Document

PROYECTOS DE INVESTIGACIÓN SOBRE GESTIÓN Y
TRATAMIENTO DE SALMUERAS PROCEDENTES DE
PLANTAS DESALADORAS
Domingo Zarzo y Elena Campos
Valoriza Agua
Índice de la presentación
•Introducción
•Tecnologías para la gestión de las salmueras en
plantas de interior
•Proyecto I+D sobre gestión de salmueras
•Manual de buenas practicas para la inyección
profunda de salmueras
•Proyecto de I+D sobre la gestión de salmueras en el
sector minero (proyecto TAAM)
•Ejemplos prácticos de gestión de salmueras
•Conclusiones
Introducción
Uno de los aspectos ambientales más relevantes en el campo de la
desalación es el de los vertidos de salmueras o concentrados. En los
últimos años, se han incrementado los esfuerzos en hacer que estos
vertidos tengan en menor impacto posible e incluso en la posibilidad
de su posible aprovechamiento industrial por la vía de la extracción
de sales u otros productos químicos.
En el caso de las salmueras de agua de mar, el problema está
resuelto o al menos controlado mediante las prácticas habituales
(estudios medioambientales previos, dilución previa a la descarga,
uso de difusores, localización de la descarga, planes de vigilancia,
etc.).
Sin embargo, en el caso de las aguas salobres en zonas de interior, la
descarga de salmueras es un problema importante con una solución que
muchas veces, aunque tiene solución técnica (como puede ser los
sistemas de vertido cero liquido, ZLD) es inviable económicamente.
Un problema adicional es que la composición de la salmuera procedente
de aguas salobres no se basa solo en cloruro sódico, como en las de agua
de mar, sino que incluyen otros componentes como sulfatos, nitratos,
sílice, y puede generar problemas con los nutrientes (N y P), o puede
contener elementos específicos de alta toxicidad como metales pesados
en aguas de minería, arsénico, etc.
Southern Seawater Desalination plant,
Western Australia, 153.000 m3/día,
actualmente en ampliación a 300,000
m3/día
Tecnologías para la gestión de las
salmueras en plantas de interior
“Estado de Arte” en la gestión de salmueras.
Técnologías disponibles (1)
• Descarga en aguas superficiales
• Descarga combinada con otros efluentes (agua
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
residual, agua de mar, etc.)
Inyección en pozos profundos
Aplicación al terreno
Lagunas de evaporación
Gradientes de salinidad en lagunas solares
Ósmosis inversa en 2 etapas, con precipitación
química entre etapas
Ósmosis inversa en 2 etapas con tratamiento
biológico entre etapas
Ósmosis inversa con pretratamiento de
ablandamiento y alto pH
Nanofiltración de doble paso
Proceso SPARRO (Seeded Slurry Precipitation
and Recycle)
WAID (Wind Aided Intensified Evaporation)
Solidificación y captura de las sales
Procedimientos de extracción de sales o
producción de productos químicos
“Estado de Arte” en la gestión de salmueras.
Tecnologías disponibles (2)
Tecnologías “emergentes”
•Destilación de membrana o pervaporación
•Desionización capacitiva
• FO (Forward osmosis)
- Otros
Esquema experimental de una Forward Osmosis (FO). Fuente; “A novel implementation on water
recovery from whey “ForwardForward-Reverse Osmosis”
Osmosis” Intregrated Membrane systems”
systems”. C. Aydiner y
col.
Porcentaje de uso de distintos métodos de gestión de
salmueras
Método para la gestión / eliminación de
salmueras
Frecuencia de uso (en % de número
de plantas)
Descarga en aguas superficiales
45%
Descarga a redes de saneamiento
42%
Inyección en pozos profundos
9%
Lagunas de evaporación
2%
Riego o aplicación al terreno por
aspersión
2%
Descarga liquida cero (Zero liquid
discharge –ZLD)
< 0,1 %
Fuente: Informe de la organizació
organización mundial de la salud: “Desalination for safe
water supply. Guidance for the Health and Environmental Aspects Applicable to
Desalination”
Desalination”
Proyecto de
salmueras
I+D
sobre
gestión de
Participantes
PRESUPUESTO:
Subvenciones:
Duración:
6.2 millones de €
2,6 millones de € (Ministerios de Industria y
Medio Ambiente españoles)
3 años
LÍNEAS DE INVESTIGACIÓN DESARROLLADAS
1) Desarrollo a nivel piloto de sistema de recuperación y valorización de
sales divalentes procedentes de salmueras de desaladoras
2) Estudio de la viabilidad técnica y económica de un sistema de
evaporación-cristalización para la eliminación de salmueras
3) Estudio de posibles aplicaciones industriales de las salmueras o
productos obtenidos de las salmueras
4) Estudio de la viabilidad técnica y económica de la inyección de
salmueras de desaladoras en acuífero profundo
5) Estudio del efecto de la ósmosis directa y otros parámetros sobre la
dilución de salmueras en el mar y la modelización de dicho efecto en
contraste a los modelos matemáticos utilizados hasta el momento
Las etapas del proyecto han sido en general,
1) Recopilación bibliográfica, investigación de mercado y definición de
alternativas
2) Desarrollo de las tecnologías a escala piloto
3) Diseño e implementación de plantas piloto
4) Puesta en marcha de los pilotos
5) Desarrollo de experimentos en plantas piloto y elaboración de
conclusiones
1) Desarrollo a nivel piloto de sistema de
recuperación y valorización de sales divalentes
procedentes de salmueras de desaladoras
OBJETIVO:
Desarrollar un sistema a escala piloto de Extracción de sales
procedentes de salmueras de desaladoras para;
- Incrementar el rendimiento del proceso de desalación del agua
(aumento de la conversión del sistema)
- Extracción de las sales disueltas en la salmuera para su valorización
posterior
- Eliminación o reducción del vertido
-Como consecuencia del proceso elegido, producción de energía a partir
del disolvente residual utilizado en el proceso
El proceso se basa en la extracción de sales (principalmente divalentes)
de la salmuera por medio de la precipitación de las mismas con un
disolvente orgánico
Desarrollo de la línea de investigación
-En la Universidad Complutense de Madrid, ensayos de laboratorio y plantas piloto.
-Disolvente con el que mejor resultado fue etanol.
-Se ensayaron otros disolventes orgánicos como acetona, isopropanol y glicerol y
se realizaron pruebas en cámara hiperbárica
-La parte energética del proceso (producción de energía a partir del etanol
residual) fue estudiada por Valoriza Energía y se realizó un estudio de
disponibilidad de combustible y de la turbina adecuada.
Se realizaron diversos estudios que incluyeron:

Estudio de viabilidad económica y legal del uso de etanol como combustible para
generación de energía, que resultó ser el aspecto limitante del proyecto

Estudio de instalaciones de vertido cero de una planta de OI industrial

Estudio previo sobre las posibilidades de separación del agua/etanol mediante
proceso de pervaporación por la Universidad de Alcalá de Henares

Estudios de viabilidad de la aplicación de la tecnología para solucionar problemas
de descarga de plantas para eliminar arsénico
CONCLUSIONES
•La separación de sales divalentes de salmueras mediante extracción
con disolventes orgánicos es técnicamente viable
•Para que el proceso sea económicamente viable es necesario la
implementación de un sistema de recuperación del disolvente que
permita su aprovechamiento energético
•Es necesario optimizar el proceso para reducir la degradación del
disolvente, para lo que se podrían aplicar tecnologías de membranas
como pervaporación
•Estas tecnologías de minimización del rechazo es especialmente
interesante cuando las salmueras contienen elementos tóxicos como
arsénico.
2) Estudio de la viabilidad técnica y económica
de un sistema de evaporación-cristalización para
la eliminación de salmueras
Objeto de la línea de investigación: Estudiar la viabilidad técnica y
económica de los sistemas de evaporación-cristalización como solución
de vertido liquido cero.
La tecnología de evaporación-cristalización es una tecnología que combina
ambas técnicas para producir un residuo sólido a partir de un efluente
líquido. Se ha utilizado para diferentes aplicaciones, como son la reducción
de los efluentes de:
•rechazos de tecnologías de membranas
•purgas de circuitos de refrigeración
•salmueras de procesos de fabricación (olivas, conservas, aceite)
•efluentes de lavado de gases en centrales térmicas de carbón o
siderúrgicas
•efluentes de procesos metalúrgicos
•otros efluentes de difícil tratamiento, como lixiviados
Q = 7 l/h
Q = 100 l/h
Planta piloto 1- evaporación-cristalización
mediante equipo por bomba de calor
Planta piloto 2- Equipo de evaporación-cristalización al
vacío mediante caldera de vapor
Caracterización de las sales producidas,
basicamente Sulfato cálcico
Resumen y Conclusiones
 La Tecnología de Evaporación-cristalización, a priori, solo es viable
económicamente si se asocia con un sistema de recuperación de vapor o
calor residual ya que tiene un alto consumo energético
 En la salmuera de la planta estudiada (Cuevas de Almanzora), las
principales sales en forma cristalinas encontradas en las sales
corresponden a la Basanita CaSO4*5H2O, en mucha mayor proporción que
la Halita NaCl y la Aragonita CaCO3.
 En los experimentos realizados no se alcanzó al máximo de concentración,
siendo preciso una duración mayor del ensayo, ya que no se llegó a
concentraciones por encima del producto de solubilidad de ClNa.
 Es preciso optimizar el proceso para minimizar el consumo de combustible.
Los estudios realizados han identificado los parámetros de operación que
afectan a las variables del proceso y a la composición de las sales. Es
preciso continuar el estudio para la optimización económica (consumo
energético principalmente)
 En fase posterior se plantea el modificar las plantas pilotos para incluir
energía solar, y minimizar los costes energéticos.
3) Estudio de posibles aplicaciones industriales
de las salmueras o productos obtenidos de las
salmueras
Objeto de la línea de investigación
Determinar la viabilidad técnica y económica de la aplicación de salmueras
procedentes de desaladoras para distintos usos procediendo de este modo
a su valorización.
Algunas posibles aplicaciones de estas salmueras podrían ser:
•producción de sal de mesa en salinas de agua de mar
•recuperación ambiental de humedales
•usos industriales (regeneración de resinas, electrocloración, etc.)
•control de heladas
•obtención de productos químicos y sales
•cultivo de microalgas
Como resultado de los trabajos realizados coordinados por el Instituto del
Agua de la universidad de Alicante, se elaboró un informe de la
recopilación bibliográfica / estudio de mercado.
Producción de Microalgas en salmueras como
medio de cultivo
Experimentos realizados
En Planta Piloto
1. Semicontinuo en exterior en planta piloto
2. Optimizacion de las condiciones en interior
en planta piloto
3. Continuo en interior en planta piloto
En cámara de cultivos en el laboratorio
4. Con agua residual procedente de un terciario
de MBR como única fuente de nutrientes
5. Con salmuera y agua residual como aporte
de fósforo
6. Dunaliella salina con salmuera de mar y agua
residual
CONCLUSIONES DE LOS ENSAYOS
•Se aislaron más de 25 especies, de las que se seleccionaron varias capaces de
reducir hasta en un 93% los nitratos
•Destacar que es preciso adicionar Fósforo y oligoelementos al menos de 1 mg/l
•El proceso es especialmente interesante para vertidos de terciarios, que
contarán con suficiente cantidad de nutrientes, y que presenta problemas de
vertido por superar los niveles máximos admitidos.
•Está por estudiar los posibles usos y aprovechamientos de la biomasa generada,
existiendo diversas posibilidades: producción de betacarotenos, biomasa para
producción de energía, o producción de biodiesel y/o etanol.
•Hay que desarrollar tecnologías de recolección/separación de la biomasa.
Conclusión general. Es una línea muy interesante con muchas posibilidades de
investigación y posibles aplicaciones tecnológicas. Tiene especial interés para el
tratamiento de salmueras cargadas en compuestos nitrogenados, generadas en
plantas de reutilización.
4) Estudio de la viabilidad técnica y económica
de la inyección de salmueras de desaladoras en
acuífero profundo
Objeto de la línea de investigación; esta Línea de Investigación pretendía
evaluar la viabilidad de la inyección de salmueras en acuíferos profundos.
El estudio comenzó con un caso concreto en la planta potabilizadora de
Abrera, y que cuenta con la tecnología de desalación de electrodiálisis
reversible (200.000 m3/día)
Se realizaron una serie de estudios hidrogeológicos de la red de acuíferos
afectados y se determinó por las características de la cuenca que la inyección
profunda no era viable para el caso de la planta de Abrera.
Finalmente, los objetivos se ampliaron realizando un amplio estudio de
posibilidades de aplicación en todo el territorio español, y con la elaboración
de un manual de buenas prácticas que servirá de guía para futuros proyectos.
Posibilidades de aplicación en España de la
inyección en acuíferos profundos
750 pozos o sondeos petrolíferos
explotándose o para prospección.
590 pozos o sondeos a menos de
20 Km de formaciones salinas
Existen 545 pozos o sondeos situados a
menos de 20 Km de EDARS.
Conclusiones de los estudios
 La inyección en acuíferos profundos plantea muchos problemas de
seguridad y continuidad a lo largo del tiempo, debiendo tratarse de un
acuífero “trampa”, es decir confinado.
 Hay paises donde se ha llevado a cabo la inyección profunda, con
algunos ejemplos en Estados Unidos en el Estado de Florida y en la
desaladora de El Paso en Texas.
 También se ha empleado esta técnica en algunas desaladoras utilizando
pozos de petróleo agotados.
 En España hay algún caso aislado, aunque la legislación ambiental lo
hace prácticamente inviable
 En España hay pocos pozos petrolíferos, y además están cotizados para
otros usos, por ejemplo como almacén de gas natural y como sumideros
de CO2, con lo que la disponibilidad práctica es muy baja.
 En el marco de este proyecto el IMDEA, la Universidades de Juan Carlos
I y Alcalá de Henares se ha desarrollado un Manual de buenas prácticas
de inyección profunda de salmueras que pretende ser referente
Manual de buenas prácticas para la
inyección profunda de salmueras
Dentro del presente proyecto de investigación, se desarrolló un
manual de buenas prácticas de inyección de salmueras en
acuíferos profundos. Se ha intentado definir como realizarlo
correctamente y con el menor impacto ambiental, incluyendo
las siguientes etapas;
•Fase de estudio. Incluye a) selección del emplazamiento, b) Compatibilidad de
fluidos y c) Recopilación de datos y cálculo de parámetros
•Fase de diseño. Se recopilarán los datos necesarios para el diseño del pozo y
parámetros mínimos a establecer y se diseñará el pozo y también el diseño de su
monitorización
•Autorización. Se Someterá a las autoridades ambientales pertinentes para su
autorización.
•Fase de construcción o ejecución. Se deberán definir los requisitos mínimos y
controles durante la realización del pozo y la comprobación de la estabilidad de
éste.
•Fase de operación. Durante esta fase se deberá controlar el índice de
inyectividad, y vigilar la ocurrencia de obturación parcial del almacén, problemas
de migración del residuo y disminución del rendimiento de la inyección con el
tiempo
•Fase de clausura
El Manual ha sido publicado y puede
ser descargado de forma gratuita en
la página web de Valoriza Agua
www.valoriza-agua.com
5) Estudio del efecto de la ósmosis directa y
otros parámetros sobre la dilución de
salmueras en el mar y la modelización de
dicho efecto en contraste a los modelos
matemáticos
1)
se ha diseñadoexistentes
una planta piloto que consta de un tanque de PRFV de
50 m3 con una serie de sensores de conductividad a distintas alturas y
longitudes, con el fin de parametrizar el modo de dilución. Los
resultados obtenidos en planta piloto se han contrastado con los
modelos matemáticos.
2) Se ha estudiado también el proceso de difusión de salmuera en el agua
de mar con técnicas de INTERFEROMETRÍA HOLOGRÁFICA
3) Una tercera parte interesante de este proyecto es la de comparar datos
de dilución de salmueras en el mar de plantas reales con las
predicciones de los modelos de dilución.
Estudios planta piloto de dilución
Laboratorio
Planta piloto
Se han realizado diversos estudios de dilucion y publicado los resultados en distintos
congresos (IDA, AEDyR, etc)
Estudios planta piloto de dilución
La planta piloto de 50 m3 de capacidad,
contiene 23 medidores de conductividad
colocados en distintas posiciones que han
permitido simular las plumas de vertido en
distintas condiciones (salinidades, ángulos,
etc), e incluso obtener ecuaciones que las
representen
Resumen y Conclusiones
 El objetivo básico de la investigación con técnicas de interferometría
holográfica fue la determinación del coeficiente de difusión de la
salmuera en agua de mar, utilizando como elemento de comparación
KCl.
 La interferometría es un técnica adecuada para este fin, aunque se
encontraron limitaciones desde el punto de vista de tamaño de las
lentes, cubetas de medida, etc, para analizara toda la pluma, que es
donde se está trabajando actualmente
 Respecto a la planta piloto de dilución en tanque, ha sido y es una buena
herramienta para la simulación de estos vertidos debido a la medición
on-line de las diferencias de conductividad con el tiempo sin necesidad
del uso de tintes o trazadores
Proyecto de I+D sobre la gestión de
salmueras en el sector minero (Proyecto
TAAM – Tratamiento de Aguas ácidas de
Minería)
Participantes
Centros Públicos de investigación:
Universidad de Huelva
Universidad de Sevilla
Universidad de Almería
Plataforma Solar de Almería
Duración: 3 años
Presupuesto total del proyecto: 5.879.251 €
Objetivos científico técnicos del proyecto
 Diseñar y desarrollar a escala piloto un nuevo sistema de
tratamiento pasivo de aguas ácidas
 Desarrollar un modelo de cuenca del río Odiel y de sus
embalses
 Diseño y desarrollo a escala piloto de un sistema de tratamiento
activo de aguas ácidas mediante el sellado de escombreras
generadoras de dichas aguas.
 Investigar la efectividad del tratamiento por ósmosis inversa
de aguas ácidas, alimentado con energía solar.
Investigar
la
efectividad
del
tratamiento por ósmosis inversa de
aguas ácidas, alimentado con
energía solar.
1. Estudio de la efectividad de los pretratamientos para el
tratamiento de las aguas ácidas mediante mediante
ósmosis inversa.
2. Desarrollo de un sistema de alimentación energética de
la planta con vapor producido en central solar térmica.
3. Desarrollo un sistema de “vertido cero” mediante el
aprovechamiento del calor residual
4. Desarrollo conceptual de sistema de almacenamiento
de calor producido en el sistema de captación solar
ESQUEMA DEL PROCESO
Acumulador
de Calor
Campo de Colectores
Solares
Generador
de Vapor
Permeado
Vapor Alta P Alta T
Agua
Bruta
Pretratamiento
Físico-Químico
Convencional
Membranas de
Ósmosis Inversa
Doble etapa
Vapor Baja P
Salmuera
Rechazo
Sólido
Recuperador
de Presión
Agua
Retorno
Colectores
Solares
Ejemplos prácticos
salmueras
de
gestión
de
Ejemplo de gestión de salmueras en una planta del
sector alimentario
El Problema
La planta es una instalación industrial dedicada a la fabricación de
zumos de frutas, principalmente naranja. El tratamiento de aguas
incluye una planta de ósmosis inversa para el suministro de agua de
proceso a partir de aguas subterráneas y la planta de tratamiento de
efluentes que incluye un DAF y un MBR (reactor biológico de
membranas).
El problema principal era que hacer con la salmuera procedente de la
ósmosis inversa, ya que la planta está muy lejos de mar y no estaba
permitida la descarga a un cauce próximo ni a redes de saneamiento.
Por supuesto una solución ZLD era extremadamente cara.
La solución
La solución fue la mezcla del agua
residual tratada con la salmuera,
obteniendo un agua mezcla de
excelente calidad para el riego de la
finca de citricos adosada a la fábrica.
El lodo también es utilizado para la
enmienda del suelo agrícola.
BALANCE DE AGUA EN EL PROYECTO
Agua de
proceso
RO
89% de conversió
conversión
global
Agua bruta
(subterrá
(subterránea)
RO 1
50% R
1.376 m3/dí
m3/día
1.275 S/cm
502 m3/dí
m3/día
RO 2
84% R
140 m3/dí
m3/día
Salmuera
Agua de
proceso
FABRICA
502 m3/dí
m3/día
< 50 S/cm
734 m3/dí
m3/día
< 500 S/cm
9.670 S/cm
Ausencia de
Microorganismos
Agua para
riego
Agua
tratada
EDAR (DAF +
MBR)
Agua residual
1.000 m3/dí
m3/día
1.800 mg/l SS
5.000 mg/l DBO
1.140 m3/dí
m3/día
1.000 m3/dí
m3/día
< 20 mg/l SS
< 20 mg/l SS
< 50 mg/l DBO
< 50 mg/l DBO
< 160 mg/l DQO
< 160 mg/l DQO
<1.600 S/cm
< 500 S/cm
Agua
desinfectada
Agua
desinfectada
Reutilización
10.000 mg/l DQO
Salinidad <500 S/cm
LODO
DESHIDRATADO
Tratamiento
de agua
residual
Ejemplo de gestión de salmueras mediante
instalación de un “salmueroducto”
la
PLANTA DESALINIZADORA DE LOS DRENAJES DEL CAMPO DE
CARTAGENA (MURCIA, ESPAÑ A)
Se trata de un proyecto del año 1997 en el que
el entonces Ministerio de Medio Ambiente
español decidió construir una tubería de
recogida de salmueras de desaladoras y aguas
procedentes de drenajes agrícolas para evitar
su descarga al Mar Menor (laguna salada con
alto grado de eutrofización y un cierto grado de
protección ambiental), enviándolas mediante
bombeo a una nueva planta desalinizadora.
Los objetivos eran reducir la alta salinidad de
estas aguas (aproximadamente 18,000 S/cm,
variable, con alto contenido en SS y MO) y
reenviarla al canal de regadío que distribuye el
agua a los regantes de la zona
Desalination plant
Mar
Mediterráneo
Mar
Menor
Mar Menor
Pipe network and
pumping stations
La planta contení
contenía varias importantes
innovaciones para la época (1997),
como son;
-Instalació
de
turbinas
de
Instalación
recuperació
recuperación de energí
energía para agua
salobre (turbocharger)
- 3 trenes con diferentes membranas
(con distinta quí
química y espaciadores)
El coste del agua era inferior a 0,25 /m3
y la planta fue posteriormente ampliada
dentro del programa AGUA del
gobierno españ
español
Ejemplo de vertido de salmuera al mar con mezcla de
otros rechazos
AMPLIACIÓN DE LA PLANTA POTABILIZADORA DE ABRERA
(BARCELONA)
Es la planta más grande del mundo de Electrodiálisis reversible,
produciendo 200.000 m3/día de agua, realizada por la empresa
pública Aigües del Ter-Llobregat (ATLL).
La planta se alimenta de agua procedente del Rio Llobregat, con
salinidad variable dependiendo de la época del año
Las dificultades de gestión de salmueras venían de la distancia al
mar de la planta (unos 30 km)
AMPLIACIÓN DE LA PLANTA POTABILIZADORA DE ABRERA
(BARCELONA)
Aunque se estudió la
posibilidad de inyectar la
salmuera en acuífero
profundo finalmente se
construyó un emisario
hasta el mar, para el
vertido conjunto con la
desaladora de agua de
mar del Prat
La Agencia Catalana del Agua realizó un colector de salmueras de unos 50 Km de
longitud hasta el mar donde finalmente se incorporó el vertido de salmuera de la
planta de Abrera, entre otros
Conclusiones
Conclusiones
La descarga de salmuera en plantas desaladoras de interior
continua siendo un problema con pocas alternativas viables.
Algunos procesos son prometedores, pero es necesario un mayor esfuerzo en
investigación para llegar hasta una solución definitiva.
Las salmueras pueden constituir un recurso valioso y debe potenciarse su
aprovechamiento.
 Procesos como la descarga liquida cero (ZLD) por evaporación-cristalización son
técnicamente viables, pero su elevado coste hace que solo puedan ser aplicados en
casos concretos, en industrias con calor residual procedente de otros procesos, etc.
Puesto que los Procesos ZLD pueden ser la mejor solución desde el punto de vista
ambiental en algunos casos (presencia de compuestos tóxicos), se está trabajando en
el aprovechamiento de fuentes de energía renovable que hagan viable económicamente
su aplicación
La Inyección en acuíferos profundos es una de las alternativas de gestión más viables
económicamente. Se ha avanzado significativamente con la redacción del Manual de
Buenas Prácticas para la inyección en acuíferos profundos, que garantiza la realización
segura.
Es preciso mejorar los modelos de dilución existentes de forma que reproduzcan con
mayor fiabilidad el fenómeno real
GRACIAS POR SU ATENCIÓN