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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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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

[email protected]

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


9.2 Criterios y Métodos para la Evaluación de Factibilidad 22

9.3 Costos para Inyección en Pozos 22

10. Estanques de Evaporación de Salmuera 23



10.3 Costos para Estanques de Evaporación 24

11. Aplicación de Salmuera en Terrenos 26


11.1.1 Irrigación 26

11.1.2 Filtración Rápida 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



9. Destilación por Contacto Directo con Membrana 47

9.1 Función del Proceso 47



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

1 | Descarga Cero de Líquidos (ZLD) Fundamentos y Diseño

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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



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



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)



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



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



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



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



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



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.



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



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



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.



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



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.



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.



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



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



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.


Bajos costos de

operación y

construcción

Tamaño de flujos

limitado a pequeño

Fácil implementación

Efectos potenciales

adversos para

operaciones WWTP

Bajo consume de

energía /



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).



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 /




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.



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



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.


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.


Fácil implementación y

operación

Altos costos y huella

medioambiental

Uso en costa e interior Plantas limitadas a

pequeñas



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



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



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)


11.1.1 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.



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.



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



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



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



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.



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



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



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



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!



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



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



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


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



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



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.



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)



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.


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)



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



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




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.



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. 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



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



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



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.


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)



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.



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



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



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

√



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



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,



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)



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



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.



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.



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.



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



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,



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



(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.



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



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.



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



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.



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



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)



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

Salmuera Descarga Cero de Líquidos (ZLD) Fundamentos e ...la inyección en pozos profundos o la...

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