Brine Treatment

1. Qué es la salmuera?

2. Salmuera de Desalinización

2.1. Cantidad

2.2. Calidad

3. Procesos de Minería de Salmuera

4. Salmuera de Desalinización por Ósmosis Inversa (RO)

4.1. Antiincrustantes

5. 5. Métodos Tradicionales para Disposición de Salmuera

5.1.Comparación

5.2. Comparación de Costos

5.3. Legislaciones Regulatorias

5.4. Implementación

5.5. Huella Ecológica

5.6. Confiabilidad y Limitaciones Operacionales

Qué es la salmuera?

La salmuera puede ser identificada como una corriente líquida con salinidad incrementada que se produce de muchos procesos industriales y por un largo tiempo fue considerada únicamente como un residuo de la corriente. La temperatura de una corriente de salmuera puede variar significativamente dependiendo de su fuente.

Entre las fuentes de salmuera están:

Desalinización
Procesos de Minería

Salmuera de Desalinización

En los procesos de desalinización tenemos una corriente de producto y una corriente de subproducto. El producto, llamado permeado, es el agua pura con algunos de los sólidos disueltos que pasan a través del proceso y juntos componen el agua fresca producida. La desalinización de salmuera es una corriente líquida de subproducto con mayores concentraciones de la mayoría de los sólidos disueltos de la alimentación, algunos de los aditivos del pretratamiento (cantidades residuales de coagulantes, floculantes y antiincrustante), orgánicos, contaminantes microbianos y algunas partículas rechazadas por las membranas de 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.

El total de agua producida en 2007 alrededor del mundo a partir de los procesos de desalinización creció hasta 47.6 Mm³/d y para 2015 creció el doble con 97.5 Mm³/d. 45% de esta producción se desarrolló en el medio oriente. 70% de las plantas de desalinización después del 2000 son procesos de membrana, los cuales usan, a la fecha, Ósmosis Inversa para el 63% del total de las operaciones de desalinización; 23% son Multi Etapa Flash (MSF); 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) pueden reunir las concentraciones de sal hasta 2 veces más que y la MFS a 1.5 veces. La salmuera producida por estos procesos, que también es llamada concentrado o rechazo, está compuesta principalmente por una concentración alta de Cloruro de Sodio (NaCl) y otras diversas sales disueltas dependiendo de la composición del agua de alimentación y procesos de pretratamiento (Calcio, Magnesio, Bicarbonatos, etc.).

Figura 1. Industria de Desalinización por tecnología, usos y costo de componentes (el 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. Según la limitación de resistencia a la presión de la membrana, la Ósmosis Inversa puede concentrar únicamente corrientes salinas hasta 70,000 ppm (mg/L) del Total de Sólidos Disueltos (TDS) y no puede tratarlas más. En este texto vamos a considerar como salmuera a todas las corrientes salinas de 65,000 – 85,000 ppm que no pueden ser más concentradas con SWRO.

La disposición de la salmuera puede resultar ser muy problemática ya que:

Incrementa la salinidad de los cuerpos de agua receptores
Impacta la vida marina local
Puede contener químicos de pretratamiento y limpieza de membrana
Puede contener metales de la corrosión de los sistemas (Cu, Fe, Ni, Mo, Cr)
Crea problemas estéticos (coloración)
Impacta los acuíferos que estén cerca de fugas en las tuberías de salmuera
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 la 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 recuperación es expresada como el porcentaje (%) del rango de flujo de agua fresca producida del rango de flujo total de agua de alimentación en el sistema. La BWRO tiene recuperaciones desde 50 hasta 90% y la SWRO generalmente desde 30 hasta 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:

V_b= V_p x (1-R)/R (1)

Donde,

V_p = Volumen de permeado
V_b = Volumen de salmuera
R = Tasa (%) de recuperación del sistema

2.2 Calidad

La calidad de la salmuera depende de:

La composición de la alimentación y su salinidad
El rechazo de sal de las membranas de desalinización
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 (TDS_b) de salmuera depende de la alimentación y las concentraciones de TDS de permeado (TDS_f y TDS_p) y la recuperación de la planta (Y).

TDS_b = TDS_fx 1/(1-R) x (RxTDS_p)/(100x(1-Y)) (2)

La concentración puede ser calculada así:

CF (%) = 1/(1-R) (3)

Si se conoce el paso de sal (SP) de la membrana, el CF se puede calcular así:

CF (%) = [1 – (R x SP)]/(1-R) (4)

Donde

SP (%) = 1 - % rechazo de sal = permeado TDS (TDS_p)/feed TDS (TDS_f) (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:

El pH de salmuera es mayor que la alimentación porque tiene mayor alcalinidad
Las membranas de RO rechazan metales pesados en una relación similar, como calcio y magnesio
La mayoría de los orgánicos son rechazados en ≥ 95% (excepto para aquellos con bajo peso molecular (MW))
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.

3. Procesos de Minería de Salmuera

La salmuera también es producida durante muchos procesos de minería. En los procesos de minería son bombeadas grandes cantidades de agua en el suelo con el fin de extraer minerales. Por ejemplo, en las operaciones de minería de petróleo, de acuerdo con un estimado de Instituto Americano de Petróleo (API por sus siglas en inglés), nueve barriles de agua son recuperados por cada barril de petróleo durante una extracción típica. La salmuera de minería contiene alto contenido de sal y químicos peligrosos, los cuales podrían ser fatales para la vida marina y disponerlos es uno de los desafíos ambientales más grandes. La inyección en pozo-profundo y el almacenamiento superficial en estanques son usados para disponer los excesos de salmuera y son considerados una mayor fuente de contaminación de agua subterránea. Se ha probado que la salmuera de minería que es descargada al mar es perjudicial para los organismos marinos.

4. Salmuera de Desalinización por Ósmosis Inversa (RO)

La tasa de conversión de los procesos de RO (fig.2) está entre 30 y 55%.

Figura 2. Esquema de los aditivos químicos en el proceso de RO

4.1 Antiincrusantes

Las especies de incrustación en plantas de RO son principalmente carbonato de calcio (CaCO₃), sulfato de calcio (CaSO₄) y sulfato de bario (BaSO₄). También pueden ocurrir otras incrustaciones de fosfato de calcio (Ca₃(PO₄)₂), silicato o metal. 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 han vuelto muy comunes 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*	65-85 g/L a ambiente SW T^oC	≈ 50,000 mg/L ± 5-15 ^oC desde SW T^oC	↓ vitalidad & biodiversidad a valores ás altos inofensivos después de una buena disolución
*Densidad del Efluente*	> densidad del agua	Depende del proceso	↓ biodiversidad
*Oxígeno Disuelto (DO)*	well intakes → tipicamente < SW DO open intakes → ≈ SW DO a ambiente SW T^oC	Puede ser < SW DO debido a la desaireación física y uso de eliminadores de oxpigeno	/
*Aditivos para control de bioincrustaciones y subproductos*
*Chloro*	Neutralizado antes de las membranas para prevenirla oxidación de la membrana	ca. 10-25% desde la dosificación de alimentación, si no es neutralizado	↑↑ tóxico para muchos organismos Rápidamente degradable
*Orgánicos halogenados*	usualmente < niveles dañinos	Variando la composición y las concentraciones Tipicamente trihalometanos	Efectos cancerígenos Dispersar con corriente y a través de evaporación
*Aditivos de control de incrustaciones*
*Antiincrustantes*	< niveles tóxicos	< niveles tóxicos	degradabilidad pobre/moderado + cargas totales altas → acumulación, efectos crónicos, efectos colaterales desconocidos
*Foam control additives*
*Agentes antiespumantes (e.j. poliglicol)*	No presenta (no require tratamiento)	< niveles tóxicos	No tóxico Buena degradabilidad
*Contaminants due to corrosion*
*Metales pesados*	↑concentraciones de hierro, cromo, níquel, molibdeno si ↓ es usada la calidad del acero inoxidable	↑concentraciones de cobre y níquel si, ↓ son usados materiales de calidad para los intercambiadores de calor	Cobre- MSF (15-100 mg/L)- toxicidad para muchas especies; ↑ (bio)acumulación y efectos a largo plazo Rastrea metales → efectos no tóxicos o de largo plazo (excepto tal vez para Ni en MSF)

5. Métodos convencionales de disposición de salmuera

Las cinco opciones convencionales para administrar la salmuera en los Estados Unidos son usadas en las siguientes capacidades:

Descarga de agua superficial (45%)
Disposición en alcantarilla (27%)
Inyección en pozo profundo (13%)
Aplicaciones de la tierra (8%)
Estanques de evaporación (4%)

Tabla 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	45

Figura 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 BW de 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 la cosecha de halófitas crece todo el año.

5.1. Comparación

Las ventajas y desventajas principales de la mayoría de las opciones comunes para administración de salmuera se presentan en a Tabla 4.

Tabla 4, Comparación de Métodos de Administración de Salmuera

*Método de Administración de Salmuera*	*Ventajas*	*Desventajas*
*Descarga de agua superficial*	Puede ser usada para todos los tamaños de plantas Costos efectiva para tasas de fklujo de salmuera de mediano a grande	La salmuera puede tener impacto negativo en el ecosistema acuático Dificultad y complejidad en los procedimientos de permiso
*Descarga en alcantarilla*	Bajos costos de operación y construcción Fácil implementación Bajo consumo de energía	Flujo de salmuera limitado a pequeño Potenciales efectos adversos en operaciones WWTP
*Inyección en pozo profundo*	Adecuado para plantas de desalinización en el interior Costos moderados Bajo consumo de energía	Posible únicamente si está disponible el acuífero salino confinado profundo Potencial contaminación de agua subterránea
*Estanques de evaporación*	Fácil de construir y operar Uso en el interior y en la costa	Flujo de salmuera limitado a pequeño Alto costo y huella ambiental
*Aplicación en la tierra*	Fácil de implementar y operar Uso en el interior y en la costa	Alto costo y huella ambiental Plantas limitadas y pequeñas

5.2 comparación de costos

Tabla 6, presenta los costos de construcción para una planta de desalinización BWRO de 40,000 m³/día y una SWRO al 80% de recuperación - 10,000 m³/d de salmuera y 45% de recuperación - 48,900 m³/d respectivamente.

Tabla 6, Costos de construcción para métodos de disposición de salmuera de una planta de desalinización teórica 40,000 m3/ dia

*Método de Administración de Salmuera*	*BWRO ($ mm)*	*SWRO ($ mm)*
*Descarga de agua superficial*	2-10	6.5-30
*Descarga en alcantarilla*	0.5-2	1.5-6
*Inyecciónen pozo profundo*	4-8	15-25
*Estanque de evaporación*	30-50	140-180
*Irrigación por rociado*	8-10	30-40

Figura 4, Representación gráfica de un enfoque aproximado de disposición convencional del tratamiento de salmuera para CAPEX, dependiendo de las tasas de flujo de salmuera.

5.3. Legislación regulatoria

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.

5.4. 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 frecuentemente la forma más fácil para implementar una alternativa de gestión de concentrados.

5.5. Huella ambiental

Los sitios más pequeños generalmente pertenecen a descargas en alcantarillado y los estanques de evaporación usualmente tienen los requerimientos de sitio más grandes.

5.6. 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.

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