La disposición en alcantarillas es el método
mayormente aplicado para descarga de pequeñas plantas de desalinización. La inyección en
pozos profundos es la aplicación más adecuada para plantas de BW tierra adentro, medianas y
grandes. La aplicación en la tierra y los estanques de evaporación son aplicados usualmente
para plantas pequeñas y medianas donde el clima y las condiciones del suelo proporcionan
altas tasas de evaporación y la vegetación y cosecha de halófitas crece todo el año.
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2. Comparación
Las ventajas y desventajas principales de la mayoría de las opciones comunes para
administración de salmuera se presentan en la Tabla 4.
Table 4, Comparación de Métodos de Administración de Salmuera
Método de
Administración de
Salmuera
Ventajas Desventajas
Descarga de agua
superficial 1. Puede ser usada para todos los tamaños
de plantas
2. Costos efectiva para tasas de flujo de
salmuera de mediano a grande
1. La salmuera puede tener impacto negativo
en el ecosistema acuático
2. Dificultad y complejidad en los
procedimientos de permiso
Descarga en alcantarilla 1. Bajos costos de operación y
construcción
2. Fácil implementación
3. Bajo consumo de energía
1. Flujo de salmuera limitado a pequeño
2. Potenciales efectos adversos en
operaciones WWTP
Inyección en pozo
profundo 1. Adecuado para plantas de desalinización
en el interior
2. Costos moderados
3. Bajo consumo de energía
1. Posible únicamente si está disponible el
acuífero salino confinado profundo
2. Potencial contaminación de agua
subterránea
Estanques de
evaporación 1. Fácil de construir y operar
2. Uso en el interior y en la costa
1. Flujo de salmuera limitado a pequeño
2. Alto costo y huella ambiental
Aplicación en terrenos
1. Fácil de implementar y operar
2. Uso en el interior y en la costa
1. Alto costo y huella ambiental
2. Plantas limitadas y pequeñas
2.1 Comparación de costos
La Tabla 5, presenta los costos de construcción para 40,000 m3/día de BWRO y las plantas de
desalinización de SWRO a 80% de recuperación – 10,000 m3/día de salmuera y 45% de
recuperación – 48,900 m3/día de salmuera respectivamente.
Table 5, Costos de construcción para métodos de disposición de salmuera de una planta de desalinización teórica de 40,000 m3/día
Método de Disposición de Salmuera BWRO ($ mm) SWRO ($ mm)
Descarga de agua superficial 2-10 6.5-30
Descarga en alcantarilla 0.5-2 1.5-6
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Inyección en pozo profundo 4-8 15-25
Estanque de evaporación 30-50 140-180
Irrigación por rociado 8-10 30-40
Fig. 4, Comparación de costos en los métodos de
disposición de salmuera
3. Legislaciones Regulatorias
La descarga de salmuera en alcantarilla (limitados a pequeños flujos de salmuera) o aguas
superficiales (mar, océano o río) típicamente están mejor implicadas en las legislaciones debido
a su uso común. Usualmente es más fácil conseguir los permisos para los estanques de
evaporación protegidos con un sistema de monitoreo de fugas que para la aplicación en la
tierra (disposición RIB e irrigación por rociado) porque protege más los acuíferos locales
4. Implementación
La duración de la construcción de algunos sistemas de disposición de salmuera, como por
ejemplo grandes desembocaduras al océano con estructuras difusoras complejas es, a menudo,
la misma que el tiempo de construcción de la planta de desalinización en sí, e involucra
prolongados estudios medioambientales y revisión de regulaciones. Además, la RIB y la
inyección en pozo profundo involucran estudios detallados y a menudo por periodos de seis
meses a un año sobre idoneidad y restricciones. La descarga en alcantarillas sanitarias es
Tasa de Flujo de Salmuera
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frecuentemente la forma más fácil para implementar una alternativa de gestión de
concentrados.
5. Huella Ambiental
Los sitios más pequeños generalmente pertenecen a descargas en alcantarillado y los
estanques de evaporación usualmente tienen requerimientos de sitios más grandes.
6. Confiabilidad y Limitaciones Operacionales
La inyección en pozos profundos no es adecuada en zonas sísmicas y requiere la disponibilidad
de acuíferos profundos y de salinidad altamente confinada. La inyección en pozos necesita una
inspección y mantenimiento periódico, que requieren ya sea una alternativa de apoyo
disponible o la instalación de pozos de respaldo.
Los pozos de playa superficiales no son adecuados cuando su localización tiene una alta
erosión.
Las opciones de administración de salmuera como evaporación en estanques o aplicación en
terrenos pueden ser estacionales en la naturaleza, y en ese caso se necesita una alternativa de
respaldo para mejorar su confiabilidad.
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7. Descarga de Salmuera en Agua Superficial
Fig. 5, La salmuera es descargada en la superficie del mar o fuera de la costa a través de difusores multipuerto instalados en el fondo del
mar.
Descarga de salmuera en agua superficial a cuerpos abiertos, tales como,
Una bahía
Un lago de marea
Un canal salobre
Un océano
Los métodos más usados para descargar
salmuera a cuerpos de agua superficiales
son,
1) Descarga de superficies directa cerca
o lejos de la costa
2) Descarga a la planta de tratamiento
de aguas residuales
La descarga de salmuera en agua superficial y el resto de las corrientes residuales de plantas de
desalinización (cerca o lejos de la costa) son aplicadas principalmente por proyectos de
desalinización de agua de mar (SW por sus siglas en inglés) de todos los tamaños. Más del 90%
Ventajas (+) Desventajas (-)
Pueden ser utilizados
por todos los tamaños
de plantas
Impactos negativos a
ecosistemas acuáticos
Costo efectiva para
medianas a grandes
tasas de flujo de
salmuera
Dificultad y
complejidad para la
solicitud de permisos
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de las grandes plantas de desalinización
alrededor del mundo se deshacen de su
salmuera de esta manera, como por ejemplo
la planta de SWRO en Hereda, Israel, con
462,000 m3/día; la planta de desalinización de
SW Tuas en Singapur con 136,000 m3/día; la
instalación de desalinización Larnaka en Chipre
con 64,000 m3/día, y la mayoría de grandes
plantas de Ósmosis Inversa de Agua de Mar
(SWRO por sus siglas en inglés) en España,
Australia y el Medio Oriente.
Las desembocaduras de salmuera son
diseñadas para descargar en concentrado, así como para minimizar el tamaño de la zona en la
cual la salinidad es elevada más allá de la tolerancia TDS del ecosistema acuático.
Esto es llevado a cabo acelerando la mezcla de salmuera con el agua del cuerpo de agua
receptora por:
1) La capacidad de mezcla de la zona local de marea (oleaje)
2) Descargar la salmuera más allá de la zona local de marea e instalar difusores al final de
la tubería de descarga con el fin de mejorar la mezcla
Las zonas de marea cerca a la costa usualmente tienen capacidad limitada de transportar y
disipar la alta carga de salinidad. Si la carga de sal excede la capacidad de transporte de las
zonas de marea, el exceso de sales se acumulará, resultando en un incremento de salinidad a
largo tiempo usualmente superior al nivel de la capacidad del ecosistema acuático. La mezcla
de salinidad/capacidad de transporte de las zonas de marea puede ser determinada usando
modelación hidrodinámica.
Para pequeñas plantas de desalinización (≤1,000 m3/día), el desagüe es típicamente construido
como una tubería abierta que se extiende por varios cientos de metros en el cuerpo de agua
receptora, confiando en la turbulencia de la mezcla de la zona de marea para disipar la
salmuera y reducir la salinidad a condiciones ambiente. Las plantas de desalinización de agua de
mar más grandes usualmente extienden su descarga de salmuera más allá de la zona de marea
y equipan sus tuberías con difusores con el fin de proporcionar la mezcla necesaria que
prevendrá que la pluma de salinidad pesada se acumule en el fondo del océano, tomando en
consideración la hidrodinámica de las condiciones específicas del sitio.
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7.1 Impactos Medioambientales Potenciales
Los principales aspectos para tener en cuenta para la ubicación apropiada de un sistema de
descarga de salmuera son,
1) Encontrar un área sin especies en peligro de extinción ni ecosistemas acuáticos
estresados
2) Encontrar una ubicación con fuertes corrientes subterráneas que permitan la disipación
rápida y eficiente de las descargas de alta salinidad
3) Evitar áreas con tráfico de navíos que podrían dañar el sistema de descarga de salmuera
y alterar los patrones de mezcla
4) Identificar una ubicación para descarga en aguas relativamente poco profundas y cerca
de la costa para minimizar los costos de construcción
Los aspectos clave relacionados con el medio ambiente, asociados con la disposición de
salmuera en aguas superficiales incluyen,
1) Tolerancia a la salinidad del ecosistema acuático local
2) Aumento de la concentración de algunos constituyentes del agua a niveles perjudiciales
3) Descoloración y bajo contenido de oxígeno
La evaluación de factibilidad de una disposición de salmuera a un cuerpo de agua superficial
incluye los siguientes aspectos clave,
1) Valorar la dispersión y recirculación de la pluma de descarga
2) Evaluar la toxicidad de descarga
3) Revisar que la calidad del agua de descarga reúna los estándares de calidad del agua
relativos a las agencias regulatorias
4) Valorar la capacidad de salinidad de los ecosistemas acuáticos locales con el fin de
diseñar la descarga dentro de una distancia mínima
7.2 3. Requerimientos Potenciales para el Tratamiento de Salmuera de SWRO
Típicamente la salmuera de desalinización de agua de mar de las tomas de mar abierto no
requieren tratamiento previo a la descarga. Debido al hecho de que su composición iónica es
similar a la del área oceánica de descarga y por lo tanto no suele poseer una amenaza de
desequilibrio iónico en el ecosistema local. La salmuera entonces es descargada usando un
sistema difusor o es mezclada con fuente de agua de mar hasta un nivel de salinidad que sea
seguro para la descarga directa (usualmente ≤40,000 mg/L) sin necesidad de una mayor
difusión.
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Sin embargo, si usamos un pozo para recolectar agua de mar para alimentación, el concentrado
de desalinización puede ser descolorado debido a una concentración incrementada de hierro,
tiene una baja concentración de oxígeno o contiene constituyentes que generan la necesidad
de un tratamiento previo a la descarga en el océano.
El agua de alimentación recolectada de acuíferos costeros aluviales por los pozos de playa
puede contener altos niveles de hierro (Fe) y manganeso (Mn) en forma reducida. En
pretratamiento de RO la alimentación es mantenida sin exposición a aire u oxígeno, lo cual
mantiene el Fey el Mn en forma disuelta reducida en la cual son incoloros. Las membranas de
RO rechazan fácilmente los iones disueltos y son retenidos en la salmuera de desalinización. Si
este concentrado es expuesto al aire, el hierro pasará de la forma reducida (típicamente sulfuro
de hierro, Fe2S3) a forma oxidada (hidróxido férrico, FeO (OH)). FeO (OH) tiene color rojo y
puede degradar la apariencia visual del área de descarga. Entonces, el Fe en el agua de
alimentación en forma reducida necesita ser oxidado y removido en el sistema de
pretratamiento o la salmuera necesitará ser tratada por sedimentación para eliminar el FeO
(OH).
Además, una descarga grande de salmuera con bajo Oxígeno Disuelto (DO) puede causar
agotamiento y estrés al ecosistema acuático local. En tal caso, la salmuera debe volver a
airearse.
7.3 4. Costos de la Descarga en Agua Superficial
Los costos para la construcción de la descarga de salmuera en agua superficial son una función
de los siguientes factores específicos del sitio,
1) Tasa del flujo de descarga de salmuera
2) Descarga cerca o lejos de la costa
3) Materiales de construcción
4) Complejidad del sistema difusor de descarga
5) Costos del transporte de la salmuera desde la planta de desalinización al desagüe de la
descarga en agua superficial
6) Costos del tratamiento de salmuera (si es necesario)
7) Monitoreo medioambiental de la descarga
También debemos tener en consideración los costos de instalación de la tubería de desagüe por
encima o por debajo de suelo, la cual tendrá un efecto en los costos generales. Las condiciones
inusuales del suelo pueden aumentar significativamente los costos de la instalación del sistema
de tubería. El zanjeo submarino es usualmente 3 a 5 veces más costoso que la excavación de
zanja en suelo seco. Así que, en vez de instalar el desagüe en una zanja, a menudo se establece
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en el fondo del océano asegurado con bloques de concreto a cada 5 o 10 m a lo largo de toda la
longitud del desagüe.
Los costos por conducción de concentrado son proporcionales a la tasa de flujo de salmuera y la
distancia entre la planta de desalinización y el desagüe de descarga. Los costos de la
construcción del desagüe, el tamaño de este y la configuración del sistema difusor (el cual es
afectado por 1) volumen de salmuera, 2) salinidad y 3) condiciones hidrodinámicas) son
específicos del sitio.
En la figura 6 se presenta una estimación de los costos de construcción para descargas en el
océano cerca o lejos de la costa en función de la tasa de flujo de salmuera. La figura 7
representa el costo unitario de construcción de línea de tubería HDPE y los desagües del túnel
de concentrado en US$/metro lineal de la longitud del desagüe sin incorporar los costos de la
conducción de la salmuera desde la planta de desalinización a la estructura del desagüe, para
tratamiento de salmuera (si es necesario) o para monitoreo de la descarga fuera de la costa.
Costos de monitoreo medioambiental pueden ser significativos, especialmente si la descarga es
en un área sensible medioambientalmente.
Fig.6, Costos de construcción para descarga de
salmuera cerca de la costa
Fig.7, Costos de descarga de salmuera
cerca de la costa
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Típicamente las descargas cerca de la costa son la opción menos costosa. Un desagüe HDPE de
la misma medida es <30% más costoso y un túnel es incluso más costoso.
8. Co-Disposición de Salmuera con Efluente de Aguas Residuales
Fig. 8, Descarga de salmuera en un sistema colector de residuos existente
La descarga de salmuera al sistema de
aguas residuales más cercano es
únicamente adecuada para pequeños
volúmenes en WWTP de grandes
capacidades, debido al potencial impacto
ambiental de los altos TDS de la salmuera
en las operaciones WWTP. En la mayoría
de los países la descarga de salmuera en
un WWTP es regulada por
requerimientos aplicables para descargas
industriales de la autoridad responsable.
8.1 1. Impactos Potenciales en el Medio Ambiente
La descarga de una planta de desalinización a una alcantarilla sanitaria podría tener
potencialmente impactos medioambientales similares a los de Co-descarga de concentrado y
efluente WWTP.
8.2 2. Impacto en Operaciones de Plantas de Tratamiento de Agua Residual
Este método de disposición de salmuera es limitado por la capacidad hidráulica del sistema
colector WW y la capacidad de los procesos WWTP.
Ventajas (+) Desventajas (-)
Bajos costos de
operación y
construcción
Tamaño de flujos
limitado a pequeño
Fácil implementación
Efectos potenciales
adversos para
operaciones WWTP
Bajo consume de
energía /
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Un proceso de tratamiento
biológico WWTP es restringido
usualmente por alta salinidad
(TDS > 3000 mg/L). entonces, la
tolerancia a la salinidad de WWTP
debe ser juzgada antes de
descargar la salmuera de la planta
de desalinización a la alcantarilla.
Contabilizando que el TDS
afluente sea ≥ 1000 mg / L en
muchas instalaciones ubicadas junto a la costa oceánica, y que el TDS de salmuera de SWRO es
≥ 65,000 mg/L, la capacidad de WWTP tiene que ser 30 a 35 veces mayor que el volumen diario
de descarga de salmuera para mantener la concentración de TDS afluente <3000 mg/L.
8.3 Efectos de la Reutilización del Agua
Si hay una utilización del efluente de WWTP, la ingesta de salmuera es limitada por,
1) Su salinidad
2) Las concentraciones de Sodio, Cloro y Boro
Estos constituyentes podrían impactar severamente la reutilización del efluente de WWTP,
especialmente si es usado para irrigación, debido al proceso de tratamiento de un típico WWTP sin
remover una cantidad de estos contaminantes. A pesar de que hay cultivos y plantas que tienen >1,000
mg/L TDS de tolerancia, la mayoría de plantas no pueden tolerar los niveles de cloro > 250 mg/L. Los
efluentes típicos de WWTP tienen niveles de cloro ≤ 150 mg/L, mientras que la salmuera de SW podría
tener > 40,000 mg/L.
8.4 Costos por Descarga de Salmuera a Alcantarillado
La descarga de salmuera a alcantarillado es el método de disposición de salmuera típicamente menos
costoso, especialmente si ya existe un sistema colector de aguas residuales disponible alrededor de la
ubicación de la planta de desalinización y la WWTP puede gestionar el consumo de salmuera.
Las condiciones y por lo tanto los costos son específicos al sitio, y los costos principales son del
transporte de descarga (estación de bombeo y tubería) y de las tarifas por la conexión al alcantarillado
para el tratamiento/disposición (puede variar de muy bajo a varios órdenes de magnitud, mayor que los
costos del transporte).
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9. Inyección de Salmuera en Pozo Profundo
Fig. 9, Se inyecta salmuera en formaciones rocosas subsuperficiales
Aquí, la salmuera de desalinización de cada
tamaño de planta es inyectada en un adecuado
acuífero subterráneo profundo (500 a 1500 m)
que está separado de los acuíferos de agua fresca
o BW de encima.
Los pozos para disposición de salmuera se
componen típicamente de tres o más capas
concéntricas de tubería: revestidor superficial,
revestidor largo de cadena y tubería de inyección.
Una inyección en pozo profundo se compone de
la cabeza del pozo (equipada con bomba, si es
necesario) y un eje de pozo revestido protegido por múltiples capas de revestimiento y lechada.
Los sistemas de pozos de playa de exfiltración superficial también podrían ser usados. La
disposición en pozos de playa descarga la salmuera en un acuífero costero no confinado
relativamente superficial que finalmente transporta la salmuera en el mar abierto a través de
los sedimentos del fondo. Las descargas en pozos de playa son principalmente usadas para
plantas de desalinización de SW de tamaños pequeños a medianos.
Advantages (+) Disadvantages (-)
Suitable for inland
plants
Only if confined saline
aquifer available
Moderate Costs Potential groundwater
contamination
Low Energy
Consumption /
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9.1 Impactos Medioambientales Potenciales
Durante los 20 años de experiencia en disposición de salmuera con el método de inyección en
pozos profundos en los Estados Unidos, se ha probado que es confiable y tiene una baja
probabilidad de efectos negativos en el medio ambiente. No obstante, durante la planificación
de su implementación, deberíamos poner atención a los siguientes factores que podrían
permitir la migración ascendente de la salmuera y la posible contaminación de acuíferos
superficiales,
1) La corrosión o presión excesiva de la alimentación podría generar una falla en el
revestimiento del pozo de inyección y fugas de la salmuera a través del agujero del
pozo.
2) La propagación vertical de la salmuera hacia afuera del revestimiento del pozo al
acuífero superficial.
3) Si el lecho de confinamiento superpuesto tiene alta permeabilidad, canales de solución,
uniones, fallas o fracturas, tendremos migración vertical de salmuera.
4) Los pozos cercanos que son cementados o atascados inapropiadamente o tienen un
revestimiento inadecuado podrían crear un camino para la salmuera inyectada.
Durante la operación del pozo hay
un continuo monitoreo del flujo de
salmuera y la presión del manantial.
El incremento de la presión durante
la operación estable podría indicar
posibles atascamientos, mientras
que una repentina disminución en
la presión es un indicativo de fugas
dentro del revestimiento, lechada o
sello. También debemos
asegurarnos testeando
mensualmente que el pozo no se
esté fugando en suelos
subterráneos o fuentes de agua. Deben evitarse taponamientos, contaminación y grandes
variaciones en los niveles de presión y flujo de salmuera. El taponamiento puede darse debido
al crecimiento bacteriano, la precipitación de sólidos suspendidos o aire arrastrado.
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9.2 Criterios y Métodos para la Evaluación de la Viabilidad
Con el fin de aplicar un sistema de inyección en pozo profundo para disposición de salmuera,
debemos tener acuíferos confinados de gran capacidad de almacenamiento con buena
transmisividad del suelo. Debemos evitar áreas de alta actividad sísmica o sitios cercanos a
fallas geológicas que puedan resultar en una conexión hidráulica directa entre el
almacenamiento y un acuífero de agua fresca.
Usualmente serán necesarios permisos para la transmisividad del acuífero almacenado y TDS, la
presencia de un aislamiento estructural y la capa de confinamiento en la recepción del acuífero,
y la presencia de superposiciones con < 10,000 mg/L TDS.
9.3 Costos de Inyección en Pozos
Los costos de inyección en pozo profundo están principalmente influenciados por la
profundidad del pozo, el diámetro de la tubería y los anillos de la carcasa. La siguiente tabla da
un aproximado de los costos de construcción para la inyección profunda en pozos en función
del flujo de descarga de salmuera (m3/d) y la profundidad (m).
Table 6, Costos de profundidad de disposición a través de inyección en pozos profundos
Diámetro del
Pozo (m)
Capacidad Típica de
Descarga (m3/d)
Costos de Construcción ($) en Función de la Tasa del
Flujo de Salmuera, Q (m3/d) y la Profundidad del
Pozo, H (m)
100 1,000-2,000 165 x Q + 310 x H + 100,000
200 4,500-6,500 180 x Q + 1,250 x H + 160,000
300 10,000-15,000 165 x Q + 2,000 x H + 290,000
400 15,000-30,000 160 x Q + 2,800 x H + 330,000
500 30,000-50,000 150 x Q + 4,500 x H + 370,000
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10. Estanques de Evaporación de Salmuera
Fig. 10, La salmuera es dejada en estanques para evaporarse mientras que las sales restantes se acumulan en la base del estanque
Los estanques de evaporación son
cuencas de tierra superficiales y
revestidas en las cuales el concentrado
se evapora naturalmente como resultado
de la irradiación solar. Así como el agua
fresca se evapora desde los estanques
los minerales en el concentrado son
precipitados en cristales de sal, los cuales
son cosechados periódicamente y
dispuestos en otro lugar. Los estanques de sal pueden ser clasificados como,
1) Convencional
2) Gradiente de Salinidad Solar
Los estanques de evaporación convencionales son diseñados solamente para disposición de
salmuera, mientras que los estanques solares generan electricidad a partir de la energía solar.
10.1 Impactos Medioambientales Potenciales
Usualmente las regulaciones de calidad demandan una construcción con forrado impermeable
en los estanques de evaporación para proteger los acuíferos subyacentes. Si la salmuera
contiene altas concentraciones de contaminantes tóxicos (ej. Altos niveles de metales
arrastrados), entonces puede necesitarse la construcción de un estanque de doble línea.
Ventajas (+) Desventajas (-)
Fácil implementación y
operación
Altos costos y huella
medioambiental
Uso en costa e interior Plantas limitadas a
pequeñas
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Si los estanques no están revestidos o si el
revestimiento está dañado, una porción de
la salmuera puede filtrarse en el agua del
acuífero debajo del estanque y deteriorar la
calidad de su agua. Por lo tanto, se instalan
sistemas de detección de fugas debajo del
revestimiento o se usa un mínimo de tres
sistemas de monitoreo de pozos, uno
instalado arriba del gradiente al flujo de
agua subterránea, uno arriba del gradiente y
el otro en medio del sistema del estanque
con monitoreos mensuales.
10.2 Criterios y Métodos para la Evaluación de Factibilidad
Los estanques de evaporación son climatizados dependiendo de la mayor temperatura local y la
irradiación solar proporcionándonos mayores tasas de evaporación y haciendo esta opción de
disposición de salmuera más viable. En general, la evaporación solar es factible únicamente en
climas relativamente cálidos, secos, con,
1) Altas tasas de evaporación
2) Bajas tasa de precipitación
3) Baja humedad
También necesitamos un terreno plano y bajo costo de la tierra. Este método de disposición de
salmuera no es aplicable para regiones con una tasa de evaporación anual < 1.0 m/y y una tasa
de lluvias >0.3 m/y (altas tasas de lluvia reducen las tasas de evaporación).
A mayor humedad, menores tasas de evaporación. Cuando el promedio anual es >60%, los
estanques de evaporación no son una opción viable para la disposición de salmuera.
La tasa de evaporación disminuye a medida que los niveles de sólidos y salinidad incrementan
en los estanques, por lo tanto, la minimización del volumen de salmuera es beneficioso.
10.3 Costos de Evaporación en Estanque
Los principales factores que afectan el costo de los estanques de evaporación son,
La tasa de evaporación (clima local)
1) Volumen de salmuera y concentración de sal
2) Costos del terreno y los trabajos en la tierra
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3) Costos del revestimiento
Figure 11 Estimado del costo de construcción de un sistema de evaporación por estanque en
función de la tasa de evaporación y el flujo concentrado.
Figure 11, Costos de construcción para un sistema de disposición de salmuera en estanque de evaporación
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11. Aplicación de Salmuera en Tierra
Fig. 12, La salmuera es usada para irrigación de cultivos y pastos tolerantes a la sal
La disposición de samuera con el método de aplicación en terrenos es usualmente utilizada
para plantas de desalinización de pequeños tamaños y su aplicación es restringida al clima, a las
aplicaciones estacionaria y la existencia de terrenos disponibles y condiciones de agua
subterránea. El método tiene dos caminos disponibles,
1) Irrigación con rociado de salmuera en plantas tolerantes a la sal
2) Infiltración de barro a través de cuencas de infiltración rápida de tierra (RIB por sus
siglas en inglés)
11.1 Impactos Medioambientales Potenciales
11.1.1 Irrigación
La irrigación de salmuera puede
afectar negativamente los acuíferos de
agua subyacentes debido al hecho de
que los acuíferos de agua subterránea
superficiales son usualmente de baja
salinidad. Algunas excepciones son los
acuíferos costeros salinos poco
profundos o los acuíferos profundos
confinados aislados de la interacción
directa o indirecta con el concentrado.
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11.1.2 Infiltración Rápida
La disposición de salmuera con infiltración usualmente presentará problemas en cuanto a la
consecución de permisos si el concentrado tiene arsénico, nitratos, u otros contaminantes
regulados en agua potable. Una opción, si es requerido, es diluirlo para reunir los estándares
deseados. El monitoreo de pozos es empleado para evaluar el impacto de los sistemas RIB en
acuíferos de agua subterránea.
11.2 Criterios y Métodos para la Evaluación de Factibilidad
Los principales factores de viabilidad para el uso de aplicaciones en tierra del concentrado
dispuesto son:
1) Clima
2) Disponibilidad y costos de la tierra
3) Tasa de filtración
4) Necesidades de irrigación
5) Calidad del agua de los acuíferos subterráneos subyacentes
6) Tolerancia a la salinidad de la vegetación irrigada
7) Habilidad en la operación del sistema de aplicación en tierra para cumplir con los
requerimientos regulatorios y los estándares de calidad del agua subterránea
Para usar exitosamente el método debería ser en un lugar de bajo costo disponible cercano a la
planta de desalinización con un relativamente bajo nivel de agua subterránea y un clima seco y
cálido. En condiciones climáticas frías y para vegetación específica, podemos necesitar el uso de
tanques de almacenamiento durante el periodo en el que la salmuera no puede ser aplicada
(usualmente 2 a 6 meses) o tiene una opción de apoyo disponible para la disposición.
A medida que la salinidad incrementa, se va volviendo más difícil de usar la aplicación en tierra
para disposición de salmuera, entonces, en muchos casos, la salmuera tiene que ser diluida con
el fin de cumplir las restricciones de calidad y/o los límites de tolerancia de la vegetación a la
sal. Típicamente usamos efluentes de aguas residuales o agua de baja salinidad extraída desde
acuíferos poco profundos.
El tipo de suelo también es de alta importancia, siendo usualmente adecuado con los suelos
arcillosos y arenosos. Los suelos neutros o alcalinos son preferibles porque minimizan el rastro
de lixiviación de metales. Los lugares con un nivel de agua subterránea menor que 2m son
preferibles. Si el nivel de agua subterránea es menos de 3m desde la superficie, entonces es
necesario un sistema de drenaje. Típicamente las pendientes de hasta 20% son adecuadas para
la aplicación en tierra.
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1. ¿Qué es Descarga Cero de Líquidos (ZLD por sus Siglas en inglés)?
La Descarga Cero de Líquidos (ZLD) es un proceso de tratamiento cuyo objetivo es remover
todo el líquido residual de un sistema. El foco de ZLD es reducir económicamente el agua
residual y producir agua que es adecuada para reutilizar.
Las tecnologías ZLD se componen tradicionalmente de concentradores de salmuera y
cristalizadores que utilizan evaporación térmica para convertir la salmuera en agua altamente
purificada y producto sólido seco listo para disposición de vertedero o para recuperación de sal.
Mientras los sistemas evaporadores/cristalizadores son los más comúnmente utilizados en
procesos ZLD, otras tecnologías prometedoras (ED/EDR, FO y MD que serán explicados más
adelante) con alta recuperación han tomado lugar y son utilizadas en diferentes combinaciones
con el fin de disminuir el costo y elevar la eficiencia de los sistemas.
CAPÍTULO 3: ZLD Fundamentos de Ingeniería
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Las regulaciones gubernamentales cada vez más estrictas acerca de la descarga de salmuera
debido a los efectos medioambientales hacen que la ZDL sea necesaria cuando el agua es
escasa o los cuerpos de agua locales son protegidos por la ley. Por lo tanto, muchas
instalaciones industriales y efluentes contribuyentes de salmuera hasta ahora están intentando
encontrar nuevas formas para evitar este problema ya sea descargando salmuera al agua
superficial disponible alrededor o al mar y las plantas de tratamiento de agua residual.
2. Controladores
El problema industrial con la salmuera es doble. Muchos procesos industriales requieren agua
que contaminan y que liberándola puede causar daños irreversibles en el ambiente local.
En India y durante la última década, debido a la fuerte contaminación de agua local por aguas
residuales industriales, fueron desarrolladas estrictas regulaciones que hacen necesaria la ZLD
con el fin de asegurar el futuro de los ríos y lagos. En Europa y Norte América, el control hacia la
ZLD ha sido aplicado debido a los altos costos de la disposición de agua residual en instalaciones
interiores. Estos costos se incrementan exponencialmente por fines gubernamentales y costos
de tecnologías para disposición.
La ZLD también puede ser usada para recuperar recursos valiosos del agua residual que pueden
ser vendidos o reusados en el proceso industrial. Algunos ejemplos son los siguientes:
Generación de fertilizante valioso de sulfato de potasio (K2SO4) de una mina de
sal
Concentración de soda cáustica (NaOH) a 50 y 99% de pureza
Recuperación de sulfato de sodio puro y vendible (NaSO4) de una instalación de
fabricación de baterías
Reducción de costos en el tratamiento de agua residual en minas de carbón a
través de la recuperación de cloruro de sodio (NaCl) puro que puede ser utilizado
como sal de carreteras
El Litio (Li) ha sido encontrado en salmueras en campos de petróleo de USA a
niveles casi iguales que los salares de Sur América.
El yeso (CaSO4.2H2O) se puede recuperar a partir de aguas de mina y
desalinización de gases de combustión (FGD) de agua residual, el cual puede ser
vendido para utilizarlo en la fabricación de paneles de yeso (drywall)
Otras ventajas de la aplicación de ZLD son:
El volumen disminuido de agua residual disminuye los costos de gestión de
residuos
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Reciclar el agua en el sitio, disminuyendo así la necesidad de consumir agua y
cumplir con las necesidades de tratamiento.
Reduce el costo de transporte en camiones para disposición exterior y los riesgos
medio ambientales relacionados.
Table 6, Controladores ZLD
1. Cumplir con las regulaciones ambientales de disposición de salmuera
2. Recuperación de materiales valiosos en corrientes residuales
3. Volúmenes de residuos y costos de gestión disminuidos
4. reciclar agua en el lugar
5. reducción de costos de transporte en camiones para disposición exterior
3. Aplicaciones
Existe una amplia diversidad de descarga para corrientes de flujo que incluyen:
Purga de torres de enfriamiento en industria pesada y plantas de energía
Corrientes de intercambio iónico regenerativo particularmente en procesamiento de
alimentos y bebidas
Desulfuración de gases de combustión, corriente de aguas residuales húmedas
Sistemas municipales de agua potable, corrientes de agua residual
Reutilización de agua de proceso de agricultura, industrial y corrientes municipales
Corrientes varias de agua residual industrial, de la industria textil, carbón a químico,
alimenticia, lechera y de baterías
Más en particular, nos referimos a las siguientes aplicaciones (Tabla 7),
Table 7, Aplicaciones ZLD en Corrientes de Agua Residual
Sistemas de Rechazo por Membrana (NF, MF, UF, RO)
Drenaje de Mina
Desulfuración de Gases de Combustión (FGD) Blowdown / Purgado
Agua Residuales en Refinerías, Gas a Líquido (GTL), Carbón a Química (CTX)
Agua Producida (Convencional, Fracking, SAGD) Depurador Blowdown
NOx Inyección de Agua Desmineralización de Residuos
Ciclo Integrado de Gasificación Combinada (IGCC) Aguas Grises
Lixiviados de Vertedero
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Las fuentes de descarga se pueden categorizar de acuerdo con el volumen y la complejidad.
Una solución ZLD debe tomar esto último en consideración junto con la localización de la
corriente residual.
4. Factores Determinantes
Los factores más importantes que determinan el diseño ZLD dependen de:
1. Los contaminantes específicos en la corriente de descarga
2. El volumen del material disuelto
3. La tasa de flujo requerida para el diseño
Los contaminantes de preocupación son presentados en la tabla 8,
Table 8, Constituyentes Químicos Típicos de Preocupación
Sodio (Na+) TDS/TSS Fosfato (PO4
3-) Estroncio (S
2+) Sulfato (SO4
2-)
Potasio (K+) COD/TOC/BOD Amoníaco (NH3)
Aceites &
Grasas Fluor (F
-)
Calcio (Ca2+)
pH Boro (B+) Bario (Ba
2+) Nitrato (NO3
-)
Magnesio (Mg2+
) Cloro (Cl-) Alkalinos Sílice -
Estos parámetros necesitan ser exactamente medidos antes de solicitar una cotización con el
fin de lograr una estimación exacta del costo del sistema. Si el alimento es propenso a cambios
en el flujo y la concentración de los contaminantes, los tanques de almacenamiento en la
entrada regulan los picos.
5. Costos de Operación
Cada tecnología que constituye la cadena de la ZLD tiene un cierto costo adquisitivo, pero un
parámetro importante para calcular los costos y eventualmente el periodo de pago son los
costos de operación. El OPEX puede cambiar drásticamente basado en qué proceso es
seleccionado especialmente para energía eléctrica e instalaciones generadoras de corriente.
Para una inversión a largo plazo los beneficios y desventajas de cada cambio tienen que ser
evaluados, así como qué funciona mejor para cada compañía y su staff laboral. Esto ayudará a
obtener un costo de inversión inicial versus un costo de inversión a largo plazo.
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Table 9, Consumo de Energía Específico (SEC por sus siglas en inglés) de Tecnologías de Tratamiento de Agua, Flash Multietapa (MSF por sus
siglas en inglés), Destilación Multiefecto (MED por sus siglas en inglés), Compresión Mecánica de Vapor (MVC por sus siglas en inglés),
Electrodiálisis (ED/EDR por sus siglas en inglés), Ósmosis Forzada (FO), Destilación de Membrana. Los valores para el consumo de energía son
el promedio de 13 estudios comparativos en tecnologías ZLD en el rango de 2002 – 2017. Las aclaraciones son necesarias para ED/EDR, FO y
MD. 1) La ED/EDR SEC depende de la salinidad de la alimentación como salinidades que requieren SEC más altos. 2) la FO depende de la
Draw Solution y del método de regeneración. La mayoría de los artículos suponen el uso de sales termolíticas y su regeneración a 60 °C de
temperatura. El 90% de la energía térmica necesitada puede ser adquirida por calor residual si está disponible. 3) la MD SEC depende de la
configuración. La configuración MD más común en los estudios es el Contacto Directo MD (DCMD) debido a su simplicidad. El 90% de la
energía térmica necesitada puede ser adquirida por calor residual si está disponible. Finalmente 4) el equivalente eléctrico total fue tomado
usando lo siguiente: Total EI. Equivalente = EI. Energía + 4.45 x Energía Térmica debido a la eficiencia de una planta de energía moderna (de
acuerdo con el artículo relevante).
Fig.12 Gráfica de comparación de tecnologías SEC para Tratamiento de Salmuera (ver aclaraciones en la descripción de la tabla 4)
En una nota anterior para un análisis de costo-beneficio, usted puede tomar siempre en
consideración, factores como:
1) Impuestos o tarifas de compra adicionales
2) Posibles costos de utilidad en el área de instalación
3) Permisos o tarifas por regulaciones medioambientales
Tecnología de
Tratamiento de
Salmuera
Energía Eléctrica
(KWh/m3)
Energía Térmica
(KWh/m3)
EI Total Equivalente (KWh/m3)
Tamaño Típico
(m3/d)
Inversión ($/m3/d)
TDS max (mg/L)
MSF 3.68 77.5 38.56 <75,000 1,800 250,000
MED 2.22 69.52 33.50 <28,000 1,375 250,000
MVC 14.86 0 14.86 <3,000 1,750 250,000
ED/EDR 6.73 0 6.73 / / 150,000
FO 0.475 65.4 29.91 / / 200,000
MD 2.03 100.85 47.41 / / 250,000
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4) Prueba regular de cumplimiento
6. Diseño Básico – Bloques ZLD
A pesar de las fuentes variables de una corriente de agua residual, un sistema ZLD
generalmente está comprendido por dos pasos, los cuales están representados en la figura 13.
Fig.13, Bloques Básicos ZLD
1. Preconcentración; la preconcentración de la salmuera usualmente se logra con
concentradores de salmuera con membrana o electrodiálisis (ED). Estas tecnologías
concentran las corrientes a una alta salinidad y son capaces de recuperar hasta 60-80%
del agua.
2. Evaporación/Cristalización; el próximo paso con procesos térmicos o evaporación,
evapora toda el agua sobrante, la colecta y controla para reutilizarla. El residuo que es
dejado atrás luego va a un cristalizador que hierve toda el agua hasta que todas las
impurezas se cristalicen y sean filtradas como un sólido.
6.1. Preconcentración
La preconcentración de la corriente residual líquida es un paso muy importante debido al hecho
de que reduce el volumen de los residuos y disminuye significativamente los tan altos costos de
la evaporación/cristalización. Usualmente se logra con electrodiálisis (ED) o procesos con
membranas, que se componen de Ósmosis Forzada (FO) y Destilación por Membrana (MD)
(figura 13).
Fig.13, Tecnologías para tratamiento de salmuera, (a) Electrodiálisis, (b) Ósmosis Forzada, (c) Destilación por Membrana
ED, FO y MD pueden funcionar eficientemente con un mayor contenido de salinidad que la RO
(150,000 ppm, 200,000 ppm, 250,000 ppm y 70,000 ppm respectivamente).
I. Preconcentración II. Evaporación / Cristalización
I II
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6.1.1. Electrodiálisis / Electrodiálisis Inversa
La electrodiálisis es un proceso de membrana que usa electrodos para crear un campo eléctrico
que impulsa iones negativos y positivos a través de membranas semipermeables con especies
cargadas positiva y negativamente, respectivamente. La ED es usada en múltiples escenarios
para concentrar la salmuera a niveles de saturación. A menudo es utilizada junto con Ósmosis
Inversa (RO) para muy alta recuperación de agua. La ED difiere de la RO porque remueve los
iones y no el agua y viceversa para RO. Debido a esto, la sílice y los orgánicos disueltos no son
removidos con ED, que es importante si la corriente limpia es para ser reutilizada. La ED
requiere sólidos, como hace la RO, los sólidos y orgánicos se remueven de la alimentación.
Electrodiálisis Inversa (EDR por sus siglas en inglés)
En la EDR la polaridad de los electrodos es reversada varias veces por hora y el agua fresca y el
agua residual concentrada son intercambiados mientras la membrana acumula el
ensuciamiento y las incrustaciones para removerlos.
6.1.2. Ósmosis Forzada (FO)
La FO es un proceso osmótico de membrana con una membrana semipermeable que a
diferencia de la RO no usa presión aplicada con el fin de lograr la separación del agua de los
solutos disueltos como iones, moléculas y partículas grandes. Esto significa mucha energía
menos en el proceso en comparación con la RO. En general FO utiliza energía térmica y
eléctrica. La energía térmica puede ser sustituida con calor residual de baja calidad que puede
ser encontrado en todos lados en muchas industrias o áreas cercanas.
6.1.3. Destilación por Membrana (MD)
La MD es un proceso de transporte impulsado térmicamente que utiliza membranas
hidrofóbicas. La fuerza de conducción en el método es la diferencia de presión de vapor entre
los dos lados de los poros de las membranas, permitiendo la transferencia de calor y masa de
los componentes de la solución volátil (ej., el agua). la simplicidad de la MD junto con el hecho
que pueda usarse calor residual y/o fuentes de energía alternativa, como energía solar y
geotérmica, habilita la MD para ser combinada con otros procesos en sistemas integrados,
haciéndola una técnica de separación prometedora.
6.1.4 La Importancia de la Preconcentración en un Proceso de ZLD
Las tecnologías de preconcentración tienen muy alta recuperación, pero usualmente no
suficiente como las tecnologías típicas de evaporación térmica para conducir la salmuera en los
niveles de saturación de concentración. Entonces ¿por qué son tan importantes? La razón es el
CAPEX/OPEX de los evaporadores/cristalizadores. 1) Debido a la naturaleza corrosiva de la
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salmuera se necesita más y más aleaciones metálicas resistentes con el fin de soportar la
corrosión a medida que la concentración aumenta. Esto significa que cuanto mayor sea el
módulo de evaporización/cristalización, mayor será el CAPEX requerido (que puede ser 60-70%
de todo el proceso). 2) La alta demanda de energía debido al aumento del punto de ebullición
de la salmuera a medida que la concentración aumenta. Ambos puntos serán explicados más
detenidamente en las páginas de Lenntech sobre evaporación/cristalización.
Tratemos de formular un ejemplo visual de la situación. Supongamos que tenemos 100 m3/d
de salmuera y queremos tratarla con una combinación Cristalizador MD-MVC. Supongamos que
tenemos (aproximaciones de valores disponibles en documentos relacionados):
MD (75% de recuperación)/combinación de calor residual disponible → 90% de energía
térmica puede ser sustituida por calor residual → el consumo de energía irá desde 47.41
hasta 6.57 KWh/m3
MVC con 90% de recuperación → promedio de 14.86 KWh/m3
Cristalizador con 50% de recuperación → Promedio de 50 KWh/m3
Entonces, de acuerdo con los anteriores valores, veamos cómo se llevará el proceso:
100 m3 de salmuera → MD (-75%) → 25m3 de salmuera → MVC (-90%) → 2.5 m3 de salmuera
→ Cristalizador (-50%) → 1.25 m3 Salmuera → Conducido a Centrifuga o Belt Press
Esto se traduce en 100 m3 x 6.57 KWh/m3 + 25 m3 x 14.86 KWh/m3 + 2.5 m3 x 50 KWh/m3 =
657KWh + 371.5 KWh + 125 KWh = 1,153.5 KWh/100 m3 salmuera
Si no tuviéramos un paso de preconcentración y condujéramos la salmuera directo a un
evaporador, entonces la energía demandada debería ser:
100 m3 x 14.86 KWh/m3 + 10 m3 x 50 KWh/m3 = 1,486 KWh + 500 KWh = 1,986 KWh/ 100 m3
de Salmuera
1,986 KWh (MVC-Cristalizador) / 1,153.5 KWh (MD-MVC-Cristalizador) = 1.72 o 172%
¡incremento del consumo de energía del tratamiento de salmuera sin un paso de
preconcentración!
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Table 10, Recuperación relativa de agua (%) de cada combinación (con y sin Preconcentración) juntos con la SEC para cada tecnología.
La visualización gráfica de la tabla 10 nos da la Figure 14,
Fig.14, Recuperación relativa de agua (%) de cada combinación (con y sin Preconcentración) juntos con la SEC para cada tecnología
Así que el paso de preconcentración no solo disminuye el costo de energía a menos de la mitad,
sino que también incrementa la recuperación disponible del sistema. Sin mencionar la posible
reducción del tamaño de la MVC de 100 a 25 m3 y del cristalizador de 10 a 2.5 m3 que significa
grandes ahorros en CAPEX/OPEX.
Aquí es importante que empecemos hablando acerca del concepto de Descarga de Líquidos
Mínima (MLD por sus siglas en inglés). La MLD es un sistema de alta recuperación sin recorrer
ZLD con Preconcentración ZLD sin Preconcentración
Recuperación (%) SEC (kWh/m3) Recuperación (%) SEC (kWh/m3)
MD 75 6.75 0 0
MVC 97.5 14.86 90 14.86
Cristalizador 98.75 50 95 50
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todo el camino a ZLD, debido al costo y complejidad relacionado con este último. El sistema
MLD se discute más adelante.
6.2 Evaporación y Cristalización
Después de la preconcentración de la corriente residual, el próximo paso es el uso de procesos
térmicos o evaporación para generar sólidos y reutilizar el agua evaporada. La evaporación es
esencialmente transferencia de calor a un líquido hirviendo con la intención de concentrar un
soluto no volátil desde un solvente, el cual es usualmente agua, por ebullición del solvente. El
proceso de evaporización normalmente para justo antes de que el soluto comience a
precipitarse, de otra manera, es considerado como cristalización.
El Evaporador de Película Descendente es un método de evaporación que concentra el agua
hasta el punto de cristalización inicial (super saturación). Adhiriendo ácido se neutralizará la
solución, entonces, al calentarlo, se evitarán incrustaciones y daños en intercambiador de calor.
La desaireación también es usada a menudo con el fin de liberar oxígeno disuelto, dióxido de
carbono y otros gases no condensables.
La salida de salmuera del evaporador entra en un cristalizador de circulación forzada donde el
agua es concentrada más allá de la solubilidad de los contaminantes y cristales formados. El
producto resultante es deshidratado por una prensa de filtro o una Centrifuga y el concentrado
(licor madre) se devuelve al cristalizador.
El condensado colectado (agua) de los tres pasos retorna al proceso, eliminando la descarga de
líquidos en el sistema. Si hay orgánicos presentes, el pulido de condensado puede ser requerido
antes de la reutilización. El agua de producto es entonces conducida al tanque de retención.
Los residuos sólidos, en este punto, irán a un vertedero o para reutilización.
Fig.15, Fase de Evaporacón/Cristalización ZLD
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7. Electrodiálisis/ED Inversa
Fig.16, Los electrodos crean un campo magnético que empuja iones negativos y positivos a través de membranas catiónicas y aniónicas
semipermeables con especies adjuntas cargadas positiva y negativamente de manera respectiva. La Electrodiálisis (ED) es usada en múltiples
escenarios para concentrar la salmuera a niveles de saturación.
La electrodiálisis es un proceso de membrana que
utiliza membranas alternas de Anión-selectivo (AM
en inglés) y de Catión-selectivo (CM en inglés),
metidas entre un Ánodo (+) y un Cátodo (-). Debido
al campo eléctrico aplicado, los aniones se
moverán hacia el Ánodo y Cationes se moverán
hacia el Cátodo. Los aniones están suspendidos por
la CM y los cationes por la AM, creando un fluido
de proceso con baja concentración de iones
(diluente) y un flujo de proceso con alta
concentración de iones (Concentrado).
Un par, compuesto de una CM y una AM y ambas
áreas de estas membranas, es un Par de Celdas. Un
Par de Celdas es la unidad básica de una pila, y es
repetida “n” número de veces. El número de pares
de celdas en una pila actual varía dependiendo del
sistema de electrodiálisis, con hasta 600 pares de
Ventajas (+) Desventajas (-)
Trata > 70,000 ppm (límite de RO),
sin límite de concentración Densidad de corriente limitada
Sin presión aplicada
Ensuciamiento No remueve microorganismos ni
contaminantes orgánicos
Ensuciamiento & sin químicos
regenerativos requeridos
Químicos
Energía como Concentración
de sal de alimentación
< Energía en los procesos de
Destilación (MED, MVC)
CAPEX para Concentración de
sal de alimentación
Vida de la membrana -
Recuperación -
Consumo de energía; 6.73 KWh/m3 (altas salinidades
requieren alta SEC)
Aplicaciones
1) Tratamiento de > 70,000 ppm de solución salina
(Salmuera)
2) Desmineralización (eg., Alimentación de Calderas,
Comida, Industrias Químicas)
3) Recuperación de Electrolitos, Ácidos
4) Desalinización de Agua Residual Industrial para
Reutilización
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celdas en un sistema de escala industrial típico.
En la electrodiálisis, los sólidos suspendidos, que llevan cargas eléctricas positivas o negativas y
pueden incrementar la resistencia de la membrana dramáticamente, son depositados sobre la
superficie de la membrana. Sin embargo, el problema en la electrodiálisis ha sido eliminado en
gran medida invirtiendo en intervalos de cierto tiempo, la polaridad del potencial eléctrico
aplicado que resulta en una remoción de partículas cargadas que han sido precipitadas sobre la
membrana. Esta técnica se refiere a la Electrodiálisis Inversa (EDR).
7.1 Función del Proceso de EDR
Fig.17, Descripción esquemática del proceso de Electrodiálisis Inversa
En cada pila EDR hay dos electrodos en la parte exterior que son sumergidos en una solución de
sal acuosa que puede conducir corriente eléctrica y permite a un campo eléctrico ubicarse
alrededor de la pila. La solución de sal es bombeada alrededor con el fin de mantener el
balance iónico. Ya que la solución de sal (corriente de alimentación) también se encuentra
entre las membranas de intercambio iónico, el campo eléctrico resultará en transporte iónico.
En los espacios entre electrodos, marcados como “dilutant”, los cationes se difundirán a través
del CM al electrodo negativo (Cátodo) mientras los aniones se difundirán a través del AM al
electrodo positivo (ánodo).
Los iones que salen de la alimentación del dilutant se mueven a la cámara de alimentación de
concentrado vecina, lo cual lleva a una caída en la concentración de iones en las cámaras del
dilutant del proceso de Electrodiálisis Inversa (EDR por sus siglas en inglés). En las cámaras del
concentrado, los cationes se intentarán mover al electrodo negativo, pero serán bloqueados
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por el AM, y los aniones se intentarán mover al electrodo positivo, pero serán bloqueados por
el CM. Esto lleva a un incremento en sus respectivas concentraciones en las cámaras de
concentrado.
En la EDR, el voltaje en los electrodos es invertido cada 30 – 60 min, lo cual invierte también la
dirección del transporte iónico y causa la remoción desde la superficie de la membrana de
sustancias eléctricamente cargadas que pueden causar serios y, quizás, irreparables daños. Esto
es generalmente recomendado para remover por adelantado,
Partículas dispersas
Coloides
Ácidos de humus
Aceites y grasas
El lapso de vida promedio de las membranas de ED es entre 5 y 7 años.
7.2 Ventajas y Desventajas
Ventajas:
La EDR tiene características ventajosas que la convierten en un éxito. En primer lugar, la
habilidad de la EDR para realizar una recuperación de agua muy alta depende de su inversión
de polaridad, lo que permite el tratamiento, sin algún químico, de alimentos con factores de
incrustación de sal concentrados mucho más allá de la saturación. Con la adición de un
antiincrustante, la EDR promueve aún más su tolerancia a la sal.
A diferencia de la Ósmosis Inversa (RO en inglés), que es un proceso de conducción de presión,
la EDR funciona por flujo de agua de alimentación sobre la superficie de las membranas de
intercambio iónico, mientras un campo eléctrico remueve iones a través de este.
Desventajas:
La mayor desventaja es que más allá de una densidad de corriente particular (límite de
densidad de corriente), la difusión de iones a través de las membranas de EDR ya no es lineal al
voltaje aplicado, pero conduce a la disociación de agua (agua dividida en iones H+ y OH-) y bajas
en la eficiencia del sistema. Entonces, la EDR siempre debe operar bajo el límite de densidad de
corriente. Los procedimientos experimentales de medición están disponibles para determinar la
CDL para un alimento particular.
Otra desventaja de la EDR es que no remueve microorganismos ni contaminantes orgánicos,
así, un postratamiento siempre es necesario si se requiere alta calidad de agua.
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7.3 Aplicaciones Industriales del Proceso
1. Concentración de Salmuera
2. Desmineralización (e.g. Agua de Alimentación de Calderas)
3. Desalinización de Agua Residual Industrial para Reutilización
4. Desmineralización de productos de alimento
5. Recuperación de electrolitos valiosos o ácidos de baños de enjuague (superficiales) en tratamientos de metal
6. Sectores donde es necesario remover iones desde un flujo de proceso o deben ser concentrados (e.g., industria de químicos)
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8. Ósmosis Forzada
Fig.18, La solución de salmuera es separada de una solución
sintética por una membrana semipermeable que permite
pasar únicamente moléculas de agua. La diferencia en la
concentración (sales – moléculas rojas << especies Draw –
moléculas verdes) crea un flujo de agua hacia la solución
sintética. La solución sintética diluida es conducida a un paso
de regeneración donde las especies Draw son llevadas de
vuelta al proceso y el agua es tomada como producto.
La Ósmosis Forzada (FO por sus siglas en
inglés) es un proceso de membrana
osmótico con una membrana
semipermeable que a diferencia de la
Ósmosis Inversa (RO) no utiliza presión
aplicada para lograr la separación del
agua de los solutos disueltos como los
iones, las moléculas y las partículas más
grandes. Esto significa mucha menos
energía para el proceso en comparación
con la RO. En general, la FO utiliza energía
térmica y eléctrica. La energía térmica
puede ser sustituida con calor residual de
bajo grado que puede ser encontrado en
todos lados en la mayoría de las
industrias o áreas alrededor.
Ventajas (+) Desventajas (-)
Trata > 70,000 ppm Polarización de Concentración
Interna
Energía Flujo de Sal Inverso
Ensuciamiento Reversible Elegir la Solución Draw Correcta
Químicos Elegir la Membrana Correcta
Rechazo de Boro & TrOcs -
Consumo de energía; 29.91 KWh/m3 = 0.46 KWh/m3
eléctrico + 29.45 KWh/m3 térmico
Aplicaciones
1) Tratamiento de > 70,000 ppm de solución salina
(Salmuera)
2) Agua residual de aceite & gas
3) Agua residual de metales pesados (Minería y Metalurgia)
4) WW orgánico (e.g. lixiviados de vertedero)
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Energía Ósmosis Forzada = Térmica (Calor Residual) + Eléctrica (<< Eléctrica Presión Aplicada)
Fig.19, Calor residual potencial por sector industrial en la UE (%), valoración preliminar de calor residual potencial en las principales industria
de la UE (2017)
8.1 Función del Proceso
Fig.20, Esquema simplificado del proceso de Ósmosis Forzada
La FO usa la diferencia de presión osmótica (Δπ) entre la solución de alimento (concentración
C1) y una solución Draw sintética (DS), que preparamos con C2 > C1 → π2 > π1 → Δπ = π2 - π1.
Debido al Δπ, las moléculas desde el alimento empezarán a moverse hacia la solución Draw,
creando un flujo de agua que remueve ca. 70% de agua del alimento (máx. 66% de
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recuperación (R) para RO de agua de mar, SWRO y 80% para RO de Agua Salobre, BWRO).
Además, debido al hecho de que la FO no usa presión aplicada para superar la presión
osmótica, puede tratar con niveles de TDS mucho más altos que la RO (ca. 200,000 ppm (mg/L)
para FO y 70,000 ppm (mg/L) para RO). Esto hace que la FO sea ideal para tratar con salmueras
de salinidad alta.
FO → ca. 70 % de Recuperación de Agua, Hasta 200,000 ppm (mg/L) de Tolerancia TDS de
Alimento
Fig.21, Consumos de Energía Específicos (SECs) de tecnologías de Tratamiento de Salmuera en KWh/m3 versus su Capacidad TDS Máxima en
mg/L (ppm). En series, tenemos Flash de Múltiples Etapas (MSF), Destilación de Efecto Múltiple (MED), Compresión Mecánica de Vapor
(MVC), Electrodiálisis/Electrodiálisis Inversa (ED/EDR), Ósmosis Forzada (FO), destilación por Membrana (MD). La FO y la MD pueden hacer
uso de calor residual por hasta un 90% de su Demanda de Energía Térmica.
El flujo de agua en la FO depende de,
1) La diferencia de presión osmótica
2) La estructura de la membrana
3) Las especies de la DS
4) Las propiedades de la suciedad del alimento
Las membranas de FO son una estructura simple (CTA) y una estructura compuesta (TFC). Las
membranas TFC han mostrado mejor rendimiento en la escala de laboratorio a nivel mundial.
Usualmente las especies DS son sales inorgánicas que pueden ser retenidas en el ciclo de
regeneración por un largo tiempo antes que sea necesario adherir más en el proceso.
FO
MD
FO
MD
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8.2 Ventajas y Desventajas
Ventajas:
Debido a no usar presión aplicada, la capa de suciedad en la superficies de la membrana no es
compacta, lo que significa que los métodos de limpieza física pueden recuperar el flujo de agua
de la membrana (Fig. 4). Esto significa menos uso de químicos, vida mejorada de la membrana y
bajos costos en general.
FO → TFC membranas ↑ rendimiento, sales inorgánicas para DS, ↓↓ ensuciamiento RO
(Inversa para FO), ↓↓ químicos involucrados
Fig.22, Explicación del ensuciamiento reversible natural de FO. A la derecha tenemos una membrana típica de Ósmosis Inversa (RO) donde
aplicamos presión con el fin de impulsar el agua a través. La presión aplicada crea una “capa pastel” de los contaminantes del agua de
alimentación sobre la superficie de la membrana. Por otro lado, a la izquierda tenemos una membrana de FO donde no se aplica presión, así,
la deposición de los contaminantes es muy floja y pueden ser removidos por métodos físicos (ej., retrolavado osmótico)
Desventajas:
La Ósmosis Forzada sufre de dos problemas principales,
1) Polarización por Concentración (CP en inglés)
2) Sales de Flujo Inverso
La polarización por concentración en membrana de FO es externa (ECP) e interna (ICP). La ECP
es un fenómeno común en los procesos de RO y puede ser reducido con condiciones mejoradas
de flujo-cruzado usando espaciadores sobre la superficie de las membranas.
En la ICP las moléculas DS se acumulan dentro de los poros de la membrana y los gradientes de
presión osmótica más bajos, bajando así la diferencia de presión osmótica que es la fuerza de
movimiento de los procesos FO. En los últimos años ha habido un extenso esfuerzo de la
comunidad científica para batallar con los efectos de la ICP y han aparecido algunos resultados
muy prometedores con métodos físicos que pueden mejorar la ya alta eficiencia de FO.
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FO → ↓ flujo de agua por ICP (puede ser mitigado con métodos físicos), las especies DS
pueden contaminar el alimento con sales de flujo inverso (tiene que ser cuidadoso con la
selección de DS)
8.3 Aplicaciones Industriales del Proceso
7. Concentración de Salmuera
8. Petroleo & Gas
9. Agua Residual Mineral (Minería y Metalurgia)
10. Lixiviados de Vertedero
11. Tratamiento de Purga en Torres de Enfriamiento
12. Alimentos y Bebidas
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9. Destilación por Contacto Directo con Membrana
Fig.23, La solución de salmuera caliente es separada desde el agua enfriada por una membrana Hidrofóbica que permite únicamente el paso
de vapores. A medida que el vapor pasa a través de la membrana, el volumen de salmuera es minimizado significativamente. El producto va
a través de un intercambiador de calor para mantener la circulación.
La destilación por membrana (MD en inglés) es un proceso de transporte conducido
térmicamente que utiliza membranas hidrofóbicas. La fuerza de conducción en el método es la
diferencia de presión de vapor entre los dos lados de los poros de la membrana, permitiendo
masa y transferencia de calor de los componentes de la solución volátil (e.g. agua). La
simplicidad de la MD junto con el hecho de que puede usar calor residual y/o fuentes de
energía alternativas, tales como energía solar y geotérmica, habilita la MD para ser combinada
con otros procesos en sistemas integrados, haciéndola una técnica de separación prometedora.
9.1 Función del Proceso
Fig.24, Esquema simplificado del proceso de MD.
La fuerza de conducción para el proceso de MD es dada por la diferencia de presión de vapor
que se genera por una diferencia de temperatura que cruza la membrana. Ya que la fuerza de
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conducción no es una fuerza de conducción térmica pura, la MD puede ser ejecutada a mucha
menos temperatura (30-60°C) que la destilación térmica convencional. La naturaleza
hidrofóbica de la membrana previene la entrada de moléculas al agua debido a las tensiones
superficiales. Esto último no aplica para los vapores de agua a través suyo, los cuales crean una
diferencia de presión y viajan a través del sistema de poro de la membrana, condensando sobre
el lado fresco de la membrana. el proceso remueve ca 80% de agua desde la solución de
alimento y puede ser resumido en tres pasos: (1) formación de una brecha de vapor en la
interfaz membrana-solución caliente de alimento; (2) transporte de la fase de vapor a través del
sistema de microporos; (3) condensación del vapor en la interfaz del lado frío de la membrana-
solución de permeado.
La forma en la que la diferencia de presión de vapor
es creada a través de la membrana se determina por
la configuración del módulo de MD. En la
configuración más comúnmente usada, la destilación
por contacto directo con membrana (DCMD), el lado
de permeado se compone de un líquido de
condensación (a menudo agua limpia) que está en
contacto directo con la membrana.
Alternativamente, el solvente evaporado puede ser
colectado sobre la superficie de condensación que
puede ser separada de la membrana a través de un
espacio de aire (AGMD) o un vacío (VMD), o pude
ser descargada vía gas de barrido inerte, frío
(SGMD).
Fig.25, Configuraciones MD.
La selección de la membrana es el factor más crucial en el rendimiento de la separación por
MD. Hay dos tipos comunes de configuraciones de membrana,
1) Membrana de Fibra Hueca preparada principalmente de polipropileno (PP), fluoruro de
polivinilideno (PVDF) y PVDF – politetrafluoroetileno (PTFE), material compuesto
2) Membrana de hoja plana preparada principalmente de PP, PTFE y PVDF
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El PTFE tiene la más alta hidrofobicidad, buena estabilidad química y térmica y resistencia a la
oxidación, pero tiene la conductividad más alta que causará mayor transferencia de calor a
través de las membranas PTFE (reduciendo así la diferencia de temperatura y la transferencia
de calor). El PVDF tiene buena hidrofobicidad, resistencia química y fuerza mecánica y puede
ser fácilmente preparado en membranas con estructuras porosas versátiles. El PP presenta
buena resistencia química y térmica.
9.2 Ventajas y Desventajas
Ventajas:
1) Requerimientos de baja energía
2) No muy afectada por la Polarización de Concentración
3) Teóricamente 100% de rechazo de componentes no volátiles, sin límite de
concentración de alimento
Las ventajas de la MD, en comparación con los métodos de separación convencional son
principalmente la presión más baja y los bajos requerimientos de temperatura (30-60°C) que
conducen a costos de energía más bajos y propiedades mecánicas menos exigentes para los
módulos. Contrario a la Destilación y a la RO, la solución de alimento puede separada a una
temperatura menor de su punto de ebullición (a presión atmosférica). Con bajos
requerimientos de calor, se puede utilizar calor residual industrial, así como fuentes de energía
renovable tales como solar, eólica y geotérmica.
Además, en comparación con la RO, la MD es menos susceptible a las limitaciones de flujo
causadas por polarización de concentración. Muy bajas temperaturas de alimentación pueden
producir razonablemente tasas altas de agua de producto y puede ser más práctica
considerando la naturaleza de algunas impurezas del agua (ej., problemas de incrustación a alta
temperatura). Teóricamente, la MD ofrece 100% de retención para sustancias disueltas no
volátiles, por lo cual no tiene límite en la concentración de suministro.
Desventajas:
1) Relativamente alto consumo de energía (a pesar de que la fuente de energía es de bajo
grado de temperatura)
2) Relativamente altos costos del modulo
3) Bajo flujo en comparación con otras membranas accionadas por presión
4) Los tensioactivos o contaminantes anfifílicos pueden causar que la membrana se
humecte (fugas de alimento salino a través de la membrana, contaminando el
permeado)
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Los principales factores que aun obstaculizan la aplicación industrial de MD son el
relativamente bajo flujo de permeado en comparación con procesos de membrana basados en
presión, las reducciones de flujo causadas por polarización de concentración, el ensuciamiento
y la humectación de poro de la membrana, el alto costo de los módulos MD y el alto consumo
de energía térmica.
9.3 Aplicaciones Industriales del Proceso
13. Concentración de Salmuera
14. Tratamiento de Purga en Torres de Enfriamiento
15. Remoción de componentes volátiles (ej., Amoniaco)
16. Purificación de agua en industrias farmacéuticas, químicas y textiles
17. Alimentos y Bebidas
18. Concentración de recursos
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Fig.26, Tipos de evaporador: (a) tubo-horizontal. (b) tubo-
vertical, (c) tubo largo vertical y (d) circulación forzada
10. Evaporadores
La evaporación como el secado remueven sustancias volátiles de una solución, pero los dos
procesos difieren en lo siguiente,
- Evaporación
Remoción de la mayoría de agua desde la solución
Normalmente tiene lugar al punto de ebullición del agua
- Secado
Remoción de pequeñas cantidades de agua desde el material sólido
(humedad)
Ocurre a temperaturas inferiores al punto de ebullición y es típicamente
influenciada por la humedad
Los evaporadores incluyen un intercambiador
de calor cuya misión es hervir la solución, y
también tienen un método para separar el
vapor de la solución en ebullición. Los tipos de
evaporador pueden ser categorizados de
acuerdo con su longitud y el posicionamiento
(horizontal y vertical) de los tubos evaporadores
(fig. 1) que pueden estar adentro o afuera del
recipiente principal.
La mayoría de materiales no son tolerables a las
altas temperaturas, por lo que los evaporadores
normalmente operan a presión reducida y
entonces se reduce el punto de ebullición (BP).
Esto significa que una bomba de vacío o un
sistema de vacío eyector de chorro se requiere
sobre el último efecto del evaporador.
10.1 Selección del Evaporador Adecuado
Seleccionar el evaporar correcto caso-por-caso está regido de acuerdo con un número de
factores, que son,
1. Alimento
2. Viscosidad de la solución (y su incremento durante la evaporación)
3. Naturaleza del producto y el solvente
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4. Características del ensuciamiento
5. Características de la espuma
10.2 Efecto Simple Vs Efecto Múltiple
Fig.26, Configuración de evaporadores de efecto simple y efecto múltiple.
Tipo de
Evaporador
Condición del Alimento
Adecuado
para
Material
Sensible al
Calor
Viscocidad, cP
Espuma Incrutación o
ensuciamiento
Producción
de Cristales
Sólidos en
Suspensión Alto
>1000
Medio
100-
1000
Bajo
<100
Calandria (tubo
vertical corto)) ×
Circulación
forzada √
Película
Descendente ×
Circulación
Natural ×
Película
Agitada (paso
simple)
√
Tubo largo
Película
Descendente
√
Tubo largo
Película
Ascendente
√
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Hay tres criterios que afectan el rendimiento de un evaporador:
1) Capacidad (kg vaporizado/tiempo)
2) Economía (kg vaporizado/kg entrada Steam)
3) Consumo Steam (kg/hr)
Donde, consumo = capacidad/economía
La economía (o economía de Steam) son los kilogramos de agua vaporizada de todos los efectos
(por kilogramo de Steam usado). Para el evaporador de efecto simple, la economía Steam es ca.
0.8 (<1), la cual se traslada a 0.8 ton de Steam necesitados para evaporar 1 ton de agua.
Entonces, para disminuir la economía de Steam del evaporador, el diseño de múltiple efecto
utiliza los vapores de escape del producto para calentar el efecto de evaporación agua abajo y
reducir el consumo de Steam.
La capacidad de un evaporador de efecto múltiple (n efectos) es ca. n* veces la capacidad de un
evaporador de efecto simple y el ahorro es cerca de 0.8*n.
Los evaporadores también necesitan bombas, tubería interconectada y válvula que son
requeridas para transferencia de líquidos desde un efecto hacia otro efecto e incrementan
tanto el CAPEX como el OPEX del proceso.
Table 11, Disminución de la economía de Steam del evaporador utilizando un evaporador de tres efectos
Steam vivo Vapor Economía Steam
Planta de 1 efecto 1 kg/h 1 kg/h 100%
Planta de 3 efectos 1 kg/h 3 kg/h 33%
Efecto Simple (SE)
Capacidad pequeña, pero desperdicio de energía (1 kg de steam vaporiza 1kg de agua)
La caída total de temperatura para un efecto simple es algo similar al efecto múltiple
Efecto Múltiple (ME)
Cada efecto individual tendrá una diferencia temperatura más pequeña, de esta
manera, un área alta de superficie de calentamiento
Costo de capital más elevado
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Los costos de operación – economía de steam, requeridos únicamente para el primer
efecto (1 kg de steam vaporiza 3 kg de agua)
10.3 Tipos de evaporador
La temperatura del alimento tiene un efecto importante sobre la economía de los evaporadores
y su rendimiento. Si no está ya al punto de ebullición, entonces los efectos del calor deben
tomar lugar. Si el alimento está por encima del punto de ebullición, se usa evaporación flash al
entrar.
Normalmente, la solución de alimento es calentada con un intercambiador de
precalentamiento para reducir la demanda de evaporación de calor por transferencia de calor
desde el condensado caliente hasta la corriente del alimento.
El alimento calentado es entonces mezclado con el líquido del evaporador y la mezcla es
calentada por el intercambiador de calor principal que puede usar steam, electricidad, aceite
caliente u otras formas de energía disponible. La mezcla hierve, produciendo una corriente de
líquido concentrada y una corriente de vapor de agua que puede ser descargada o condensada.
La evaporación por compresión de vapor (VC) ha sido la tecnología de norma ZLD por las
últimas décadas, recuperando ca. 95% de agua desde el alimento. La corriente de líquido
concentrado (salmuera)puede ser entonces conducida a un cristalizador con el fin de ser
solidificada.
La evaporación es más bien costosa y no económicamente factible con grandes tasas de flujo de
alimento, lo cual se da por la aplicación del paso de preconcentración para el proceso de ZLD.
Hay diferentes tipos de evaporadores,
a) Película descendente
b) Película ascendente
c) Circulación forzada
d) Superficie raspada/película fina
e) Combinación de evaporador
Los principales son,
a. Evaporadores de Película Descendente (FFE)
Los FFE tienen grandes ahorros de energía, evaporación de efecto múltiple y características
mecánicas de re-compresión de vapor. Un FFE funciona con una muy baja temperatura de
operación y permite,
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1. Fácil control
2. Inicio y apagado rápido debido a una mínima retención de líquido
Los FFE son seleccionados para corrientes viscosas con pequeñas concentraciones de sólidos
suspendidos. Un FFE tiene capacidad para tasas de flujo pequeñas a grandes.
b. Evaporadores de Circulación Forzada (FCE)
Ya que las altas tasas de flujo de circulación y la evaporación toman lugar externamente al
intercambiador de calor, los FCE son elegidos para corrientes viscosas más altas que contienen
una gran concentración de sólidos suspendidos y contaminantes. Tiene capacidad para tasas de
flujo medias a grandes.
c. Evaporadores de Película Fina (TFE)/Secadores
Los TFE son mayormente seleccionados con el fin de disminuir el contenido de agua hasta < 5%
(cristalización). Como los FFE, esta tecnología es fácil de controlar y rápida para iniciar y detener
debido a la muy baja retención de líquidos. Los TFE son seleccionados para productos de alta
incrustación y flujos altamente viscosos. Tiene capacidad para tasas de flujo pequeñas a
medias.
La corriente de destilado de los evaporadores usualmente es < 10 ppm de TDS (Total de Sólidos
Disueltos). El más usado es el FFE (también llamado concentrador de salmuera) que puede
llevar la concentración de alimento hasta 300,000 ppm, lo cual conduce a un aumento del
punto de ebullición (BPR) de la salmuera y requiere, ya sea un área grande de transferencia de
calor (CAPEX grande) o una gran temperatura de calor (OPEX grande).
10.4 Explicación del Proceso
Los evaporadores pueden tratar corrientes con alta concentración de cloruros y teóricamente
separar el agua de todos las especies disueltas, produciendo un producto sólido estable que
puede ser vaciado y un producto de agua destilada de alta calidad.
Los pasos en el proceso de evaporación son (Fig.27),
1. Adición química (tanque de alimentación)
2. Precalentamiento (precalentador de alimentación)
3. Desaireación
4. Evaporación primaria (concentrador de salmuera)
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Fig.27, Diagrama de Flujo de un Proceso de Evaporación
Paso 1&2; El ácido es adherido al tanque de alimentación para neutralizar la alcalinidad del
bicarbonato con el fin de que la solución sea precalentada en los intercambiadores de calor de
placas. Los antiincrustantes también son adheridos para prevenir incrustaciones en los
precalentadores con carbonato de calcio.
Paso 3; La corriente precalentada es desgasificada usando steam desde el evaporador (línea
roja en figura 3) para remover dióxido de carbono disuelto (reducción de alcalinidad), oxígeno
disuelto y cualquier otro gas no condensable para reducir el potencial de corrosión del
evaporador.
Paso 4; la mayoría de la evaporación de agua se da dentro del recipiente concentrador de
salmuera que se siembra con sulfato de calcio para minimizar las incrustaciones. El agua
residual es típicamente saturada con sulfato de calcio, el cual se precipitará y formará
incrustaciones en los tubos evaporadores. Usando cristales semilla de sulfato de calcio, el
sulfato de calcio disuelto se precipita preferiblemente sobre los cristales semilla en vez de los
tubos evaporadores.
El proceso también requiere electricidad para el ciclo de compresión mecánica de vapor (MVC).
Como el MVC recicla el calor latente de vaporización, la entrada de energía es bastante baja, en
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Fig.28, Proceso de Compresión Mecánica de Vapor
un rango de 15 kWh/m3 de alimento, para minimizar el tamaño y costos del separador de
vapor y el compresor, la evaporación ocurre a presión atmosférica.
10.5 Ahorro de Energía
Algunos de los métodos aplicados para minimizar el consumo de energía de las plantas de
evaporación incluyen,
Disposición de efectos múltiples (ME)
Recompresión térmica de vapor (TVR)
Recompresión mecánica de vapor (MVR)
Compresión mecánica de vapor (MVC)
Uso de energía residual
Para los evaporadores, el enfoque MVC es el más extensamente usado.
10.5.1 Compresión Mecánica de Vapor
En el evaporador MVC, el calor es
transferido a la corriente de
circulación por condensación de vapor
desde el compresor (s)
(incrementando la temperatura del
vapor y la presión). Haciendo que se
requiera mucha menos energía que un
evaporador predeterminado.
Durante el proceso (fig. 4), el vapor
generado desde la corriente de
circulación tiene una gran cantidad de
energía en forma de calor latente a
una temperatura de ebullición de
agua residual. Para que el
intercambiador de calor principal
trabaje, se requerirá una temperatura
más alta. Con el fin de lograr la
temperatura más alta necesitada, el
vapor es comprimido por el
compresor de vapor.
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La compresión de vapor aumenta su presión (por lo tanto, su temperatura de saturación
también) y produce la transferencia de calor necesitada en el intercambiador de calor principal
siguiendo con el reciclaje de energía contenida por el vapor, mejorando mucho la eficiencia
total de energía.
1. El agua residual de alimentación va desde la bomba de alimentación hasta el intercambiador
de calor de materia prima y la corriente de circulación. El intercambiador de calor de materia
prima transfiere el calor sensible desde el condensado caliente hasta la alimentación más fría.
2. La bomba de recirculación circula el agua residual desde el tanque de separación a través del
intercambiador de calor principal, hacia la placa de orificio, y de vuelta al tanque de separación.
El calor latente del vapor comprimido es transferido al agua residual por el intercambiador de
calor principal.
3. Una placa de orificio es usada para reducir la presión de la corriente de circulación. La
presión aguas abajo es lo suficientemente baja para permitir la intermitencia de la corriente de
circulación en el líquido y los componentes del vapor.
4. El líquido y el vapor fluyen entonces hacia el taque de separación donde son separados. El
steam líquido sale del tanque a la parte inferior y fluye de vuelta hacia la bomba de
recirculación. La corriente de vapor sale del tanque a la parte superior y fluye hacia el
compresor de vapor.
5. Se proporciona una almohadilla de neblina en la parte superior del tanque de separación
para remover pequeñas gotas de líquido del vapor.
6. Al comprimirse el vapor a través del compresor (elevando la temperatura y la presión), el
vapor es enviado al intercambiador de calor principal, donde se transfiere su calor latente al
agua residual en el circuito de recirculación.
7. El condensado de temperatura alta sale de intercambiador de calor principal y fluye hacia el
tanque de condensado, donde cualquier vapor restante es separado. El condensado caliente es
entonces bombeado al intercambiador de calor de material de alimentación, donde transfiere
calor sensible al agua residual de alimentación entrante.
8. Al alcanzar el estado-estable de la concentración objetivo, el agua residual concentrada es
purgada desde el circuito de recirculación, usando la válvula de residuos. Dependiendo del
balance de energía, la energía puede ser adherida al sistema por calentadores eléctricos/steam
de proceso o el exceso de energía puede ser removido desde el sistema por la válvula de alivio
de steam.
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11. Cristalizadores
La cristalización es la producción de un sólido (cristal o precipitado) formado desde un líquido
homogéneo que es concentrado a niveles de supersaturación (concentración > solubilidad) a
esa temperatura.
Los procesos de cristalización disponibles son los siguientes tres,
Supersaturación por enfriamiento de la solución con evaporación trivial
Supersaturación por evaporación del solvente con poco enfriamiento
Evaporación por una combinación de enfriamiento y evaporación en evaporadores
adiabáticos (cristalizadores al vacío)
Los cristalizadores pueden soportar la cristalización continua de todas las sales sódicas alta y
escasamente solubles, tales como el cloruro de sodio y el sulfato de sodio, sin incrustaciones y
frecuencias de limpieza excesivas. Esto significa mayor consumo de energía específico (OPEX) y
costos de capital específicos más altos (CAPEX).
Normalmente usan steam vivo, pero pueden también utilizar tecnología MVR (circulación
forzada) para reciclar el vapor con el fin de reducir el consumo de energía y así el OPEX. Los
cristalizadores de circulación forzada concentran la purga de salmuera desde los equipos de
concentración aguas arriba. A través de pequeños flujos de agua residual a veces son tratados
directamente con cristalizadores de circulación forzada. Los subproductos sólidos dan la opción
de recuperar valiosas sales al final del proceso de ZLD.
11.1 Explicación del Proceso
La cristalización ocurre en el evaporador-cristalizador de circulación forzada, donde tenemos la
regeneración y aumento de cristales dentro de la solución en masa (fig. 29). El esquema del
evaporador/cristalizador es seguido por un dispositivo de deshidratación (centrífuga o filtro de
presión), el cual separa los cristales de sal del lodo del producto. El licor madre es retornado al
cristalizador para promover la concentración.
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Fig.29, Proceso del Cristalizador.
El evaporador de circulación forzada es normalmente alimentado por una fuente externa de
calentamiento de steam que es usado debido al alto punto de ebullición elevada (BPR en inglés)
de la solución a concentración alta. El cristalizador necesita ca. a un poco más de 1 ton de
steam para evaporar 1 ton de agua.
11.2 Sales Altamente Solubles y Evaporador BPR
Usando un evaporador de película descendente para minimización del volumen de salmuera,
estamos habilitados para remover 75% a 95% de agua. Con la presencia de sales solubles más
altas en la corriente de alimentación, el último 5% a 25% de agua es difícil de evaporar.
Cuando aumenta la concentración de iones de las sales, la temperatura de ebullición de la
solución aumenta también. El incremento en la temperatura de ebullición de una solución
arriba de la del agua a una presión dada es llamada BPR.
Tomemos como ejemplo el cloruro de calcio (CaCl2) que es la principal sal disuelta en la purga
de FGD de caliza húmeda. El diagrama en la figura 30 muestra el incremento en la temperatura
del punto de ebullición a medida que la concentración de cloruro de calcio incrementa en la
solución. Las dos curvas se intersecan al límite de solubilidad de cloruro de calcio en una
solución hirviente. El cloruro de calcio es muy soluble en agua; a medida que una solución es
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concentrada por evaporación a atmósfera (atm) 1, su punto de ebullición continúa creciendo,
hasta que el límite de solubilidad de cerca del 75% en peso es alcanzado y el dihidrato de
cloruro de calcio (CaCl22H2O) se cristaliza fuera de la solución. La figura 2 intenta mostrar que
una solución saturada de cloruro de calcio a una presión de 1 atm tiene una temperatura de
ebullición de casi 176,6°C (350 F), un BPR de 58,8 °C (138 F).
Fig.30, Representación gráfica de la relación entre la temperatura de ebullición para la solución de cloruro de calcio puro contra su curva de
solubilidad a presión atmosférica. A medida que el porcentaje de peso del cloruro de calcio aumenta en solución, también lo hace el punto
de ebullición de la solución.
A esta temperatura alta el cloruro de calcio, como el cloruro de manganeso (MgCl2) y el cloruro
de amonio (NH4Cl), sostiene hidrólisis en agua, lo que significa que libera ácido hidroclórico que
atacará agresivamente al acero. A mayor temperatura, mayor velocidad de hidrólisis, los
recipientes evaporadores y la superficie de transferencia de calor necesitan materiales de
construcción que tengan la habilidad de resistir la naturaleza extremadamente corrosiva de
estas sales a concentraciones y temperaturas altas. Hay muchas aleaciones nobles costosas,
tales como paladio-titanio aleado y aleaciones altas de níquel-cromo-molibdeno, que disparan
el CAPEX y potencian el uso de cristalizadores económicamente desafiantes en la mayoría de las
aplicaciones de ZLD.
12. Descarga Mínima de Líquidos (MLD)
12.1 ZLD vs MLD
Por un largo tiempo la Descarga Cero de Líquidos (ZLD por sus siglas en inglés) ha sido sugerida
como una forma amigable con el medio ambiente para ayudar a la industria con los
requerimientos de descarga cada vez más estrictos y con el reciclaje de sus corrientes de agua
residual. Sin embargo, los procesos ZLD son,
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1) Complejos técnicamente
2) Muy costosos
3) No necesariamente amigables con el medio ambiente debido al material adicional y la
energía que estos requieren
Así, con el fin de mejorar su huella medio ambiental con el agua, más y más usuarios finales
están adoptando una Descarga Mínima de Líquidos (MLD por sus siglas en inglés) enfocándose
en el problema de tratamiento de agua residual a través del uso confiable de tecnologías
basadas en filtración que pueden alcanzar solo una fracción de los costos de la ZLD.
12.2 2. ¿Por qué Descarga Mínima de Líquidos (MLD)?
Al optar por la MLD en sus procesos, puede ayudar a los usuarios a minimizar significativamente
sus CAPEX y OPEX, ya que eliminar el 5 a 10% de líquido final para lograr la ZLD puede resultar
horrendo y costoso. Con el fin de entender esto mejor, tomaremos el Cristalizador-MD-MVC de
la página de Lenntech (enlace a ZLD (MD-MVC-Crystalizer)) pero esta vez empezaremos
contando el total de agua recuperada desde un paso simple de SWRO (Ósmosis Inversa de Agua
de Mar) con 45% de recuperación.
100 m3 agua de alimentación →Pretratamiento → Paso simple de RO (45% recuperación) →
100 (1-0.45) = 55 m3 de Salmuera → MD (75% de recuperación) → 55 x (1-0.75) = 13.75 m3 de
Salmuera → MVC (90% de recuperación) → 13.75 x (1-0.9) = 1,375 m3 de Salmuera →
Cristalizador (50% de recuperación) → 1.375 (1-0.5) = 0.68 m3 de Salmuera → Centrifuga de
Belt Press
La energía requerida para este esquema es:
100 m3 x 3.5 KWh/m3 (RO) + 55 x 6.57 KWh/m3 (MD) + 13.75 m3 x 14.86 KWh/m3 (MVC) +
1.375 m3 x 50 KWh/m3 (Cristalizador) = 350 KWh (RO) + 361.35 KWh (MD) + 204.33 KWh +
68.75 KWh = 984.43 KWh/ 100m3 de agua de alimentación.
Entonces, hasta MD, el sistema ha recuperado [100 m3 x 0.45 = 45 m3 (RO)] + [55 m3 x 0.75 =
41.25 m3 (MD)] = 86.25 m3 de permeado a un costo de 350 KWh (RO) + 361.35 KWh (MD) =
711.55 KWh.
Desde el MVC en adelante, el sistema está recuperando [(100 – 86.25 =13.75) m3 x 0.9 = 12.375
m3 (MVC)] + [(13.75 - 12.375 = 1.375) m3 x 0.5 = 0.688 m3 (Cristalizador)] = 13.06 m3 de
permeado a un costo de 201.33 KWh (MVC) + 68.75 KWh (Cristalizador) = 270.08 KWh.
Con lo que terminamos es 711.55 KWh for 86.25 m3 de permeado (RO – MD Simple) y 270.08
KWh para 13.06 m3de permeado (MVC – Cristalizador). Esto es decir que, (RO-MD Simple) está
produciendo permeado a un costo de 711.55 KWh / 86.25 m3 = 8.25 KWh/m3 y el
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(Cristalizador-MVC) está produciendo permeado a 270.08 KWh / 13.06 m3 = 20.66 KWh/m3.
Echemos un vistazo a este punto en la Tabla 1 y su representación gráfica en la figura 31,
Table 12, Recuperación y valores SEC del esquema del proceso de tratamiento de agua RO-MD-MVC-Cristalizador.
Recuperación (%) SEC
(KWh/m3)
RO 45 3.5
MD 86.25 6.57
MVC 98.625 14.86
Crystallizer 99.313 50
Fig.31, Agua total recuperada del proceso de RO-MD-MVC-Cristalizador versus sus respectivas SEC. En la gráfica también están los valores de
la demanda energética de cada etapa del proceso junto con la demanda energética/m3 de la etapa MLD y ZLD. El proceso alcanza una etapa
MLD justo después del MD y una ZLD después del Cristalizador.
Como Podemos ver, la demanda de energía para promover la recuperación después del MD
sube por un golpeteo de 20.66 KWh/m3 / 8.25 KWh/m3 = 2.50 o 250%! A este punto cada
usuario debe decidir si el paso extra adelante, realmente vale la pena.
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La ZLD puede ser útil cuando hay legislaciones estrictas presentes o en regiones del mundo
sensibles al agua, cuando cada gota cuenta, pero es económicamente muy desafiante. Los
últimos pasos necesarios para alcanzar una completa ZLD pueden casi duplicar los costos.
Un excelente ejemplo de MLD en la vida real se llevó a cabo en las plantas de ensamblaje de
vehículos de la General Motors (GM) en San Luis Potosí (México). La planta está localizada en
un área remota y árida sin recepción de corrientes o alcantarillado municipal para descarga de
agua residual. A través del uso de una combinación de tecnologías, una alta tasa de procesos de
ablandamiento químico y otras tecnologías, la planta recupera y reutiliza el 90% de sus aguas
residuales terciarias, el 10% restante del líquido residual es descargado en estanques solares
adyacentes para evaporación.
Otras opciones tecnológicas tales como HPRO, EDR, FO y MD, sus combinaciones e híbridos
pueden también aumentar la recuperación (70-80%) y requieren mucha menos energía que la
evaporación térmica, reduciendo el tamaño de este último y consecuentemente el cristalizador
(si la ZLD es requerida)
12.3 Impacto Medioambiental & Costos Reducidos
El argumento más fuerte en la búsqueda de MLD es la reducción del CAPEX y OPEX cuando se
compara con el diseño ZLD. El costo de la membrana y el proceso de filtración son
proporcionalmente mínimos en comparación a las tecnologías térmicas ZLD.
Los nuevos avances tecnológicos pueden minimizar el tamaño de los evaporadores y
cristalizadores y quizás aun eliminar su uso. Al mismo tiempo estas mismas tecnologías tienen
más alta capacidad de recuperación. Especialmente, ya que algunas de estas pueden hacer uso
del calor residual, es muy importante considerarlas como ahorro adicional de costos y
beneficios un diseño de proceso MLD eficiente.
12.4 Eventuales Necesidades de la MLD
Con el fin de entender si un cierto caso es apropiado para la MLD, la primera pregunta es si el
agua reutilizada es necesaria. Si es así, entonces el enfoque de la MLD podría ser, cuál es la
necesidad. Si las legislaciones locales necesitan ser tenidas en consideración para cumplir con la
descarga de efluentes, entonces la MLD puede ser una parte de la solución, la cual podría
incluir ZLD / estanques de evaporación / inyección de agua subterránea.
El siguiente paso es identificar sus corrientes residuales en términos de flujo, sus contaminantes
y sus respectivas concentraciones. No en todos los casos se requiere el mismo tratamiento. A
través del chequeo de las corrientes residuales podemos calcular un método más económico y
sostenible para cada caso. Por ejemplo, el concentrado y el agua de lluvia requieren muy poco
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tratamiento, mientras que es más probable que las corrientes residuales con altas
concentraciones de componentes orgánicos, sales, metales y sólidos suspendidos requieran
tratamientos más extensos.
De acuerdo con el agua necesaria, las legislaciones y los requerimientos ambientales, así como
con el presupuesto CAPEX y OPEX, la MLD puede probar ser una buena opción para un amplio
rango de procesos industriales y municipales que quieran mejorar su huella ecológica en el
agua de manera costo-efectiva.
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La desalinización de aguas con
alta salinidad se está volviendo
más y más común para apoyar el
crecimiento de la demanda de
agua alrededor del mundo. La
desalinización no es barata. Hay
múltiples problemas asociados
con la desalinización, lo cuales
son principalmente:
1. CAPEX y OPEX
2. Gestión y disposición
de salmuera
La disposición de la salmuera puede ser una porción significante del total de costos del
proyecto, dependiendo de,
CHAPTER 4: ZLD Opciones de Recuperación de Salmuera
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1. Volumen
2. Tipo de descarga
Alrededor del mundo se han incrementado los esfuerzos para gestionar la salmuera, con el fin
de reducir los volúmenes de esta con tecnologías de Descarga Cero de Líquidos (ZLD por sus
siglas en inglés).
Una opción para disminuir los costos relativos a la ZLD es ir recuperando los contaminantes
valiosos en las corrientes de salmuera de desalinización. De esta forma, los materiales
recuperados podrían ser vendidos y así aumentar los beneficios de una planta de
desalinización. Alternativamente, los materiales recuperados pueden ser utilizados mientras las
instalaciones industriales usan los procesos de desalinización y reducen los costos de operación.
La factibilidad de los procesos de recuperación de material de la salmuera depende de las
limitaciones técnicas de las tecnologías disponibles y las consideraciones energéticas y de
costos, así como de las fluctuaciones del mercado para los materiales que son recuperados.
Una estimación aproximada para la factibilidad de un proyecto de recuperación de minerales es
el siguiente algoritmo, donde los contaminantes potencialmente rentables de las corrientes
necesitan suplir la desigualdad,
P * C * Qc - OM > 0 (6)
Donde,
P = precio del material en el mercado
C = concentraciones del elemento en la salmuera
Qc = tasa de flujo de la salmuera
OM = costos de mantenimiento y operación (O&M)
En la siguiente tabla presentamos las principales oportunidades para recuperar material desde
la salmuera de desalinización,
Table 13, opciones de recuperación de minerales desde la Salmuera de Desalinización.
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Elemento Principales Productos Básicos Oportunidades de Mercado
Bromo
Bromo elemental (Br2)
Fertilizante organobromuro
Retardantes de llama
Aditivos de gasolina
- ↑ demanda esperada en Asia y Sudamérica
- Las reservas de bromo satisfarán la demanda mundial en el futuro previsible
Calcio
Carbonato de calcio,
Cal (CaO)
Sulfato de Calcio
Cloruro de calcio
- ↑ demanda esperada en USA
- ↑ producción de yeso de depuradores de plantas de energía a base de carbón
- posibles aplicaciones de productos básicos de baja calidad: CaCl2 en supresión
de polvo; y CaCl2 o CaSO4 usado en remediación de suelo sódico
- CaCO3 pellets producidos para instalaciones de BWRO y vendidos
Cesio Metal Cesio
- ↓ comercializar como fluido de perforación, desprendimiento de tubos de
perforación y tratamiento de algunos tumores
Cloro e Hidróxido de Sodio
Gas de cloro (Cl2)
Ácido hipocloroso
NaOH sólido
Concentrado líquido de NaOH
- ↑ demanda de hidróxido de sodio por los últimos 5 años
- ↓ demanda de cloro debido a la recesión económica global
Magnesio
Metal magnesio
Magnesia
Mg (SO4), Mg (OH)2, MgCl2,
MgO-Sintético
- la producción del metal magnesio desde el agua de mar no es competitiva con
métodos corrientes de producción
- ↑ demanda esperada para magnesia cáustica calcinada e hidróxido de magnesio
en un futuro cercano
- U.S. actualmente importa la mayoría de la magnesia consumida
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Nitrógeno
Amoníacoa, Urea
Nitrato de amonio
Fosfato de amonio
Sulfato de amonio
Ácido nítrico
- ↑ demanda esperada en todo el mundo para consumo en fertilizantes
- gracias a los precios estables del gas natural, la producción fija de nitrógeno
está creciendo
Potasio
Potasa (K2O) ya sea en forma de cloruro de potasio, sulfato de
potasio, o sulfato de magnesio y potasio
- ↑ para 4% de consume anual de potasa en todo el mundo debido al crecimiento
poblacional y la demanda incrementada de fertilizantes
- potasio como fertilizante sin sustitutos.
Rubidio
Metal rubidio
Carbonato de rubidio
Cloruro de rubidio
Hidróxido de rubidio
Yoduro de plata de rubidio
- probable ↑interés en el uso de rubidio para computación cuántica, en relojes
atómicos y superconductores, y para usos biomédicos.
- poca demanda
Sodio
Sal
Hidróxido de sodio
Sulfato de sodio
- los componentes del sodio son consumidos en ↑ para una variedad de
usuarios finales e industrias
Estroncio
Metal estroncio
Carbonato de estroncio
Nitrato de estroncio
Óxido de estroncio (estroncio)
Hidróxido de estroncio
Peróxido de estroncio
Celestita (sulfato de estroncio)
- ↓ demanda de estroncio desde 1997
- se espera una demanda de estroncio para ↑ el future cercano, en aplicaciones tradicionales (ej., cerámicas, vasos e
imanes), y aplicaciones avanzadas (ej., farmacéuticos)
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Litio
Carbonato de litio
Hidróxido de litio
Cloruro de litio
- ↑ demanda esperada debido a ↑ producción de baterías de ion-litio.
Uranio Triuranio octoxido
- ↑ demanda en todo el mundo proyectada a alcanzar 110 kton-U/yr para 2030.
- los costos del uranio extraido del agua de mar pueden estar entre 220-280$/ kg-U
con precios reportados a caer entre 689–2850/ kg-U
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