Trattamento in salamoia
5. Metodi convenzionali di smaltimento della salamoia
5.1. Confronto
5.2. Confronto dei costi
5.3. Normative normative
5.4. Implementazione
5.5. Impronta
La salamoia può essere identificata come un flusso liquido con maggiore salinità che viene prodotto da molti processi industriali ed è stato a lungo considerato solo un flusso di rifiuti. La temperatura di un flusso di salamoia può variare in modo significativo a seconda della sua fonte.
Le fonti di salamoia includono:
- Desalinizzazione
- Processi minerari
Nel processo di desalinizzazione abbiamo un prodotto e un sottoprodotto. Il prodotto, chiamato permeato è l'acqua pura con alcuni dei solidi disciolti che passano attraverso il processo e insieme compongono l'acqua dolce prodotta. La desalinizzazione salamoia è un flusso liquido sottoprodotto con concentrazioni più elevate della maggior parte dei solidi disciolti del mangime, alcuni degli additivi di pretrattamento (quantità residue di coagulanti, flocculanti e antincrostanti), sostanze organiche, contaminanti microbici e qualsiasi particolato rifiutato dalle membrane RO.
La domanda di fornitura nell'ultimo decennio è aumentata sia per l'acqua potabile che per quella industriale di buona qualità. Con la diminuzione delle fonti di acqua dolce, l'aumento della popolazione e i nuovi progressi compiuti nella tecnologia di desalinizzazione, i fornitori di acqua si sono rivolti al trattamento dell'acqua salmastra (BW) e dell'acqua di mare (SW) per soddisfare queste richieste
Entro il 2007 l'acqua totale prodotta in tutto il mondo dai processi di desalinizzazione è aumentata fino a 47,6 Mm3/d ed entro il 2015 è raddoppiata con 97,5 Mm3/d e il 45%   ;di questa produzione che si svolge in Medio Oriente. Il 70% degli impianti di dissalazione dopo il 2000 erano processi a membrana, il che porta fino ad oggi l'Osmosi Inversa (RO) al 63% del totale delle operazioni di dissalazione. Il 23% sono Multi Stage Flash (MSF), l'8% Multi Effect Distillation (MED) e il resto sono Electrodialysis (ED)/Electrodialysis Reversal (EDR) e ibridi. L'acqua di mare RO (SWRO) può concentrare la concentrazione di sale fino a 2 volte superiore e MSF a 1,5 volte. La salamoia prodotta da questi processi, chiamata anche concentrato o scarto, è composta principalmente da un'elevata concentrazione di cloruro di sodio (NaCl) e diversi altri sali disciolti a seconda della composizione dell'acqua di alimentazione e del pretrattamento del processo (Calcio, Magnesio, Bicarbonati, ecc.).
Fig.1, Industria della dissalazione per tecnologia, utenti e componenti di costo (i costi presuppongono un costo dell'elettricità di $ 0,05/kWh e un prezzo del petrolio di $ 60/bbl), Desalinizzazione e sostenibilità - Una valutazione e una prospettiva attuale, Veera Gnaneswar Gude, Water Research 89 (2016)
Brine è un termine molto generico nel settore dell'acqua. Secondo la comune limitazione della resistenza alla pressione della membrana RO, RO può concentrare solo il flusso salino fino a circa 70.000 ppm (mg/L) di solidi totali disciolti (TDS) e non può trattarlo ulteriormente. In questo testo, considereremo salamoia tutti i flussi salini di 65.000-85.000 ppm che non possono essere ulteriormente concentrati con SWRO.
Lo smaltimento della salamoia può rivelarsi piuttosto problematico in quanto,
- aumenta la salinità dei corpi idrici riceventi
- ha un impatto sulla vita marina locale
- può contenere prodotti chimici per il pretrattamento e la pulizia delle membrane
- può contenere metalli della corrosione dei sistemi (Cu, Fe, Ni, Mo, Cr)
- crea problemi estetici (colorazione)
- ha un impatto sulle falde acquifere vicine a causa delle perdite nei tubi della salamoia
- crea danni permanenti a causa delle opere infrastrutturali di scarico.
La salamoia viene eliminata direttamente prima dello smaltimento, ma a causa di legislazioni governative sempre più severe, metodi convenzionali di gestione della salamoia come lo scarico in acque superficiali/profonde, l'iniezione in pozzi profondi o lo scarico negli impianti di trattamento delle acque reflue potrebbe non essere una scelta fattibile in un prossimo futuro.
La quantità di salamoia dipende dalla capacità di produzione dell'impianto di dissalazione e dal suo tasso di recupero. Il recupero è espresso come percentuale (%) della portata di acqua dolce prodotta rispetto alla portata totale di alimentazione dell'impianto. BWRO ha recuperi dal 50 al 90% e SWRO in genere dal 30 al 55%. Un recupero più elevato si traduce in un volume di concentrato più piccolo (maggiore salinità) e viceversa. Il volume di salamoia prodotta dall'impianto di dissalazione può essere calcolato come,
Vb = Vp x (1-R)/R (1)
dove,
- Vp = volume del permeato
- Vb = volume salamoia
- R = tasso di ripristino del sistema (%)
La qualità della salamoia dipende da:
- la composizione del feed e la sua salinità
- le membrane di desalinizzazione’ rifiuto del sale
- il recupero totale
Il fattore di concentrazione BWRO è in genere compreso tra 4 e 10 mentre SWRO è solitamente compreso tra 1,5 e 2,0 volte. Salamoia TDS (TDSb) dipende dalle concentrazioni di mangime e permeato TDS (TDSf e TDSp) e il recupero dell'impianto (Y),
TDSb = TDSf x 1/(1-R) x (RxTDSp )/(100x(1-Y)) (2)
La concentrazione può essere calcolata come,
CF(%) = 1/(1-R) (3)
Se il passaggio del sale di membrana (SP) è noto, CF può essere calcolato come,
CF(%) = [1 – (R x SP)]/(1-R) (4)
dove
SP (%) = 1 - % reiezione salina = permeato TDS (TDSp)/feed TDS (TDSf< /sub>) (5)
La FC salina è principalmente limitata dalla crescente pressione osmotica della salamoia (πsalamoia). Per SWRO, questo limite è di ca. Da 65.000 a 85.000 mg/L. Il recupero ottimale per un sistema SWRO a passaggio singolo è del 40-45% e il CF si muove in un intervallo compreso tra 1,5 e 1,8. Per fare un confronto, gli impianti BWRO hanno tipicamente recuperi dal 70 al 90% e fattori di concentrazione da 4 a 10.
A seconda della qualità del feed, possiamo utilizzare le seguenti regole per prevedere la qualità della salamoia
- Il pH della salamoia è più alto del mangime perché ha una maggiore alcalinità
- Le membrane RO respingono i metalli pesanti in un rapporto simile a quello del calcio e del magnesio
- la maggior parte dei prodotti organici viene rifiutata in ≥ 95% (tranne quelli a basso peso molecolare (MW))
- acqua sotterranea (GW) salamoia BWRO, può essere anaerobica e può contenere acido solfidrico (H2S)
Se il pretrattamento è incluso nel processo di desalinizzazione, l'acqua di alimentazione RO avrà livelli ridotti di alcuni costituenti come metalli disciolti, microrganismi e particelle, ma anche una concentrazione leggermente aumentata di ioni inorganici come solfato, cloruro e ferro se vengono utilizzati coagulanti. La salamoia può anche contenere sostanze organiche residue dal condizionamento dell'acqua di sorgente con polimeri e antincrostanti.
La salamoia generata ha una bassa torbidità (di solito < 2 NTU), un basso totale di solidi sospesi (TSS) e una domanda biochimica di ossigeno (BOD) (di solito < ; 5 mg/L) perché la maggior parte del particolato contenuto è dovuto alla sua rimozione dal pretrattamento.
Ma se i flussi laterali di pretrattamento dell'impianto vengono miscelati e scaricati con la salamoia, la miscela potrebbe presentare una maggiore torbidità, TSS e occasionalmente BOD. Gli acidi e gli inibitori delle incrostazioni aggiunti all'acqua di alimentazione vengono respinti dalla membrana SWRO e influiscono anche sul contenuto di minerali e sulla qualità della salamoia. I livelli di inibitori delle incrostazioni nel concentrato sono generalmente < 20 mg/l.
La salamoia viene prodotta anche durante molti processi minerari, come le operazioni di petrolio e gas. Nei processi minerari, grandi quantità di acqua vengono pompate nel terreno per estrarre minerali. Ad esempio, nelle operazioni di estrazione del petrolio, secondo la stima dell'American Petroleum Institute, durante una tipica estrazione vengono recuperati nove barili d'acqua per ogni barile di petrolio. La salamoia di estrazione contiene un alto contenuto di sale e sostanze chimiche pericolose, che potrebbero essere molto pericolose per la vita marina e lo smaltimento è una delle maggiori sfide ambientali. L'iniezione in pozzi profondi e lo stoccaggio superficiale negli stagni vengono utilizzati per smaltire la salamoia in eccesso e sono considerati una delle principali fonti di contaminazione delle acque sotterranee. La salamoia di estrazione che viene scaricata in mare si è rivelata dannosa per gli organismi marini.
Le specie ridimensionanti nelle piante RO sono principalmente carbonato di calcio (CaCO3), solfato di calcio (CaSO4) e solfato di bario (BaSO4). Possono verificarsi anche altri come fosfato di calcio (Ca3(PO4)2), silicato o incrostazioni metalliche. Per applicare il controllo delle incrostazioni, vengono utilizzati il trattamento acido e il dosaggio di antincrostanti. In RO l'acido solforico era più comunemente usato ma l'uso di antiscalanti, come polifosfati, fosfonati o acidi policarbonici è diventato molto comune a causa degli effetti negativi del trattamento con acido inorganico
Tabella 1 ,Proprietà fisiche e chimiche della salamoia dalla desalinizzazione dell'acqua di mare e potenziali impatti ambientali/ecologici dal suo smaltimento.
| Piante RO | Piante di MSF | Impatti ambientali/ecologici | |
|---|---|---|---|
| Proprietà fisiche | |||
| Salinità e temperatura | 65-85 g/L a temperatura ambiente SW ToC | ≈ 50.000 mg/l ± 5-15 oC da SW ToC | ↓ vitalità & biodiversità a valori più elevati innocuo dopo una buona diluizione |
| Densità degli effluenti | > densità dell'acqua | dipende dal processo | ↓ biodiversità |
| Ossigeno disciolto (DO) | bene assunzioni → in genere < SW FARE prese aperte → ≈ SW DO a ambiente SW ToC | può essere < SW DO a causa della disareazione fisica e dell'uso di scavenger di ossigeno | / |
| Additivi e sottoprodotti per il controllo del biofouling | |||
| Cloro | neutralizzato prima delle membrane per prevenire l'ossidazione della membrana | ca. 10-25% dal dosaggio del mangime, se non neutralizzato | ↑↑ tossico per molti organismi degrada rapidamente |
| Prodotti organici alogenati | di solito < livelli nocivi | composizione e concentrazioni variabili tipicamente trialometani | effetti cancerogeni dispersione con evaporazione attuale e completa |
| Additivi per il controllo delle incrostazioni | |||
| Antiscalanti | < livelli tossici | < livelli tossici | degradabilità scarsa/moderata + carichi totali elevati → accumulo, effetti cronici, effetti collaterali sconosciuti |
| Additivi per il controllo della schiuma | |||
| Agenti antischiuma (es. poliglicole) | Non presente (trattamento non richiesto) | < livelli nocivi | non tossico buona degradabilità |
| Contaminanti dovuti alla corrosione | |||
| Metalli pesanti | ↑concentrazioni di ferro, cromo, nichel, molibdeno se ↓ viene utilizzato acciaio inossidabile di qualità | ↑concentrazioni di rame e nichel se ↓ vengono utilizzati materiali di qualità per gli scambiatori di calore | Rame- MSF (15-100 mg/L)- ↓ tossicità per la maggior parte delle specie; ↑ (bio)accumulazione ed effetti a lungo termine tracce di metalli → nessun effetto tossico oa lungo termine (tranne forse Ni in MSF) |
Le cinque opzioni convenzionali di gestione della salamoia negli Stati Uniti sono utilizzate nelle seguenti capacità (Tabella 2 e Fig.3),
- scarico acque superficiali (45%)
- smaltimento delle fognature (27%)
- iniezione profonda (13%)
- applicazione del terreno (8%)
- stagni di evaporazione (4%)
Tabella 2, Metodi di smaltimento della salamoia più comuni negli Stati Uniti
| Metodo di smaltimento della salamoia | Principio e descrizione | % della capacità totale | |
| Iniezione in un pozzo profondo | La salamoia viene iniettata nelle formazioni rocciose porose del sottosuolo | 13 | |
| Applicazione del terreno | La salamoia viene utilizzata per l'irrigazione di colture ed erbe tolleranti al sale | 8 | |
| Stagni di evaporazione | La salamoia può evaporare negli stagni mentre i sali rimanenti si accumulano alla base dello stagno | 4 | |
| Scarico fognario | Scarico di salamoia in un sistema di raccolta delle acque reflue esistente. Basso costo ed energia | 27 | |
| Scarico di acqua di mare; Superficie | La salamoia viene scaricata sulla superficie dell'acqua di mare. Il metodo più comune per tutti i grandi impianti di dissalazione nel mondo | 45 | |
| Scarico di acqua di mare; Sommerso | La salamoia viene scaricata al largo attraverso diffusori multiporta installati sul fondo del mare |
Fig.3, Metodi di smaltimento della salamoia più comuni negli Stati Uniti
Lo scarico delle acque superficiali è l'alternativa più comune perché può essere applicato a impianti di dissalazione di tutte le dimensioni. Lo smaltimento fognario è il metodo maggiormente applicato per gli scarichi di piccoli impianti di dissalazione. L'applicazione di iniezione in pozzi profondi è più adatta per impianti BW interni di medie e grandi dimensioni. Gli stagni di applicazione del terreno e di evaporazione vengono solitamente applicati per piante di piccole e medie dimensioni in cui le condizioni climatiche e del suolo prevedono elevati tassi di evaporazione e crescita e raccolta per tutto l'anno di vegetazione alofitica.
I principali vantaggi e svantaggi delle più comuni opzioni di gestione della salamoia sono presentati nella Tabella 4.
Tabella 4, Confronto dei metodi di gestione della salamoia
Tabella 6, presenta i costi di costruzione per 40.000 m3/giorno di impianti di dissalazione BWRO e SWRO all'80% di recupero - 10.000 m3/giorno di salamoia e 45% di recupero - 48.900 m3/giorno di salamoia rispettivamente.
Tabella 6, Costi di costruzione per i metodi di smaltimento della salamoia dell'impianto di dissalazione da 40.000 m3/giorno teorici
| Metodo di gestione della salamoia | Vantaggi | Svantaggi |
| Scarico acque superficiali |
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| Scarico fognario |
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| Iniezione in pozzi profondi
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| Stagni di evaporazione
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| Applicazione fondiaria |
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| Metodo di gestione della salamoia | BWRO ($ mm) | SWRO ($ mm) |
| Scarico acque superficiali | 2-10 | 6.5-30 |
| Scarico fognario | 0.5-2 | 1.5-6 |
| Iniezione in pozzi profondi | 4-8 | 15-25 |
| Stagno di evaporazione | 30-50 | 140-180 |
| Irrigazione a spruzzo | 8-10 | 30-40 |
Fig.4, Rappresentazione grafica di un approccio approssimativo al CAPEX dello smaltimento del trattamento della salamoia convenzionale in base alle portate della salamoia
Tipicamente gli scarichi di salamoia in fognatura (limitatamente a piccoli flussi di salamoia) o in acque superficiali (mare, oceano o fiume) sono previsti meglio nelle legislazioni a causa del loro uso comune. Gli stagni di evaporazione rivestiti con un sistema di monitoraggio delle perdite di solito sono più facili da ottenere un permesso piuttosto che l'applicazione del terreno (smaltimento di RIB e irrigazione a spruzzo) perché sono più protettivi delle falde acquifere locali.
La durata della costruzione di alcuni sistemi di smaltimento della salamoia, come ad esempio lunghi scarichi oceanici con complesse strutture di diffusione, è spesso la stessa dei tempi di costruzione dell'impianto di dissalazione stesso e comporta prolungati studi ambientali e revisioni normative. Anche i RIB e i pozzi di iniezione profonda implicano studi dettagliati e spesso da sei mesi a un anno sull'idoneità e sui vincoli del sito. Lo scarico in una fognatura sanitaria è solitamente il modo più semplice per implementare un'alternativa di gestione dei concentrati.
Il sito più piccolo in genere appartiene agli scarichi fognari e gli stagni di evaporazione di solito hanno i requisiti di sito più grandi.
5.6. Affidabilità e limitazioni operative
I pozzi di iniezione profondi non sono adatti in zone sismiche e richiedono la disponibilità di falde acquifere profonde e ad alto contenuto salino. I pozzi di iniezione avranno bisogno di ispezione e manutenzione periodiche, che richiedono un'alternativa di smaltimento di riserva o l'installazione di pozzi di riserva.
I pozzi sulla spiaggia poco profonda non sono adatti quando la loro posizione è caratterizzata da un'elevata erosione della spiaggia.
Le opzioni di gestione della salamoia come gli stagni di evaporazione o l'applicazione del terreno possono essere di natura stagionale e in questo caso è necessaria un'alternativa di riserva per migliorarne l'affidabilità.
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