PROBLEMÁTICA Y SOLUCIONES PARA LA GESTIÓN Y TRATAMIENTO DE SALMUERAS PROCEDENTES DE

DESALADORAS

Domingo Zarzo Martínez

INSTITUTO DEL AGUA Y DE LAS CIENCIAS AMBIENTALES

PROBLEMÁTICA Y SOLUCIONES PARA LA GESTIÓN Y TRATAMIENTO DE SALMUERAS PROCEDENTES DE

DESALADORAS

DOMINGO ZARZO MARTINEZ

Tesis presentada para aspirar al grado de

DOCTOR POR LA UNIVERSIDAD DE ALICANTE

AGUA Y DESARROLLO SOSTENIBLE

Dirigida por:

Dr. DANIEL PRATS RICO

Daniel Prats Rico, director y tutor del trabajo de investigación “PROBLEMÁTICA Y SOLUCIONES PARA LA GESTIÓN Y TRATAMIENTO DE SALMUERAS PROCEDENTES DE DESALADORAS”, realizado por el Licenciado en Ciencias Químicas D. Domingo Zarzo Martínez, autoriza la presentación del mismo para optar al grado de Doctor por la Universidad de Alicante, al considerar que se han alcanzado satisfactoriamente los objetivos propuestos.

Alicante, 24 de julio de 2017

Fdo.: Daniel Prats Rico

A Beatriz, mi chica de ayer, hoy y mañana

AGRADECIMIENTOS

Quiero expresar mi gratitud en primer lugar a Daniel Prats, mi mentor y maestro, amigo, director de esta tesis, a quien debo gran parte de mi desarrollo profesional y quien confió en mí desde el primer momento, allá por el año 1988, cuando empezamos a trabajar juntos y que supuso el comienzo de mis estudios de doctorado hasta llegar hasta hoy, unos cuantos años más tarde.

A mis directores en Sadyt y Valoriza Agua, Manuel Rubio y Pablo Abril-Martorell, por haberme permitido desarrollar con libertad estos trabajos de investigación en el marco de nuestra empresa.

A los coautores de las publicaciones incluidos en esta tesis, que amablemente han autorizado su utilización: Olga Barron, Ana Berreteaga, Brian Bolto, Stewart Burn, Elena Campos, Irene De Bustamante, Carlos García, Jose Antonio García, Pilar Hernández, Manh Hoang, Jose Antonio Iglesias, Javier Lillo, Francisco Molina, Frank Olewniak y Daniel Prats, así como a los coautores de las presentaciones a congresos: Diego Alarcón, Antonio Belmonte, Mercedes Calzada, Juan Luis Cano, J.L. Diaz, M. García, Ana Isabel López, F. Macías, M. Mateos, J. Nieto, Carlos Segura, Roberto Sal, Raquel Salcedo, Juan María Sánchez, Noemi Sánchez, Patricia Terrero y M. Veneros.

A mis colaboradoras más próximas: Mercedes Calzada, Elena Campos y Patricia Terrero, quienes han sido parte muy importante de todos estos trabajos de investigación y su desarrollo.

A Scott Goodell, mi profesor de inglés, por la revisión de algunos textos.

A José Luis Sánchez Lizaso por cederme algunas fotografías sobre salmueras y por sus importantes estudios sobre el impacto ambiental de salmueras en el medio marino.

A las siguientes empresas por su participación en los proyectos y publicaciones relacionadas: Valoriza Agua, Sadyt, Sacyr, Scrinser, Ecoagua ingenieros, AGQ y Cabal.

A los siguientes centros de investigación por su participación en los distintos proyectos y publicaciones: Universidad de Alicante (Instituto del Agua y de las Ciencias Ambientales y Departamento de Ingeniería Química), Universidad de Alcalá, Universidad Complutense de Madrid, Universidad Politécnica de Catalunya, Universidad de Huelva, Universidad Rey Juan Carlos, Universidad de Sevilla, Plataforma Solar de Almería, CETENMA, IMDEA AGUA, CSIRO (Commonwealth Scientific and Research Organisation), Instituto Vestlandsforsking (Noruega).

A las instituciones que han facilitado financiación para algunos de los proyectos: CDTI (Centro para el desarrollo tecnológico industrial), NECDA (National Center of Excellence in Desalination Australia), Ministerio de Industria, Energía y Turismo y Ministerio de Agricultura y Pesca, Alimentación y Medio Ambiente.

Y por supuesto a mi familia, por todo su apoyo y cariño, sin el cual ningún trabajo tendría valor.

Con especial recuerdo para mi padre, Antonio, que ya no está entre nosotros, y mi madre, Amparo, a quienes debo todo lo que soy.

"If we could ever competitively, at a cheap rate, get fresh water from salt water, that it would be in the long-range interests of humanity which would really dwarf any other

scientific accomplishments. I am hopeful that we will intensify our efforts in that area"

“Si pudiéramos obtener, de forma barata, agua potable a partir de agua salada, ese sería en los intereses de la humanidad a largo plazo el que realmente eclipsaría cualquier otro

logro científico. Tengo la esperanza de que intensificaremos nuestros esfuerzos en esa área”

12 de Abril de 1961. John F. Kennedy, Presidente de los Estados Unidos: 1961-63

ABREVIATURAS

BMED = Electrodiálisis con membranas bipolares (del inglés Bipolar Membrane Electrodialysis)

BWRO = Ósmosis Inversa de agua salobre (del inglés Brackish Water Reverse Osmosis)

CCRR = Comunidad de Regantes

CDI = Desionización capacitiva (del inglés Capacitive Deionization)

CIP = Sistema autónomo de limpieza (del inglés Cleaning In Place)

DAFO = herramienta de estudio de la situación de una empresa o proyecto, donde se analizan las Debilidades, Amenazas, Fortalezas y Oportunidades. También puede utilizarse como acrónimo FODA o DOFA.

ED = Electrodiálisis

EDI = Electrodesionización

EDM = Electrodiálisis metatesis

EDR = Electrodiálisis reversible

ETAP = Estación de tratamiento de aguas potables

FO = Ósmosis directa (del inglés Forward Osmosis)

GWI = Global Water Intelligence, grupo de comunicación y consultoría con sede en Reino Unido, organizador de congreoss y editor de varias revistas y newsletters sobre desalación y reutilización

HDH = Humidificación-deshumidificación

HERO = Sistema de ósmosis inversa de alta eficiencia (del inglés High Efficiency Reverse Osmosis)

IDA = International Desalination Association

IMDEA = Instituto Madrileño de Estudios Avanzados

IUACA= Instituto del Agua y de las Ciencias Ambientales, Universidad de Alicante

IX = intercambio iónico (abreviatura establecida internacionalmente)

MD = Destilación de membrana (del inglés Membrane Distillation)

MED = Destilación de múltiple efecto (del inglés Multi-effect Distillation)

MF = Microfiltración

MSF = Destilación súbita multietapa (del inglés Multi-stage Flash)

NF = Nanofiltración

OMS = Organización Mundial de la Salud

PRO = Variante de la Forward Osmosis presurizada (del inglés Pressure Retarded Osmosis)

PV = Pervaporación

RO = Ósmosis Inversa (del inglés Reverse Osmosis)

SSDP = Southern Seawater Desalination Plant (nombre de la planta desaladora instalada en Binningup, en el Oeste de Australia)

SPARRO = Ósmosis inversa con precipitación y reciclado de lodo salino (del inglés Slurry Precipitation and Recycle Reverse Osmosis)

SWRO = Ósmosis inversa de agua de mar (del inglés Seawater Reverse Osmosis)

THM = Trihalometanos

UF = Ultrafiltración

VSEP = Sistema mejorado de membrana con vibración (del inglés Vibratory Shear Enhanced Membrane Process)

WAIV = Evaporación intensiva con ayuda del viento (del inglés Wind Aided Intensified Evaporation)

WHO = World Health Organization (Organización Mundial de la Salud)

ZLD = Descarga líquida cero (del inglés Zero Liquid Discharge)

LISTA DE PUBLICACIONES ORIGINALES

Esta tesis está basada en las siguientes publicaciones:

TRABAJOS PUBLICADOS

1) ”Project for the development of innovative solutions for brines from desalination plants”. Autores: D. Zarzo y E. Campos. Revista: Desalination and Water Treatment. Julio 2011.

2) “Microalgae production for nutrient removal in desalination brines” Autores: D. Zarzo, E. Campos, D. Prats, P. Hernandez, y J.A. Garcia. Revista: IDA Journal of Desalination and Reuse. Marzo 2014.

3) “Desalination Techniques – A review of the opportunities for desalination in agriculture”. Autores: S. Burn, M. Hoang, D. Zarzo, F. Olewniak, E. Campos, B. Bolto y O. Barron. Revista: Desalination. Marzo 2015.

4) “Manual de buenas prácticas Inyección Profunda de rechazos de Desalación”. Autores: A. Berreteaga, E. Campos, I. De Bustamante, J.A. Iglesias, J. Lillo y D. Zarzo. Libro: ISBN: 978-84-695-3633-9. 2012.

5) “7 year operation of a BWRO plant with raw water from a coastal aquifer for agricultural irrigation”. Autores; C, García, F. Molina y D. Zarzo. Revista: Desalination and Water Treatment, Julio 2011.

TRABAJOS NO PUBLICADOS

1) “Beneficial uses of reverse osmosis brines”.

Autores: D. Zarzo.

Capitulo para el Libro “Sustainable Desalination Handbook”. Editorial Elsevier. En preparación (2017).

COMUNICACIONES A CONGRESOS:

1) “Research and Development Project for Sustainable Treatment of Acid Mine Drainage Water”.

Autores: D. Zarzo, A. López, E. Campos, J. Nieto, F. Macías, M. García, F. Mateos y A. Belmonte.

Presentado en el 5th International Congress on Water Management in Mining. Mayo 18-20 Santiago de Chile (Chile).

2) “Development of an innovative and efficient system for solar desalination with zero liquid discharge (ZLD)”.

Autores: D. Zarzo, E. Campos, F. Molina, P. Terrero, J.L. Cano, D. Alarcón y A.I. López.

Presentado en DESAL 2016, Congreso de la Asociacion Latinoamericana de Desalación (Aladyr). Octubre 2016, Santiago de Chile (Chile).

3) “Energy recovery and optimization in a brackish water desalination plant with variable salinity”.

Autores: F. Molina, E. Campos y D. Zarzo.

Presentado en el IDA (International Desalination Association) World Congress 2015. San Diego (Estados Unidos), Septiembre 2015.

4) “Towards a near zero liquid discharge in a solar-thermal power Industry”.

Autores: R. Sal, C. Segura, y D. Zarzo.

Presentado en el Congreso Internacional de la IDA (International Desalination Association), Tianjin (China), Octubre 2013.

5) “Modelling of Brine Discharges Using Both a Pilot Plant and Differential Equations”.

Autores: J.I. Díaz, J.M. Sánchez, N. Sánchez, M. Veneros y D. Zarzo.

Presentado en el IDA (International Desalination Association) World Congress on Desalination and Water Reuse “Desalination; Sustainable for a Thirsty Planet”, Septiembre 2011, Perth (Australia).

6) “Innovador proceso de desalación por osmosis directa utilizando citrato de sodio como agente extractante. Ventajas e inconvenientes”.

Autores: M. Calzada, P. Terrero, E. Campos, D. Zarzo, y R. Salcedo.

Presentado en el XI Congreso Internacional de AEDyR, Valencia, 19-21 Octubre 2016.

PATENTES

1) “Dispositivo y procedimiento de desalación de salmueras procedentes de desaladoras de aguas salobres con un disolvente miscible con el agua”.

Numero de publicación: 2 340 452.

Fecha de publicación: 2/6/2010.

Titulares: Sociedad Anónima Depuración y tratamientos, SADYT (100%).

Inventores: L. Rodríguez, L.A. Martínez, J.C. Rubio, J. Pous, D. Zarzo y F.J. Molina.

2) “Sistema de desalación de agua salobre con vertido cero”. Patente de Invención.

Numero de publicación: 2 565 014.

Fecha de publicación: 22/11/2016.

Titulares: Sociedad Anónima Depuración y tratamientos, SADYT (100%).

Inventores: E. Campos, P. Terrero, D. Zarzo, F.J. Molina, J.L. Cano y M. Calzada.

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INDICE

1. SÍNTESIS. RESUMEN DE LA INVESTIGACIÓN .......................................... 19

2. INTRODUCCIÓN ................................................................................................ 23

2.1. DESCRIPCIÓN DE LA PROBLEMÁTICA DE LAS SALMUERAS ...................... 27

2.2. ALTERNATIVAS PARA LA GESTIÓN Y VALORIZACIÓN

DE LAS SALMUERAS .......................................................................................... 33

2.2.1. DESCARGA DE LAS SALMUERAS EN MASAS DE AGUA ..................... 35 2.2.2. CONCENTRACIÓN DE SALMUERAS ....................................................... 37 2.2.3. VALORIZACIÓN DE SALMUERAS ............................................................ 40

2.2.3.1.Valorización de las salmueras en las propias desaladoras............412.2.3.2.Usos potenciales de las salmueras.....................................................442.2.3.3.Tecnologías emergentes.......................................................................48

3. OBJETIVOS ........................................................................................................ 53

4. HIPÓTESIS ......................................................................................................... 57

5. JUSTIFICACIÓN DE LA UNIDAD TEMÁTICA .............................................. 59

6. DISCUSIÓN DE RESULTADOS ...................................................................... 63

6.1. ESTUDIO COMPARATIVO DE LAS DIFERENTES TECNOLOGÍAS DE DESALACIÓN Y DESTINO DE LAS SALMUERAS ............................................. 63

6.2. DESCARGA DE SALMUERAS EN MASAS DE AGUA ...................................... 65 6.2.1. MODELIZACIÓN MATEMÁTICA DE LA DESCARGA DE SALMUERAS . 66 6.2.2. ESTUDIO Y DETERMINACIÓN DE LOS COEFICIENTES DE DIFUSIÓN 68 6.2.3. INYECCIÓN EN ACUÍFEROS ..................................................................... 70

6.2.3.1.Inyección en acuíferos profundos.......................................................706.2.3.2.Caso de estudio: desaladora de Cuevas de Almanzora..................726.2.3.3.Caso de estudio: planta Potabilizadora de Abrera...........................76

6.3. CONCENTRACIÓN DE SALMUERAS ................................................................. 77 6.3.1. CASO DE ESTUDIO: CONCENTRACIÓN DE SALMUERA POR ELECTRODIÁLISIS REVERSIBLE (EDR) ........................................................... 77 6.3.2. DESCARGA LIQUIDA CERO (ZLD). VIABILIDAD TÉCNICA Y ECONÓMICA. ANÁLISIS DE LAS SALES PRODUCIDAS ................................. 79 6.3.3. NUEVO DESARROLLO: PLANTA DESALADORA ALIMENTADA POR ENERGÍA SOLAR Y DESCARGA LÍQUIDA CERO ........................................... 83

6.4. VALORIZACIÓN DE SALMUERAS ..................................................................... 87 6.4.1. USOS POTENCIALES DE LAS SALMUERAS DE DESALADORAS ........ 87 6.4.2. USOS DE LAS SALMUERAS EN LAS PROPIAS DESALADORAS. CASO DE ESTUDIO DESALADORA DE CUEVAS DE ALMANZORA .............. 87 6.4.3. EXTRACCIÓN DE SALES DIVALENTES DE SALMUERAS CON DISOLVENTES ORGÁNICOS .............................................................................. 89 6.4.4. USO DE MICROALGAS PARA LA ELIMINACIÓN DE NUTRIENTES EN SALMUERAS ........................................................................................................ 92

6.5. TECNOLOGÍAS EMERGENTES. FORWARD OSMOSIS (FO). .......................... 94

18

7. PATENTES OBTENIDAS ................................................................................. 97

8. FINANCIACIÓN DE LOS PROYECTOS ...................................................... 101

9. PROPUESTAS PARA LA CONTINUACIÓN DE LA INVESTIGACIÓN .. 103

10. BIBLIOGRAFÍA ................................................................................................ 105

11. PUBLICACIONES ORIGINALES .................................................................. 109

11.1. TRABAJOS PUBLICADOS ................................................................................ 109 11.1.1. PROJECT FOR THE DEVELOPMENT OF INNOVATIVE SOLUTIONS FOR BRINES FROM DESALINATION PLANTS ............................................... 111 11.1.2. MICROALGAE PRODUCTION FOR NUTRIENT REMOVAL IN DESALINATION BRINES ................................................................................... 135 11.1.3. DESALINATION TECHNIQUES – A REVIEW OF THE OPPORTUNITIES FOR DESALINATION IN AGRICULTURE ........................... 153 11.1.4. MANUAL DE BUENAS PRÁCTICAS INYECCIÓN PROFUNDA DE RECHAZOS DE DESALACIÓN.............................................................................19311.1.5. 7 YEAR OPERATION OF A BWRO PLANT WITH RAW WATER FROM A COASTAL AQUIFER FOR AGRICULTURAL IRRIGATION .............. 237

11.2. TRABAJOS NO PUBLICADOS ......................................................................... 255 11.2.1. BENEFICIAL USES OF REVERSE OSMOSIS BRINES ....................... 257 11.2.2. R&D PROJECT FOR SUSTAINABLE TREATMENT OF ACID MINE DRAINAGE WATER ........................................................................................... 258 11.2.3. DEVELOPMENT OF AN INNOVATIVE AND EFFICIENT SYSTEM FOR SOLAR DESALINATION WITH ZERO LIQUID DICHARGE (ZLD). ......... 259 11.2.4. ENERGY RECOVERY AND OPTIMIZATION IN A BRACKISH WATER DESALINATION PLANT WITH VARIABLE SALINITY ..................................... 260 11.2.5. TOWARDS A NEAR ZERO LIQUID DISCHARGE IN A SOLAR-THERMAL POWER INDUSTRY ......................................................................... 261 11.2.6. MODELLING OF BRINE DISCHARGES USING BOTH A PILOT PLANT AND DIFFERENTIAL EQUATIONS ...................................................... 262 11.2.7. INNOVADOR PROCESO DE DESALACIÓN POR OSMOSIS DIRECTA UTILIZANDO CITRATO DE SODIO COMO AGENTE EXTRACTANTE. VENTAJAS E INCONVENIENTES. ....................................... 263

12. CONCLUSIONES ............................................................................................. 265

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1. SÍNTESIS. RESUMEN DE LA INVESTIGACIÓN

20

ABSTRACT

Desalination has turned into one of the world’s most important non-conventional water resources in recent years, particularly relevant in places with water scarcity. Spain is one of the 5 countries with largest installed global capacity and has a significant number of large seawater desalination plants along with other installations for the improvement of inland water quality.

Together with the great benefits of desalination (increasing water resources and improvement of water quality), there is still ample opportunities for research and improvement, especially in aspects related to the reduction of energy consumption and environmental impact.

One of the issues which has generated most environmental concerns in the field of desalination is the management and solution to the concentrate or reject coming from the system, which is popularly known as “brine”. Brines from desalination plants are water streams concentrated in the salts extracted from water and they can have very different properties depending on the desalination technology used, the origin and physical-chemical characteristics of the raw water and plant recovery (fresh water produced with regard to water supplied), which determines the concentration of this stream.

Most of the research related to brine management is currently focused on the search for possible applications of brines for economical commercialization, the extraction of chemicals contained in brine or which could lead to the production of others or energy production and improvement of energy efficiency in desalination process.

The present PhD thesis is presented by compilation of papers, a selection of works and articles dealing with the alternatives for management and treatment of brines, based on a number of research projects on this topic developed the time of this thesis was achieved.

These projects have covered most of the aspects related to the management of desalination brines, including a study of alternatives for brine management, microalgae cultivation for the elimination of nutrients in brines, the possible uses of brines and by-products, the study of the technical and economical feasibility of evaporation-crystallization for zero liquid discharge, the mathematical modeling of brine dilution, the comparison of different desalination technologies, the use of emerging technologies, the injection of brines in deep wells, the use of residual energy from brines for the reduction of energy consumption, the direct use of solar energy to feed a membrane desalination plant and the extraction of salts from brines with organic solvents.

As a result of the research works some papers presented at a number of national and international conferences are also described, as well as some case studies on actual installations, and the patents obtained are shown.

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RESUMEN

En los últimos años la desalación se ha convertido en uno de los recursos de agua no convencionales más importantes por todo el mundo, con especial relevancia en lugares con escasez de agua. España es uno de los 5 países con mayor capacidad instalada a nivel mundial y cuenta con un número importante de grandes desaladoras de agua de mar, junto con otras instalaciones para la mejora de la calidad de las aguas continentales.

Junto a los grandes beneficios de la desalación (incremento del recurso y de la calidad del agua), todavía hay campo para la investigación y la mejora, sobre todo en aspectos relacionados con la reducción del consumo de energía y el impacto ambiental.

Una de las cuestiones que ha generado más preocupación ambiental en el ámbito de la desalación es la gestión y solución al concentrado o rechazo procedente del sistema, que se conoce popularmente como "salmuera". Las salmueras de desalación son corrientes concentradas en las sales que han sido extraídas del agua, y pueden tener propiedades muy diferentes dependiendo de la tecnología de desalación utilizada, el origen y características físico-químicas del agua a desalar y la conversión de la desaladora (cantidad de agua dulce producida respecto al agua total aportada), que determina la concentración de esta corriente.

En la actualidad, gran parte de las investigaciones sobre la gestión de salmueras se centran en la búsqueda de posibles aplicaciones para su valorización, bien para la extracción de productos químicos contenidos en la propia salmuera o que puedan servir de materia prima para la producción de otros, o bien por la vía de la producción de energía y la mejora de la eficiencia energética en el proceso de desalación.

La presente tesis doctoral se presenta por compilación de publicaciones, una selección de trabajos y artículos que tratan sobre las alternativas para la gestión y tratamiento de las salmueras, basados en una serie de proyectos de investigación sobre esta temática que se han desarrollado a lo largo de la tesis.

Dichos proyectos han cubierto muchos de los aspectos relacionados con la gestión de las salmueras de desalación: estudio de alternativas, cultivo de microalgas para la eliminación de nutrientes en salmueras, posibles usos de las salmueras y sus subproductos, estudio de la viabilidad de la evaporación-cristalización para la descarga líquida cero, modelización matemática de la dilución de salmueras, comparación de distintas tecnologías de desalación, uso de tecnologías emergentes, inyección de salmueras en acuíferos profundos, uso de la energía residual de las salmueras para la reducción del consumo energético, uso directo de la energía solar para alimentar una planta desaladora de membranas, y extracción de sales procedentes de salmueras con disolventes orgánicos.

Como resultados de los trabajos de investigación se describen también varias comunicaciones a congresos nacionales e internacionales, así como varios casos de estudio en plantas reales, y se relacionan las patentes obtenidas.

22

23

2. INTRODUCCIÓN

La desalación es una tecnología de generación de nuevos recursos de agua dulce a partir de aguas salobres o agua de mar, que ha tenido un gran crecimiento en los últimos años, con especial relevancia en lugares con escasez de recursos hídricos. España es uno de los países con mayor capacidad instalada a nivel mundial y cuenta con grandes desaladoras de agua de mar, y también algunas importantes de aguas salobres, dispersas por toda la costa mediterránea e insular, junto con un gran número de pequeñas plantas instaladas en el interior, utilizadas normalmente para la mejora de la calidad de las aguas disponibles. Asimismo las empresas españolas son líderes a nivel mundial en diseño y construcción de instalaciones, con 8 empresas situadas entre las 20 más grandes del mundo.

En la actualidad se estima la capacidad mundial contratada acumulativa de desalación en 95.6 millones de m3/día (considerando las instalaciones construidas desde el año 1965), mientras que la capacidad de las plantas en operación es de 88.6 millones de m3/día (IDA, GWI, 2017). En la Figura 1 se muestra el crecimiento de la capacidad global operativa desde el año 1980, donde puede observarse la tendencia casi exponencial en las últimas décadas.

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Figura 1. Evolución de la capacidad global acumulativa de desalación 1980-2016 (plantas en operación, en millones de m3/día). Elaboración propia con datos extraídos de IDA,

GWI, 2017.

Entre las tecnologías disponibles de desalación, hay dos grupos principales de procesos; los basados en evaporación, donde se obtiene el agua dulce evaporando el agua con sales y condensando el vapor, y los basados en membranas, donde las sales son separadas mediante procesos de membrana.

Los procesos de evaporación pueden operar por medio del aporte de calor (vapor procedente de una caldera) como en la evaporación súbita (MSF-Multi Stage Flash) y la destilación de múltiple efecto (MED-Multi Effect Distillation), o bien con el suministro de energía eléctrica mediante compresión de vapor (VC – Vapor Compression).

Respecto a las tecnologías de membranas, salvo algunas tecnologías emergentes (como la evaporación de membranas o pervaporación), todas funcionan por medio del aporte de energía eléctrica, aunque con diferentes modos de utilización (para presurizar las membranas por medio de bombas en el caso de la ósmosis inversa (RO–Reverse Osmosis) y nanofiltración (NF), o mediante el uso de corriente continua entre electrodos para separar las sales por medio de membranas iónicas, como en la electrodiálisis reversible (EDR)).

Otros procesos que se pueden utilizar para la eliminación de sales como el intercambio iónico, la precipitación o la congelación no se utilizan a escala industrial para la desalación salvo en muy pequeñas instalaciones.

Como puede verse en la Figura 2, la ósmosis inversa es en la actualidad la tecnología de implantación mayoritaria, frente a las tecnologías de evaporación que están en retroceso por su mayor consumo energético y otras tecnologías como la Electrodiálisis Reversible o la Nanofiltración, que tienen menor implantación y solo son utilizadas para tratar aguas salobres.

0102030405060708090

100

1980

1981

1982

1983

1984

1985

1986

1987

1988

1989

1990

1991

1992

1993

1994

1995

1996

1997

1998

1999

2000

2001

2002

2003

2004

2005

2006

2007

2008

2009

2010

2011

2012

2013

2014

2015

2016

mill

ones

de

m3/

dia

Año

Capacidad operativa de desalacion

25

Figura 2. Distribución de la capacidad total instalada de desalación por tecnologías. Adaptado de IDA, GWI, 2015.

En la Figura 3 se representa la capacidad total instalada por tipo de agua de alimentación, donde podemos observar que aproximadamente el 60% del agua que se desala a nivel mundial es agua de mar.

Figura 3. Distribución de la capacidad total instalada por tipo de agua de alimentación. Adaptado de IDA, GWI, 2015.

Es también interesante conocer cuáles son los destinos del agua desalada. En la Figura 4 se representa la distribución del agua desalada en función de sus diferentes usos.

65% 21%

7% 3% 2% 2%

Distribución de la capacidad total instalada por tecnologías

RO

MSF

MED

ED/EDR/EDI

NF/SR

Otros

59% 22%

9% 6% 4%

Distribución de la capacidad total instalada por tipo de agua de

alimentación

Agua de mar

Agua salobre

Agua de río

Agua residual

Agua pura

26

Figura 4. Distribución de la capacidad total instalada por tipo de agua de alimentación. Adaptado de IDA, GWI, 2015.

El mayor uso del agua desalada es el uso municipal, es decir, la producción de agua potable para abastecimiento humano, con un segundo lugar ocupado por la industria. Es de destacar que, mientras a nivel global el porcentaje de agua desalada para la agricultura no representa más de un 2%, en España se supera el 22% (Zarzo et al, 2012), con grandes desaladoras de agua de mar como la de Águilas (Murcia) que dedican la práctica totalidad de su producción al riego agrícola, y otras instalaciones privadas y públicas que suministran agua para regadío fundamentalmente en las provincias de Alicante, Murcia y Almería.

Junto a los grandes beneficios de la desalación (incremento del recurso y de la calidad del agua), todavía hay campo para la investigación y la mejora, sobre todo en aspectos relacionados con la reducción del consumo de energía y con cuestiones ambientales.

Uno de los aspectos que genera más preocupación ambiental en el ámbito de la desalación es la gestión y solución a los concentrados procedentes del sistema, que conocemos como salmueras. Como se puede observar en el esquema de la Figura 5, en los procesos de ósmosis inversa las salmueras son las corrientes concentradas en las sales que no atraviesan las membranas.

60% 28%

6% 2%

2%

1% 1%

Distribución de la capacidad total instalada por usos

Municipal

Industrial

Centrales eléctricas

Riego

Turismo

Militar

Otros

27

Figura 5. Esquema de desalación por ósmosis inversa. Fuente: Prats, 2010.

Estas salmueras pueden tener características muy diferentes dependiendo del origen y las características físico-químicas del agua de aportación, así como de la conversión de la desaladora (cantidad de agua dulce producida respecto a la cantidad total de agua aportada), que determina la concentración en sales de esta corriente.

Las salmueras de agua de mar no deberían representar un problema desde el punto de vista ambiental si su vertido se realiza de forma correcta, con una dilución previa y los preceptivos estudios de impacto ambiental durante la fase de diseño y construcción, y el seguimiento ambiental posterior. No es el caso de las salmueras en plantas de interior, para las cuales todavía no existe un modelo de gestión sostenible y económicamente viable. Adicionalmente, la posible presencia de elementos tóxicos en el agua tratada, que pasarán al rechazo y serán concentrados tras el proceso, puede generar una problemática a estos vertidos de difícil solución.

Una de las tendencias actuales en la investigación sobre la gestión de salmueras en plantas ubicadas en el interior, es la de la búsqueda de posibles aplicaciones para su valorización, sea para la producción de productos químicos contenidos en el rechazo o que puedan servir de materia prima para la producción de otros, o para la producción de energía y la mejora de la eficiencia energética en desalación.

2.1. DESCRIPCIÓN DE LA PROBLEMÁTICA DE LAS SALMUERAS

Como se ha comentado anteriormente, se entiende por salmuera, en el campo de la desalación, el rechazo o concentrado procedente del proceso que contiene las sales extraídas del sistema. Además de estas sales y componentes concentrados, las salmueras pueden contener productos químicos y residuos procedentes de los distintos procesos de tratamiento que son en general incorporados a la salmuera antes de su vertido.

Las características de la salmuera dependen de varios factores:

28

- El origen y las características físico-químicas del agua de aporte al proceso de desalación.

- La conversión del sistema (relación alimentación/producto), que determina el factor de concentración de las sales.

- La tecnología utilizada (que influye en la conversión), la cantidad de sales que pasan al producto y por tanto también las que permanecen en la salmuera, así como en otros factores tales como la temperatura.

- Los efluentes de las operaciones realizadas en la propia desaladora que se hayan mezclado con la salmuera del proceso de desalación para su vertido (agua de lavado de filtros, productos químicos de limpieza de membranas, etc.), tras ser previamente tratados, o no, en una planta de tratamiento de efluentes.

En el caso de desaladoras de agua de mar, la salmuera es básicamente agua de mar concentrada en aproximadamente el doble de su salinidad (la conversión típica de estas instalaciones es del 45%), más pequeñas cantidades de los productos químicos utilizados en el pretratamiento y los caudales procedentes del tratamiento de efluentes. En la tabla 1 se muestran a modo de ejemplo análisis reales de salmueras procedentes de varias desaladoras de agua de mar (en el caso de la planta de Águilas se incluye también el análisis del agua de mar).

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Tabla 1. Análisis de salmueras de agua de mar en distintos países. Elaboración propia con datos suministrados por los operadores.

Planta Águilas- Guadalentín Mantoverde SSDP Tamaño 210.000 m3/día 20.000 m3/día 306.0000 m3/día

Localización Águilas, España Caldera, III Región, Chile

Binningup, Western Australia

Promotor Acuamed Minera Mantoverde

Water Corporation of

Western Australia

Análisis AGUA DE MAR

SALMUERAS

pH 8 8,2 7,8 7,92 Calcio (mg/L) 447 790 845

Magnesio (mg/L) 1.401 2.479 2.550 Sodio (mg/L) 12.404 21.921 21.070

Potasio (mg/L) 420 743 784 Estroncio (mg/L) 5 8,9 15 Cloruros (mg/L) 22.002 38.886 38.014 Sulfatos (mg/L) 3.005 5.316 5.342 Nitratos (mg/L) 1 1,8 Bicarbonatos

(mg/L) 98 173 274

Carbonatos (mg/L)

88 155 19,5

Fluoruros (mg/L) 1,5 2 1,8 Boro (mg/L) 5 8,7 8,6

TDS (SólidosTotales

disueltos) (mg/L) 39.880 70.488 63.000 68.967

Conductividad (µS/cm)

91.000

Debido a su mayor contenido salino la densidad de la salmuera es más elevada que la de la propia agua de mar, lo que provoca que tenga tendencia a permanecer en el fondo marino. Por este motivo es necesario realizar medidas que favorezcan su dispersión, como mezclas previas para su dilución y/o vertido al mar por medio de diferentes dispositivos diseñados para favorecer su rápida mezcla y dilución. A modo de ejemplo, en el caso de la desaladora de Alicante se realiza una descarga superficial del vertido en la línea de costa (Figura 6), previa dilución de la salmuera con agua de mar, mientras que en otras desaladoras como la de Águilas- Guadalentín el vertido se realiza por medio de difusores (en este caso 8 difusores de 310 mm situados a lo largo de una tubería de 2.913 m de longitud (Figura 7)).

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Figura 6. Salida de descarga de salmuera de la desaladora de Alicante. Foto cortesía de Jose Luis Sánchez Lizaso.

Figura 7. Mapa de ubicación de los difusores en la desaladora de Águilas-Guadalentín (Águilas, Murcia)

Ahora bien, como ya se ha indicado, el vertido de las salmueras de agua de mar no debería representar un problema si se realiza correctamente, atendiendo a los requerimientos de los estudios de impacto ambiental y con un seguimiento ambiental posterior.

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Hay que tener en cuenta que las salmueras pueden afectar al medio marino de diferentes formas: afectando al pH del agua, al oxígeno disuelto, a la concentración de materia orgánica (que puede contener el agua de mar concentrada o los procedentes del tratamiento de efluentes), a los sólidos en suspensión o nutrientes, o incluso a la temperatura, en el caso de plantas de evaporación. El mayor impacto se produce lógicamente de forma local en la zona de vertido, reduciéndose éste a medida que nos alejamos de dicha zona, si la dilución se produce correctamente.

Desde el punto de vista químico las características del agua de mar son similares en todo el mundo, con las diferencias regionales y sus características locales. No ocurre así con las aguas salobres, cuya composición puede ser muy distinta en función de su origen, e incluso variable en el tiempo, como puede ocurrir en casos de intrusión salina en los acuíferos. En consecuencia las salmueras procedentes de plantas de agua salobre son muy distintas, ya que no existen dos fuentes de agua idénticas. Debido a esta gran variabilidad, podemos encontrarnos con casos muy diferentes, como por ejemplo salmueras enriquecidas en iones concretos o incluso la presencia de tóxicos (metales pesados, pesticidas, compuestos emergentes, etc.), que pueden complicar aún más la gestión de estas salmueras.

En el caso de las plantas instaladas en interior, lejos de la costa, la solución para las salmueras no es sencilla, haciendo inviables algunos proyectos de desalación por la imposibilidad de disponer de un sistema de gestión de salmueras adecuado y viable económicamente.

Incluso en plantas cercanas a la costa, el vertido de salmueras procedentes de plantas de agua salobre puede plantear problemas, ya que sus características pueden ser muy diferentes a las del mar, pudiendo afectar al medio marino (por ejemplo por la presencia de nutrientes, que pueden causar eutrofización). Asimismo la presencia de tóxicos en las aguas salobres, aunque sea en baja concentración, puede ser un problema importante, al producirse la concentración de estos compuestos en el proceso.

En la tabla 2 se presenta como ejemplo de planta de agua salobre un análisis real del agua de alimentación de la desalinizadora de la Universidad de Alicante, junto con el análisis de la salmuera producida y el factor de concentración.

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Tabla 2. Características del agua de alimentación y salmuera de la planta desalinizadora de la Universidad de Alicante. Datos extraídos del proyecto de investigación sobre

eliminación de nutrientes con microalgas.

Parámetro Agua bruta Salmuera Factor de concentración

pH 7,2 7,7 - Conductividad (µS/cm) 5.710 15.360 2,7

Calcio (mg/L) 158 825 5,2 Magnesio (mg/L) 272 659 2,4

Sodio (mg/L) 991 2.976 3,0 Potasio (mg/L) 15,6 80,8 5,2

Boro (mg/L) 48 54,6 1,1 Cloruros (mg/L) 1.167 3.388 2,9 Sulfatos (mg/L) 1.588 4.715 3,0 Nitratos (mg/L) 148 345 2,3 Fósforo (mg/L) 0,1 1 10,0

Bicarbonatos (mg/L) 345 1.025 3,0 TDS (Sólidos Totales

Disueltos) (mg/L) 4.733 14.222 3,0

Las salmueras de desalación pueden contener, además de las sales concentradas extraídas del sistema, pequeñas concentraciones de productos químicos utilizados en el proceso (biocidas, antiincrustantes, coagulantes, etc.), así como los efluentes procedentes de los lavados de los sistemas de pretratamiento (filtraciones o sistemas de membranas) y de las limpiezas químicas de las membranas, los cuales son tratados en una planta de efluentes en la mayor parte de las grandes desaladoras modernas antes de su mezcla con la salmuera. Curiosamente en algunos países con fuerte protección ambiental, como Australia, se permite el vertido conjunto de los efluentes del pretratamiento junto con la salmuera si éstos no contienen productos químicos ajenos al agua de mar.

Algunos autores (Latteman et al, 2008) han reportado asimismo que las salmueras pueden contener trazas de metales (por ejemplo hierro, cromo, níquel y molibdeno) procedentes de la corrosión de distintos equipos de proceso (tuberías, válvulas, bombas, etc.), aunque estas cantidades no deberían ser significativas, ya que se trata de algo excepcional y no deseado en el proceso. En la tabla 3 se presenta un análisis comparativo de distintos metales en la captación y varios puntos de vertido de salmuera en la desaladora Southern Seawater Desalination Plant (SSDP), en Australia; puede observarse que la concentración de algunos metales en la salmuera es mayor de lo que explicaría el factor de concentración, como es el caso de Cobre o Zinc, lo que tal vez podría ser explicado por una posible corrosión, ya que estos metales forman parte de las aleaciones utilizadas en los sistemas de alta presión de las desaladoras de agua de mar.

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Tabla 3. Análisis de metales en agua de mar y en vertido de salmuera en la planta desaladora SSDP (Binningup, Western Australia). Elaboración propia con datos

proporcionados por los explotadores de la instalación.

Parámetro Agua de mar

Punto de vertido 1

Punto de vertido 2

Punto de vertido 3

V (µg/L) 1.5 2.7 2.9 2.9 Cr (µg/L) < 0.4 < 0.4 < 0.4 < 0.4 Mn (µg/L) 1.7 1 1 1 Ni (µg/L) < 0.3 0.8 0.8 0.7 Cu (µg/L) 0.2 4.5 4.7 4.4 Zn (µg/L) < 1 6 6 4 As (µg/L) 1.9 3 3 3 Se (µg/L) < 1 < 2 <2 < 2 Mo (µg/L) 11 19 19 19 Ag (µg/L) < 0.2 < 0.2 <0.2 <0.2 Cd (µg/L) < 0.2 < 0.2 <0.2 <0.2 Pb (µg/L) < 0.2 < 0.2 <0.2 <0.2 Hg (µg/L) < 0.1 < 0.1 < 0.1 < 0.1 Al (µg/L) < 5 < 10 < 10 <10 Fe (µg/L) < 1 2 < 2 < 2

2.2. ALTERNATIVAS PARA LA GESTIÓN Y VALORIZACIÓN DE LAS SALMUERAS

Para valorar la magnitud del problema de las salmueras, se debe considerar el volumen de salmueras generadas. Haciendo un cálculo simplificado con los datos de la capacidad total operativa (Figura 1) y los de distribución por origen del agua (Figura 3), podríamos estimar que, suponiendo una conversión media razonable del 45% en las plantas de agua de mar y del 72% en las de agua salobre, a nivel mundial podrían producirse en la actualidad diariamente del entorno de 64 millones de m3 de salmuera de agua de mar y unos 12 millones de m3 de salmuera de agua salobre. En el caso de salmueras de agua de mar esta cantidad será realmente algo superior, por la menor conversión de los sistemas de evaporación que no se tiene en cuenta para este cálculo simplificado.

No hay muchos datos publicados sobre el destino de las salmueras de desalación, aunque evidentemente el más frecuente es la descarga al mar, que es donde además se concentra la mayor parte de las grandes desaladoras. Este hecho puede observarse en la Figura 8 donde se muestran las mayores plantas de Europa y la Región Mediterránea (se puede destacar la concentración de plantas en España, Argelia e Israel). La OMS, en un informe sobre desalación (WHO, 2007), indicaba que el 90% de las grandes desaladoras de agua de mar vierten sus salmueras al mar a través de un sistema específicamente diseñado para ello y por uno de los siguientes procedimientos: descarga a través de un nuevo emisario o a través de un emisarios existentes de depuradoras o de centrales térmicas.

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Figura 8. Plantas desaladoras mayores de 100.000 m3/día en el área mediterránea. Elaboración propia.

Respecto a las plantas de agua salobre, en la tabla 4 se muestran las soluciones adoptadas para las salmueras en Estados Unidos (Mickley, 2006) y en Australia (NSW Public Works, 2011).

Tabla 4. Alternativas de gestión de salmueras en Estados Unidos y Australia.

Soluciones de gestión de salmueras

Estados Unidos Australia

Descarga superficial 45% 48% Vertido al mar 12% Descarga a redes de alcantarillado

27% 17%

Inyección de acuíferos profundos

13% 12%

Aplicación al terreno 8% 9% Lagunas de evaporación

5%

Vertido líquido cero 2%

Como podemos observar, en cualquier caso el principal destino de las salmueras es su vertido a masas de agua de distintas tipologías, sean marinas, dulces o residuales, mientras hay un creciente interés por la investigación en la reducción de volumen y la potencial valorización de las mismas.

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En la Figura 9 se ha elaborado un diagrama con los posibles destinos de las salmueras de desalación, a partir del cual desarrollaremos los siguientes apartados y la estructura de los resultados de esta tesis.

Figura 9. Esquema de alternativas de gestión de salmueras de desaladoras. Elaboración propia.

Como podemos observar, los posibles destinos de la salmuera pueden ser:

- Descarga a masas de agua - Concentración (que puede finalizar de nuevo en descarga, en vertido liquido cero

o en valorización) - Valorización

2.2.1. DESCARGA DE LAS SALMUERAS EN MASAS DE AGUA

La práctica totalidad de las desaladoras de agua de mar vierten sus salmueras al mar, y en el caso del agua salobre también la mayor parte de las salmueras son descargadas a aguas naturales, mayoritariamente superficiales, o bien a sistemas de saneamiento.

Respecto a la descarga de salmueras al mar, previamente al diseño de la descarga hay que realizar una serie de estudios tales como el estudio de impacto ambiental, estudios del fondo marino (batimetrías, estudio de especies, estudio de los materiales del fondo marino), corrientes marinas, análisis de los datos físico-químicos del agua, temperatura,

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etc., con el fin de determinar el punto de descarga más adecuado y con menor impacto. En la Figura 10 se muestra en forma gráfica el resultado de uno de estos estudios, mostrando en un mapa los sedimentos marinos, batimetría, materiales del fondo marino, especies predominantes y su estado, etc.

Figura 10. Mapa-resultado de los estudios del fondo marino para el diseño del vertido de la desaladora de agua de mar de Alcudia (Mallorca). La zona de color gris representa la

costa y los diferentes colores muestran los materiales y especies del fondo marino. Fuente: Cortesía de Sadyt.

El impacto de las salmueras de desalación sobre el mar y los organismos marinos ha sido ampliamente estudiado en el mundo y particularmente en España por organismos como el Cedex y el Departamento de Ciencias del mar y biología aplicada de la Universidad de Alicante, con numerosas publicaciones sobre los efectos sobre organismos marinos y habiendo realizado el seguimiento ambiental de una gran parte de las desaladoras de la costa Mediterránea (De la Ossa et al 2016, Fernandez-Torquemada et al 2007, 2009, 2012, 2013, Garrote-Moreno et al 2014, Sanchez-Lizaso et al 2008, entre otros.). Estos centros de investigación han realizado numerosos estudios de laboratorio, experimentos de campo y seguimiento de vertidos, lo que ha permitido establecer los límites de tolerancia a la salinidad de varias especies marinas, entre las que destaca la Posidonia Oceanica. Esta fanerógama, que está muy extendida por el Mediterráneo, se ha convertido en uno de los principales indicadores de la afección ambiental al medio marino de las salmueras por varios motivos: es una especie endémica, está protegida por la Unión Europea, tiene una elevada producción primaria, estabiliza los sedimentos, es hábitat para muchas especies, es muy sensible a los cambios de salinidad y tiene una capacidad de regeneración muy baja.

Con el fin de evaluar correctamente la dilución de la salmuera en el agua de mar se cuenta con una serie de modelos matemáticos y modelizaciones (algunos de ellos

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programas comerciales, como el Cormix, quizá más conocido) que simulan el vertido y su efecto antes de que se produzca (fase de diseño) y pueden ser asimismo utilizados para realizar un seguimiento posterior del mismo con los datos obtenidos en campo.

En general, los planes de seguimiento ambiental de los vertidos de salmuera en la fase de operación de las instalaciones incluyen las siguientes actividades:

- Control de la calidad del vertido (oxígeno disuelto, salinidad, nutrientes, pH, etc.) bien en continuo mediante dispositivos medidores con comunicación a la planta (boyas con sensores), bien mediante muestreos y análisis periódicos.

- Establecimiento de mapas de conductividades en la zona de vertido con puntos de muestreo a distintas profundidades y distancias de los difusores.

- Comprobación de la afección directa sobre organismos marinos indicadores (como la Posidonia Oceanica) mediante técnicas como la microcartografía) y seguimiento de otras especies sensibles.

Otra de las posibles alternativas para la descarga de salmueras (en general para instalaciones de interior) es la inyección en acuíferos profundos. Si bien esta práctica está muy extendida en países como Estados Unidos, donde por ejemplo se utilizan para este fin antiguos pozos de petróleo, se considera que es prácticamente inviable en España, donde los organismos de Cuenca con toda probabilidad no lo permitirían dada la dificultad de encontrar acuíferos totalmente aislados e impermeables que no produzcan contaminación a otras fuentes de agua.

2.2.2. CONCENTRACIÓN DE SALMUERAS

Como la salmuera es un subproducto del proceso de desalación, se debe procurar obtenerla lo más concentrada posible, con el fin de reducir su volumen (salvo en los casos en los que lo que se necesita es su dilución).

2.2.2.1. Aumento de la conversión

El primer paso, y más evidente, para reducir el volumen de salmuera producida, es incrementar la conversión del sistema, es decir, producir más agua a partir de la misma cantidad de agua de alimentación. La conversión está limitada químicamente por las sales insolubles que precipitan en el sistema cuando se supera su producto de solubilidad. Es por ello que las sales que mayor riesgo generan son los sulfatos (de Calcio, Bario y Estroncio), los bicarbonatos, los fluoruros y la sílice, al ser las sales más insolubles encontradas con más frecuencia en las salmueras.

Las formas más comunes para evitar la precipitación de estas sales son el uso de reactivos antiincrustantes (que son en general polifosfonatos, polimaleatos o poliacrilatos), la reducción de la conversión del sistema (que va en contra de la economía y de la reducción del volumen de salmuera) o el uso de tecnologías para reducir la concentración de estas sales más insolubles en el pretratamiento (ablandamiento, precipitación, etc.). Debe destacarse que en algunos casos el uso de polifosfonatos como antiincrustantes genera problemas adicionales para el vertido de salmueras cuando los requerimientos de vertido de fósforo son muy estrictos.

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Algunos otros procedimientos para incrementar la conversión del sistema son:

- reducción de iones divalentes en el pretratamiento (por intercambio iónico, precipitación u otros procesos similares), ya comentado anteriormente.

- reducción del pH del agua de aporte (que reduce el riesgo de precipitación por bicarbonatos, disminuyendo el índice de Langelier).

- combinación de los procesos anteriores, como el sistema de ósmosis inversa de alta eficiencia HERO (Mukhopadhyay, 2015).

- concentradores de salmuera, que consisten el hacer pasar el rechazo por otra nueva etapa de desalación para producir más agua desalada, aunque en este caso continua existiendo la limitación debida a los productos de solubilidad de las sales insolubles.

2.2.2.2. Empleo de electrodiálisis reversible

En el caso del agua salobre, la electrodiálisis reversible es un proceso competitivo con la ósmosis inversa para la desalación a bajos rangos de salinidad (aproximadamente hasta unos 5 g/L de sales totales disueltas). Un esquema simplificado de este proceso se muestra en la Figura 11.

Figura 11. Esquema simplificado de la electrodiálisis reversible. Fuente: Prats, 2010

En general mediante EDR se pueden alcanzar mayores conversiones que utilizando ósmosis inversa fundamentalmente por dos motivos: se realiza una limpieza/barrido periódico de las sales sobre el sistema (las sales están alternativamente a los dos lados de la membrana ya que se cambia la polaridad de los electrodos) y se incorporan recirculaciones, lo que no es habitual en ósmosis inversa. Ahora bien, el posible empleo de la EDR para la concentración de salmueras no es viable económicamente ya que para altas concentraciones salinas se necesitan muchas etapas sucesivas y el proceso deja de ser competitivo por su elevado consumo energético.

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2.2.2.3. Concentración por evaporación

La concentración de las salmueras puede realizarse asimismo por procedimientos de evaporación, con empleo de energía artificial (evaporadores) o natural (lagunas de evaporación).

En la figura 12 se muestra un esquema de un proceso de evaporación con aporte de calor artificial.

Figura 12. Esquema de un proceso de evaporación con calor artificial. Fuente: Prats, 2010.

Los procesos de evaporación son energéticamente costosos. El máximo grado de concentración al que podemos llevar las salmueras es el estado sólido, obtenido mediante los procedimientos que se conocen como de vertido líquido cero (ZLD, del inglés Zero Liquid Discharge), y están basados en procesos de evaporación seguidos de la cristalización de las sales.

Los sistemas de evaporación utilizados para esta aplicación son en general sistemas de evaporación por compresión de vapor (mecánica o térmica), con el problema de su elevado consumo energético.

Respecto a la fase de cristalización de sales disueltas (que en general es forzada, de película descendente), aunque es un proceso bien conocido y que produce agua de gran calidad, junto con las sales cristalizadas, tiene un alto coste de inversión y operación y genera ensuciamiento (incrustación) del sistema, lo que implica la necesidad de limpiezas frecuentes.

Las lagunas de evaporación han sido tradicionalmente la forma más sencilla de gestión de las salmueras en interior. Se trata de almacenar los vertidos en grandes lagunas de poca profundidad lo que permite su evaporación. En general tienen un coste reducido (si

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se dispone de suficiente superficie disponible), aunque están limitadas a caudales relativamente pequeños, deben ser ubicadas en lugares con la climatología adecuada y tienen los inconvenientes de la necesaria impermeabilización y extracción y gestión del residuo extraído.

Los procesos de lagunaje pueden ser mejorados con evaporación forzada incrementando la superficie de evaporación bien por sistemas de aspersión o bien usando superficies verticales de caída descendente donde se utilizan las corrientes de aire para favorecer la evaporación.

Una variante muy interesante de los procesos de evaporación en lagunas son las lagunas de gradiente solar. En éstas, que se dividen en tres zonas a distintas profundidades con salinidad creciente al incrementarse la profundidad (zona superior convectiva, zona no convectiva y zona de almacenamiento convectiva), se aprovecha el gradiente térmico de cada una de estas zonas (generado por la irradiación solar, la profundidad y las diferentes salinidades y densidades de cada zona) para generar energía eléctrica.

En resumen, los procesos más comunes para la concentración de salmueras son:

- Procesos de evaporación seguidos de cristalización de las sales. - Lagunas de evaporación. - Lagunas solares de gradiente de salinidad. - Procesos de tratamiento en dos etapas con precipitación o reducción biológica

intermedia. - Ósmosis inversa con ablandamiento previo (HERO). - Humidificación-deshumidificación (o Dewvaporation, DW). - Solidificación y secuestración de sales. - Proceso de membrana vibratorio (VSEP). - Nanofiltración en dos etapas. - Secado solar avanzado (Advanced Solar dryer, ASD). - Precipitación y recirculación de lodo salino (SPARRO). - Tecnologías emergentes.

2.2.3. VALORIZACIÓN DE SALMUERAS

El destino más conveniente para las salmueras desde cualquier punto de vista (ambiental, económico o técnico) es su valorización, es decir, la utilización de las salmueras para su valoración económica y generadora de beneficios (comercialización).

La valorización de las salmueras puede realizarse de diferentes maneras y podríamos establecer tres posibles usos o aplicaciones diferentes, aunque esta división es subjetiva y contiene algunos aspectos compartidos entre los tres:

1. Valorización de la salmuera en las propias desaladoras. 2. Usos potenciales de las salmueras. 3. Uso de tecnologías emergentes.

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2.2.3.1. Valorización de las salmueras en las propias desaladoras

Previamente a la descarga o gestión de las salmueras, hay una serie de posibilidades que pueden realizarse dentro de la propia instalación de desalación para su aprovechamiento. Los principales usos potenciales de estas salmueras son:

1. Recuperación de energía. 2. Usos de limpieza en pretratamiento. 3. Producción de energía. 4. Producción de productos químicos in-situ.

1) Recuperación de energía

El uso más común y conocido de las salmueras dentro de las instalaciones de desalación por ósmosis inversa es el de la recuperación de su energía residual. Dado que la elevada presión suministrada en la alimentación de las membranas permanece en la salmuera, con la reducción debida a la pérdida de carga del sistema y las membranas, esta presión puede ser aprovechada para reducir el consumo energético de la planta. Para ello se utilizan turbinas (de tipo Pelton, Francis, etc.), como se muestra en la Figura 13 o recuperadores de energía como los actuales intercambiadores de presión (Figura 14), extendidos en la mayor parte de desaladoras de agua de mar modernas. Lógicamente estos sistemas son muy eficientes en el caso del agua de mar dada la mayor presión y caudales, mientras que su uso y efectividad son menores y menos frecuentes en el caso de las plantas de agua salobre (que trabajan a menores presiones y producen un menor caudal de salmuera).

Figura 13. Bomba de alta presión con turbina Pelton. Desaladora de Alcudia (Mallorca).

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Figura 14. Recuperadores de energía por intercambio de presión ERI. Desaladora Southern Seawater Desalination Plant (Binningup, Australia).

2) Usos de limpieza en pretratamiento

En los últimos tiempos se ha extendido la práctica del uso de las salmueras de desalación como corriente de limpieza para los sistemas de filtración (sean convencionales o de membranas), aprovechando su poder bactericida (gracias a su alta presión osmótica que provoca un “choque osmótico” a los microorganismos) y generando un ahorro de agua adicional (ya que se deja de utilizar para este fin agua de aportación o filtrada).

3) Producción de energía

La producción de energía a partir de las salmueras es una posibilidad que se está explorando en la actualidad mediante el uso de gradientes de salinidad y su potencial osmótico. El proceso se basa en el uso de la tecnología de Forward Osmosis u Ósmosis directa (FO) (Figura 15) o alguna de sus variantes (como la Forward osmosis presurizada, PRO) por el cual tendríamos un balance positivo de energía al poner en contacto dos soluciones de distinta salinidad a los dos lados de una membrana, gracias a la diferencia de potenciales químicos o potencial osmótico. La idea práctica para este proceso es la de emplear salmueras con agua de mar, aguas residuales o superficiales y producir energía gracias a las diferencias en sus presiones osmóticas y potencial químico.

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Figura 15. Esquemas de Pressure retarded osmosis (PRO y Forward Osmosis (FO) y). Fuente: Alsvik y Hägg (2013)

A pesar de que esta idea parece relativamente nueva, se pueden encontrar referencias de trabajos investigando esta posibilidad ya en 1954 (Pattle, 1954) y en trabajos posteriores en 1974 (Loeb, 1974).

Las dificultades actuales para esta aplicación son el desarrollo de nuevas membranas (las membranas de ósmosis inversa asimétricas no pueden utilizarse para esta aplicación, ya que la dirección del flujo de agua es el contrario al habitual en ósmosis inversa), los bajos flujos y la productividad, el ensuciamiento de las membranas, y en el caso de uso de soluciones con alta presión osmótica (que se conocen como las draw solution), encontrar las soluciones más adecuadas (y su compatibilidad con el uso del agua tratada) y su posterior separación del agua.

Otras tecnologías como la Electrodiálisis Reversible (EDR) también podrían ser utilizadas para la producción de energía usando los gradientes de salinidad (Tufa et al, 2014). La EDR puede ser utilizada directamente o en combinación con otros procesos como se describe en un trabajo de la Universidad del Estado de Pensilvania (Cusick, 2012) donde se desarrolló una nueva tecnología (célula microbiana de electrodiálisis inversa (MRC)) para producir energía a partir de gradientes de salinidad combinando EDR y Células de combustible microbianas (MFC). Aunque la aplicación fue desarrollada para soluciones salinas de bicarbonato amónico y no para salmueras, podría ser potencialmente aplicada a las salmueras.

Otra variante diferente para la producción de energía a partir de la salmuera se encuentra en los casos en los que la instalación se encuentra a una diferencia de cota importante con el mar, de forma que se puede utilizar esta diferencia de altura para producir energía por medio de una turbina. Esta aplicación se está utilizando por ejemplo en la desaladora de agua de mar de Adelaida, en Australia.

Por último, otra tecnología descrita para la producción de energía a partir de gradientes de salinidad que podría ser utilizada con salmueras es la del uso de un generador o

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turbina sin membranas (llamado generador hidrocrático). Estos sistemas se basan en la introducción de agua dulce y agua de mar en un tubo perforado que contiene una pequeña turbina que es accionada por el efecto de ósmosis generado por las diferencias de salinidad.

4) Producción de productos químicos in-situ

Por último, otro de los potenciales usos de salmuera en las instalaciones es la de la generación de productos químicos in situ. Esto puede realizarse por medio de tecnologías como la electrocloración para producir hipoclorito sódico (Badruzzaman et al, 2009) (donde la solución que aporta los cloruros podría ser salmuera) o nuevas tecnologías para la producción de distintos productos químicos (por ejemplo HCl o NaOH) basadas en la electrodiálisis (como la electrodiálisis metátesis o electrodiálisis con membranas bipolares) (Fernandez et al, 2016, Perez Gonzalez et al, 2012, 2015), aunque estas aplicaciones están todavía en el campo de la investigación.

Como se ha comentado La electrocloración es una tecnología muy establecida para la producción de hipoclorito sódico in-situ a partir de la electrolisis de soluciones salinas (en general utilizando cloruro sódico o agua de mar) y no hay muchas experiencias en el uso de salmuera para esta aplicación. Recientemente ha surgido una Spin-off de la Universidad Politécnica de Cartagena (llamada Useful Wastes) que pretende realizar este proceso, aunque implica la separación previa de todas las sales que interfieren el proceso (sulfatos, nitratos, etc.).

2.2.3.2. Usos potenciales de las salmueras

Los principales usos potenciales de las salmueras que podrían dar lugar a una comercialización de productos o subproductos son los siguientes;

1. Obtención de sales y productos de valor económico. 2. Acuicultura. 3. Aplicaciones medioambientales. 4. Aplicación al terreno / regadío. 5. Industria. 6. Otros (control de heladas, hidroterapia, etc.).

1) Obtención de sales y productos de valor económico

Las salmueras, como soluciones concentradas en sales, son una fuente potencial de obtención de sales. Son muchas las aplicaciones para las sales presentes en las salmueras: para ablandamiento de aguas duras, para la industria cloro-álcali, para obtener sal de mesa, para la producción de detergentes, para perforación petrolífera, para secado, etc.

La sal común es el condimento más antiguo utilizado por el hombre desde hace miles de años y su influencia ha tenido implicaciones en la alimentación, salud, sociales y

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económicas. A modo de ejemplo, podemos mencionar que en tiempos del imperio romano la sal era tan valiosa que era utilizada como moneda o método de pago, lo que supuso el origen de la palabra salario.

Entre otras, las principales sales minerales que pueden ser obtenidas evaporando agua de mar (y por tanto salmueras) son (Aral et al, 2006): Anhidrita (CaSO4), Bischofita (MgCl2 6H2O), Calcita (CaCO3), Carnalita (MgCl2 KCl 6H2O), Dolomita (CaMg(CO3)2), Epsomita (MgSO4 7H2O), Yeso (CaSO4 2H2O), Halita (NaCl), Hexahidrita (MgSO4 6H2O), Kieserita (MgSO4 H2O), Langbeinita (K2SO4 2MgSO4), Mirabilita (Na2SO4 10H2O), Silvinita (KCl+NaCl), Silvita (KCl) y Thenardita (Na2SO4). En este trabajo se estuvieron analizando las distintas sales que podrían ser obtenidas del agua de mar, así como otras sales derivadas de NaCl o yeso.

Le Dirach et al (2005) identificaron asimismo ocho elementos de especial interés económico en las salmueras (Fósforo, Cesio, Indio, Rubidio, Germanio, Magnesio, Cloruro sódico y cloruro potásico) y estudiaron como éstos podrían ser extraídos de forma técnica y económicamente viable.

Curiosamente una de las potenciales aplicaciones más evidentes de las salmueras procedentes de agua de mar, que sería la producción de sal en salinas costeras, ha sido poco utilizada, aunque hay reportados algunos casos de éxito en Grecia (Laspidou et al, 2010) y en la desaladora de Eilat en Israel (Ravizkya y Nadav, 2007). En España también hubo algunos estudios preliminares en Santa Pola y Torrevieja (Alicante) (En la Figura 16 se puede observar una fotografía de las salinas de Santa Pola) durante la construcción de las grandes desaladoras del programa Agua, aunque los proyectos no llegaron a materializarse.

Figura 16. Salinas de Torrevieja (Alicante)

Aparte de los procesos más convencionales de obtención de sales de las salmueras como los sistemas de evaporación, pueden utilizarse otros procesos más innovadores de separación como la extracción con disolventes orgánicos, como se describe en uno de los trabajos de investigación presentados en esta tesis. Peterskova et al (2012) estudiaron también el potencial de extracción de Cesio, Rubidio y Litio utilizando hexacianoferrato como extractante, obteniendo buenos resultados.

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La empresa Enviro Water Minerals, que tiene su principal actividad reportada en Texas, de acuerdo a las informaciones de su página web (http://www.envirowaterminerals.com/), extrae y consigue comercializar a partir de salmueras sal de alta pureza, cal, soluciones caústicas, fertilizantes basados en potasio liquido como fertilizante, salmuera rica en bromuros y lechada de hidróxido magnésico, utilizando para ello diferentes tecnologías (stripping, electrodiálisis, ósmosis inversa, nanofiltración, intercambio iónico, eliminación biológica de Selenio, cristalizadores de recompresión de vapor, crsitalizadores a vacío y lixiviación hidrometalúrgica).

2) Acuicultura

Otra aplicación interesante de las salmueras es la acuicultura. En uno de los proyectos de investigación de esta tesis se estudió el uso de microalgas para la eliminación de nutrientes de salmueras de desaladoras, obteniendo resultados muy positivos para la eliminación de nitratos con algunas especies.

Hay algunas experiencias en acuicultura salina en distintos países como Australia, incluyendo la producción de trucha, perca, barramundi (especie de pescado local), y otras especies (Allan et al, 2001, Khan et al, 2009) pero no han sido estudiadas con salmuera de desalación, sino con aguas salinas.

Una experiencia interesante es la descrita por Sánchez et al (2015) en Brasil, donde se propone el desarrollo de un sistema en el que la salmuera de una planta desaladora utilizada para regar productos agrícolas que se podría utilizar a su vez para alimentar un sistema de acuicultura para producir Tilapia, suplemento alimenticio de ganado y el alga Spirulina para la producción de forraje para ganado. Junto con los productos comerciales obtenidos (ganado, suplementos alimenticios y productos agrícolas), los residuos del ganado se usarían como abono para el campo agrícola, cerrando así el ciclo de producción. La propuesta parece interesante aunque de momento es solo una idea de concepto.

3) Aplicaciones medioambientales

Aunque son muy poco conocidos, algunos usos ambientales de las salmueras como su empleo en humedales, canales y como recarga de acuíferos están siendo explorados.

Los humedales artificiales se alimentan frecuentemente con efluentes de depuración de aguas residuales. Sería más complicado el uso de salmueras para esta aplicación, ya que se necesitan especies vegetales tolerantes a la salinidad. Como ventajas, sería un proceso natural, podría proporcionar un hábitat valioso para distintas especies o usos recreativos, y podrían utilizarse mezclas de salmuera y agua de otros orígenes para reducir la salinidad. Sin embargo, hay importantes inconvenientes como el hecho de precisar una gran superficie, la falta de experiencia de esta aplicación a gran escala y el potencial impacto en las aguas subterráneas si el humedal está comunicado con algún acuífero.

Un caso interesante de regeneración ambiental empleando salmueras, es el de la desaladora de Jávea, en Alicante, donde la salmuera ha servido para regenerar un canal navegable que se comunica con el mar (Figura 17), contribuyendo a su oxigenación y eliminando los malos olores y acumulación de sedimentos que se producían

47

anteriormente (Malfeito et al, 2005). De forma similar, el vertido dentro de bahías cerradas o puertos podría ayudar a la mejora ambiental de estos espacios (Gonzalez et al, 2011).

Figura 17. Canal de vertido de salmuera de la desaladora de Jávea (Alicante). Foto cortesía de Jose Luis Sánchez Lizaso.

Sin duda, el mayor proyecto de regeneración ambiental con salmueras será, si finalmente se ejecuta, el conocido como Red Sea-Dead Sea, por el cual, una gran desaladora instalada en el Puerto de Aqaba en Jordania, producirá agua potable para la región y su salmuera será bombeada cientos de kilómetros hasta el Mar Muerto, para rellenar y regenerar éste. Todavía no hay referencias escritas sobre este proyecto pero si numerosas noticias en medios de comunicación y hay publicada ya una lista de licitadores internacionales aceptados para participar en el proyecto.

4) Regadío

No hay muchas referencias sobre el uso de salmueras para el riego de productos agrícolas, debido a la escasa tolerancia de los cultivos a la salinidad, aunque podemos encontrar experiencias en Palestina (Al-Agha y Mortaja, 2005) para el riego de olivos y palmera datilera o algunas experiencias en Brasil (De Souza et al, 2015) con el riego de lechugas, tomate, pimiento, girasol y otros. En estos casos se trataba de salmueras de baja salinidad.

5) Industria

Algunos de los usos industriales reportados son el uso en industria petrolífera o la preparación de soluciones de regeneración para resinas de intercambio iónico.

6) Otros usos

Otros usos de menor envergadura para las salmueras pueden ser el uso en hidroterapia, el desarrollo de halófilos, la retención de CO2 por secuestración mineral, el control de heladas y supresión de polvo en carreteras y viales, etc.

Como aspecto reseñable hay que indicar que la mayoría de estas aplicaciones requieren pequeños volúmenes de salmuera (salvo la extracción económica de componentes), por lo que no pueden ser una solución viable para la salmuera de grandes instalaciones.

48

2.2.3.3. Tecnologías emergentes

Entendemos por tecnologías emergentes aquellas que están todavía en fase de investigación o no han conseguido pasar de las fases de pilotaje o desarrollo de prototipos. En el campo de la desalación, las más conocidas son:

- Forward Osmosis (en sus distintas variantes: FO, PRO, etc.). - Pervaporación (PV). - Destilación de membrana (MD). - Desionización capacitiva (CDI). - Grafeno nanoporoso. - Membranas biomiméticas. - Acuaporinas. - Células de combustible microbianas. - Bioelectrogénesis. - Electrodiálisis metátesis y electrodiálisis con membranas bipolares. - Otras.

En la tabla 5 se muestran las características, ventajas e inconvenientes de las tecnologías emergentes más desarrolladas.

49

Tabla 5. Comparativa de las principales tecnologías emergentes

Tecnología FO PV MD CDI

Fundamento

Para extraer el agua dulce de la

solución salina se utiliza un agente extractante (draw

solution), con mayor presión

osmótica que el agua tratar. Al separarlos por medio de una

membrana semipermeable, el

agua sin sales pasa hacia el

medio extractante equilibrando los

potenciales químicos.

Posteriormente hay que separar el medio extractante

del agua por distintos medios

(en general térmicos o de membrana).

Proceso de separación de

membranas con membranas no

porosas aplicado a líquidos

miscibles. La separación se produce por medio de la

aplicación de vacío en el lado de la membrana mientras que el permeado es

recogido como vapor el cual se condensa como agua producto.

Agua salina precalentada y permeado se mantienen a

ambos lados de una membrana hidrofóbica que

mantiene las corrientes liquidas

alejadas de la membrana. Debido al

incremento de temperatura y la

fuerza conductora de la presión de

vapor, el agua es vaporizada en el

lado de alimentación,

difundida a través de la membrana y

finalmente condensada

dentro del lado de permeado frio,

dejando las sales en el lado de alimentación.

Aproximación electroquímica inducida a la

eliminación de iones de

soluciones acuosas. Cuando se hace circular

los iones cargados entre una doble capa

eléctrica (electrodos), al

hacer pasar una corriente, los

iones son atraídos por dicha

capa suministrando un

agua libre de iones cargados.

Fortalezas

Altas separaciones de sales, bajo

ensuciamiento de membranas y

potencialmente menor consumo

de energía.

Requiere menor calor latente que las técnicas de

evaporación y se puede usar con

compuestos sensibles a la temperatura.

Gran área de contacto de

membrana, alto rechazo de sales,

pequeña superficie ocupada y

condiciones de operación

moderadas, capaz de integrar

energías renovables.

Bajo coste de operación. Fácilmente acoplable a

energía solar para producción

fotovoltaica. Poco ensuciamiento por cambio de polaridad. Alta

conversión (80%)

Retos

Flujos reducidos (requiere más superficie de membrana). Carencia de soluciones

extractantes

Bajo flujo de permeado, flujo

de agua y estabilidad de la

membrana.

Bajo flujo de permeado y agua, ensuciamiento y humectación del

poro de membrana,

funcionamiento a

Los electrodos carbonosos son los componentes más críticos ya

que la capacidad electroabsortiva depende de las

50

efectivas y no nocivas y su separación

posterior del agua.

largo plazo y ciertos costes de

energía y producción aún por determinar.

propiedades físicas (área superficial y

conductividad del electrodo).

Variantes

-Pressure enhanced osmosis

(PEO) -Pressure retarded

osmosis (PRO) -Sistemas

Integrados FO-RO

-PV a vacío -PV con gas

portador (carrier)

-MD de contacto directo

-Air gap MD - MD a vacío

-

Posibles usos

Desalación, generación osmótica de

energía y otros (MBR osmótico, tratamiento de

lixiviados).

Desalación, deshidratación de

disolventes orgánicos y soluciones

azeotrópicas (por ejemplo

etanol/agua).

Desalación. Contactores de membrana para separación de

soluciones acuosas de orgánicos,

desgasificación de agua.

Desalación.

Situación actual

Pequeñas plantas (<300 m3/día),

algunos fabricantes

produciendo membranas.

Utilizada comercialmente

para deshidratación de

etanol e isopropanol. Para

desalación, plantas piloto y de pequeño tamaño.

Laboratorio, plantas piloto y

pequeñas instalaciones.

Plantas piloto y pequeñas

instalaciones.

51

Todas estas tecnologías han ido surgiendo en los últimos años con el objeto de desarrollar procesos de desalación con un menor consumo energético. No es previsible que el consumo de energía de los procesos de desalación pueda ser reducido de forma importante debido a que con los nuevos avances técnicos de la ósmosis inversa (membranas, recuperadores de energía más eficientes) se ha llegado a un punto próximo a su límite termodinámico (que sería igual a la energía necesaria para disolver las sales en el agua). Por tanto, no es previsible que ninguna de estas tecnologías pueda sustituir en el corto plazo a la ósmosis inversa como la principal tecnología de desalación.

Sin embargo, gracias a la investigación de estas tecnologías, se han encontrado potenciales aplicaciones interesantes como las siguientes:

- Producción de energía aprovechando gradientes de salinidad. - Mejora de la eficiencia de tecnologías actuales. - Procesos híbridos más eficaces. - Tratamiento de salmueras.

El mayor uso potencial con salmueras de estas tecnologías es la producción de energía aprovechando el potencial osmótico, que ya ha sido descrito anteriormente en este documento.

Finalmente, indicar que en un estudio en el que se compararon la mayor parte de las tecnologías emergentes, con sus ventajas e inconvenientes, Morillo et al (2014) concluyeron que la destilación de membrana, la forward osmosis, los procesos de electro-separación y la recuperación de metales eran las más prometedoras para la gestión de las salmueras de desaladoras.

52

53

3. OBJETIVOS

Globalmente, los objetivos de la presente investigación han sido el estudio de las distintas soluciones a la problemática generada por las salmueras de desalación, la determinación de sus características y generación, su vertido, y las posibles alternativas para su valorización. Como objetivos más específicos;

- Identificar las diferentes tecnologías de desalación disponibles, tanto de agua de mar como salobre, con sus ventajas e inconvenientes y la determinación de la diferente problemática que plantean respecto a sus salmueras.

- Estudiar los distintos métodos y procedimientos de gestión de salmueras (descarga, inyeccion profunda, valorización, etc.).

- Estudiar los potenciales usos de las salmueras y sus subproductos (extracción de sales, acuacultura, producción de energía, etc).

- Estudiar la eficiencia de algunos procesos para la extracción de sales y subproductos de las salmueras (evaporación-cristalización, extracción con disolventes).

- Estudiar distintos aspectos de la modelización de los vertidos de salmuera al mar y los coeficientes de difusión de las mezclas agua de mar-salmuera.

- Desarrollar nuevas tecnologías y procesos como la extracción de sales divalentes de salmueras con disolventes orgánicos o el desarrollo de un sistema de desalación alimentado con energía solar y vertido cero.

- Analizar la aplicación de las distintas soluciones en instalaciones reales como casos de estudio.

- Incrementar y profundizar en el conocimiento sobre la problemática y soluciones al tratamiento y gestión de salmueras.

En las tablas 6 y 7 se indica en que artículos y ponencias han sido desarrollados los diferentes objetivos.

54

Tabla 6. Objetivos recogidos en las distintas publicaciones.

ARTÍCULOS

TEMÁTICAS

Project for the develop-ment of innovative solutions for brines from desalination plants

Microalgae production for nutrient removal in desalination brines

Desalina-tion techniques – a review of the opportuni-ties for desalination in agriculture

Manual de buenas prácticas. Inyección profunda de rechazos de desala-ción

7 year operation of a BWRO plant with raw water from a coastal aquifer for agriculture irrigation

Identificación de tecnologías de desalación y su problemática

X

Estudio de métodos de gestión de salmueras

X X

Estudio de los potenciales usos de las salmueras

X X X X

Estudio de la eficiencia de algunos procesos para la extracción de sales

X

Estudio de aspectos de modelización de vertidos

X

Desarrollo de nuevas tecnologías y procesos

X

Aplicación a casos reales

X

Incrementar el conocimiento sobre la problemática de las salmueras

X X X X

55

Tabla 7. Objetivos recogidos en las distintas presentaciones a congresos.

PONENCIAS

TEMÁTICAS

Beneficial uses of reverse osmosis brines

Research and develop-ment project for sustaina-ble treatment of acid mine drainage water

Develop-ment of an innova-tive and efficient system for solar desalina-tion with zero liquid discharge (ZLD)

Energy recovery and optimiza-tion in a brackish water desalina-tion plant with variable salinity

Towards a zero liquid discharge in a solar-thermal power industry

Modeling of brine discharge using both a pilot plant and differen-tial equations

Innova-dor proceso de desala-ción por ósmosis directa utilizando citrato de socio como agente extractan-te

Identificación de tecnologías de desalación y su problemática

X

Estudio de métodos de gestión de salmueras

X X X X

Estudio de los potenciales usos de las salmueras

X X

Estudio de la eficiencia de procesos para la extracción de sales

X

Estudio de aspectos de modelización de vertidos

X

Desarrollo de nuevas tecnologías y procesos

X X X X

Aplicación a casos reales X X X X X

Incrementar el conocimiento sobre la problemática de las salmueras

X X X X X X

56

Tomando como base la Figura 9, se representan gráficamente en la Figura 18 los diferentes modelos de gestión y tecnologías utilizados para las salmueras, resaltando con fondo naranja los que han sido estudiados en las distintas publicaciones.

Figura 18. Sistemas de gestión de salmueras con indicación de los sistemas estudiados en las publicaciones (resaltados en fondo naranja).

57

4. HIPÓTESIS

La gestión de los rechazos o salmueras que se derivan de los procesos de desalación constituye un reto ambiental importante, ya que en cada caso se debe procurar su deposición con el mínimo impacto ambiental. Se han revisado los distintos sistemas de gestión, llegando a la conclusión de que, en el caso de las salmueras procedentes de desaladoras de agua salobre (fundamentalmente las de interior), no existe en la actualidad un sistema de gestión que sea aceptable desde el punto de vista técnico y económico.

El planteamiento y objeto de esta tesis es el de avanzar en la búsqueda de nuevas soluciones para la gestión de salmueras e incrementar el conocimiento en esta materia. Para ello, se han realizado varios proyectos de investigación explorando las distintas posibilidades de gestión de salmueras, cubriendo un amplio espectro de alternativas (vertido, concentración y valorización).

Complementariamente a los proyectos de investigación, coordinados por el doctorando y realizados con la colaboración de numerosos centros de investigación, se han estudiado algunos casos reales de plantas donde han sido aplicados algunos de los conocimientos adquiridos durante las investigaciones.

Como resultado de las investigaciones, junto con la importante producción científica (5 publicaciones, un capítulo de libro en preparación y un buen número de comunicaciones a congresos internacionales), se han conseguido dos patentes relacionadas, respectivamente, con el desarrollo de un nuevo proceso de extracción de sales de salmueras y una nueva tecnología de desalación alimentada con energía solar y vertido cero escalada a nivel de prototipo.

58

59

5. JUSTIFICACIÓN DE LA UNIDAD TEMÁTICA

Los trabajos presentados en la presente tesis doctoral forman un conjunto temático relacionado con la gestión de las salmueras o rechazos de las plantas desaladoras.

Los artículos publicados, que son la base del presente documento, se basan fundamentalmente en la descripción de los resultados obtenidos en varios grandes proyectos de investigación. El primero de ellos, ”Project for the development of innovative solutions for brines from desalination plants”, describe la investigación realizada entre los años 2007 y 2009 (“Proyecto de Investigación para el desarrollo de soluciones innovadoras en la gestión de los vertidos procedentes de desaladoras”, perteneciente al Programa Nacional de Ciencias y Tecnologías Medioambientales/Subprograma Nacional de Tecnologías para la Gestión Sostenible Ambiental, con nº de expediente FIT-310200-2007-225), siendo el doctorando el coordinador de dicho proyecto, y que contó con la colaboración de distintas Universidades (Universidad de Alicante, Universidad Politécnica de Catalunya, Universidad Complutense de Madrid y Universidad de Alcalá de Henares) y centros de investigación (IMDEA Agua (Instituto Madrileño de Estudios Avanzados-Agua) y CETENMA (Centro Tecnológico de la Energía y el Medio Ambiente de Murcia)).

El proyecto se desarrolló con las siguientes líneas de investigación o sub-proyectos;

1. Investigación de una tecnología novedosa para la recuperación de sales divalentes de salmueras (extracción con un disolvente orgánico). Caracterización y usos posibles de salmueras y subproductos.

2. Estudio de la viabilidad técnica y económica de la aplicación de salmueras de plantas desaladoras para distintos usos.

3. Desarrollo de sistemas de descarga líquida cero para salmueras de desalación por medio de la tecnología de evaporación-cristalización y determinación de su viabilidad técnica y económica.

4. Desarrollo de sistemas de inyección en pozos profundos de salmueras con estudio de sus implicaciones ambientales.

60

5. Desarrollo de dilución avanzada de salmueras. Investigación y modelado de los distintos parámetros y comparación con los modelos matemáticos existentes.

Cubriendo así la mayor parte de los objetivos propuestos para esta tesis.

Junto a este proyecto, cuyos resultados están resumidos en el artículo citado, se presentan otras publicaciones donde se describen los resultados parciales de otras líneas de investigación relacionadas y casos de estudio de plantas desaladoras reales, completando así la visión global de la problemática descrita en la introducción y cumpliendo con los objetivos previstos.

El artículo, “Desalination Techniques – A review of the opportunities for desalination in agriculture”, describe parte de los trabajos realizados en el marco del proyecto de investigación “Opportunities for Desalination in Agriculture in Australia”, realizado en 2013 en cooperación entre la empresa Valoriza Agua (de la que el autor es Director Técnico y de Investigación y Desarrollo y Coordinador del proyecto) y el CSIRO (Commonwealth Scientific and Industrial Research Organisation), que fue financiado por el NECDA (National Center of Excellence in Desalination Australia) en su Programa de Financiación (Funding Round) 4. En este trabajo se estudiaron los distintos procesos de desalación existentes y los emergentes, con sus aplicaciones, ventajas e inconvenientes, consumos de energía y costes, así como los distintos procedimientos para la gestión de salmueras.

Junto a los trabajos publicados se han incluido también una serie de ponencias presentadas a distintos congresos internacionales. Todas estas publicaciones reflejan aspectos de la problemática asociada a las salmueras de desalación, describen proyectos de investigación o trabajos relacionados y profundizan por tanto en los objetivos de la investigación. Son proyectos posteriores al proyecto inicial realizado entre los años 2007-2009 (y además algunos continúan activos) y son la continuación del mismo en esta temática general.

Otro de los trabajos que se han incluido en esta selección de publicaciones es el capítulo preparado para el libro “Handbook of Sustainable Desalination” titulado precisamente “Beneficial uses of reverse osmosis brines”, con el que el doctorando ha sido invitado a contribuir por la Editorial Elsevier, como experto en la materia.

Las distintas investigaciones realizadas han dado lugar asimismo a dos patentes obtenidas por las empresas que han desarrollado los proyectos, en las que el doctorando es co-inventor; una de ellas basada en el desarrollo de una tecnología de extracción de sales de salmueras con disolventes orgánicos y la otra en un proceso de desalación alimentado por energía solar y con vertido liquido cero.

Como puede observarse, los trabajos presentados en esta investigación cubren la mayor parte de las opciones para la gestión y tratamiento de las salmueras de desaladoras descritas en la introducción de este documento.

En las Tablas 8 y 9 se muestran los diferentes trabajos presentados en esta tesis, con indicación de las temáticas que son tratadas en cada uno de ellos.

61

Tabla 8. Temáticas sobre gestión y tratamiento de salmueras con indicación de las publicaciones donde han sido tratadas.

ARTÍCULOS

TEMÁTICAS

Project for the develop-ment of innovative solutions for brines from desalina-tion plants

Microalgae production for nutrient removal in desalina-tion brines

Desalina-tion techni-ques – a review of the opportu-nities for desalina-tion in agri-culture

Manual de buenas prácticas. Inyección profunda de recha-zos de desala-ción

7 year operation of a BWRO plant with raw water from a coastal aquifer for agricultural irrigation

Benefi-cial uses of reverse osmosis brines (*)

Comparativa de tecnologías X

Descarga en masas de agua X X X X X

Modelización matemática de la descarga

X

Estudio de coeficientes de difusión

X

Inyección en acuíferos X X X X X

Concentración de salmueras y ZLD X X

Usos potenciales de las salmueras X X X X

Extracción con sales divalentes X X

Uso de microalgas X X X

Tecnologías emergentes X X

(*) se ha incluido este capítulo del libro (en preparación) dentro de la tabla de publicaciones.

62

Tabla 9. Temáticas sobre gestión y tratamiento de salmueras con indicación de las presentaciones en congresos donde han sido tratadas.

PONENCIAS

TEMÁTICAS

Research and develop-ment project for sustainable treatment of acid mine drainage water

Develop-ment of an innovative and efficient system for solar desalination with zero liquid discharge (ZLD)

Energy recovery and optimiza-tion in a brackish water desalination plant with variable salinity

Towards a zero liquid dischar-ge in a solar-thermal power industry

Modeling of brine discharge using both a pilot plant and differen-tial equations

Innovador proceso de desala-ción por ósmosis directa utilizando citrato de socio como agente extractan-te

Comparativa de tecnologías X

Descarga en masas de agua X X X X X

Modelización matemática de la descarga

X

Estudio de coeficientes de difusión

Inyección en acuíferos X

Concentración de salmueras y ZLD X X X

Usos potenciales de las salmueras X

Extracción con sales divalentes

Uso de microalgas

Tecnologías emergentes X

63

6. DISCUSIÓN DE RESULTADOS

En este capítulo se describen de forma resumida los resultados de cada una de las investigaciones realizadas y que se recogen en los trabajos publicados. Los resultados se exponen por temáticas, siguiendo la clasificación de la introducción, en lugar describir cada una de las publicaciones de modo independiente.

6.1. ESTUDIO COMPARATIVO DE LAS DIFERENTES TECNOLOGÍAS DE DESALACIÓN Y DESTINO DE LAS SALMUERAS

La mayor parte de los procesos de desalación comerciales desarrollados a gran escala están basados en procesos de evaporación (MSF, MED, VC) o de membranas (RO, NF, EDR), con un fuerte predominio y crecimiento en la actualidad de la ósmosis inversa frente a los procesos de evaporación, debido al mayor consumo de energía de éstos y por tanto su mayor coste de producción de agua e impacto ambiental. Este predominio creciente está teniendo lugar incluso en los países del Golfo Pérsico, tradicionales usuarios de la desalación por evaporación y donde el precio de la energía es inferior.

En el artículo “Desalination techniques – A review of the opportunities for desalination in agriculture” se realizó un estudio comparativo sobre las distintas tecnologías de desalación disponibles. Dado que el artículo estaba focalizado en la desalación para agricultura, no se analizaron en profundidad las tecnologías de evaporación por su elevado consumo energético.

El proyecto que soportó esta investigación “Opportunities for Desalination in Agriculture in Australia”) fue desarrollado por el CSIRO (Commonwealth Scientific and Industrial Research Organisation) y Valoriza Agua, con la financiación del NECDA (National Center of Excellence in Desalination Australia) entre los años 2012 y 2013 (Funding Round 4).

El objeto era el de asesorar al NCEDA, al gobierno australiano, al sector agrícola y del agua en cuanto a la viabilidad de utilizar la desalación para producción agrícola en Australia y proporcionar orientación sobre las perspectivas del uso de agua desalada.

64

Como parte de estos trabajos, se realizó una investigación que incluyó un estudio técnico-económico de las alternativas de desalación, ventajas en inconvenientes de cada tecnología, problemática de las salmueras, etc., cuyos resultados son los que se presentan en el artículo.

Para las tecnologías de Ósmosis inversa, Nanofiltración, Electrodiálisis e intercambio iónico se describieron los costes de instalación, costes energéticos y costes operacionales. Se realizó asimismo una breve reseña de las tecnologías emergentes, su situación actual y usos potenciales.

En la tabla 10 adaptada y traducida del artículo, se comparan los costes de instalación y operación de las siguientes tecnologías: ósmosis inversa de agua de mar, ósmosis inversa de agua salobre, destilación de múltiple efecto (para agua de mar) y electrodiálisis reversible (para agua salobre), donde podemos observar que la ósmosis inversa es siempre comparativamente la que presenta los costes más reducidos.

Tabla 10. Comparación de costes de inversión y operación con diferentes tecnologías (en dólares australianos). Traducida y adaptada del artículo “Desalination techniques – A

review of the opportunities for desalination in agriculture”

Parámetro SWRO BWRO MED EDR Costes de inversión

(AU$/m3/día de agua producto)

2.130 – 3.330 800 – 2.400 3.330 – 5.200 760 – 4.330

Costes de operación

(AU$/m3/día de agua producto)

2,52 – 2,93 0,87 – 2,00

Con calor residual:

0,73 – 1,27 Sin calor residual:

2,40 – 3,73

1,33 – 3,73

Evidentemente, para la ósmosis inversa los costes del tratamiento del agua de mar son mucho más elevados que los del agua salobre. En el caso de los costes de construcción, debido a los materiales de construcción (las aleaciones anti-corrosión utilizadas en la zona de alta presión, así como su presión de diseño), y en el de los costes de operación dado que la energía necesaria para la etapa de ósmosis inversa depende de la presión osmótica de la solución a desalar y por tanto de su salinidad.

Los procesos de evaporación, solo se utilizan para desalación de agua de mar, ya que la energía necesaria para evaporar agua no depende de su salinidad y por tanto los costes energéticos son iguales para cualquier tipo de agua.

En la tabla 11 (extraída asimismo del artículo) se muestra la idoneidad de las distintas tecnologías para las diferentes salinidades del agua de aporte.

65

Tabla 11. Idoneidad de las distintas tecnologías de desalación para distintas salinidades del agua de aporte. Traducida y adaptada del artículo “Desalination techniques – A review

of the opportunities for desalination in agriculture”

Salinidad (TDS), mg/L

Proceso utilizado actualmente para

desalación

Potencialmente viable en el fututo

No idóneo para ese nivel de

salinidad Salobre, inferior a

2.500-3.000

RO, NF, ED, IX, HDH, CDI MD, PV, FO

Procesos de evaporación

Salobre, superior a

3.000-15.000 RO, NF, ED, IX, HDH MD, PV, FO, CDI Procesos de

evaporación, CDI

Salobre, superior a

15.000

RO, NF/RO,ED, HDH, MSF, MED, VC

MD, PV FO, IX, CDI

Agua de mar, ± 35,000

RO, NF/RO, HDH, MSF, MED, VC MD, PV FO, IX, CDI

Como conclusión a estos estudios comparativos, indicar que es evidente que la ósmosis inversa es en la actualidad la tecnología de desalación más económica en inversión y operación, con la que solo pueden competir la Electrodiálisis Reversible y la Nanofiltración para aplicaciones específicas y de baja salinidad.

6.2. DESCARGA DE SALMUERAS EN MASAS DE AGUA

Como se ha comentado en la introducción, la descarga a distintas masas de agua es el destino más frecuente para las salmueras de desalación, con las plantas próximas a la costa vertiendo al mar como opción mayoritaria.

En el estudio descrito en el artículo “Desalination techniques – A review of the opportunities for desalination in agriculture”, se concluyó que, para plantas lejanas a la costa, la energía, la descarga de salmuera y la obra civil son los mayores costes de producción de agua, mientras que en plantas próximas a la costa la descarga de salmuera al mar hace que el coste operacional para este componente sea mínimo.

En la Figura 19, extraída del artículo, se puede observar los destinos de la salmuera en las plantas de desalación de agua salobre de Australia, que son, en orden de importancia: descarga a masas de agua dulce, descarga a redes de saneamiento, descarga al mar e inyección profunda y aplicación al terreno.

66

Figura 19. Destino de las salmueras de desalación de agua salobre en Australia.

6.2.1. MODELIZACIÓN MATEMÁTICA DE LA DESCARGA DE SALMUERAS

Con el fin de evaluar el impacto de las salmueras en las masas de agua donde son descargadas, se han desarrollado una serie de modelos matemáticos para la modelización del vertido y su dilución, que son útiles para la fase de diseño y construcción y para el posterior seguimiento ambiental.

En la actualidad existen en el mercado algunos programas comerciales para esta aplicación, como el CORMIX, que se utilizan en los diseños y seguimiento de las desaladoras. Sin embargo, existen algunas dudas acerca de la precisión de estas modelizaciones ya que los modelos provienen de otras aplicaciones (como el vertido de aguas residuales o vertidos en aguas dulces) que podrían no considerar aspectos clave de la descarga de salmueras como su salinidad y su densidad, que afectan al comportamiento de la mezcla y su dilución.

Con el fin de hacer una evaluación sobre la dilución de salmueras incluyendo todas estas variables no consideradas anteriormente se realizó un proyecto de investigación (que formo parte del proyecto “Soluciones Innovadoras para el vertido de salmueras procedentes de desaladoras” de la convocatoria PROFIT, año 2007) que consistió en el estudio de estos modelos matemáticos de dilución y se realizó en cooperación entre las empresas Ecoagua y Valoriza Agua.

Para la investigación se utilizaron los datos procedentes de dos experiencias diferentes: 1) Una planta piloto construida al efecto e instalada en la desaladora de la Comunidad de Regantes de Cuevas de Almanzora (Almería) consistente en un tanque rectangular de 51,2 m3 de capacidad instrumentado con 23 medidores de conductividad localizados a distintas distancias y profundidades (Figura 20).

2) Datos reales obtenidos de la desaladora de agua de mar “La Chimba”, ubicada en la costa de Chile.

67

Figura 20. Planta piloto para la modelización de vertidos de salmueras.

Las herramientas utilizadas para esta modelización fueron el análisis dimensional y la teoría de modelos. En la Figura 21 se muestra a modo de ejemplo la pluma de descarga modelizada obtenida en uno de los experimentos realizados en la planta piloto.

Figura 21. Modelización de la pluma de vertido en una de las experiencias en planta piloto

Las conclusiones obtenidas en esta investigación fueron las siguientes:

• Se construyó y diseñó una planta piloto para evaluar el efecto de la dilución en campo cercano como consecuencia de las diferencias de densidad entre la salmuera y el agua de mar. Utilizando conductivímetros y un datalogger (registrador de datos en continuo), los cambios de conductividad en la planta piloto fueron registrados en tiempo real durante la descarga. Estos datos permitieron

Axis

y, w

idth

(m),

prot

otyp

e

Axis

y, w

idth

(m),

pilo

t pl

ant

0.1 0.3 0.5 0.7 0.9 1.1 1.3 1.5 1.7 1.9 2.1 2.3 2.5 2.7-0.4-0.3-0.2-0.10

0.10.20.30.4

Salinity increased

(g/L)

Axis x, length (m), pilot plant

0

1

2

3

5

7

9

11.5

1.5 Axis x, length (m), prototype

7.5

3.5

5.5

9.5

11.5

13.5

2

0

-2

68

determinar la dinámica y forma de la pluma de descarga de salmuera en el agua de mar.

• Los resultados obtenidos en la planta piloto fueron comparados con campañas de caracterización de la descarga de salmuera procedente de la planta desaladora de agua de mar “La Chimba”, la cual había estado operando durante más de 5 años (en el momento del estudio). La planta produce agua desalada y descarga su salmuera al mar. Los resultados obtenidos en las experiencias de la planta piloto y en las campañas de caracterización de la descarga de salmuera fueron similares.

• A diferencia de otras plantas piloto para simular vertidos de salmuera, el procedimiento presentado no necesitaba tintes o trazadores tales como el azul de metileno o la rodamina para determinar la pluma de descarga (aunque también se realizaron algunos ensayos con estos trazadores). Esto es crucial porque los tintes (que son descargas con sólidos suspendidos) no se comportan del mismo modo que la salmuera.

• Se describió también una nueva forma de llevar a cabo la descarga de salmueras; la descarga superficial. Mediante este procedimiento, la dilución de la salmuera en el ambiente en el campo cercano se realiza de modo más rápido que con los métodos de dilución tradicional de descarga sumergida.

• El uso del modelo matemático permitió modelar el problema de mecánica de fluidos y analizar el comportamiento de la descarga de salmuera al mar por medio de un sistema no lineal parcial de ecuaciones diferenciales con la interfase y las condiciones iniciales. Futuros trabajos intentarán resolver el sistema por métodos numéricos y compararlos con los resultados obtenidos en la planta piloto y en la planta desaladora.

• En el estudio fueron cubiertos un gran número de aspectos: investigación en una planta piloto, el uso de datos de descarga de salmueras de una planta de agua de mar para validar los resultados y la modelización matemática de las ecuaciones que describen el comportamiento de la descarga.

6.2.2. ESTUDIO Y DETERMINACIÓN DE LOS COEFICIENTES DE DIFUSIÓN

Otro de los aspectos sobre la modelización de los vertidos de salmueras que ha sido tratado en esta investigación ha sido el del estudio de los coeficientes de difusión entre la salmuera y el mar, realizados mediante la aplicación de interferometría holográfica y cuyos resultados forman parte también del artículo “Project for the development of innovative solutions for brines from desalination plants”. Estos estudios fueron realizados por el Departamento de Ingeniería Química de la Universidad de Alicante.

La investigación se desarrolló por medio de una técnica óptica que combina la holografía con la interferometría, permitiendo la observación de los cambios del camino óptico como franjas de interferencia.

En el dispositivo utilizado, el camino óptico es el producto del índice de refracción por la distancia recorrida por un rayo láser. De este modo, si utilizamos una cubeta físicamente estable y transparente que contiene la solución a estudiar y la colocamos en la trayectoria del rayo láser, podemos observar los cambios del índice de refracción que tienen lugar en el medio por medio de franjas de interferencia. Dado que el índice de refracción está

69

directamente relacionado con la concentración de la solución, es posible por tanto determinar perfiles de concentración en procesos de trasferencia de masa (ósmosis, ultrafiltración, difusión, etc.).

El dispositivo experimental, instalado en laboratorio, es un módulo de interferometría holográfica como el mostrado en la Figura 22, donde tiene lugar el proceso (difusión, dilución, dispersión) bajo estudio.

Figura 22. Montaje de interferometría holográfica

Utilizando este procedimiento, era posible por tanto el obtener el coeficiente de difusión de la salmuera en agua de mar.

Previamente a los experimentos con salmuera, se realizaron experimentos utilizando cloruro sódico a diferentes concentraciones, al ser la sal mayoritaria en el agua de mar. El valor del coeficiente de difusión obtenido en la experiencia fue de 1.52 • 10-5 cm2/s, que, comparado con el dato extraído de la literatura (1.53 • 10-5 cm2/s), representaba un margen de error del 0,7%, que puede considerarse aceptable.

En la Figura 23 se muestran algunos de los interferogramas obtenidos:

t = 30 min.

t = 40 min.

t = 50 min.

t = 60 min.

Figura 23. Interferogramas de salmuera y agua de mar.

70

Una vez obtenido el coeficiente de difusión del cloruro sódico, el siguiente objetivo fue el cálculo del coeficiente de dilución entre agua de mar y salmuera sin diluir, obteniendo en este caso como resultado un valor de coeficiente de difusión de 1.27 • 10-5 cm2/s, valor que puede ser utilizado para los análisis y simulación de la descarga de salmuera al mar por medio de un emisario a través de difusores.

6.2.3. INYECCIÓN EN ACUÍFEROS

Una de las posibles opciones para el destino de las salmueras de desalación en zonas de interior, que se ha utilizado en algunos países, es el de la inyección en acuíferos. Aunque parece ser una buena solución desde el punto de vista económico si se cuenta con un acuífero adecuado próximo a la desaladora, tiene numerosos riesgos ambientales que hay que evaluar.

6.2.3.1. Inyección en acuíferos profundos

Con el fin de estudiar la alternativa de inyección de salmueras en acuíferos profundos se abrió una línea de investigación dentro del “Proyecto de Investigación para el desarrollo de soluciones innovadoras en la gestión de los vertidos procedentes de desaladoras”, realizado en cooperación entre las Universidades Rey Juan Carlos y Universidad de Alcalá, IMDEA Agua y Valoriza Agua.

El trabajo consistió en la recopilación de información sobre los requerimientos de las diferentes fases necesarias para llevar a cabo un proyecto de inyección profunda medioambientalmente seguro y económicamente viable. Se estudió asimismo la situación de la inyección profunda en España mediante un análisis DAFO y como resultado de dichos estudios se desarrollaron 3 documentos:

- Estado del arte de la gestión de salmueras procedentes de desaladoras de interior.

- Viabilidad de la inyección profunda de salmueras. - Manual de buenas prácticas de inyección profunda de salmueras.

En los dos estudios previos se estudiaron las distintas alternativas a la gestión de salmueras en interior y se hizo una prospección de los lugares donde potencialmente se podría realizar la inyección profunda de salmueras en España, si fuera autorizado.

En las figuras 24 y 25, se muestran distintas localizaciones de pozos, perforaciones o prospecciones, que están situados a menos de 20 km de formaciones salinas o instalaciones de tratamiento de aguas , respectivamente, y que podrían ser los lugares más adecuados para la inyección profunda de salmueras u otros vertidos.

71

Figura 24. Inventario de los 590 pozos o perforaciones situados a menos de 20 km de formaciones salinas.

Figura 25. Inventario de los 545 pozos o perforaciones situados a menos de 20 km de depuradoras de aguas residuales (EDAR).

Como conclusión a los estudios previos realizados, se publicó un Manual de buenas prácticas de la inyección profunda de salmueras, documento que forma parte de esta tesis por compilación. Como se ha indicado anteriormente, es muy difícil que en España sea autorizada la inyección de salmueras en acuíferos profundos por parte de los organismos de Cuenca, debido a los riesgos ambientales asociados. Sin embargo, se consideraba necesaria la realización de un manual de buenas prácticas que definiera como realizar correctamente y con el menor impacto ambiental esta actividad en todas sus fases de desarrollo, desde su fase de estudio hasta su clausura.

72

El documento se estructuró en las siguientes partes:

- Prologo - Resumen - Introducción - Fases de operación de inyección de rechazos - Fase de estudio

o Fase de diseño o Autorización o Fase de construcción o ejecución o Fase de operación o Fase de clausura

6.2.3.2. Caso de estudio: desaladora de Cuevas de Almanzora

La desaladora de la Comunidad de Regantes de Cuevas de Almanzora es una instalación de desalación de agua salobre localizada en Cuevas de Almanzora (Almería) y dedicada al regadío agrícola.

La planta, de 25.000 m3/día de capacidad, se alimenta de varios pozos que captan el agua salobre a tratar de un acuífero situado en la rambla del río Almanzora y que está seriamente afectado por la intrusión marina, lo que ha producido importantes incrementos de salinidad a lo largo de la operación de la instalación. La planta suministra agua de calidad para regadío agrícola y proporciona agua de distintas calidades según la temporada y los requerimientos de calidad de cada producto, obteniendo estas calidades por medio de la mezcla de agua desalada con agua sin desalar procedente de los pozos de aportación.

Algunas de las medidas adoptadas en la instalación, que son descritas en el artículo incluido en esta tesis (“7 year operation of a BWRO plant with raw water from a coastal aquifer for agricultural irrigation), y relacionadas con la problemática de la salmuera son las siguientes:

1. Incremento de la conversión. El agua de aportación fue incrementando su salinidad en los primeros años de operación, incrementando además específicamente el contenido en sulfatos por encima de la concentración del agua de mar. Dado que los sulfatos son limitantes de la conversión, fue necesario modificar la dosificación de los productos antiincrustantes con un nuevo producto específico para sulfatos que permitió mantener la conversión en los valores de diseño. Con el fin de controlar las dosis necesarias de estos productos se utilizó además un atiniincrustante trazado que era detectado mediante un dispositivo conocido como Trasar-3D, de la empresa Nalco.

2. Recuperación de energía. Como innovación en esta planta desaladora, se instalaron recuperadores de energía residual de la salmuera (del tipo Turbocharger), que recuperan aproximadamente un 30% de la energía necesaria para el proceso. La innovación viene del hecho de utilizar recuperación de energía

73

para un sistema de agua salobre, donde las presiones y caudales de salmuera son menores.

3. Realización de estudios hidrogeológicos en el acuífero para encontrar las zonas más salinas donde poder verter la salmuera. Se determinó la zona más adecuada para este vertido pero finalmente se optó por el vertido de salmuera por medio de un colector hasta el mar, dado que ya había una instalación existente de otra desaladora que fue compartida.

Con el fin de caracterizar la intrusión marina en el acuífero y determinar asimismo si era posible la inyección de la salmuera en el acuífero, se realizaron los siguientes estudios:

- Estudios de infiltración y cálculo de flujos (estudio de pluviometría). - Medio ambiente geológico e hidráulico. - Nivel piezométrico del agua subterránea, calidad del agua y evolución con el

tiempo. - Inventario de aportaciones de agua. - Mapa de cultivos y usos del agua. - Test de bombeo.

Estos estudios fueron completados con una campaña de exploración geofísica por medio de tomografía eléctrica, tecnología basada en el análisis de la resistencia eléctrica de los materiales del terreno.

Se realizaron 19 perfiles de tomografía agrupados en 5 líneas en dirección Noroeste-Sudeste, perpendicularmente a la línea de la costa. Cada perfil tenía 355 m de longitud y se introdujeron 72 electrodos por perfil con 5 m de separación entre ellos. En la Figura 26 se muestran a modo de ejemplo algunos de los perfiles obtenidos.

74

Figura 26. Perfiles de salinidad del acuífero de Cuevas de Almanzora, en profundidades de 0 a 70 m. Los colores indican resistividad, con rangos desde aguas con baja salinidad

(tonos rojos) a agua muy salada (tonos azules)

El resultado de estos perfiles condujo a la caracterización del acuífero con varias franjas paralelas al mar de diferentes salinidades, como se muestra en la Figura 27.

75

Figura 27. Franjas de salinidad del acuífero de Cuevas de Almanzora paralelas al mar. La tonalidades de azules más oscuros implican mayor salinidad.

Estos estudios permitieron lo siguiente:

- Gestionar adecuadamente la extracción de agua de los distintos pozos para mantener el equilibrio de salinidad en el agua bruta de aporte a la desaladora.

- Evaluar la evolución de la salinidad del acuífero con el tiempo, relacionada con la extracción de agua.

- Determinación de la zona más adecuada para captar agua de mar si la planta se ampliara de esta forma (de hecho la planta está preparada para ello tanto en materiales de construcción como en las presiones de diseño de tuberías, tubos de presión de membranas, etc.).

- Localización de los mejores puntos de inyección para la salmuera de la planta, en las zonas más saladas.

Finalmente la inyección de la salmuera en el acuífero no tuvo lugar, y se optó por la construcción de una tubería de conducción de la salmuera hasta el mar, conectando con otro emisario existente.

Las conclusiones de la investigación fueron las siguientes:

- Las desaladoras que tratan agua salobre subterránea requieren de estudios rigurosos sobre el acuífero para evaluar su posible evolución temporal y el impacto sobre la extracción y explotación del agua.

- Los estudios del acuífero pueden asimismo determinar el destino más apropiado para los rechazos, el punto de operación óptimo y la localización de la descarga.

- El diseño de una instalación de este tipo, y en mayor medida, en acuíferos costeros, debe ser flexible y capaz de responder a situaciones diferentes de calidad del agua y empeoramientos inesperados.

76

- Han sido realizados rigurosos estudios hidrogeológicos los cuales ayudan a controlar la explotación del acuífero y la extracción de agua para ser desalada.

6.2.3.3. Caso de estudio: planta Potabilizadora de Abrera

En el “Proyecto de Investigación para el desarrollo de soluciones innovadoras en la gestión de los vertidos procedentes de desaladoras” también se estudió la posibilidad de inyección de la salmuera procedente de la ampliación de la ETAP (Estación de Tratamiento de Agua Potable) de Abrera, en Barcelona, una gran instalación con un tratamiento de afino por Electrodiálisis Reversible (la más grande del mundo con esta tecnología, 200.000 m3/día), diseñada para reducir el contenido en trihalometanos (THMs) del agua potable producido en esta planta de tratamiento de agua potable con agua procedente del rio Llobregat.

Se realizaron estudios en una planta piloto para determinar las características de la salmuera previamente a la construcción de la planta y se estudió el acuífero próximo al mar para ver la viabilidad de la aplicación, aunque al final se abandonó esta línea de investigación al decidirse durante el desarrollo del proyecto de construcción de la planta la instalación de un “salmueroducto” o conducción para conducir la salmuera de la instalación hasta el mar.

Los trabajos llevados a cabo en la planta de tratamiento (ETAP) de Abrera, fueron los siguientes:

• Instalación de una planta piloto de EDR en la ETAP de Abrera durante la fase de construcción de la instalación industrial (Figura 28) para evaluar la eficiencia de la instalación, la producción y calidad del agua producida y las características de la salmuera.

• Estudios hidrogeológicos para evaluar la viabilidad de la inyección de salmuera en el acuífero.

Estudio de análisis de datos y conclusiones por parte del Grupo de Tratamiento de Aguas de la Universidad Politécnica de Cataluña.

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Figura 28. Planta piloto de EDR situada en la ETAP de Abrera

Los dos casos de estudio comentados en este apartado demuestran la dificultad de la inyección de salmuera en acuíferos en España, donde no se encuentran casos de éxito reportados (se ha encontrado una referencia sobre una instalación hace años en Benferri (Alicante), pero no hay datos fiables sobre el estado de su operación y/o su legalidad).

6.3. CONCENTRACIÓN DE SALMUERAS

Ya hemos visto que una de las etapas más importantes en cualquier proceso de gestión y tratamiento de salmueras o cualquier otro residuo es el de su concentración o reducción de volumen, que podemos llevar a su máxima expresión en los procesos conocidos como de descarga líquida cero.

6.3.1. CASO DE ESTUDIO: CONCENTRACIÓN DE SALMUERA POR ELECTRODIÁLISIS REVERSIBLE (EDR)

En el presente caso de estudio se muestra como la electrodiálisis reversible puede ser una tecnología útil para la concentración de corrientes de agua salobre, con determinadas características y limitaciones.

Como se ha comentado anteriormente, una de las ventajas que presenta la Electrodiálisis reversible para la desalación de aguas salobres (de baja salinidad) es que, en general, permite trabajar a conversiones más elevadas que la ósmosis inversa, y por tanto produce un menor volumen de salmuera.

En un trabajo realizado, descrito en la ponencia “Towards a near zero liquid discharge in a solar-thermal power Industry”, se estudia el diseño y los datos procedentes de una instalación realizada por la empresa Sadyt en el tratamiento de aguas de la central

78

térmica solar de Lebrija. Esta instalación produce 50 MW de energía procedente de 412.000 m2 de espejos solares con la tecnología cilindro-parabólica.

Para cubrir las necesidades de agua (turbinas de vapor, torres de refrigeración, lavados (CIP) y agua potable y de servicios) se instalaron distintas plantas de tratamiento incluyendo una ósmosis inversa en dos pasos seguida de una electrodesionización (EDI) para la producción de agua ultrapura.

La instalación de agua incorporaba como innovación el uso de una Electrodiálisis Reversible para la reducción del volumen de salmuera procedente de la planta de proceso hasta un nivel próximo al vertido cero, recogiendo tanto la salmuera de la planta de ósmosis inversa como las purgas de las torres de refrigeración. Con esta medida se consiguió reducir el volumen de vertido de salmuera a menos de un 2.3 % del volumen total de agua aportada. Estos sistemas donde se consigue una gran concentración de la salmuera pero sin llegar hasta un vertido líquido cero se denominan a menudo Almost-ZLD o Near-ZLD (sistemas próximos a la descarga cero).

En este caso el reto era conseguir un vertido próximo a cero ya que la central solar termoeléctrica se encuentra a menos de 4 kilómetros del Parque Nacional de Doñana, el cual tiene lógicamente una alta protección ambiental.

En la Figura 29 se muestra el esquema de proceso y el balance de caudales obtenido.

Figura 29. Esquema del proceso y balance de caudales del tratamiento de aguas de la central termosolar de Lebrija

79

Las conclusiones del trabajo fueron las siguientes:

- Las plantas de producción de energía solar térmica son instalaciones respetuosas con el medio ambiente para la producción de energía renovable, aunque precisan de importantes requerimientos de agua, tanto en calidad como en cantidad.

- En estas instalaciones es posible conseguir un vertido líquido próximo a cero utilizando sistemas para la recuperación y reutilización del agua de diferentes rechazos, como las purgas de las torres de refrigeración.

- Con la solución propuesta, trabajando a una conversión elevada (85-87%), se ha conseguido un incremento del 15% del agua disponible reduciendo la descarga final de salmuera a menos del 2.3% del agua de alimentación, con un consumo de energía específico de 2.95 kWh/m3.

6.3.2. DESCARGA LIQUIDA CERO (ZLD). VIABILIDAD TÉCNICA Y ECONÓMICA. ANÁLISIS DE LAS SALES PRODUCIDAS

Con el fin de evaluar la viabilidad técnico-económica de la evaporación-cristalización para la descarga líquida cero de salmueras se desarrolló una línea de investigación (Dentro del “Proyecto de Investigación para el desarrollo de soluciones innovadoras en la gestión de los vertidos procedentes de desaladoras”) que tenía como objetivos específicos los siguientes:

- Estudio de las sales obtenidas dependiendo de la tipología de la salmuera. - Caracterización del proceso de precipitación en condiciones reales. - Relación entre grado de concentración y sales precipitadas. - Caracterización (tipología y tamaño) de los cristales. - Precipitación fraccionada de sales. - Evaluación de costes.

Para la realización de la investigación se realizaron estudios de laboratorio y se construyeron e instalaron dos plantas piloto de evaporación con cristalización de distinto tamaño que se utilizaron para evaporar salmueras en la desaladora de agua salobre de CCRR Cuevas de Almanzora. El IUACA (Instituto del Agua y de las Ciencias Ambientales) de la Universidad de Alicante realizó además un estudio de caracterización de las sales producidas.

La mayor de las plantas piloto utilizadas tenía una capacidad máxima de 100 L/h (Figura 30), aunque se trabajó en las experiencias con flujos próximos a 70 L/h. El evaporador era de tipo flash, operando en condiciones de vacío y trabajando en rangos de temperatura entre 40 y 60º C. El vapor era alimentado por una caldera alimentada por gasóleo.

80

Figura 30. Planta piloto de evaporación-cristalización de capacidad 100 L/h, instalada en Cuevas de Almanzora

En las Figuras 31, 32 y 33 se muestra, respectivamente, las sales obtenidas, la variación de conductividad con el tiempo y la variación de la concentración de algunos compuestos con el tiempo.

Figura 31. Ejemplo de resultados obtenidos con la salmuera de la desaladora de Cuevas de Almanzora. Sales obtenidas

S5

00-041-1475 (*) - Aragonite - CaCO3 - Y: 14.78 % - d x by: 1. - WL: 1.5406 - Orthorhombic - a 4.96230 - b 7.96800 - c 5.74390 - alpha 90.000 - beta 90.000 - gamma 90.000 - Primitive - Pmcn (62) - 4 - 227.112 - I/Ic PDF00-005-0628 (*) - Halite, syn - NaCl - Y: 6.06 % - d x by: 1. - WL: 1.5406 - Cubic - a 5.64020 - b 5.64020 - c 5.64020 - alpha 90.000 - beta 90.000 - gamma 90.000 - Face-centered - Fm3m (225) - 4 - 179.425 - I/Ic PDF 4.00-041-0224 (I) - Bassanite, syn - CaSO4·0.5H2O - Y: 177.62 % - d x by: 1. - WL: 1.5406 - Monoclinic - a 12.02800 - b 6.93200 - c 12.69100 - alpha 90.000 - beta 90.183 - gamma 90.000 - Body-centered - I2 (5) - 12 - 1Operations: ImportS5 - File: EAA6.raw - Type: 2Th/Th locked - Start: 4.000 ° - End: 80.000 ° - Step: 0.050 ° - Step time: 3. s - Temp.: 25 °C (Room) - Time Started: 15 s - 2-Theta: 4.000 ° - Theta: 2.000 ° - Chi: 0.00 ° - Phi: 0.00 ° - X: 0.0 m

Lin (C

ounts

)

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

1100

1200

2-Theta - Scale4 10 20 30 40 50 60 70 80

81

Figura 32. Ejemplo de resultados obtenidos con la salmuera de la desaladora de Cuevas de Almanzora II. Variación de la conductividad con el tiempo en el evaporador.

Figura 33. Ejemplo de resultados obtenidos con la salmuera de la desaladora de Cuevas de Almanzora III. Variación de la concentración de elementos y compuestos

seleccionados con el tiempo.

La segunda planta piloto utilizada, de menor tamaño, tenía una capacidad de evaporación de 7 L/h (Figura 34). Ésta trabajó durante las experiencias de modo continuo en condiciones de vacío, y con rangos de temperatura entre 45 y 55º C.

0

20

40

60

80

100

0 5 10 15 20 25 30

Cond

uctiv

idad (

mS/cm

)

Tiempo (h)

evaporadorcristalizador

0

100

200

300

400

500

600

Ca Mg K Na Sr F Cl Br NO3 SO4

Concen

tración(m

g/g)

2h 8h 18h 20h 27h

82

Figura 34. Planta piloto de evaporación-cristalización de capacidad 7 L/h, instalada en Cuevas de Almanzora.

En la Figura 35 se muestran asimismo algunas de las estructuras cristalinas encontradas en las muestras de sales cristalizadas durante las experiencias.

Figura 35. Diferentes estructuras cristalinas de las sales obtenidas. 1: CaCO3, 2: CaSO4, 3: ClNa, 4: mezclas de cloruro sódico y sales de sulfatos, magnesio y potasio.

Las conclusiones de los distintos estudios y las experiencias en las plantas piloto fueron las siguientes:

- La tecnología de evaporación-cristalización parece ser únicamente viable si va asociada a sistemas donde pueda recuperarse calor o vapor residual debido al alto consumo energético del proceso.

- Es necesario optimizar el proceso para un menor consumo de combustible. Se han realizado muchos estudios para determinar la viabilidad de este proceso; estos estudios han identificado distintas variables que afectan al proceso y

83

composición de las sales en base a los parámetros de operación. Es necesario continuar los estudios y examinar todos los aspectos económicos del proceso (principalmente consumo de energía).

La experiencia tuvo algunas importantes limitaciones para cumplir con los objetivos fijados en la investigación:

- En los experimentos realizados no se pudo conseguir la máxima concentración, siendo necesario un elevado tiempo de operación, debido a que no se consiguió sobrepasar el producto de solubilidad del cloruro sódico.

- En las experiencias con salmueras procedentes de la planta de agua salobre de Cuevas de Almanzora las principales formas cristalinas de las sales fueron Basanita (CaSO4 x 5H2O) y menores cantidades de Halita (NaCl) y Aragonito (CaCO3).

- Se estuvo estudiando la posibilidad de modificar las plantas piloto por medio de un sistema complementario de aporte de calor por energía solar, para reducir el coste energético, aunque no llegó a implantarse.

- Las plantas piloto, que en realidad eran plantas comerciales de pequeño tamaño, no eran muy flexibles para la modificación de los parámetros y experimentación y por otro lado es difícil extrapolar conclusiones económicas y de costes de operación a instalaciones industriales a partir de los datos en planta piloto.

6.3.3. NUEVO DESARROLLO; PLANTA DESALADORA ALIMENTADA POR ENERGÍA SOLAR Y DESCARGA LÍQUIDA CERO

Las aguas ácidas procedentes de la minería y su gestión y vertido suponen un problema ambiental importante por las características de éstas, que incluyen en general metales pesados. El tratamiento de estas aguas puede realizarse por diferentes procedimientos, pasivos y activos, que fueron analizados en un proyecto de investigación reciente, el proyecto TAAM (Tratamiento de Aguas Ácidas de Minería) financiado por el programa Innterconecta del CDTI, localizado en la Comunidad Autónoma de Andalucía.

Este proyecto fue desarrollado por medio de la cooperación de las empresas Sacyr construcción, Sadyt y AGQ, junto con los centros públicos de investigación Plataforma Solar de Almería, Universidad de Almería, Universidad de Huelva y Universidad de Sevilla.

En el proyecto se trataron aguas procedentes de la Cuenca del Rio Odiel, en Huelva, contaminada por aguas procedentes de minería por medio de distintos tipos de tecnología: tratamientos pasivos (procesos naturales intensificados), tratamientos biológicos y tratamientos de membrana (ósmosis inversa) con pretratamiento físico-químico para la eliminación de metales.

En una de las ponencias a congresos presentadas en la presente tesis (“Research and Development Project for Sustainable Treatment of Acid Mine Drainage Water”) se presentaron los resultados obtenidos en esta investigación con las distintas tecnologías. En el caso de los procesos de ósmosis inversa se pusieron en marcha varias plantas

84

piloto donde se realizaron las experiencias y en el caso de los tratamientos pasivos, éstos se ensayaron en una mina real.

Las conclusiones de las investigaciones fueron las siguientes:

- El tratamiento pasivo DAS (sustrato alcalino disperso) a escala real instalado en la Mina Esperanza demostró que la tecnología pasiva era viable para el tratamiento de aguas ácidas de minería, mostrando excelentes rendimientos de eliminación de metales sin presentar problemas de atascamiento.

- El proceso biológico activo resulto ser asimismo factible para la reducción de las aguas ácidas de minería producidas en los vertederos de residuos mineros.

- El tratamiento físico-químico intensivo acoplado con la ósmosis inversa ha permitido obtener efluentes de gran calidad. Una vez que los metales fueron eliminados, la ósmosis inversa podía trabajar a conversiones superiores al 80%,

- Las tres tecnologías evaluadas en este proyecto han probado su validez para el tratamiento de aguas ácidas de minería y pueden ser aplicadas a gran escala de acuerdo a los requerimientos de cada localización.

Como continuación a dicho proyecto, conclusión del tratamiento de aguas ácidas mediante membranas, y buscando la solución a la gestión de la salmuera producida (en este caso tóxica, por contener metales pesados), se desarrolló un sistema de producción de agua desalada alimentada por energía solar y con vertido cero. Se desarrolló un prototipo de dispositivo de intercambio de presión vapor-agua (que ha sido patentado y cuya patente está reflejada en el capítulo 7 de este documento) para alimentar una planta de ósmosis inversa mediante energía solar y donde el calor residual del vapor una vez intercambiada su presión se utiliza para la evaporación de la salmuera. El trabajo de investigación se realizó inicialmente para el tratamiento de las aguas ácidas procedentes de minería aunque tiene aplicación para cualquier tipo de agua, con la modificación del pretratamiento necesario (que en el caso de agua de minería era más intenso y de tipo químico).

El prototipo del intercambiador de presión vapor-agua fue además instalado para su evaluación en el Centro de Investigación Plataforma Solar de Almería, con muy buenos resultados desde el punto de vista de su eficiencia energética. Los resultados obtenidos fueron presentados en la ponencia ““Development of an innovative and efficient system for solar desalination with zero liquid discharge (ZLD)”.

Los objetivos del proyecto fueron:

- El desarrollo de un nuevo sistema que proporciona la presión necesaria para la desalación de forma alternativa a la bomba de alta presión, aprovechando la energía mecánica del vapor de alta presión generado en una planta de colectores termosolares.

- El aprovechamiento del vapor residual (a baja presión) para evaporar y concentrar la salmuera, mejorando la conversión y consiguiendo el vertido líquido cero.

- Conseguir el máximo aprovechamiento del vapor generado y minimización de consumo energético del proceso de ósmosis.

85

En la Figura 36 se muestra el esquema del proceso.

Figura 36. Esquema del proceso de desalación con energía solar y vertido cero.

En la tabla 12 se muestra un resumen de los resultados de las experiencias en la planta piloto ubicada en la Plataforma Solar de Almería. Los resultados descritos son los correspondientes al prototipo de intercambio de presión vapor-agua.

86

Tabla 12. Resultados de las experiencias con el prototipo de recuperador de energía solar en la plataforma solar de Almería.

Cálculo del consumo de vapor Caudal vol. 19,0 m3/h Presión 10 Bar Temp. Sat. 179,9 ºC Densidad del vapor 5,2 kg/m3 Caudal másico 97,8 kg/h Vapor alimentación motobomba de vapor Caudal másico 97,8 97,8 kg/h Presión de entrada 9,5 2,8 Bar Presión salida 6,0 1,0 Bar Entalpía entrada 2.775 2.722 kJ/kg Entalpía salida 2.756 2.675 kJ/kg Consumo térmico 0,5 1,2 kW Intercambiador de presión Presión agua entrada 3,2 Bar Presión agua salida 17,0 Bar Temperatura agua 25,0 ºC Caudal alimentación 1,3 m3/h Densidad agua alim. 997,2 kg/m3 Caudal másico 1.296 kg/h Consumo mínimo termodinámico 0,46

kW

Producción de agua dulce Factor de conversión 80 % Producción de agua dulce

1,04 m3/h

Caudal másico agua dulce 1.039

kg/h

Eficiencia RO (GOR) 10,6

Las conclusiones de los estudios y pruebas fueron las siguientes:

• El intercambiador de presión diseñado y construido permite suministrar la presión necesaria para el proceso de ósmosis inversa y alcanzar conversiones adecuadas para el tipo de agua tratada. La sustitución de la bomba de alta presión por el intercambiador de presión diseñado podría reducir en gran medida el coste energético del proceso de ósmosis inversa.

• El aprovechamiento del vapor a la salida del intercambiador de presión permite aumentar la cantidad de agua para ser reutilizada, a la vez que reduce la salmuera generada, pudiendo llegar a un límite cercano al vertido líquido cero (ZLD) con los beneficios económicos y medioambientales que ello supone.

87

6.4. VALORIZACIÓN DE SALMUERAS

6.4.1. USOS POTENCIALES DE LAS SALMUERAS DE DESALADORAS

Como se ha comentado, la valorización de salmueras tiene un gran interés económico y ambiental, aunque todavía supone un pequeño porcentaje de los sistemas establecidos de gestión y queda en muchas ocasiones dentro del campo de la investigación.

Dentro de los trabajos incluidos en esta tesis se han realizado algunos estudios bibliográficos y de alternativas para la valorización de salmueras.

Uno estos estudios formó parte del “Proyecto de Investigación para el desarrollo de soluciones innovadoras en la gestión de los vertidos procedentes de desaladoras” como uno de sus subproyectos y fue desarrollado por el Instituto del Agua y de las Ciencias Ambientales.

Como resultado de estos estudios se realizó un informe de más de 200 páginas evaluando las distintas alternativas para la valorización de salmueras entre las que destacan las siguientes:

- la producción de sal para la industria alimentaria a partir de salmuera de agua de mar

- la restauración ambiental de humedales - los usos industriales (regeneración de resinas, electrocloración, etc.) - el control de heladas en carreteras, autopistas, calles, etc. - la obtención de diferentes sales y productos químicos

Asimismo en el capítulo titulado “Beneficial uses of Reverse Osmosis Brines” del libro en preparación “Sustainable Desalination Handbook” se describen los distintos tipos de salmueras y se analizan las posibles alternativas a la gestión y tratamiento de las mismas, en un documento de más de 40 páginas con 65 referencias bibliográficas. Parte de la información de este capítulo ha sido utilizada para la realización de la introducción del presente documento.

6.4.2. USOS DE LAS SALMUERAS EN LAS PROPIAS DESALADORAS. CASO DE ESTUDIO DESALADORA DE CUEVAS DE ALMANZORA

Ya se ha analizado la instalación de la planta desaladora de Cuevas de Almanzora en relación con la inyección de salmueras en acuíferos. En este apartado se van a describir los aspectos relacionados con la eficiencia energética y el uso de la salmuera para la reducción del consumo energético.

Los resultados de estos trabajos han sido presentados en el artículo “7 year operation of a BWRO plant with raw water from a coastal aquifer for agricultural irrigation” y en la ponencia “Energy recovery and optimization in a brackish water desalination plant with variable salinity”.

88

Si bien la recuperación energética en plantas desaladoras de agua de mar es algo totalmente establecido (no se entiende una planta desaladora de agua de mar actual sin recuperación de energía), su uso en sistemas de agua salobre está mucho menos extendido y queda limitado a instalaciones de un cierto tamaño y con salinidad elevada.

En el caso de la planta desaladora de Cuevas de Almanzora fueron instalados recuperadores de energía del tipo Turbocharger. Estos dispositivos consisten en dos bombas invertidas conectadas por un mismo eje donde es posible el intercambio de presión entre dos corrientes. El recuperador de energía puede ser instalado en cabeza de la instalación, suministrando presión a entrada de las membranas (suministrando presión adicional a la de la bomba de alta presión) o bien instalado entre las etapas de la ósmosis inversa.

En este caso se decidió la instalación del recuperador de energía entre etapas (interstage booster) con el fin de equilibrar hidráulicamente las etapas de ósmosis inversa. En plantas de ósmosis inversa en dos etapas con alta salinidad, la primera etapa tiende a producir mayor cantidad de agua, llegando menor cantidad de salmuera a la segunda etapa lo que provoca un desequilibrio hidráulico e incrementa el riesgo de precipitación de sales en la segunda etapa. El esquema de instalación del dispositivo en esta configuración entre primera y segunda etapa se muestra en la Figura 37.

Figura 37. Esquema de instalación del dispositivo recuperador de energía de la salmuera entre etapas.

En esta disposición la salmuera de la segunda etapa intercambia presión con el aporte a segunda etapa, produciendo una corriente acelerada hacia la alimentación de la segunda etapa y una salmuera final sin presión.

Los resultados de recuperación de energía del sistema fueron excelentes, con una recuperación que depende de la presión del agua de aporte (y por tanto de la salinidad del agua de aporte, que es variable), con valores medios superiores al 30%. En la Figura 38 se muestra la evolución con el tiempo de la salinidad del agua, la presión de aporte y la presión recuperada.

89

Figura 38. Evolución de la recuperación de energía con el tiempo y la salinidad del agua de aportación entre los años 2006 y 2015

Las conclusiones del trabajo fueron las siguientes:

- En términos generales, los sistemas de recuperación de energía para plantas de agua salobre de Ósmosis Inversa solo son viables económicamente para plantas de gran tamaño, trabajando a altas presiones. En algunos casos, es posible el uso de estos equipos como aceleradores de corriente entre etapas, favoreciendo de este modo el balance hidráulico entre etapas.

- En el caso de la planta de Cuevas de Almanzora, el uso de los turbochargers como recuperadores de energía han conducido a un importante ahorro energético (cercano al 30%), así como al balance hidráulico entre etapas trabajando con diferentes salinidades y condiciones de trabajo.

- Una gestión adecuada de la producción dependiendo de la demanda y las tarifas eléctricas ha conducido adicionalmente a unos reducidos costes de producción, convirtiéndose en una fuente de agua económicamente viable para su uso agrícola.

6.4.3. EXTRACCIÓN DE SALES DIVALENTES DE SALMUERAS CON DISOLVENTES ORGÁNICOS

Aparte de los procesos más convencionales de obtención de sales de las salmueras como los sistemas de evaporación, pueden utilizarse procesos más innovadores de separación como el estudiado en uno subproyectos de investigación del “Proyecto de Investigación para el desarrollo de soluciones innovadoras en la gestión de los vertidos procedentes de desaladoras”, que consistió en la separación de las sales de las salmueras por medio del uso procesos de extracción con disolventes orgánicos. Este proceso fue patentado y su patente está relacionada en el apartado 7 de este documento.

90

Los objetivos de esta línea de investigación fueron los siguientes:

- Incrementar la conversión del sistema de ósmosis (retirando las sales divalentes, que son las que mayor riesgo de precipitación presentan)

- Desarrollar el proceso de extracción de las sales disueltas en la salmuera por medio de la extracción con disolventes para su valorización y posible comercialización

- Reducir el volumen de descarga de salmuera - En función del proceso elegido, contar con la posibilidad de producción de

energía, con el fin de hacerlo económicamente viable.

En la Figura 39 se muestra el esquema global del proceso.

Figura 39. Esquema global del proceso.

La investigación sobre este proceso comenzó a escala de laboratorio y en una pequeña planta piloto en la Universidad Complutense de Madrid, con varios experimentos realizados con salmueras procedentes de la desaladora de Cuevas de Almanzora.

Se probaron distintos disolventes (propanol, glicerol, acetona, etc.) y finalmente se eligió el etanol porque podría permitir la posterior recuperación de costes por medio de la producción de energía, aunque este no era el principal objeto del proyecto.

El proceso desarrollado consiste en las siguientes etapas:

1. Mezcla de salmuera con etanol 2. Precipitación parcial de las sales presentes en la salmuera (principalmente

sulfatos y bicarbonatos) 3. La eliminación de estas sales permite la continuación del proceso de ósmosis

inversa con la obtención de una nueva fracción de permeado (incremento de la conversión)

91

4. Separación del etanol de las sales obtenidas; el agua remanente contiene principalmente cloruros y nitratos, y a través de un proceso de destilación se obtienen tres fracciones: agua destilada, sales y etanol

5. Combustión del etanol para producir el calor necesario para el proceso de evaporación y la energía necesaria para el proceso de ósmosis inversa

El proceso requiere, adicionalmente al etanol, un aporte de energía en forma parcial de energía eléctrica y calor.

La parte energética del proceso fue desarrollada a cabo por la empresa Valoriza Energía (actualmente denominada Sacyr Industrial), que llevo a cabo un estudio acerca de la disponibilidad del combustible y la selección de una turbina adecuada para la producción de energía con etanol.

Otros estudios adicionales realizados en este proyecto fueron:

- Estudio de la viabilidad económica y legal para el uso de etanol como combustible.

- Estudio de viabilidad de la aplicación del proceso para eliminar arsénico de salmueras.

- Estudios previos acerca de la posibilidad de separación de agua del etanol por medio de procesos de pervaporación (realizado por IMDEA Agua).

Las conclusiones de la investigación fueron las siguientes:

- La extracción de sales divalentes de salmueras utilizando disolventes orgánicos es técnicamente viable (de hecho ha sido propuesta como una tecnología de desalación, aunque no utilizada con salmueras hasta ahora).

- Para hacer el proceso económicamente viable es necesaria la implementación de un sistema que permita reducir los consumos energéticos. En este caso la recuperación del disolvente permite la producción de energía eléctrica.

- Es necesario optimizar el proceso por la vía de reducir la degradación/pérdida de etanol durante el proceso, lo cual puede ser conseguido utilizando tecnologías de separación no térmicas tales como la pervaporación.

- Las tecnologías para la minimización de rechazos son especialmente importantes cuando existen componentes tóxicos en la salmuera tales como el arsénico. Si ese es el caso, la única solución viable para tratar el agua es la reducción y tratamiento del rechazo generado, lo cual podría hacerse por medio de la tecnología propuesta en este proyecto.

- Los problemas encontrados para la viabilidad del proyecto han estado relacionados con aspectos legales (no está permitido el uso de etanol para producir energía) y técnicos (en el momento de conclusión del proyecto no existía una turbina de etanol comercial, aunque algunas grandes empresas especializadas estaban trabajando en el desarrollo de prototipos).

92

6.4.4. USO DE MICROALGAS PARA LA ELIMINACIÓN DE NUTRIENTES EN SALMUERAS

En uno de los subproyectos de investigación descritos en el artículo “Project for the development of innovative solutions for brines from desalination plants” se estudió el uso de microalgas para la eliminación de nutrientes de salmueras de desaladoras, obteniendo resultados muy positivos para la eliminación de nitratos con algunas especies. Los resultados fueron asimismo presentados con más detalle en el artículo “Microalgae production for nutrient removal in desalination brines”, que también forma parte de esta tesis.

Fruto del proyecto de investigación, cuyo objetivo era explorar los posibles usos para las salmueras de desalación, se abrió una línea de investigación sobre la potencial eliminación de nutrientes (nitrógeno y fósforo) en salmueras por medio del uso de microalgas. El proyecto se realizó mediante la colaboración entre Instituto del Agua y de las Ciencias Ambientales de la Universidad de Alicante y Valoriza Agua.

Como se ha comentado en la introducción de este documento, la presencia de nutrientes es un problema importante en salmueras de agua salobre, particularmente en las procedentes del tratamiento de agua residual, ya que en la salmuera se concentran los nutrientes procedentes de ésta (aunque sea tratada) dificultando el vertido de la misma al mar u a otras fuentes de agua.

El proceso de investigación seguido, tal como es descrito en el artículo, fue el siguiente:

1. Selección de especies. 2. Optimización de laboratorio. 3. Experiencias en un reactor de 2 litros con 2 especies en condiciones controladas. 4. Simulación del proceso en exterior con reactores de volumen medio. 5. Desarrollo de una planta a escala semi-industrial. 6. Estudios sobre la separación de microalgas. 7. Estudios sobre las posibles aplicaciones de las microalgas separadas.

En la Figura 40 se muestra uno de los dispositivos experimentales para el crecimiento y experimentación con las microalgas.

Figura 40. Dispositivo experimental para el crecimiento de microalgas.

93

La salmuera utilizada para los experimentos fue obtenida de la planta desalinizadora de la Universidad de Alicante y para algunos de ellos se utilizó como fuente de fósforo el permeado procedente de una planta piloto de MBR (reactor biológico de membrana) localizada en la planta depuradora de Rincón de León en Alicante.

En la tabla 13 se muestra el resumen de resultados obtenidos en la planta piloto.

Tabla 13. Resumen de resultados en planta piloto.

Especie Exper.

/ fecha Operación

Densid. máxima

de células

(células/mL)

Máxima conc.

de micro-algas (g/L)

Elimina-ción de nitatos

(mg/L)

% Elimina-ción de nitratos

Oocystis Exterior

Mayo

Disconti-nuo y semi-

continuo

5,06

*106 0,405 136,65 42%

Oocystis Exterior

Septiem-bre

Disconti-nuo

820.000 0,066 31,96 10%

Oocystis Interior Octubre Continuo 720.000 0,058 28,06 8%

Tetraselmis Interior

Noviem-bre

Disconti-nuo 426.000 0,085 41,53 12%

Tetraselmis Interior

Noviem-bre

Continuo 506.000 0,101 49,32 14%

En la Figura 41 se muestran asimismo algunos resultados para la reducción de fósforo con la especie Oocystis.

94

Figura 41. Evolución de la concentración de Fósforo soluble con el tiempo para la especie Oocystis.

Las conclusiones del proyecto, incluidas en los artículos, fueron las siguientes:

1. El uso de microalgas para la eliminación de nutrientes (N y P), abre una buena posibilidad para el tratamiento de algunas salmueras. Los resultados obtenidos con reducciones superiores al 45% en la concentración de nitratos son muy prometedores. Sin embargo, debe realizarse más investigación sobre las aplicaciones de esta biomasa una vez que los nutrientes han sido eliminados.

2. El uso de salmueras para el cultivo de microalgas puede ser prometedor para futuros tratamientos, teniendo en cuenta el posible uso posterior de la biomasa de las microalgas para la producción de energía y otras aplicaciones tales como suplementos alimentarios y acuicultura.

6.5. TECNOLOGÍAS EMERGENTES. FORWARD OSMOSIS (FO).

Aunque han surgido durante la presente investigación ideas de continuación de varios de los proyectos con tecnologías emergentes tales como la pervaporación, la realidad es que todavía no han llegado a realizarse y en la actualidad solo se han desarrollado trabajos sobre la tecnología de Forward Osmosis.

Como continuación a las investigaciones principales de este trabajo, se abrió asimismo una nueva línea sobre ósmosis directa (FO), que se describe en la ponencia “Innovador proceso de desalación por osmosis directa utilizando citrato de sodio como agente extractante. Ventajas e inconvenientes”.

En esta ponencia se presentan los resultados preliminares del proyecto “Desarrollo de un innovador proceso de desalación para la reducción del consumo energético mediante ósmosis directa”, desarrollado por Valoriza Agua, en cooperación con la Universidad de Alicante y el Instituto noruego Vestlandsforsking, financiado por el programa EAA Grants, de CDTI.

Fósforo soluble vs tiempo (Oocystis)

0,000

0,200

0,400

0,600

0,800

1,000

1,200

0 1 2 3 4 5Dia

Fósfo

ro so

luble

(ppm) Experimento exterior mayo 2009

Experimento exterior septiembre2009Experimento interior septiembre2009

95

En este caso la investigación trata sobre una de las tecnologías emergentes descritas a lo largo de este documento, la Forward osmosis u ósmosis directa (FO). Se han investigado diferentes membranas para la aplicación, así como diferentes soluciones con alto potencial osmótico (draw solution). En esta primera fase de la investigación el objetivo era encontrar una draw solution adecuada que posteriormente a la extracción de agua del sistema fuera posible separar de ésta por medio de un sistema de ultrafiltración (UF), para reducir así el consumo del proceso de desalación. Se experimentaron en planta piloto diferentes membranas (Figura 42), así como diferentes soluciones extractantes.

Figura 42. Dispositivo experimental de laboratorio de Forward Osmosis en la Universidad

de Alicante.

Las conclusiones del estudio, y que quedan reflejadas en la presentación, fueron las siguientes:

Como resultado de nuestra investigación podemos concluir que el proceso de desalación basado en una Ósmosis Directa, es un proceso técnicamente poco viable de momento. Este requiere de más investigación y perfeccionamiento en cuanto a la mejora de la membrana y optimización del proceso de recuperación del agente extractante, que permita mejorar su rendimiento global y competitividad respecto a la desalación por osmosis inversa. Sin embargo, la solución de desalación de agua salobre planteada, mediante el proceso de FO combinado con otra etapa de NF y utilizando Citrato de Sodio como agente extractante, aunque presenta serios problemas de rendimiento económico que impiden una fácil implantación y competitividad, se podría aplicar a soluciones puntuales y específicas de pequeñas plantas para uso agrícola o industrial de hasta 3.000 m3/día.

Por el momento no se ha experimentado con salmueras, aunque esta puede ser una fase posterior de las investigaciones.

96

97

7. PATENTES OBTENIDAS

Fruto de los trabajos de las investigaciones descritas en la presente tesis se han obtenido las siguientes patentes:

1. “Dispositivo y procedimiento de desalación de salmueras procedentes de desaladoras de aguas salobres con un disolvente miscible con el agua”. Numero de publicación 2 340 452 Publicada el 2/6/2010 Inventores: Lucas Rodriguez Dominguez, Luis Angel Martinez Villalba, Jose Carlos Rubio Fernandez. Juan Pous de la Flor, Domingo Zarzo Martinez y Francisco Jose Molina Serrano.

2. “Sistema de desalación de agua salobre con vertido cero”. Patente de Invención Numero de publicación 2 565 014 Concedida: 15/11/2016, publicada: 22/11/2016 Titulares: Valoriza Agua SL (100%) Inventores: Campos Pozuelo, Elena; Terrero Rodriguez, Patricia; Zarzo Martinez, Domingo; Molina Serrano, Francisco José; Cano Martínez, Jose Luis y Calzada Garzón, Mercedes Antuanet.

A continuación se incluye copia de la primera página de los documentos de patente, incluyendo la referencia, fechas, titular e inventores.

98

99

100

101

8. FINANCIACIÓN DE LOS PROYECTOS

En la tabla 14 se muestran los distintos proyectos financiados que han dado origen a la mayor parte de los trabajos presentados en esta tesis, y que han ido siendo mencionados, con indicación de las entidades financiadoras en cada caso, fechas de ejecución, etc.

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Tabla 14. Proyectos de investigación financiados descritos en los trabajos presentados.

Nombre del proyecto

Entidad Financiadora

(total o parcialmente)

Programa Beneficiarios Subcontrataciones Periodo Presupuesto del proyecto

Soluciones Innovadoras

para el vertido de salmueras

procedentes de

desaladoras

Ministerio de Industria y

Ministerio de Medio

Ambiente

PROFIT Sadyr, Sacyr,

Scrinser, Ecoagua

Universidad de Alicante,

Universidad Rey Juan Carlos,

Universidad de Alcalá, Universidad

Complutense de Madrid, CETENMA

2007-2009 6.200.000 €

Opportunities for

Desalination in Agriculture in Australia

NECDA (National Center of

Excellence in Desalination

Australia)

Funding Round 4

Valoriza Water Australia, CSIRO

(Commonwealth Scientific and

Research Organisation)

--- 2012 – 2013 958.00 Aus$

Investigación y desarrollo de nuevos

tratamientos para la

mejora de la calidad de

aguas ácidas de minería

CDTI Innterconecta Andalucía

Sacyr construcción,

Sadyt, Geomatec y

AGQ

Universidad de Almería,

Universidad de Huelva, Universidad

de Sevilla, Plataforma solar de

Almería

2012-2015 5.879.251 €

Desarrollo de un innovador proceso de desalación

para la reducción del

consumo energético mediante ósmosis directa

CDTI EEA Grants Sadyt

Universidad de Alicante, Instituto Vestlandsforsking

(Noruega)

2014-2015 558.282 €

103

9. PROPUESTAS PARA LA CONTINUACIÓN DE LA INVESTIGACIÓN

La línea de investigación sobre posibles soluciones a la gestión de salmueras de desaladoras y su tratamiento, que es el objeto de esta tesis doctoral, fue comenzada en el año 2007 y se ha desarrollado hasta la actualidad, con la continuación de varias de las líneas de investigación original y la apertura de algunas nuevas. Esto quiere decir que este ha sido un proyecto vivo y continuado en el tiempo.

Aunque no todas las ideas para la continuación del mismo pueden hacerse públicas porque implican informaciones potencialmente afectadas por la propiedad intelectual o la solicitud de patentes, a continuación se mencionan las líneas de investigación que tienen un potencial de continuación más interesante;

Microalgas: se considera muy interesante seguir explorando las posibilidades de eliminación de diferentes contaminantes en salmueras (principalmente nutrientes) por microalgas, dados los buenos resultados obtenidos en la investigación. Quedaría por desarrollar un procedimiento de separación del agua y las microalgas una vez realizada su función, así como la búsqueda de un uso rentable para la biomasa generada (producción de energía, alimentación animal, producción de cosméticos, etc.).

Sistemas de descarga líquida cero: el único proceso técnicamente viable en la actualidad para la total eliminación del residuo líquido procedente de salmueras es el de evaporación-cristalización. Desgraciadamente, el elevado coste económico (tanto de inversión como de operación) del proceso hace que en pocas ocasiones pueda ser viable económicamente. El uso de evaporadores o procesos de evaporación más eficientes podría reducir este coste pero los sistemas de evaporación están muy desarrollados a nivel comercial y no es esperable una modificación que reduzca radicalmente su eficiencia. En el campo de la investigación, se abren sin embargo oportunidades

104

interesantes relacionadas con las tecnologías emergentes, considerando procesos que combinan la evaporación con sistemas de membranas, como la pervaporación o la evaporación por membranas y que podrían reducir estos elevados costes energéticos.

Uso de tecnologías emergentes: el uso de tecnologías emergentes para el tratamiento de salmueras es todavía incipiente, pero tiene aplicaciones muy prometedoras como la producción de energía aprovechando gradientes de salinidad por medio de la Forward Osmosis. Asimismo, como se ha comentado, los sistemas híbridos combinando varias tecnologías podrían ser utilizados para la reducción del volumen o el tratamiento de salmueras.

Uso de energías renovables: la combinación de algunas de las tecnologías emergentes (o convencionales) con el uso de energías renovables podría incrementar la sostenibilidad ambiental de estos procesos y abre también un campo interesante a la investigación. Como ejemplo, el proceso descrito en esta tesis de planta de ósmosis inversa alimentada con energía solar y vertido líquido cero (sujeto a una patente); se continua trabajando en el desarrollo del proceso y estudiando las opciones de incorporar alguna de las tecnologías emergentes a la fase de evaporación de la salmuera con el vapor residual procedente del proceso.

Recuperación de sales y otros elementos de la salmuera: se considera interesante seguir trabajando en la investigación del aprovechamiento comercial de sales y componentes de la salmuera. Un campo a explorar es el de los metales preciosos o sales de alto valor comercial. Igualmente la producción de ciertos productos químicos a partir de salmuera en las desaladoras, aunque no parece tener sentido la producción de compuestos químicos que no tengan un gran valor añadido, ya que, salvo dificultades de transporte, pueden obtenerse a precios más bajos en el mercado.

105

10. BIBLIOGRAFÍA

A continuación se relaciona la bibliografía utilizada para la redacción de este documento, no habiendo incluido en este apartado las referencias de cada uno de los trabajos publicados, aunque pueda haber alguna referencia que también sea citada en los artículos o ponencias.

Asimismo, para cada uno de los artículos y trabajos presentados, se ha mantenido el formato de referencia bibliográfica utilizado en cada caso, para que la copia de los mismos sea fiel reflejo del original, aunque se presentan en forma maquetada. La bibliografía relacionada a continuación se presenta por orden alfabético.

106

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109

11. PUBLICACIONES ORIGINALES

11.1. TRABAJOS PUBLICADOS

A continuación se presentan los trabajos publicados que han servido de base para la realización

de la presente tesis doctoral por compilación. Para cada uno de los trabajos se incluye una copia

de la portada de la publicación original y el articulo maquetado respetando la numeración y el

orden establecido para los capítulos, graficas, tablas y bibliografía de cada uno de los artículos.

Para la bibliografía también se ha mantenido el formato específico de cada trabajo.

El cuerpo de los trabajos se ha maquetado en un tamaño de letra inferior (a excepción de la

primera página con el abstract o resumen, que es copia del original) con el fin de que sea más fácil

distinguir dichos trabajos del resto del texto de este documento.

110

111

11.1.1. PROJECT FOR THE DEVELOPMENT OF INNOVATIVE SOLUTIONS FOR BRINES FROM DESALINATION PLANTS

112

Project for the development of innovative solutions for brines from desalination plants

Domingo Zarzo Martinez and Elena Campos Pozuelo

ABSTRACT

One of the most important aspects of the desalination projects is the environmental impact, and

particularly the brine discharges. For seawater projects it seems that problem is solved or at least

controlled, by means of the usual practices (previous environmental studies, previous discharge

dilution, use of diffusers and other devices, location of the brine discharge and/or vigilance plans).

In the case of brackish water and mainly inland, the brine discharge is a very important problem

with a no clear solution. The main solutions used for these plants are: Discharge to the sewer nets

(with the associated problems at the recipient WWTP); Deep well injection; Zero Liquid Discharge

(ZLD) systems based mainly in evaporation-crystallization technologies; Blending with other

discharges (e.g. wastewater); Sea discharge, in coastal areas. Currently it seems that the main

R&D projects in desalination are focussed about energy consumption as well as brine impact

reduction. This paper will show a R&D project about innovative solutions for brine discharges. The

project is focused on developing systems with less environmental impact and technologies about

recovery and appreciation of salts from brines. The research is distributed in 5 different subprojects

all related with brines from desalination plants; 1) Development at pilot scale of a novel system for

recovery and valorization of salts from brines; 2) Study of technical and economical feasibility of

zero liquid discharge systems based on evaporation-crystallization technologies for brine

elimination; 3) Study about possible industrial applications of salts and other byproducts obtained

from brines; 4) Study of technical and economical feasibility of deep-well injection; 5) Study of

direct osmosis and other parameters over the dilution of brines in seawater and the modeling and

comparison with current mathematical models. This paper will show the results obtained for each

one of these sub-projects. This study involved 4 Spanish universities as well as other 3 companies

lead by Sadyt-Valoriza Agua. The project includes a patent for the technology and important

subsidies from the Spanish Ministries of Industry and Environment.

113

1. Introduction 1.1. Background

The company SADYT (Valoriza Agua), together with the companies Sacyr, Scrinser (all from the

Spanish group Sacyr-Vallehermoso) and Ecoagua, agreed in 2007 to develop a Research and

Development program under the name "Research project for the development of innovative

solutions in the management of desalination brines". This ambitious project aimed to study the

problems of brine discharge produced by desalination technologies and innovative solutions to

minimize the environmental impact or even promoting brine reuse.

This project was designed for a period of three years and has received public funds of about €2.5

million from the Spanish Ministry of Industry, Tourism and Commerce and Ministry of Environment.

The participation is remarkable from some public research centres.

Spanish Universities:

- University of Alicante, Alicante, Spain.

- Universidad Politecnica de Catalunya, Tarrassa, Spain.

- Universidad Complutense de Madrid, Madrid, Spain.

- University of Alcala de Henares, Madrid, Spain.

Other public research centres:

IMDEA Agua (Madrid Water Advanced Studies Institute)

CETENMA (Technological Centre of Energy and Environment, Murcia, Spain)

1.2. General Objectives This project aims to research and develop some alternatives technically and economically possible

for the management and development of desalination brines by innovative solutions. It also

includes the development and implementation of pilot plants and demonstration systems. These

general objectives are developed through works undertaken to achieve specific objectives in the

form of five lines of research:

• Research about a novel technology for recovery of divalent salts from brines at pilot scale.

• Study of technical and economic feasibility of the application of brines and by-products

from desalination plants for different uses e.g. frost control, industrial applications,

production of brine and salt, etc.

• Determination of technical and economical feasibility of zero liquid discharge systems by

evaporation-crystallization technology.

• Study of deep well injection of brines and environmental implications.

• Research and modelling of the effect of different parameters in dilution of brines in

seawater and comparison with mathematical models.

2. Project description 2.1. General Data

114

The project budget was spread over the last 3 years 2007-2009, although it was officially

completed in March 2010 with extensions, was as follows:

2007 2,547,814 €

2008 1,823,814 €

2009 1,823,814 €

Total 6,185,442 €

Sadyt lead the project and assumed approximately a 60% of the budget.

The main milestones of the project were as follows:

1) Bibliography collection, market research and definition of alternatives

2) Development of pilot plant technologies

3) Design and implementation of pilot plants

4) Start-up of pilot plants

5) Implementation testing in pilot plants and conclusions

Below are the objectives for each subproject with descriptions.

2.2. Research about a novel technology for the recovery of divalent salts from brine. Characterization and possible uses for brines and byproducts.

2.2.1. Objectives

The removal of salts from brines from desalination plants, to reduce the impact of the discharges

and to obtaining salts or by-products able of being reused. The purpose being to separate the salts

present in the brine with several objectives;

• increase the performance of desalination process (increasing recovery)

• Recovery of dissolved salts in brine for further reuse

• Elimination or reduction of discharges and/or landfill

• As a result of the process chosen, the production of energy from fuel from

sustainable agricultural crops (which can be considered renewable energy).

2.2.2. Applied process

The technology used in this project is based on the salt precipitation from brines, mainly divalent

salts such as sulphates, using an organic solvent extraction. The idea is to remove these salts from

water to increase the recovery of the desalination system and secondly to obtain salts susceptible

to marketing (sulphates, nitrates, etc.). Since divalent salts the process is logically only useful for

water desalination systems for brackish water systems.

Different solvents have been tried for this purpose and finally it was decided to use ethanol, which

allowed the process costs to be recovered by means of energy production, although this is not the

115

ultimate goal of the project it removes a part of the problem of brines discharge inland. Although

none of the used processes are new, extraction with solvents, precipitation, evaporation, etc. the

combination of method and application are new, so it has also been registered as a patent.

The outline of the process broadly speaking is as follows:

1. Blending of brine with bio ethanol.

2. Partial precipitation of the salts present in the brine, mainly sulphates and bicarbonates.

3. The removal of these salts allows the continuation of the process of osmosis to obtain a new

fraction of desalinated water.

4. Separation of ethanol and salts present, mainly chlorides and nitrates, the remaining water

through a distillation process, which would be obtained three fractions: distilled water, salts and

ethanol.

5. Combustion of ethanol to produce the necessary heat for distillation and electricity needed for

reverse osmosis.

The process described requires in addition to bio ethanol, an injection of energy which is partially

electrical and heat. To obtain the energy needed for this process it must surely go to the use of

renewable energies and as we will need for the process heat and electricity, the best option would

be undoubtedly the use of a cogeneration plant

2.3. Study of technical and economic feasibility of the application of brines from desalination plants for different uses (frost control, industrial applications, production of brine and salts, etc…). Brine Recovery.

2.3.1. Objectives

The objectives of this sub-project is to determine the technical and economic feasibility of the

application of brine from desalination plants for different uses (frost control, industrial applications,

production of brine and salt, etc.) proceeding in this way to its recovery. Some possible applications

of these brines could be,

a) The production of salt for food industry from seawater brine.

b) Environmental restoration of wetlands.

c) Industrial use e.g. regeneration of resins, electrochlorination, etc.

d) Frost control in roads, highways, streets, etc.

e) Obtaining of different chemicals and salts.

116

2.3.2. Applied process

A report was completed as a result of the works coordinated by the University of Alicante, an

extensive document of 96 pages including a market study. The document analyzed the most

interesting aspects of the possible uses of brines and by-products as the following:

1. Using brine as a source of minerals e.g. evaporation ponds.

2. Use of brines for aquaculture.

3. Use of brines to obtain energy e.g. solar ponds

Annexes:

• Solar evaporation ponds

• Microalgae production

• Salt for food industry

• Limestone

• Gypsum

• Sodium sulphate

• Chlorine-alkali production

• Characterization of brines

Following these studies and waiting for the results on other research lines that it could open up

market opportunities, the decision was made to open a new line of work based on the cultivation of

micro algae and their ability for the reduction of nutrients and/or salts in brines.

2.4. Development of zero discharge systems for desalination brines by evaporation-crystallization technology and determination of their technical and economic feasibility

Zero liquid discharge (ZLD) systems are based mainly on evaporation-crystallization technologies

that combine both techniques to produce a solid residue from a liquid effluent. ZLD has been used

for different applications such as the reduction of different effluents; brines from membrane

technologies, refrigeration circuits purges, manufacturing process pickles e.g. olives, preserves or

oil, waste gas cleaning in power stations, coal or steel industry, wastes from metallurgical

processes, leachates or other difficult to treat effluents.

2.4.1. Objectives

To study the technical and economic feasibility of the evaporation-crystallization technology as a

solution to the discharges from desalination plants in areas where it is not possible to make the

discharge, zero liquid discharge technologies are required. This is especially interesting for

desalination in inland areas or with brines which may contain toxic or undesirable compounds.

117

2.4.2. Applied process

In this case, 2 pilot plants were installed;

• 1 pilot plant at laboratory scale at the University Complutense of Madrid

• 1 pilot plant installed at the Cuevas de Almanzora desalination plant (25,000 m3/day

brackish RO plant) (Fig. 1).

Fig. 1. Cuevas de Almanzora Desalination Plant

The aspects researched with the pilot plants were;

• Quality of salts obtained.

• Nature and size of crystals obtained.

• The quality of distilled product water.

• Potential problems of unwanted precipitation in the system.

• Studying the possibility of seeding crystals to improve precipitation.

• Optimization of energy consumption and gas.

• Assessing the cost of operation.

Logically we knew that it would be very difficult to estimate costs of operation and energy

consumption based on pilot plant experiences, due that the scale economy and the limitations of

the pilot plants, but at least we tried to bring some conclusions from the research.

2.5. Development of deep well injection systems for brines with study of environmental implications

One of the possible solutions for brine discharges in inland plants is to be injected into isolated

deep aquifers. This could be a viable solution in some cases, but ensuring that there are no

pollution risks for other aquifers. This form of disposal has been used in other countries (for

example in abandoned oil wells in the U.S.A.), but the few experiences conducted in Spain were

118

not positive and there are even some resistance from the Spanish water authorities to allow such

solution.

2.5.1. Objectives

This research aims to assess the feasibility of the injection of brines in deep aquifers. In the first

part of the project in 2007, was focused on a rigorous study for a particular case in the Abrera

treatment plant (river water treated by EDR) currently in operation, but it was finally shifted to a

more general study of the possibilities of this solution in the whole of Spain.

2.5.2. Applied process

This project is divided into two distinct stages;

1) Experiences at Abrera water treatment plant (DWTP)

• Installation of EDR pilot plant in Abrera DWTP (Fig.2) to evaluate the performance

of the installation, production and quality of treated water and brine.

• Hydro geological studies to assess the feasibility injection of brine.

• Conducting a study analyzing data and drawing conclusions from the Water

Treatment Group of the Polytechnic University of Catalunya.

• General studies about the situation of this technology in Spain.

Fig. 2. EDR pilot plant at Abrera DWTP

Studies from the University of Alcala de Henares, with the following scope:

1. Bibliography

a. Legislation

b. Geological and hydro geological characterization, permeability of the hydro

geological units in Spain and location of aquifers with brackish water, which it may

be subject to application of desalination processes and generation of brines.

c. Information available on deep drilling for geothermal, oil and gas made in Spain.

Inventory of old wells from oil and gas in Spain.

2. Geological characterization

119

a. Identification from existing maps of Spanish hydro geological units that could meet

the criteria of permeability and porosity adequate to support the injection of brines

from desalination rejection.

b. Analysis of temperatures and pressures of these units.

3. Hydro chemical characterization. A guide to define the methodology to be applied in the

analysis of the interaction between water injections - water-bearing formation water - solid

matrixes of the aquifer formation.

4. Control Program deep injection. Guides to regulate the technical documentation that it

should be developed to justify the suitability of the application of deep injection for

desalination reject brines.

5. Authorization procedure for deep injection. Review of the procedures used in different

countries for the consent of deep injection of fluids (any type) and the operations of artificial

recharge of aquifers (both to improve their quantitative and qualitative)

2.6. Development of advanced dilution of brines. Research and modeling of different parameters and comparison with mathematical models.

2.6.1. Objectives

This research line aims to evaluate the effect of some parameters about brine dilution in seawater,

and among others, the phenomenon of direct osmosis between brine and seawater. Concentrated

brine when it is discharged into the sea, it will result in an exchange of salts to balance the

chemical potential by transporting salts between the two solutions, thus producing a direct osmosis.

This is one of the phenomenon’s that has been investigated and how it affects to the mathematical

models of brine dilution.

2.6.2. Applied process

This part of the research has been conducted at different levels:

1) Laboratory scale

At laboratory scale has been studied the diffusion coefficient between brine and seawater by

means of holographic interferometry

2) Pilot plant

To study the dilution models it has been designed and installed a 50 m3 pilot plant consisting of a

GRP tank with a series of conductivity sensors at different heights and lengths, in order to

customize the way of dilution. The pilot plant results are compared with those obtained by means of

mathematical software used to simulate this dilution.

120

3) Real plants

This is the 3rd part of the study but it has not been developed until this moment. It will be a later

study.

3. Results

3.1. General Data

The research results have been quite interesting. Logically there are lines of research that have led

to disappointing or poor results, but this the risk of every investigation. Overall conclusions have

been drawn quite interesting and new lines of possible research have been opened. The following

are the most important results of the project for each of the subprojects. Logically, it is also difficult

to express in a few pages the results of more than three years of research, but we have tried to

summarize these results.

3.2. Subproject 1. Research about a novel technology for the recovery of divalent salts from brine. Characterization and possible uses for brines and byproducts.

3.2.1. Works completed

During 2007 the following works were completed;

• Laboratory tests were carried out with the process with excellent results,

with significant recovery of divalent salts.

• Besides ethanol, other solvents were tested as acetone, isopropanol and

glycerol and mixtures thereof. Also there were conducted tests in

hyperbaric chamber.

• The energy part of the project (energy production from bio ethanol) was

studied by Valoriza Energy (company from Sacyr-Vallehermoso group,

parent company of Valoriza-Sadyt) and it is subject to the availability of

fuel and a suitable turbine for this purpose.

During 2008 the following activities were done:

• Continuation of laboratory studies of solvent extraction from seawater.

• Studies on the economic and legal feasibility of using ethanol as fuel for

power generation, which is the limiting aspect from economic point of view

of the project.

• Studies on the application of technology to solve the problems caused by

brines from water treatment plants removing arsenic.

• Study of the zero liquid discharge facilities of an industrial RO plant.

During 2009 the following activities have been undertaken;

121

• The University Complutense of Madrid focused the studies on the

feasibility of the process of brine concentration for arsenic removal

process.

• Study of the possibilities of water ethanol separation by pervaporation

process (separation membrane in vapour phase), conducted by the

University of Alcala de Henares

• Studies on the application of technologies to solve the problems caused by

discharges from plants that remove arsenic.

3.2.2. Key findings

The key findings of the project are:

- Extraction of divalent salts from brine using organic solvents is technically feasible.

- To make the process economically feasible is necessary the implementation of a solvent removal

system that allows energy production.

- It is necessary to optimize the process by way of reducing the degradation of the solvent, which

can be achieved with the use of technologies such as reverse osmosis membranes and

pervaporation

- Technologies for reject minimization become especially important when components are toxic

brines containing components as arsenic. In this case the only viable solution for treating water is

the mandatory reduction and treatment of reject generated, which can be done with the

technologies proposed in this project.

3.3. Subproject 2. Study of technical and economic feasibility of the application of brines from desalination plants for different uses (frost control, industrial applications, production of brine and salts, etc…). Brine Recovery.

3.2.1. Works completed

During 2007 a bibliography study of all the possible uses of brines with the objective of designing

some experiences or recovery processes applied or used was completed. In 2008 a new study

began, in this line of research by the University of Alicante on the use of micro algae for

use/treatment of brines.

The main objectives of this research were:

1. Nitrate reduction in desalination brines by culturing micro algae.

2. Possible commercial use of micro algae produced (food supplements, cosmetics,

cellulose, vitamins, antioxidants ....)

Completed in its development stages were:

122

1. Species selection.

2. Optimization of cultivation in the laboratory.

3. Scaling to 2 L volumes under controlled conditions.

4. Simulation of process reactors outdoors in intermediate volume (As shown in Fig.3)

5. Development of pilot plant studies

Fig. 3. Micro algae production pilot plant

One species was found with the best results in nitrate removal (46.84%) and the amount of

biomass obtained was quite important. It was the largest in size species studied, and although

there are some problems of sedimentation it has many industrial applications and has been studied

extensively.

In the experiments the main determinants of the mass production of micro algae, were also taken

into account they are: lighting, dissolved CO2 concentration and pH, agitation and concentration of

nitrogen and phosphorus. A summary of the main results is shown in Table 1.

123

Table 1. Summary of some results.

Species Operation DCM*

(cells/ml)

Maximum

microalgae

concentratio

n (g/l)

Nitrate

eliminated.

(mg/l)

% Nitrates

eliminated

Species 1 Discontinuos and

semi-discontinuous 5,06*106 0,405 136,65 42%

Species 1 Discontinuous 820000 0,066 31,96 10%

Species 1 Continuous 720000 0,058 28,06 8%

Species II Discontinuos 426000 0,085 41,53 12%

Species II Continuous 506000 0,101 49,32 14%

*DCM: Maximum cell density

Finally some experiences were done to determine the sedimentation rate of these micro algae in

order to choose the best technology available for the separation of micro algae from the treated

effluent.

3.2.2. Key findings

The key findings of the project are:

• There are numerous applications for brines that could be profitable depending on

required quality or degree of dryness or distance between producer and user.

• The use of micro algae as biomass for the removal of certain salts (in general

nutrients), opens a good possibility of treatment for some brines. The results

obtained with reductions over 45% for nitrates are really encouraging. However,

further work must be done on the research about the applications of this biomass

once used in the removal of nutrients.

3.4. Subproject 3. Development of zero discharge systems for desalination brines by evaporation-crystallization technology and determination of their technical and economic feasibility

3.4.1. Works completed

Apart from the laboratory experiences, the most interesting research was done with the pilot plants.

3.4.1.1. Pilot plant I trials

124

This pilot plant (Fig. 4) has an evaporation capacity of 7 l/h. It works in a continuous mode, and

vacuum conditions, so that the evaporation temperature is in the range of 45-55 º C. Working with

the heat pump principle, with this team the recovery is possible and reuse of distillate, which

conductivity is less than 70 µS/cm. The system is more energy efficient than conventional

evaporation-crystallization (pilot plant II) because it uses the heat that transfers the vapor to

condense to the evaporation process. It is a process used commercially for small plants where the

energy cost is not the fundamental variable. The energy consumption was very high, about 0.9

kWh/kg, with an estimated final cost of 0.095 € / kg brine evaporated. The salt production in the

early stages is about 10 g/l brine evaporated.

Figure 4. Evaporation pilot plant I

3.4.1.2. Pilot plant II trials.

This pilot (Fig. 5) is an evaporation-crystallization plant with simple effect and continuous feeding.

Control of this plant is done by the feed flow and the pressure in the evaporator that are a function

of temperature in the evaporator, and therefore the heat flow provided by the exchanger. The plant

capacity is 100 l/h, although experiments have worked with a flow rate of approximately 70 l/h. The

flash type evaporator, operated under vacuum conditions, allows evaporation in a temperature

range of 40-60 ºC. The composition of brine feed was quite variable, up 7% compared to the

conductivity and 40% over the calcium content, because the Cuevas desalination plant that is fed

by different wells with different types of water.

125

Fig. 5. Evaporation Pilot plant II

The problem with this plant is that, due to its large size, it took a rather long time to come to steady

state. Thus, the conductivity in the crystallizer increased during the experiment closer to an

asymptotic value about 188 µS/cm, value that reaches from 12 m3 of brine evaporated, which

corresponds to about 180 hours of continuous operation. The temperature crystallizer is about 5°C

below the evaporator, which favours the precipitation of salts. The conductivity in the evaporator

was slightly higher (2-5 µS/cm) than the crystallizer, which may reflect the effect of removing salts

in solution to be precipitated.

We found a linear relationship between conductivity and density of the concentrated solution. The

salt that was precipitated mainly along the experiments was CaSO4 x H2O (x = ½ or 2), due to the

low solubility product of this salt as well as the brine composition. It did not reach saturation of NaCl

or at least this salt did not become the majority in any of the samples tested, although there was a

small percentage of NaCl in precipitated salts (about 2-4% w) that was increased throughout the

experiment. This may be due to increased concentration of sodium chloride in the solution bathing

salts.

The prismatic crystals are composed of CaSO4. Fig. 6 shows the scanning electron microscope

images of different salt samples analyzed. The cost to evaporate the brine in the evaporator with

steam boiler fuelled by propane is approximately 0.099 €/kg of brine evaporated.

126

Figure 6. Enlarged photos of the different types of structures found in different samples of salts. A:

Agglomeration areas S2. B: Salt S3.C spherical shape: prism Agglomeration salts 'dissolved' by the

surface in S4. D: Prism in S2.

3.4.2. Key findings

The key findings of the project are:

• the evaporation-crystallization technology a priori appears to be economically

viable only if it is associated with a system to recover residual heat or steam as the

process has a high energy consumption

• It is necessary to optimize the process for lower fuel consumption. Several studies

have been done in the pilot plant to determine the feasibility of this technology

(evaporation-crystallization) for the disposal of brines. These studies have

identified several variables that affect the process and the composition of the salts

drawn on the basis of operating parameters. It is necessary to continue these

studies and examine the economic aspects of the process (energy consumption,

mainly)

3.5. Subproject 4. Development of deep well injection systems for brines with study of environmental implications

3.5.1. Works completed

In 2007 the following activities were conducted:

• Installing an EDR pilot plant in Abrera DWTP to evaluate the performance of the

installation, production and quality of treated water and brine.

• Making two hydro geological studies to assess feasibility of the injection of brine.

• Conducting a study analyzing data and drawing conclusions from the Water

Treatment Group of the Polytechnic University of Catalunya

127

As mentioned, with the obtained results, it appeared that it was not a very adequate solution the

brine injection in the deep aquifer in this case. Therefore, the conclusion was that it had no sense

to continuing this research, at least in the case of Abrera, although the pilot plant tests were

continued as well as the results from the industrial plant operation. For this reason, it was decided

to refocus the study since 2008 to the purpose of carrying out the study of the feasibility of applying

deep injection techniques in Spain.

In order to evaluate the management of deep well injection of brines from desalination plants it was

studied the weaknesses of the deep injection (pollution of water and seal the store). In order to

avoid these weaknesses the requirements for the selection of potential underground sites of

rejection were studied in detail:

• Development of methods to calculate the volume of the site;

• Possible methods to model the chemical behaviour of fluids in the store and avoid the

filling of this;

• Considering the use of Geographic Information Systems to assess the suitability of zone

against a possible storage of brine.

Moreover cited operational requirements set by the program UIC (Underground injection control)

from the EPA (Environmental Protection Agency of the U.S.A.). Finally, a SWOT analysis

(strengths, weaknesses, opportunities and threats) was completed, about the situation of Spain in

response to the possible brine injection and potential sites for this application in Spain were

studied, having based their choice on criteria established in the research and in previous studies

carried out underground for other purposes, such as CO2 storage.

Finally, as a consequence of the works, a Best practices Manual was done, for the deep well

injection of brines.

3.5.2. Key findings

The key findings of the project are:

• In Spain there have been no successful experiences of this type, although there

are some facilities built.

• In the case of the DWTP Abrera, it was demonstrated that it was not feasible the

brine injection of brines due that the hydrogeology of the area, but with a

consequence which was to cancel the research line about this particular case.

The water authorities and water managers are challenged to find a balance between appropriate

treatment technologies, disposal practices for safe waste generated, the safety of workers and

costs, while ensuring compliance with drinking water regulations for maximum public health

protection. These challenges are causing them to consider the deep well injection of brine and

128

other wastes sometimes as the only possible disposal option for the residues obtained from potable

water.

The deep well injection of the concentrate by-product from drinking water treatment is currently the

most viable option for the management of desalination concentrates inland. In the USA this

practice takes place in more than 100 infrastructures. The various legal aspects that may affect the

deep injection of brines and concentrates in Spain are contained in various rules and laws,

because there are no specific regulations for these actions.

3.6. Subproject 5. Development of advanced dilution of brines. Research and modeling of different parameters and comparison with mathematical models.

3.6.1. Works completed

During 2008 and 2009 the installation of pilot plant facilities at Desalination plant of Cuevas de

Almanzora were completed, where the first tests about dilution were performed. These jobs have

been outsourced to the University Institute of Water and Environmental Sciences at the University

of Alicante.

Some tests (Fig. 7) were carried out on laboratory scale to set some parameters before performing

the test at a pilot scale in the tank. Test tank dimensions were 18x31x15 cm3 methacrylate.

CuSO4 (60 g/L) CoCl2 (60 g/L)

60 g/L NaCl and 20 ppm

methylene blue

Fig. 7. Images of some laboratory experiments

Parallel development of a pilot scale plant was carried out located in Cuevas de Almanzora. Below

are some pictures of the final state of the plant, auxiliary tank and control panel (Fig.8).

129

Fig.8. Pilot plant details at Cuevas de Almanzora desalination plant

The pilot plant consists on the dilution tank (50 m3, rectangular), brine feed tank with agitation,

discharge pump and flow control system, diffuser nozzle system, a set of 23 conductivity probes,

data logging, electromagnetic flow meters and control panel. The tank was painted white for better

contrasts of colour, and painted with a 0.5 m scale, to provide a reference chart. The calibration

and validation of equipment for measuring the conductivity, flow meters and data recording were

also carried out. The first experiment with dye to determine a priori the best location of conductivity

probes was conducted, using a synthetic solution using sodium chloride and methylene blue,

simulating the increase in conductivity that it could be expected in brine discharge compared to the

marine environment, using a flow of 128 l/h. The results are shown in Fig.9.

Fig.9. Sights of the dilution plume

130

3.6.1.1. Holographic Interferometry Studies

To study the dilution of brine in seawater a technique using a holographic interferometry technique

was used. It is an optical technique that combines holography and interferometry, allowing an

observation the changes of optical path as interference fringes.

This optical path is the product of the refractive index by the distance travelled by a laser beam.

Therefore, if you use a physically stable and transparent container, you can display the refractive

index changes that are taking place in a transparent medium in form of interference fringes. Since

the refractive index is directly related to the concentration of the solution, it is possible to determine

concentration profiles in mass transfer processes (osmosis, ultrafiltration, diffusion, etc.). The

experimental device consists of assembling a holographic interferometry module where the

process occurs under study (diffusion, dilution, dispersion). (Fig.10)

Fig. 10. Holographic interferometry assembly

Using the described procedure the diffusion coefficient of brine in seawater can be obtained. Prior

to that, there have been experiments using sodium chloride at different concentrations, as is the

majority salt in seawater. The value of the NaCl diffusion coefficient obtained in the experience was

1.52 • 10-5 cm2/s. If you compare this value with literature data (1.53 • 10-5 cm2/s) it has an error of

0.7%, which is considered acceptable.

After obtaining the diffusion coefficient of sodium chloride, the next objective was the calculation of

diffusion coefficient between seawater and brine undiluted, obtaining a value of the diffusion

coefficient of 1.27 • 10-5 cm2/s. This value may be used in the subsequent analysis of the discharge

of an emissary from a desalination plant. Fig. 11 shows some of the interferograms obtained:

131

t = 30 min.

t = 40 min.

t = 50 min.

t = 60 min.

Figure 11. Interferograms of brine and seawater

An important step in this research is to design a module that plays the best possible behaviour of

the phenomenon being studied; in this case, the discharge of brine from desalination plants to the

sea.

As a prelude to the design of the module, various tests to determine the module dimensions have

been conducted. The experiment was to introduce a stream of brine, stained with a dye, at different

speeds in a bath containing seawater. This is the extent of the plume of brine and dispersal in the

seawater.

Finally there have been integrated the results of some interferograms with different times and using

the mathematical software MATLAB program; a program that simulates what happens in the

module has also been developed. To do this, from the data obtained we have started by measuring

the interference fringes of different experiments and has been interpolated information module

areas where no data are available. In Fig. 12 the integration of single interferograms in one

combined representation is shown.

Fig. 12. Interferogram integration

132

3.6.2. Key findings

The key findings of the project are:

• The mathematical models used in Spain for the simulation of the dilution of brine

discharges are normally from other different applications (not specific) and they

have not considered all possible effects (such as direct osmosis) in the blending of

brine in the sea. This means that disposal facilities are being designed with

inaccurate information

• Laboratory results prove the above statement as it requires a more rigorous

analysis of these models through a pilot system with enough size to properly

simulate the process.

Regarding the studies with holographic interferometry, basically at this stage the devices and

technology have been optimized, and numerous tests to determine the diffusion coefficients of

brine blending with seawater have been conducted. Finally, it has to be found the mathematical

model that adequately could simulate discharges of brine into the sea. This works are going

continued to use the current pilot facilities.

4. New projects and ideas As a consequence of the results and conclusions obtained during the development of this project

there were opened new lines of research, as the following;

• study of the causes of the degradation of ethanol in the separation process of

water and brine

• study of separation of mixtures ethanol/water or brine by evaporation and

membrane technologies (pervaporation)

• exploring the possibility of freezing technology combined with other processes for

its optimization. This seems particularly interesting because freezing is

thermodynamically more favourable than evaporation.

• studying the possibility of using solar energy or other renewable energies

combined with any of the processes described above

These new research lines will be included in one or more new projects as well as continuation of

some of the main lines which should be further investigated.

133

5. Conclusions

The main conclusions obtained during this experience are indicated next.

• Brine discharges in desalination and mainly in inland installations still remains being a

problem, with not many feasible alternatives

• Increasing the R&D efforts to reduce the environmental impact of the desalination

technologies is needed

• Some solutions adopted for management of brines as ZLD by evaporation require further

development in order to reduce energy consumption

• micro algae production for elimination of water pollutants or nutrients (even in brines)

seems a very interesting way of future treatments, taking in account the possible further

use of micro algae biomass for energy production or other applications.

• Deep well injection seems the only economically feasible way to solve brine discharges in

many plants and it must be considered studying all the environmental implications

• The mathematical simulation of the dilution process of brine in seawater requires more

research to represent more accurately the real phenomenon

• As a consequence of R&D project presented, some important objectives have been

achieved as the increasing in knowledge on the state of the art of brine management in

inland areas, the developing of best practices manual for the injection of brines in deep

aquifers and training of the researchers in this important area of knowledge.

134

135

11.1.2. MICROALGAE PRODUCTION FOR NUTRIENT REMOVAL IN DESALINATION BRINES

136

Microalgae production for nutrient removal in desalination brines

D. Zarzo, E.Campos, D. Prats, P. Hernandez and J.A. Garcia

ABSTRACT

This paper will show the results of a research project about nutrient removal from brines by means

of microalgae. This work was a part of a much more ambitious project that searches for possible

solutions for management of brines. The objectives of the present research about microalgae were:

selection of species for nitrate removal in desalination brines; optimization of control parameters;

and determination of possible commercial use. None of the most common species of algae used

for industrial culture could be adapted to brine conditions. Spontaneous colonisation of brine by

species occurring in the surroundings of the desalination plant provided strains that were finally

used in the experiments here presented. In laboratory conditions, the best results were obtained for

Tetraselmis seucica illuminated with fluorescent tubes with light period 16–18 h and constant

temperature of 22 ºC. In the outdoor pilot plant Oocystis sp was found the most efficient in nitrate

removal (45%) and the most productive in terms of biomass per volume.

137

Introduction

One of the most important issues in desalination projects is the environmental impact and

particularly brine management and discharge.

In the case of brackish water plants, mainly installed inland, brine discharge is an important

problem without a clear solution. Brine disposal is often limited by nutrient concentration (basically

nitrogen and phosphorus). Discharge in vulnerable areas due to eutrophication is limited and

regulated in many countries. This is a potential problem in tertiary wastewater treatment plants and

brackish water desalination plants, where it is easy to find brines with a high concentration of

nitrogen and sometimes phosphorus.

At the same time, there is a current trend about sustainable production of renewable energy which

is developing a second generation of biofuels produced from non-food sources such as microalgae,

which potentially offers great long term opportunities. Other potential applications and products

from microalgae are biological capture of CO2, wastewater treatment, human health products, food

additives, and aquaculture.

Joining these ideas together the opportunity arose to research this field. At present there is a lack

of literature references about cultivation of microalgae in brines (or high salinity water), although

there are many research studies about microalgae cultivation in other media (both in sea water and

fresh water) and the applications.

The company Sadyt, together with the companies Sacyr, Scrinser and Ecoagua, agreed to develop

a Research and Development program under the name ‘Research project for the development of

innovative solutions in the management of desalination brines’.

This project, designed for a period of three years, received public funds (around 2.5 million Euros)

from the Spanish Ministry of Industry, Tourism and Commerce and the Ministry of Environment.

Universities and public research centres that have participated are:

(i) University of Alicante, Universidad Politecnica of Catalunya, Universidad

Complutense of Madrid, University of Alcala de Henares

(ii) IMDEA Agua (Madrid Water Advanced Studies Institute) and CETENMA

(Technological Centre of Energy and Environment, Murcia, Spain).

The project aimed at searching for technical and economical alternatives for the management of

desalination brines by means of innovative solutions. It also included the design and

implementation of pilot plants and demonstration systems. These general objectives were

developed through five different research lines (Zarzo and Campos, 2011), including the study of

technical and economic feasibility of the application of brines and by-products from desalination

plants, where this project is framed. The next stage of the works will be focused on the

138

development of an industrial scale plant and the technology for efficient separation of microalgae

from water.

Experimental methods

Objectives

The overall objectives of the project were to determine the feasibility of the application of brine from

desalination plants for different uses (frost control, industrial applications, production of brine and

salts, etc.) and to its recuperation.

Following these studies and waiting for results from other research lines, this could open up market

opportunities. One of the lines of work was the use of cultivation of microalgae and for its ability to

reduce nutrients in brines.

Recently, apart from the conventional techniques for removing nitrogen and phosphorus from

water, some other techniques are focused on encouraging natural processes in aquatic plants,

algae and microalgae. These processes are generically referred to as phytoremediation (Olguin,

2004).

Microalgae are organisms with eukaryotic structure, photoautotrophs capable of transforming

sunlight into chemical energy through oxygenic photosynthesis with high efficiency and also able to

absorb carbon as CO2. They have high production rates, are adaptable to different environmental

conditions and are present in any aquatic environment provided that there is a source of carbon,

nutrients and light.

There are precedents from the 60s (Oswald and Gotaas, 1957; Oswald, 1963) using microalgae in

wastewater treatment, but there are no references to its use in brines.

There are several drawbacks to the widespread deployment of these algae systems such as the

need for a thorough understanding of the microalgae physiology and biochemistry, characteristics

of the culture medium, verification of laboratory results to large area plants and to demonstrate its

operational capacity and competition with other more conventional techniques with lower costs.

Applied process

This project was developed using brine from the brackish water reverse osmosis plant installed at

the University of Alicante, Spain. This plant treats 450 m3/day of water from an aquifer with 5710

µS/cm-1 conductivity, producing 100 m3/day of brine with high Nitrate concentration, as it is shown

in Table 1.

139

Table 1. Water quality

Parameter Raw water

from well

(mg/l)

RO plant

Brine

(mg/l)

Discharge limits

(mg/l)

pH 7,2 7,7 5,5-9,5

Conductivity 5710

uS/cm

15360

uS/cm

Without limit

Calcium 158 825 Without limit

Magnesium 272 659 Without limit

Sodium 991 2976 Without limit

Potasium 15,6 80,8 Without limit

Chlorides 1167 3388 4400

Sulphates 1588 4715 6200

Nitrates 148 345 300

Ammoniacal

Nitrogen

0 <0,08 7

Phosporus <0,1 <0,1 8

Boron 4,8 5,46 5

Bicarbonates 345,3 1025 Without limit

Silica 0 0 Without limit

Iron 0 0 Without limit

Project was developed in different stages:

(i) species selection

(ii) laboratory optimization (experiments 1–4)

(iii) scale at 2 L reactor with 2 species in controlled conditions (experiments 5 and 6)

(iv) process simulation outdoor in medium-sized volume reactors (experiment 7)

140

(v) development of a semi-industrial pilot plant (cultivation in batch/semi-continuous

outdoor and continuous experiments indoor)

(vi) studies about microalgae separation

(vii) studies about microalgae applications

Results and discussion

Species selection

The species selection process consisted of series of experiments of isolation and adaptation of

natural occurring species to the brine from the brackish water desalination plant at the University of

Alicante. To start the spontaneous colonization of the most abundant algae, brine from the plant

enriched with nutrient medium was left outside the desalination plant in direct sunlight for a duration

of two weeks. In parallel water samples taken from the effluent at the discharge point were filtered

to separate algae from zooplankton and other organisms. Throughout the course of the project, the

following species were isolated from the brine: Scenedesmus quadricauda, Chlorella sorokiniana,

Chlorella sp., Chlorella sp.1, Nitzschia palea, Anabaena sp., Oocystis sp. Tetraselmis suecica was

isolated from the discharge point. The marine species Nannochloropsis salina and Mychonastes

homosphaera isolated from a pond near the plant performed very well in brine. The identification of

species was performed by DNA analysis. Other more commonly used species were also checked

but they did not survive in the brine environment

Laboratory optimization

Different tests were carried out in a growth chamber with constant internal temperature at 22uC

and controlled lighting with a period of 16:8 h.

Experiment 1: optimum medium for microalgae growing. Test tubes with brine and artificial

freshwater with additional phosphate plus a combination of metals and vitamins up to the

concentration of the standard media F2 (Guillard and Ryther, 1962) were used as culture media to

check for optimum growth of the microalgae.

Experiment 2: increasing Phosphorus concentrations were added to the optimum medium

as selected from experiment 1.

Experiment 3: Changing the scale at 250 mL with the best medium as results of

experiments 1 and 2.

The most relevant results of this stage are shown in Figs. 1 and 2 and Table 2.

141

Figure 1. Example of results for microalgae (Nannochloropsis) growing in tubes in different

conditions (B=brine, BP= B + 1 mg/l Phosporus, BPM= BP + metals (molibdene), BPV= BP +

vitamins, BPVM= all)

Figure 2. Example of results for microalgae (Mychonastes) growing in tubes in different conditions

(B=brine (<0,1 mg/l P), B +1P= B + 1 mg/l Phosporus, B+2P= B + 2 mg/l P, B+3P = B + 3 mg/l P)

Table 2. Nitrate reduction and final biomass in experiment 4.

Sample

Max. Cell

density

Phosporus

initial

Final Nitrate

conc

Nitrate

reduction

Nitrate

reduction Biomass

cells/ml ppm ppm (mg/l) % g/l

Nanno. B 1,18E+007 0,281 310,1 43,9 12,57 0,192

Nanno. BPM 4,86E+007 1,281 245,5 108,5 30,78 0,400

Mychon. B 8,06E+006 0,282 305,6 48,4 13,84 0,177

Mychon. BPM 3,70E+007 1,281 229,2 124,8 35,39 0,581

Nannochloropsis (in tubes)

0 2000000 4000000 6000000 8000000

10000000 12000000

0 2 4 6 8 10 12 14 16 DAY

CELLS/ML

B BP BPM BPV BPMV

Mychonastes (Phosporus test)

0,00E+00 2,00E+06 4,00E+06 6,00E+06 8,00E+06 1,00E+07 1,20E+07 1,40E+07 1,60E+07 1,80E+07 2,00E+07

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 Dia

Células/ml

B B + 1P B + 2P B + 3P

142

Main conclusions of the experiments were:

(i) experiment 1: water must carry phosphorus, trace elements and vitamins up to

the level of standard media (F2 Ryther and Guillard was the one selected)

(ii) experiment 2: brine was a more favourable media than artificial freshwater for

the two species used, especially for N. salina which being a marine species

grows best in the brine. M. homosphaera also tolerated brine well growing more

than in artificial freshwater, although it is a freshwater species. In tested

phosphorus concentrations (1, 2 and 3 mg P L-1 ) the increase in this nutrient

had no effect on algal growth. Therefore the decision was made to use the

lowest concentration (1 mg P L-1 ) in subsequent laboratory scale experiments.

(iii) experiment 3: scale change produced an increase in biomass production

doubled over the experiment 1 in test tubes. 2. It achieved a nitrate removal up

to 35%.

Scale at 2 L in controlled conditions

The objective of this stage (experiments 4 and 5 in 2 L flask) was to improve the productivity of

microalgae by aeration and to prepare a stable mounting for higher inoculum which could be

adapted to the pilot plant stage abroad. It is hypothesized that the increase in productivity would

lead to a depletion of nutrients in the culture medium. The specific objectives of the experiment

were:

(i) to check how a change in volume affects to algae growth

(ii) to test the effect of aeration and mixing of culture algae growth (aeration increases the

CO2 concentration in the medium and serves as a stirrer to prevent aggregation or

precipitation)

(iii) to calculate the nitrate elimination related to algae growth with four different species.

Conclusions of the experiments 4 and 5 (results are shown in Fig. 3) were:

(i) aeration and scale change meant improvements for M. homosphaera that doubled

biomass production compared to flasks without aeration in previous experiments.

Consequently, a reduction of nitrates up to 45% was detected

(ii) for N. salina a biomass increase was not noticeable and therefore the elimination of

nitrates was not significant either. The authors assume that the maximum cell density

for this brine was reached

(iii) with Pavlova lutheri it was observed that a significant reduction of nitrates was not

achieved (22-86%) although the amount of biomass produced was higher

(iv) Tetraselmis suecica was the species producing the best results in nitrate removal (46-

84%) and the amount of biomass produced was very important. It is the largest species

and although there are some problems of sedimentation it has many industrial

applications and it has been studied extensively.

143

Figure 3. Nitrate elimination in brine in experiments 5 and 6

Process simulation outdoor in medium sized volume reactors

Following on the experimental results established in the laboratory stages the following conditions

were selected:

(i) monospecific cultures of Tetraselmis suecica and Pavlova lutheri because they

provided good results in nitrate reduction, biomass production and also they are used

in animal nutrition (fish farming). With the species Mychonastes halosphaera good

results were obtained in terms of nitrate removal, but there is no known application,

reason why it was discarded at this stage of the project

(ii) open systems: the container for the culture is open, cheaper and easier to operate than

closed ones. It consists on a shallow horizontal oval shaped pond. The ponds for these

applications are usually oval. From a certain size, it requires any form of agitation for

cell suspension, because all cells have to be exposed to light for as long as possible

and thus promoting absorption of nutrients by algae. At this stage extrapolation from

laboratory to medium volume reactors (10 L) was attempted and to carry out the

experiments outside of the laboratory. The aim was to obtain data on growth of the

species Pavlova lutheri and Tetraselmis suecica for a further design of a pilot plant for

greater volume. The following parameters were controlled: pH, temperature range,

lightning, cell density and growing rate. Results for Pavlova lutheri are shown in Table

3.

Nitrate removal

150 175 200 225 250 275 300 325 350 375

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 Day Nitrates (mg/l)

Nannochloropsis Mychonastes Pavlova lutheri Tetraselmis Chuii

144

Table 3. Experiment data outdoor for Pavlova lutheri.

Pavlova

Day

Cell density

(cells/mL)

Growing rate

(day-1) Time

Lightning

(W/m2)

T

(ºC) pH

0 275.000 0 16:00

2 380.000 0,162 12:30

5 420.000 0,050 13:30

6 880.000 0,740 12:30 33,67 18

7 890.000 0,011 12:30 73,21 22 8,28

8 1.620.000 0,599 10:30 51,24 19

9 2.220.000 0,315 10:30 46,85 16

12 1.940.000 -0,045 11:00 51,24 16

13 4.920.000 0,931 11:30 65,89 18

14 1.910.000 -0,946 11:00

15 7.670.000 1,390 10:30

16 11.860.000 0,436 13:00

19 16.080.000 0,101 13:00

Max cell

density

(cells/mL) 16.080.000

The results of this first experiment outdoor were very favourable in the case of T. suecica. It was

close to the maximum level reported in the literature for the use of more conventional culture

media. It is necessary to keep in mind that there are no references to date using brine as media.

From the results obtained and their adaptation to brine Tetraselmis suecica was selected for the

pilot plant study.

145

Development of semi-industrial pilot plant

In previous phases of the project it was confirmed the ability of microalgae for nutrient reduction,

such as nitrate reductions up to 46% with the species Tetraselmis suecica. Given this evidence, the

authors intend to continue improving crop conditions to maintain a cell density as high as possible

and to eliminate as much as of the nutrient concentration as possible. In order to perform design

checks and calculations of future industrial plants, the setup was built in the workshop of the

University of Alicante, including a rectangular raceway type open pond in PVC.

According to the literature (Cobelas and Gallardo, 1989) the main determinant parameters of the

mass production of microalgae are: residence time, lighting, nitrogen and phosphorus

concentration, mixing. dissolved oxygen, carbon and pH and biotic interactions.

In order to study these factors (for the future design of an industrial plant) in the raceway pond built

(pilot plant) three tests were performed:

(i) cultivation in an outdoor batch/semi-continuous pilot plant (experiment 7) (ii) optimization of indoor growing conditions in pilot plant (experiment 8) (iii) cultivation in an indoor continuous pilot plant (experiment 9).

There were problems related to the outdoor exposition, i.e. increasing of pH (due to CO2

consumption by microalgae) and high evaporation rate (at 35ºC in summer 3 L/day were lost). For

this reason, the decision was made to move the pilot plant into the laboratory to better control of

the environment conditions.

The effect of the artificial light over the experiment was also studied. Light tubes were added and

growth was measured at three different light intensities: 20, 30 and 70 W m22 which in any case

are lower than the 150 average value that was achieved outside in the summer months. However,

with 70 W m-2 it reaches a similar growth rate, so this was used for subsequent experiments. There

were also two small maintained tanks outside in order to compare the results for indoor–outdoor

(results in Figs. 4 and 5).

146

Figure 4. Growing trend (Tetraselmis sp) comparison indoor-outdoor

Figure 5. Growing trends in indoor experiments

It is very difficult to find references about experiences of nutrient removal with microalgae in

continuous processes. There are some previous studies on nutrient removal processes in

wastewater (not in brine) as a secondary or tertiary treatment (Sanchez et al., 2008). In these

cases the experiments were carried out in a small scale laboratory and worked in batches or in

small pilot plants to simulate performance gaps. Although it is not usual, there are some papers on

continuous production of algae which have been used as a reference for some of the design

parameters (Camacho et al., 1989).

The experiment 9 was the development of a two-stage continuous culture lasting four days long

(more than calculated HRT, retention time). The results obtained with the continuous culture of the

species Oocystis sp is shown in Fig. 6.

Growing trends Tetraselmis sp

y = 12420e 0,2913x R 2 = 0,8939

0,00E+000 2,00E+005 4,00E+005 6,00E+005 8,00E+005 1,00E+006 1,20E+006 1,40E+006

0 2 4 6 8 10 12 14 Day

Cell density

Indoor experiment Oudoor experiment Indoor experiment trend

Growing trenes in indoor experiments

0,00E+000 1,00E+005 2,00E+005 3,00E+005 4,00E+005 5,00E+005 6,00E+005 7,00E+005

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 Day

Cell density

Tetraselmis Oocystis

147

Figure 6. Experiments indoor with Oocystis species

Table 4 shows the productivity for the continuous experiments.

Table 4. Results of productivity in continuous experiments

Species

Average

Cell

density

(cells/mL)

Average

Algae

Biomass

(g/L)

Flow

(L/day)

Daily

production

(g/day)

Specific

Productivity

(g/m2day)

Specific

Productivity

(Tons/hec-

tare- year)

Oocystis 720.000 0,049 46,04 2,25 3,93 14,36

Tetraselmis 305.000 0,072 33,46 2,4 4,18 15,25

Regarding phosphorus, as it is necessary for algae growth, it is required to add a small amount of

as it was shown in previous results. Figure 7 shows phosphorus removal with time.

Figure 7. Phosphorus removal with time in continuous experiments for Oocystis

Continuous experiments indoor

0,00E+000 1,00E+005 2,00E+005 3,00E+005 4,00E+005 5,00E+005 6,00E+005 7,00E+005 8,00E+005

0 8 16 24 32 40 48 56 64 72 80 88 Time (hours)

Cell density

Experiment 1 Experiment 2

Soluble Phoshorus vs time (Oocystis)

0,000 0,200 0,400 0,600 0,800 1,000 1,200

0 1 2 3 4 5 Dia

Soluble P (ppm)

Experiment outdoor Experiment outdoor Experiment indoor

148

Soluble phosphorus reduction was over 90% on the third day, a consistent result with reference

sources (Hernandez et al., 1997). In the continuous process the concentration of 1 mg L-1 of

phosphorus was kept with regular additions according to the depletion rate after daily monitoring. In

these conditions, it is necessary to consider a possible precipitation of calcium phosphate

(especially when pH rises above 8-5) which could reduce the amount of soluble phosphorus. Until

this moment, the source of phosphorus added to the brine was NaHPO4, from a laboratory

supplier. Providing 1 mg L-1 of phosphorus from this chemical is not expensive when we are

working with small volumes, but it could be a considerable cost when working with large volumes.

In a project meeting the possibility of supplying phosphorus from a wastewater was discussed,

which is diluted with brine to meet the equivalent dose of 1 mg L-1 of soluble P. To test whether the

species growing in the brine could admit this source of P, an experiment with brine was conducted

using as a P source the permeate of an MBR (membrane biological reactor) wastewater treatment

pilot plant located in the WWTP (wastewater treatment plant) Rincon de Leon, at Alicante, Spain,

with the following characteristics (Table 5).

Table 5. MBR permeate characteristics

Ntotal 18,62 mg/L

Nitrates 78,4 mg/L

Nitrites 0,110 mg/L

Amonium 0,151 mg/L

Phosphorus

Total 17,52 mg/L

The results of these experiments are shown in Fig. 8.

Figure 8. Results of experiments with brine and wastewater permeate from MBR plant (BPM=

previous Brine+P+metal and B+W= brine + wastewater)

Experiments brine + wastewater

0 200000 400000 600000 800000

1000000 1200000 1400000 1600000 1800000

0 2 4 6 8 10 12 14 16 Dia

Cell density

Oocystis BPM Oocystis B+W Tetraselmis BPM Tetraselmis B+W Botriococcus BPM Botriococcus B+W

149

According to studies by Grobbelaar and Moster (1987) nitrogen is 11% of algae biomass. Most

authors agree on this point and put the value of nitrogen between these values (8–12% of

biomass). Those studies have shown that microalgae can use any source of nitrogen although it

prefers ammonia. With data from all experiments it can be estimated that the removal of nitrate is

proportional to the amount of algae present in the culture ranging around 50% of algae biomass

present and if there is no limitation by other factors such as phosphorus or lightning. The

experiments which got better results for nitrate removal were those with the species Oocystis sp

outdoors with a reduction of up to 42% supplying a density of 5x06x106 cells mL-1 . Keeping the cell

concentration using a dilution rate of 0-4 it would reduce nitrates to a level below the limit. To

remove them completely it would require the twice the amount of cells, around 1 g L-1 . These

densities can only be achieved in closed systems with temperature control and injection of CO2

(Takeuchi et al., 1992). Another option could be to do it in two stages, where effluent is recirculated

to the culture for a second time. Table 6 shows the results in pilot plant.

Table 6. Results resume in pilot plant

Species Experiment operation

Max cell

density

(cells/ml)

Max

microalgae

conc. (g/l)

Nitrates

removal

(mg/l)

% Nitrate

removal

Oocystis Outdoor

May

Batch and

Semi-

continuous

5,06*106 0,405 136,65 42%

Oocystis Outdoor

September Batch 820.000 0,066 31,96 10%

Oocystis Indoor

October Continuous 720.000 0,058 28,06 8%

Tetraselmis Indoor

November Batch 426.000 0,085 41,53 12%

Tetraselmis Indoor

November Continuous 506.000 0,101 49,32 14%

Table 7 shows the comparison between experiment results and references. No productivity data

are specified for other seasons although declines in production by a strong lightning dependence is

reported. Therefore our results can be considered comparable to those of other authors because

we worked indoors with artificial light of low intensity (70 W m-2).

150

Table 7. Comparison of results with other published works (species Tetraselmis)

PARAMETER

OPEN TANK

Law and Berning (1991)

OPEN TANK

Camacho et al (1989)

OPEN TANK

(presente trabajo)

Volume (L) 200 68 (rectangular) 115 (rectangular)

Lightning Variable (outdoor) Constant (indoor)

49-492 W/m2

Constant (indoor)

70 W/m2

Dilution Rate

(day-1) 0,3-0,5 0,41-0,55 0,291

Operation Semicontinuous Continuous Continuous

Biomass concentration (g/L) 0,1-0,4 0,035-0,126 0,072

Productivity / surface

(g/m2 day) 15-20 (summer) 5,6-38 4,18

Studies about microalgae separation

To complete the treatment process and reuse nutrients and biomass it is necessary to separate the

microalgae suspension from the effluent. The main methods proposed to date are: sedimentation,

filtration, flocculation and centrifugation. Normally, biomass is obtained in water with concentrations

between 0.02–0.4 g L-1 (dry weight). The best technology would depend mainly on the type of

microalgae and the further use of this biomass. In this case the main objective was the removal of

nutrients in brines, so the authors should opt for separation processes with low cost. Following

these criteria there were two main options; sedimentation and filtration. Regarding sedimentation,

tests were carried out with Imhoff cones. The microalgae Oocystis shown a greater tendency to

sedimentation than Tetraselmis, although this process remains slow, so a next stage of the

research will be to improve the speed and efficiency of sedimentation using lamella clarifiers.

For some types of algae and to take advantage of biomass the cross-flow filtration is often used.

There are also developments of some innovative patents such as belt filters after flocculation. The

other more viable and practical option is the use of granular bed filters making possible to get a

151

clean effluent, but it will require a backwash and subsequent centrifugation (this has been tested in

the laboratory).

Some experiments were performed with filtration for Oocystis species which it was considerably

promising. With this type of filtering, separation of microalgae from the effluent is achieved. Later,

with the backwash, microalgae could be withdrawn and retained in the sand bed. Although the

results were promising, it is still necessary to work in the recovery system of microalgae.

Studies about microalgae applications

Regarding the biomass applications there are several possibilities; to consider the production of

biomass as sewage sludge and consider the same applications you may have (disposal in landfills,

composting or burning for producing energy). In previous sections it has been estimated maximum

biomass values of about 15 tons/ (hectare x year) There are some experiences in the use of algae

biomass as fertilizer and animal feed. But the easiest option (not requiring specific regulations) is

the use of biomass for energy production. The energy content depends on the composition of algae

(proteins, fats, carbohydrates). At higher levels of fat content, higher energy production. For

example Tetraselmis Suecica usually presents energy values of 24.2 kJ g-1 and its average

composition is often 6% fat, 52% protein and 15% carbohydrate.

Tetraselmis is an interesting species because it has applications in aquaculture, e.g.

feeding of larvae. To carry out its marketing a previous lyophilization should be included in the

product. It also is possible to get pigments that could have economic value and with Tetraselmis

studies have been done to extract vitamin E found in proportions of 0.2 to 1 mg g-1 dry weight.

Conclusions

1. The use of micro algae for the removal nutrients (N and P), opens up a good possibility

of treatment for some brines. The results obtained with reductions over 45% for nitrates are very

encouraging. However, further work must be done on the research about the applications of this

biomass once used in the removal of nutrients.

2. Biomass production estimated about 15 T per hectare and year is encouraging to go for

future treatments, taking into account the possible further use of micro algae biomass for energy

production and other applications such as human food supplements and fish and shellfish

aquaculture.

3. As a consequence of the R&D project presented, some important objectives have been

achieved, the increase in knowledge on the state of the art brine management in inland areas and

researcher training in this important area of knowledge.

152

References

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153

11.1.3. DESALINATION TECHNIQUES – A REVIEW OF THE OPPORTUNITIES FOR DESALINATION IN AGRICULTURE

154

Desalination Techniques – A Review of the opportunities for Desalination in Agriculture Stewart Burn, Manh Hoang, Domingo Zarzo, Frank Olewniak, Elena Campos, Brian Bolto and Olga

Barron

ABSTRACT The adoption of desalination for agricultural purposes in countries such as Australia has been very

limited, with only a small number of cases available to demonstrate its suitability. This can be

compared to countries such as Spain where the uptake has been significant. A number of suitable

technologies such as reverse osmosis and electrodialysis are available to provide desalinated

water, but not at a cost comparable to that for water commonly utilised for agricultural purposes.

The use of blended waters, where the quality of the water is tailored to the crop may go part way to

addressing this cost differential. However, if the overall efficiency of the combined production of

water and food, as well as opportunities for better soil management is considered, then

desalination’s applicability to agriculture becomes more viable. The use of state of the art

technologies for the provision of desalinated water for agriculture is most likely to be cost effective

in a tightly controlled environment, using agricultural practices with the most-effective water use

and crops with high productivity. Such conditions are often associated with greenhouses and the

production of high-value irrigated crops, where the cost of water is small compared to the

infrastructure investment.

155

1. Introduction

Population growth, food security concerns, climate change impacts on agriculture, freshwater

resource overuse and land degradation worldwide are forcing international scientific communities

to look for alternative approaches to our current resource management approach for agricultural

purposes. This includes all aspects associated with water resources and their availability to support

ever-growing demands for both agricultural and potable water demands. Desalination technologies

may provide one opportunity for generating cost-effective and potentially climate-independent

water resources of controlled quality for agriculture applications.

As shown in Fig. 1, seawater desalination is the most used solution to address water shortage

especially for potable water applications. In this respect the number of desalination plants around

the world, both planned and under construction, has increased significantly in recent years, as

shown in Fig. 2, especially in Australia where they have been targeted for providing additional

sources of potable water [25]. It is estimated that about 69% of available water resources around

the world are used for irrigation [110] and as water demands increase the number of desalination

plants for irrigation for agriculture has also increased. Consequently there is increased emphasis

on enabling cost effective desalination technologies to provide water of suitable quantity and quality

for agricultural applications.

Fig. 1. Total capacity installed in the world (IDA Desalination Yearbook 2013-2014)

156

Fig. 2. Global cumulative contracted and commissioned desalination capacity, 1965-2011 (GWI

Desaldata, 2011)

Drier countries such as Australia and Spain have a long history with desalination technologies. In

the past, the high capital and operating costs of desalination and the energy required have been

major constraints to large-scale production of freshwater from brackish waters and seawater.

However, desalinated water is becoming more competitive for urban use because desalinating

costs are declining associated with increasing demand from population growth and reduced

security of supply from surface water and usable groundwater and it is expected that these

increases in efficiency will flow through to the agricultural sector. However, in spite of these

developments, currently the cost of desalinated water is still too high for the use of this resource in

broad-scale irrigated agriculture. An exception appears to be intensive horticulture for highvalue

cash crops, such as vegetables and flowers (mainly in greenhouses) grown in coastal areas where

safe disposal of brines is easier than in inland areas [11]. For example Sundrop farms (Sundrop-

Farms, Personal communication), uses 860,000 m3 of fresh water yearly to irrigate 2000 m2 of

greenhouses. If the costs for providing desalinated water continue to reduce, its use is expected to

become more viable because desalination for agricultural purposes has a number of significant

advantages including:

• Tailored conductivity for irrigation water

• Assured supply

• Enables agricultural products of consistent quality

• Production may be increased compared to other water sources.

• The water may attain a higher resale price due to quality and supply assurance.

• It allows recovery of saline soils by irrigation with high quality water.

2. Integrated water and food production: desalination and agriculture

Desalination allows a widening in utilisation of available water resources by producing freshwater

from saline or brackish natural water sources. Over the past decade conventional water production

157

costs have been rising in many parts of the world and costs for desalination have been declining,

consequently desalination has become more economically attractive and competitive. Lattemann et

al. [58] estimated that by 2015 the costs of freshwater treatment, wastewater reuse and

desalination are likely to be similar, at least in USA. However, currently desalinated water produced

worldwide (77.4 million m3 /day, IDA, 2012) still comprises less than 1% of total worldwide water

use, with only 2% of total desalinated water production currently used for agriculture (Fig. 3).

Figure 3: Global desalination capacities by user type (IDA Desalination Yearbook 2013-2014)

According to Desaldata [29] many countries are beginning to use desalinated water in agriculture,

albeit at varying rates. The highest proportion of desalinated water use in agriculture occurs in

Spain, where the current installed capacity is 1.4 million m3 /day and 22% is used in agriculture for

high value crops, such as vegetables, fruits including tomatoes and peppers, and vineyards for

table grape production. In Kuwait, where the current installed capacity is in excess of 1 million m3

/day, 13% is used for agriculture and in Saudi Arabia, the world's largest single producer of

desalinated water; only 0.5% of its desalination capacity is used for agricultural purposes. Other

countries which use desalinated water for food production are Italy (desalination capacity 64,700

m3 /day — 1.5% for agriculture), Bahrain (620,000 m3 /day — 0.4%), Qatar (0.1%), USA (1.3%)

and Israel. The wider application of desalination technologies for agriculture is limited by its

relatively higher cost, as well as by the need for agriculture to be close to saline and brackish

feedwater resources as well as a safe and cost effective disposal option for brines. National

assessments of the applicability of desalination technologies to support agricultural water supply

are currently under way in Chile, China and Australia [49].

The overall efficiency of the combined production of water and food, energy use as well as an

opportunity for better soil management, should be the basis for an assessment of desalination's

applicability to agriculture. Relatively high desalination costs can be offset by the adaptation of

more-efficient irrigation technologies (less water use per kg of crop production) and increases in

agricultural productivity and crop quality (greater crop production per unit of water used).

158

There are a number of benefits for desalinated water use in the agricultural sector. The most

obvious one is that the technology produces an additional water resource. However, costs are a

major limitation and less expensive options such as reverse osmosis are normally chosen,

consequently, as shown in Fig. 4 the majority of the world's desalination capacity is supplied by RO

[49].

Desalination plants used for agriculture are relatively small (apart from some multi-purpose plants

in Spain and Israel) and according to ‘economy of scale’ principles they produce water at a high

cost. For agricultural purposes, seawater desalination using RO, considered to be one of the most

efficient desalination technologies, is not normally used as the process is expensive due to high

energy demands. Brackish water desalting is typically a third of the cost of desalinating seawater;

however, inland brackish water is more often associated with groundwater, which is not an infinitive

resource (as seawater is considered) and a clear definition of a sustainable groundwater yield is

required to avoid aquifer depletion.

Figure 4: Total capacity installed by technology (IDA Desalination Yearbook 2013-2014)

Inland desalination is also challenged with the required disposal of desalination by-products (brine)

with all currently available options adding a significant cost to water production. However, higher

desalinated water recovery rates available with new technologies such as membrane distillation

should lead to a reduction in disposal cost per unit of water produced. In addition, the proximity of

feedwater sources to irrigated land can significantly reduce the cost of water supply as it minimises

water distribution costs.

3. Desalination technologies

There are a significant number of technologies available for desalination of both sea and brackish

water supplies. Many of these are commercial, however; there are some that are either

approaching commercialisation or are at an advanced stage of development such as membrane

distillation; which are not assessed in this analysis. The choice of technology is influenced by the

159

source water quality, energy demand, and most importantly the value placed upon the recovered

water. For example the osmotic pressure for seawater of salinity 35,000 mg/L is 2800 kPa, versus

140 kPa for brackish water of salinity 1600 mg/L [55]. For reverse osmosis (RO) this means that

when using seawater feed a significantly greater pressure must be applied to prevent osmotic

transfer of water through the semi-permeable membrane and thus the energy requirements for the

treatment of seawater are significantly higher than for brackish water.

Whilst grid energy is the major energy source used for desalination, other alternative energy

sources exist including solar [38,97], wind or wave power [10,27,43] and heat to provide the power

necessary to drive the desalination process.

The technology for solar desalination already exists and has recently been applied for the provision

of water, energy and heat in South Australia for the production of high value crops [93], whilst a

number of photovoltaic RO demonstration plants have also been developed [78]. Wind power with

direct conversion to mechanical energy is also under study in the Netherlands [70]. Wave energy is

another possible direct mechanical energy source [102], whilst a system that employs hydrostatic

pressure has been tested [5].

Water quality is a critical factor in determining the types of technologies that are suitable for

desalination of different waters and salt concentration in particular will determine which process is

appropriate, as will fouling and scaling which is a function of the raw water composition. The main

practical difficulties with technologies such as RO are associated with membrane deterioration,

especially by biofouling and the scaling of the membranes which is more pronounced with

intermittent operation

3.1.1. Established commercial technologies 3.1.2. Reverse Osmosis

Desalination via RO removes all the naturally occurring salts to give an un-buffered water that is

deficient in calcium and other essential minerals, so for drinking purposes these must be added

back into the water. This deficiency in divalent salts combined with the presence of CO2, causes a

low pH (around 5.5) and a negative Langelier Index (LSI), which implies a corrosive and poorly

balanced water. For agriculture this means that the SAR (sodium adsorption ratio) is not balanced,

which can cause de-structuring and waterproofing of soils due to sodium and calcium exchange.

The importance of these issues for agricultural purposes will need to be addressed, but it is

expected that buffering would address the issue. RO is also relatively inefficient as all the input

water must be chemically pre-treated and filtered even though a large proportion of the input is

returned to the ocean or source as a concentrated waste stream. An example of a typical value, is

the Southern Seawater Desalination, Binningup, RO plant in Perth, where this brine is equivalent to

55–60% of the input water stream [45]. Also one of the main issues in desalination for agriculture is

160

the toxicity of boron for different crops and the high boron transfer through RO membranes. This is

especially problematic for seawater and the reason why in many plants a second pass RO is

required.

3.1.1.1. Reverse Osmosis - Desalination Costs

As the number of installed plants world-wide has increased, to more than 15,000 in 125 countries

[89], there has been an overall decrease in the production cost of desalinated water obtained by

RO, as seen from a survey of 20 plants over the period 1990 to 2005 (Fig. 5). However, there has

been a recent upward trend in costs due to construction and power costs increasing. Between

1980 and 2000 the amount of energy needed for seawater desalination was halved because of

improvements in pumps and other equipment, and has been further halved with new energy

recovery systems that regain 97% of the energy used [89]. Currently the cost of producing

desalinated seawater is estimated to be as low as US$0.50/m3 for large scale seawater reverse

osmosis plants at specific locations and conditions (which may include local incentives and

subsidies), whilst at other locations the cost is closer to US$1.0/m3 [46]. In comparison Tofigh and

Najafpour [98], are predicting prices as low as US$0.35/m3 for water obtained from reverse

osmosis.

The cost to treat seawater or brackish waters to produce potable water is a function of numerous

variables which are difficult to ascertain precisely from the literature because of the confidential

nature of such costs.

Figure 5. RO Desalination Water cost in the year of bid (Hoang et al 2009)

0.00.20.40.60.81.01.21.41.61.82.0

US$/kL

RODesalinationWaterCost

161

3.1.1.2. Reverse Osmosis - Energy Costs

The major costs in desalination are related to energy which can represent between 30 and 50% of

the operating costs. For seawater feeds the energy requirement is high at 12 kWh/m3 if there is no

energy recovery, and 4 kWh/m3 if there is energy recovery [19]. For seawater about 0.9 to 1.4

kWh/m3 is consumed for deep sea pumping (about 6 m below sea-level), for filtration devices and

micro filtration finishers and for the disposal of the concentrate to the sea. The RO process itself,

consumes between 2.2 and 2.8 kWh/m3 , depending on the type of concentrate energy recovery

used. When energy recovery turbines (ERT) are used to recover the energy stored in the

concentrate; the RO energy is as low as 2.8 kWh/m3 of product; whilst devices like pressure

exchangers may reduce energy consumption to 2.2 kWh/m3. It should be noted that based on

thermodynamic principals the minimum separation energy for seawater (35,000 mg/L TDS, 25 °C)

is 1.09 kWh/m3. Continuing advances in membrane development mean that the energy component

for operation is continually being improved with a record low of 1.58 kWh/m3 being claimed [89].

Recent survey data for Australia shows that the average energy consumption is 3–3.7 kWh/m3 for

sea water RO, 0.7–1 kWh/m3 for brackish water and 1.2 kWh/m3 for industrial effluent [52–54].

The highly effi- cient Kwinana plant uses between 2.7 and 3.1 kWh/m3 of water depending on

temperature and membrane ageing [45].

Obviously the cost of desalinated water will depend upon the cost of energy. In Australia the cost of

electricity varies depending on location, retailer and customer. For example, energy costs a

maximum of AU$0.30 kWh in Victoria for domestic customers, but for a large customer varies from

AU$0.20 kWh for small installations to AU$0.12 kWh for large sites using in the vicinity of 150

MWh/yr (Personal Communication Yarra Valley Water). Therefore RO water using the most

efficient systems should cost between AU0.36 and AU$0.60/m3 depending on the size of the

system. (Note: at the time of submission AU$1 ≈ US$0.8.) One option to reduce energy costs is to

operate desalination plants during off-peak periods. An example of such a strategy is utilised at the

Cuevas de Almanzora RO plant in Spain. As shown in Table 1, there are 6 periods of electricity

price (P1 to P6) depending on the day, on the week or even on the month available to this plant.

The main strategy of the Cuevas de Almanzora Plant is to operate as much as possible in the P6

periods and at a minimal level in the P1 and P2 periods. Only during months of maximum water

production has there been significant consumption of electricity in region P5 as shown in Fig. 6.

The utilisation of such a practice has seen water being produced by the plant at a cost of

AU$0.308/m3 . If this water were then blended with for example groundwater, then water could

easily be produced at a cost suitable for agricultural purposes [44]. Alternatives to grid power are

being explored to reduce energy costs. A hybrid system based on gravitational and wind energy

has been proposed [39]. In this system a windmill pumps feed water to special pistons inside a

complex series of desalination columns. Calculations suggest energy usage of 2.8 kWh/m3 for

such a system. Submerging RO plants in boreholes to a depth of 500 m and pumping the product

water to the surface has also been suggested [83]. Another alternative is to use the pressure

162

contained within artesian bores as these can have a pressure of up to 1.3 MPa [81], which is

enough to overcome the osmotic pressure of many brackish waters. For example, the osmotic

pressure for water of salinity 1600 mg/L is only 0.14 MPa [55]. Therefore, it should be feasible to

run a brackish water RO plant on artesian bore water pressure. The installation would be at the

bore head and would provide suitable water for agricultural purposes provided that the pressure is

retained and there is no diminution of pressure over a long time period

Table 1: Average prices of electricity in 2011 and 2012 by tariff periods (Prices in AU$)

Period 2011 2012

P1 0.185 0.190

P2 0.155 0.160

P3 0.128 0.130

P4 0.105 0.105

P5 0.097 0.096

P6 0.077 0.077

Figure 6: Evolution of electricity consumption by Tariff periods along 2011 and 2012 (Garcia,

Molina and Zarzo, 2011)

3.1.1.3. Reverse Osmosis – Operational Costs

Pre-treatment RO water is essential to prevent fouling of membranes for at least half of the major

RO seawater desalination plants installed around the world and this adds an additional cost

especially if the water source is contaminated. Inorganic salts, colloidal and particulate matter,

organic compounds and microorganisms present in the feed water reduce membrane efficiency

and lifespan. They are treated by chemical dosing with coagulants, acids, disinfectants (chlorine

based or other biocides), antiscalants and sodium bisulphite for oxidant removal all of which

increase the cost of treatment. However, coagulation only removes some pollutants and can

produce small flocculants that penetrate and block membrane pores. New coagulants formulated

163

for a number of water sources aim to greatly improve flocculent size, capture more pollutants,

reduce membrane fouling, and can be easily washed from the membrane and are thus expected to

reduce treatment costs [99]. Technologies are also being developed to allow membrane surfaces

to be treated with compounds that have excellent anti-fouling properties.

As shown in Fig. 7 other costs also contribute to the total cost of desalination with RO currently

being cheaper than other common desalination techniques such as Multiple Effect Distillation

(MED) and Multistage Flash Distillation (MSD) [58,59].

Figure 7: Relative operation costs in US$ of the main desalination processes (Lattemann et al.,

2010)

As detailed in Fig. 7 most cost analysis concentrates on the costs associated with the production of

water for potable applications. A major question is which particular type of desalination plant is

appropriate to produce water for use in agriculture, because there are a number of factors that can

increase the costs of desalinated water over the ex-plant cost and thus the profitability of the crops

to be grown. These include the following [69]:

• the available area to be cultivated

• the distance from that area to the desalination plant

• the existing infrastructure for water distribution.

The costs of desalination vary significantly depending on the size and type of the desalination

plant, the source and quality of the incoming feed water, pre-treatment requirements, automation

and control, the plant location, site conditions, qualified labour, energy costs and plant lifetime.

Lower salinity feed water requires less power consumption and dosing of anti-scaling chemicals.

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

RO MSF MED

0.23 0.190.06

0.27

0.27

0.03

0.1

0.08

0.080.07

0.05

0.08

0.03

0.01

0.01

Relativ

eOpe

ratio

nCo

sts(US$)

RelativeOperationCosts

Parts

Chemicals

Labour

Membranes

ThermalEnergy

ElectricalEnergy

0.46

0.60

0.50

164

Larger plant capacities reduce the unit cost of water due to economies of scale, whilst, lower

energy costs and longer plant maintenance periods also reduce the unit cost of water [114].

However, they do also require large energy plants nearby and concentrate large volumes of brine

that needs to be discharged.

The operation costs of desalination can be grouped into the following areas [100]:

• intake

• pre-treatment

• treatment (i.e., reverse osmosis)

• remineralisation

• pumping of product water

• post-treatment

• brine disposal

• energy utilisation

• civil works.

For agricultural purposes away from the coast; energy, brine disposal and civil works costs would

constitute the major costs for producing water. For coastal applications brine discharge to the

ocean would still be the preferred pathway so the operational costs for this component would be

minimal.

3.1.1.4. Reverse Osmosis - Installation and Civil Works Costs

The costs associated with a desalination plant are usually expressed in two ways: the capital costs

and total annual operating water costs per unit of installed or process capacity. Table 2 presents

construction and operating costs on this basis for RO, MED and EDR which have been updated for

inflation from the 2002 dollars reported [3]. The distribution of these costs across different functions

for a reverse osmosis plant can be seen in Fig. 8. It can be seen that energy and amortisation

costs or return on investment costs comprise over three quarters of the total costs.

Table 2: Construction and operating costs for RO, MED and EDR

Parameter Seawater RO Brackish RO MED EDR

Capital Cost

(AU$/m3/day of

product water)

2,130 – 3,330 800 – 2400 3,330 – 5,200 760 – 4330

Operating Cost

(AU$/m3/day of

product water)

2.52 – 2.93 0.87 – 2.00

With Waste

Heat:

0.73 – 1.27

Without Waste

Heat:

1.33 – 3.73

165

2.40 – 3734

Note. For construction costs, only direct capital costs associated with process works, including pre-

treatment and process treatment equipment, pumps, pipes and control systems have been

incorporated, and not the costs for delivery of the water to and from the plant, or associated

post treatment costs.

Figure 8: Distribution of construction and operation costs in a RO plant. (AcuaMed, 2011)

Fig. 9 shows investment cost of seawater reverse osmosis (SWRO) plants up until 2005. As can be

seen; after approximately 1995 the cost is clustered between 500 and 1000 US$ per m3 /day

capacity [84] with costs decreasing per unit capacity over time, which is associated with efficiencies

as plant sizes increase as seen in Fig. 10 [37,41]. These costs vary significantly to those reported

by [3], however more recent costs analysis in 2009 details costs above AU$5000 m3 /day for

Australian desalination plants as seen in Fig. 11 [51].

Figure 1. Investment cost of SWRO plant per m3/day capacity over years (Reddy & Gaffour, 2007)

166

Figure 2. Investment costs of SWRO plant by size of plant

Figure 11. Capital costs of SWRO in Australia (GWI, 2013)

Because of lower osmotic pressures and thus lower operating pressures and higher yields, the cost

of desalinating brackish water (BW) is considerably lower than the cost of seawater (SW)

desalination, making it more suitable for agriculture. Fig. 12 shows the difference of capital cost

between seawater and brackish water [107].

500600700800900

1,0001,1001,2001,3001,4001,500

0 20,000 40,000 60,000 80,000 100,000 120,000 140,000 160,000

Investmen

t(€m

3 /da

y)

Capactity(m3/day)

InvestmentCostsofSWROPlants

167

Figure 12. Relative capital costs per cubic meter for seawater and brackish water RO desalination

according to facility size. For this purpose brackish water is 1,000 mg/L TDS (WSTB, 2008)

3.1.3. Nanofiltration

Nanofiltration (NF) is considered to be a most promising technique for the production of high quality

water or a highly pre-treated feed water for RO, and many examples of its use exist, especially in

the drinking water industry [9]. Impurities that are removed include dissolved solids such as

inorganic ions, organic carbon, and regulated and unregulated organic compounds. NF

membranes are mostly used for softening and the removal of organic compounds from surface and

brackish water, and have received attention as a pre-treatment for seawater desalination. They are

usually polyamide-based, thin-film composite structures, relatively close in chemical structure to

RO membranes. Their pore size is 0.5–1.5 nm, ranging between that of Ultra Filtration (UF) and

RO membranes. The topic has been extensively covered in the literature [88].

When used for seawater desalination the application of a low pressure NF stage before RO, takes

out the multivalent ions plus some sodium chloride and organics, leaving a feed for the following

RO system that is of much lower ionic strength than the original raw water. The consequence is

that there is a smaller osmotic pressure effect and therefore lower applied pressure needs, leading

to lower energy use and higher water yield. Unfortunately, the total costs for an NF/RO system are

usually about 10% more than for an RO only system. However, there are certain situations where

the approach is justified on economic grounds, because of the organics removal by NF resulting in

a marked decrease in RO membrane fouling and a significantly enhanced membrane life.

A full scale plant in Saudi Arabia demonstrates the benefits that can be obtained via the use of NF

[35]. The plant treats 8.6 ML/day, with the NF component

• reducing hardness from 7500 to 220 mg/L

• lowering TDS from 45,460 to 28,260 mg/L

• rejecting sulphate to N99%

168

• reducing divalent cations by 80–95%

• lowering the pressure used in the RO plant by 17%.

The NF stage operated at a 65% conversion rate and the RO stage at a 56% conversion rate,

giving an overall conversion of 36%. This compared favourably with a parallel RO-only plant which

had a conversion rate of 28%, thus showing a 30% increase in overall recovery for the NF/RO

system, with an energy saving of 25–30% [94]. The application of NF in reuse of municipal

wastewater for irrigation purposes has been explored recently, with the best performing membrane

lowering the TDS from 3150 to 340 mg/L [18].

3.1.4. Electrodialysis

Electrodialysis (ED) is a membrane separation process in which ions are separated through ion-

exchange membranes under the influence of a potential gradient. In ED dissolved salts are

transferred via a direct current electric field through ion-selective membranes arranged in multi-

compartmented cell [91,95]. By applying a potential gradient across the electrodes, cationic

species (Na+, K+, NH4 +) tend to move towards the cathode passing through cation-exchange

membranes (CEM), which allows only positive species to pass through whilst rejecting the

negatively charged species. Conversely, anion species (Cl−, SO4 2−, PO4 3−) move towards the

anode passing through anionexchange membranes (AEM), which allow only negative species to

pass through and reject ions of the positive species. Through this process, cations and anions are

obtained separately in the concentrated solution. At an industrial scale, one stack of ED cells

contains up to several hundred pairs of AEM and CEM arranged alternately between electrodes

(Fig. 13).

This technology whilst suitable for wastewater in that it removes and concentrates nutrients such

as nitrogen, potassium, and phosphorus is also suitable for the treatment of brackish waters for salt

removal. ED with polarity reversal (EDR) is employed to remove membrane foulants which,

depending on the feed composition, are typically calcium and magnesium carbonates, sulphates or

phosphates. There is periodic reversal of the direction of current through the membrane stack to

maximise performance and reduce scaling and fouling [56,91]. EDR enables the brine stream to be

operated under conditions of super-saturation with respect to solubility-limiting species like calcium

carbonate and sulphate [71]. The process is usually limited to low salinity feeds with TDS up to

3000 mg/L, which gives high recovery (~85%), can cope with suspended solids and uses less

chemicals. It also has a lower capital cost at 637 US$/m3 /day, versus 925–2100 US$/m3 /day for

RO [40]. However, it is less flexible than RO, especially on feed water salinity.

169

Figure 3 Schematic of the ED process [from Ionics (now GE) Meller, (2000). "Electrodialysis &

Electrodialysis Reversal Technology." Ionics Incorporated, PS-4055 E-US 0201-208.]

EDR works by progressive removal of ions, typically 50% per stage. More stages are added if

further removal is required. Its main application is in brackish waters for which one or two stages

are usually sufficient to produce potable water and the energy required is relatively low, being

roughly proportional to the total dissolved solids in the feed. Because it does not involve filtration,

EDR is more tolerant of feed water quality with respect to suspended material as indicated by silt

density index and turbidity. On the down side there is no removal of pathogens, although the

capacity to operate continuously with a free chlorine residual of 0.5 mg/L partially addresses this

issue.

In a pilot-plant trial recently performed by CSIRO at the Western Treatment Plant in Victoria

[47,96], treated waste water was subjected to two-stage EDR after flocculation and media filtration.

Using source water with an electrical conductivity (EC) of 2 dS/m, product at 1 dS/m was produced

after blending with feedwater. The water produced was considered suitable for irrigation and was

produced at an operation cost of approximately 72 kWh/ML or AU$100/ML ($0.1/m3 ) with

electricity costed at $0.1/kWh. Fig. 14 shows a commercial wastewater EDR desalination plant at

La Jolla, San Diego, USA. The largest EDR facility in the world (200,000 m3 /day, Abrera,

Barcelona, Spain), treats water from the Llobregat River with a variable salinity close to 3000

μS/cm, has an energy consumption of 0.6 kWh/m3 and produces water at a cost below €0.2/m3 ).

Recent advances in EDR technology have resulted in improved performance, lowered cost and

extended life of plant and materials. Monovalent selective membranes are now available to

facilitate the preferential removal of sodium and potassium which allows a lowering of the sodium

adsorption ratio (SAR), which is important when the water is being used for irrigation. The SAR

level is an issue because if high SAR water is applied to a soil for extended periods of time, the

sodium in the water can displace the calcium and magnesium in the soil. This decreases the ability

of the soil to form stable aggregates and a loss of soil structure can occur.

170

EDR has been installed in Spain mainly for drinking water and for reducing nitrates and

trihalomethane precursors [117]. Comparisons of EDR with an RO plant of similar size show similar

costs for the two processes. In another study, the reclamation of tertiary treated wastewater has

proved to be 25% less costly with EDR than with RO [82]. Unlike RO, EDR can reliably remove

selected ions such as nitrate, and its performance is not affected by silica. Water recovery is very

high at 92% and it is not influenced by as many water constituents as RO. EDR has been applied

to the brine concentrate from RO systems, reclaiming waters of 8000 mg/L salinity to give

combined water recoveries of 96–98%. EDR for drinking water and irrigation from groundwater has

also been applied in the Canary Islands, Spain [112]. In this case one of the main reasons for its

use was the presence of silica in groundwater due to the volcanic origin of the islands, reducing the

possible feasible recovery of RO plants.

Photovoltaic ED systems have long been explored for brackish waters [2,6,87] and also for

seawater as the feed [57]. The disadvantages of ED and EDR systems include the complexity of

the system designs, the amount of scaling and fouling that occurs within the system, especially the

membranes, and a low electrode life due to corrosion stemming from the reactions at the

electrodes [48]. Specifically, the chlorine generated from the electrolysis of chloride ions in the salt

water causes corrosion, particularly corrosion of membranes, lowering their effective life.

Additionally, the gas evolution, oxygen at the anode and hydrogen at the cathode, requires the

need for degasifiers, increasing the complexity and cost of desalination plants utilising this

technology. Another additional issue is that EDR only removes charged substances and any

substance not charged will go through to the product water. This is less worrying for agriculture

purposes, but it is another issue to bear in mind.

Figure 4. Electrodialysis plant being operated at the western treatment plant in San Diego [Source:

R Taylor CSIRO]

171

3.1.5. Ion Exchange Resins

Ion exchange (IX) is used for processes of purification, separation, and decontamination of

aqueous and other ion-containing solutions with solid ion exchange resins. They are either cation

exchangers or anion exchangers and can be regenerated by acid or alkali respectively, or in the

case of softening resins, with brine. They are hence dependant on chemicals for their regeneration,

which generally limits their application for desalination of low salinity waters and the polishing of

industrial waters. One radical departure from the ordinary is the use of heat for regeneration, which

is achievable with weak electrolyte resins [103]. It was demonstrated on a large-scale in both

Adelaide and Perth, the latter on deep anaerobic ground waters. There are drawbacks with IX such

as degradation of the anion exchanger by oxygen in surface waters under the hot regeneration

conditions and build up of divalent metal ions on the cation exchanger, requiring a prior softening

step. These extra steps made the approach uneconomic.

IX is especially appropriate for the selective removal of organic [16] and inorganic [63] ions that

may cause membrane fouling. Scaleforming compounds are mainly calcium, barium and strontium

sulphates, calcium carbonate and silica. Iron fouling because of the negative charge on the

membrane can occur if ferric chloride has been the coagulant added in a prior step. Metal cations

can be removed by a high recovery softening with a weak acid resin of the carboxylic acid type,

typically used before RO in treating brackish waters. Iminodiacetic acid chelating resins are used

for Sr2+ and Ba2+ removal from RO concentrates ahead of further RO treatment, whilst to prevent

other scaling problems an aminophosphonic acid resin may be employed.

In continuous ion exchange (CIX) the service, regeneration and rinsing steps are carried out

simultaneously, so the product flow is not interrupted. By using a moving bed of resin it is possible

to achieve continuous operation, the main advantage of which is a high processing efficiency. Co-

current and counter-current versions are in use, but cocurrent systems are of limited value as ions

are not completely removed from the raw water and the efficiency of regeneration is poor.

Countercurrent systems though have considerable industrial significance and have found their

place, especially in industrial wastewater treatment. The main features of counter-current CIX are

that in the adsorption column the incoming raw water first contacts the most loaded resin, to ensure

the highest degree of resin loading, whilst the treated water is last in contact with freshly

regenerated resin, to give the highest possible amount of contaminant removal. Likewise, in the

regeneration column the waste stream is last in contact with fully loaded resin, leading to the

highest concentration of regenerant effluent, whilst the fully regenerated resin is last in contact with

fresh regenerant, to give the maximum level of regeneration [13]. CIX is said to be the most

efficient method of adsorption available, with resin inventories up to 25% less than fixed-bed

systems, and capable of operating on solutions containing up to 100 mg/L of total suspended

solids, thus minimising pre- filtration requirements. The approach has been extended to the

removal of insoluble particles with a continuous ionic filtration (CIF™) process, which can be

172

likened to continuous sand filtration, where particles are physically removed by a sand filter bed

[23]. In CIF, charged resins are used instead of sand and the process removes dissolved ions as

well. Continuous downward movement of resin and upflow of water in a counter-current way allows

the process to operate on a dirty water feed. It has a higher removal efficiency than conventional

systems. The system consists of a series of stages, 1) ion exchange, 2) resin washing and 3) resin

regeneration, each designed for a specific function. Each stage contains a moving packed bed of

resin, where resin and solution have intimate contact. The resin is transported between columns

using an air lift pump. Among the many applications that the technique has been used for are

desalination, membrane pre-treatment and zero liquid discharge systems. A typical flow chart for

CIF is shown in Fig. 15. The main advantages of CIF are as follows:

• low capital and operating costs

• high water recovery, up to 99% in some applications

• high quality product water

• low volume of reject wastewater

• simplicity of operation

• low energy requirement

• compact physical footprint and minimal civil works requirements.

Figure 5. Flow sheet for CIF™ process (from CleanTeQ 2012)

4. Other techniques applicable to desalination for agricultural purposes

There are a number of other commercial techniques available that may potentially be suitable for

providing desalinated water for agricultural purposes depending on the specific location and water

173

needs. These techniques include multistage flash distillation (MSF), multi effect distillation (MED),

capacitive deionization (CDI), vapour compression (VC) and solar humidification and

dehumidification (HDH). Emerging technologies which may one day be suitable for providing

desalinated water include Forward Osmosis (FO), Membrane distillation ( direct, air gap and

vacuum) (MD), pervaporation (PV), and solar desalination techniques such as multi effect

humidification and greenhouse distillation.

While RO is a pressure-driven process, MD and PV are thermal processes involving a phase

change, with the water flux being dependant on the vapour pressure difference across the

membrane. Different types of membranes are required for the different applications. For MD, a

porous hydrophobic membrane with a pore size of 1-10 μm is used, whereas for RO a dense

hydrophilic membrane is required. For PV desalination, a dense hydrophilic membrane is needed

for water transport [108,109]. MD and PV are similar processes but can be chiefly identified by the

way in which the membrane functions. If the membrane is simply a support structure that allows a

meniscus to form on the feed side and plays no role in the separation, then the process is MD. If

the membrane actively participates in the separation process then the process is PV [14,34].

Of the various approaches, FO has a potential advantage with regard to waste disposal as it can

avoid reject brine, a major problem with RO. [113] FO relies on osmosis, the natural diffusion of

water through a hydrophilic semipermeable membrane from a low concentration solution to a

solution having a higher concentration of dissolved material. A neat conceptual feature appropriate

to FO in agriculture is the use of a fertilizer in the draw solution, for the immediate practical

application of the product water for irrigation [79,80]. As the product water is mixed with the draw

solution, for agricultural uses the draw material must be of benefit in the final desalted water. Initial

results suggest that 1 kg of fertilizer can extract 11–29 L of water from a seawater feed, with

potassium chloride, sodium nitrate and potassium nitrate performing best of the nine compounds

tested [8,15,20–22].

5.Relevance of Desalination Technologies to Agriculture

5.1.Feedwater Quality

A summary of the processes for treating a range of feedwater salinities is summarised in Table 3.

For low salinity brackish waters of salinity up to 2500–3000 mg/L the processes that are in

commercial scale use and that are the most economic for that salt concentration are RO, NF, ED,

IX and HDH. RO and ED both have large-scale plants up to hundreds of ML/day capacity running.

The rest have smaller but well-tested plants operating and CDI has a 1 ML/day plant at the

commercial stage. Distillation may not be appropriate for these low salinity waters as it is energy

intensive. For more concentrated brackish waters of up to 15,000 mg/L the same processes are

usable, with the probable exclusion of CDI. In a more recent review it has been suggested that ED

has an economic advantage over RO for waters with total dissolved salts as high as 10,000 mg/L

174

[92]. IX becomes too expensive for higher salinity brackish waters above 15,000 mg/L because of

the greater cost of chemicals for regeneration of the resins as the salinity rises. It is not suitable for

highly brackish waters and seawater. Distillation for these high salinity waters is certainly an option

depending on the infrastructure costs.

Table 3: Suitability of processes at various feed water salinities

Salinity, mg/L Process in use now for

general desalination Potentially viable in

the future

Not especially suitable for that level of salinity

Brackish, up to

2,500-3,000

RO, NF, ED, IX, HDH,

CDI MD, PV, FO

Brackish, up to

3,000-15,000 RO, NF, ED, IX, HDH MD, PV, FO, CDI CDI

Brackish, above

15,000

RO, NF/RO,ED, HDH,

MSF, MED, VC MD, PV FO, IX, CDI

Sea water,

± 35,000

RO, NF/RO, HDH, MSF,

MED, VC MD, PV FO, IX, CDI

5.2.Energy Usage and Costs of Suitable Technologies

For desalination, RO is the most commonly selected method at present, as it can tackle the entire

range of saline waters up to seawater, even though it is very energy intensive. Unless the cost of

water is not an issue, inexpensive energy sources are the key to the production of agricultural

water from low quality raw waters that require desalination. There is a number of cheaper

alternative energy sources emerging compared to conventional RO, although not at a large scale.

For example, a number of solar RO demonstration plants have been built, and the main

implementation obstacles identified. The major technical issues are increased biofouling and

scaling of the membranes caused by intermittent operation due to the diurnal pattern of solar

energy. To minimise biofouling it may become necessary to choose between either batteries as an

energy storage system to allow continuous operation, or the frequent replacement of membranes.

Apart from solar and wind powered electrical generation, there is the use of pressure produced by

simple mechanical means. These also include utilising the pressure available at certain bore

heads, and pressure that can be sourced hydrostatically from high terrain or deep bore immersion.

NF alone for salinity feed waters or in conjunction with RO for high salinity waters has particular

relevance as a lower energy system. Its concentration of nutrient ions containing N, K and P, and

removal of divalent metal ions, however, means that the product water quality may need to be

adjusted before its usage for irrigation. The nutrients can be added from the concentrate as can

calcium and magnesium ions to avoid their displacement by sodium in the soil by correcting the

SAR. However, except for highly fouling waters the RO/NF combination is rarely economical

compared to RO alone.

175

For many of the processes described above, desalination needs to be followed by blending with

raw water to maintain the appropriate nutrient levels for plant and vegetable growth or the

appropriate nutrients need to be added. Post treatment to add essential nutrients can add another

AU$~0.02-0.07/m3 to the production price.

A list of energy use and costs for techniques other than distillation is given in Table 4. Only two

methods can be regarded as being fully commercial: RO and ED with large plants in operation,

whilst CDI has a smaller 1 ML/day plant at the commercial stage. The rest are still experimental,

although pilot and demonstration systems have been operated successfully. All of the processes

use moderately complex plants, with RO and ED being the most complicated, especially RO when

energy recovery is installed. The pre- and post-treatment needs are similar, but have to be styled

for the particular application. The disadvantages of ED systems include the complexity of the

system designs, the amount of scaling and fouling that occurs within the system, especially the

membranes, and a low electrode life due to corrosion arising from reactions at the electrodes. Also,

in contrast with RO, there is no removal of microbes or non-charged toxic compounds. For ED

capital costs are competitive or slightly higher than RO, except when RO needs additional

treatment prior to the membranes. Operating costs though are low, with reduced pre-

treatment/post-treatment and lower membrane replacement costs. For feed waters of b1500 mg/L

the power consumption is less for ED. Overall cost savings often outweigh those of RO. In a more

recent review it has been suggested that EDR has an economic advantage over RO for waters with

total dissolved salts as high as 10,000 mg/L [92]. Nevertheless, RO is a favoured choice because

of the limited need for chemicals. CDI offers high water recovery at lower energy cost, and is now

operating at full scale in plants of a size appropriate for small towns. It merits closer attention as

regards water for agriculture in remote communities such as mining, tourist and defence locations,

where solar power production could be feasible. Long term studies of fouling, scaling and cleaning

are yet to be done.

176

Table 4: Desalination systems possibly suitable for agricultural water production

Technologies Energy Use,

kWh/kL Total, US$/kL Reference

RO

Brackish, 0.7-2.0

Sea, 1.6-12

Submarine, 2-2.5

Brackish, 0.39-1.5

Sea, 0.55-1

Solar, 1.3 large plant, 2-6.5

small plant

Martinez et al 2009

Papadakis et al 2007

Yermiyaha et al 2007

Pacenti et al 1999

Al-Hallaj et al 2006

FO Brackish, 0.25 Not available McGinnis and Elimelech

2007

ED Brackish, 1.6-2.3 0.47 Martinez et al 2009

Direct Contact

MD Sea, 40

Solar, 15-18

Geothermal, 13

Solar Pond, 0.4-1.3

Waste Heat, 1.1-1.5

Saffarini et al 2012a&b

Walton et al 2004

Zuo et al 2011

Medesol 2007

Air Gap MD Sea Solar, 18.3

Waste heat, 5.3 Zuo et al 2011

Vacuum MD Sea, 1.2-3.2 Solar, 16

Waste heat, 2 Saffarini et al 2012a&b

HDH Brackish Solar, 3-6.4

Geothermal, 1.2

Yuan et al 2001

Eslamimanesh and

Hatamipour 2010

Bourouni et al 2001

CDI Brackish, 0.13-

0.59 Not Available

Welgemoed and Schutte

2005

Mossad et al 2013

For emerging technologies such as MD and PV, cheap heat sources need to be available because

of the high energy need. For hot, arid climates, heat can be obtained intermittently by solar

irradiation or continuously from thermal ground waters [12,24,28,42]. Both of these techniques

have advantages over RO due to the higher recovery rates and the production of lower brine

volumes. If zero liquid waste is a desired outcome MD certainly has potential, especially if

combined with techniques such as Eutecic Freezing, which enables the selective removal of

valuable salts. Capital costs are difficult to estimate as a large-scale MD plant has yet to be built,

but capital and operating costs should be less than for RO as the process runs at very low

pressures, so thinner piping is employed and fewer problems arise with leaks, pump failures and

membrane fouling, so membranes should have longer lives. MD can only be competitive when low

cost thermal energy is available and/or the source water is too difficult for RO treatment. Vacuum

MD has an advantage over other MD modes, especially with solar energy for pumping and a cheap

177

heat resource. A comparison with RO suggests that it should compete energetically with RO, but

the flux is lower so that a higher membrane area needs to be installed.

For FO the challenge of new draw solutions needs to be centred on compounds that are of small

enough molecular size to generate high osmotic pressures, yet are easily recoverable [60–62].

Magnetic nanoparticles are one possibility for achieving simple recovery [62,73]. A better approach

would seem to be the use of a draw material that is pertinent to the future application so that it does

not have to be recovered, such as when fertilizer is used and the product water is then immediately

appropriate for irrigation.

HDH is of interest, but it is suitable only for very small drinking water units in arid, remote regions

as it needs a large area of solar collectors, which makes it expensive to set up. However, it may be

relevant for production that requires only relatively small amounts of water or where heat sources

such as geothermal or waste heat are available.

5.3. Brine Disposal

One aspect that involves a significant environmental cost for desalination is brine discharge from

desalination plants, this is especially so for inland applications where discharge to the ocean is not

possible. The salinity of the discharge depends upon the salinity of the source water with discharge

water from saltwater desalination being approximately twice as salty as the seawater, with typical

concentrate figures being given in Table 5. Discharge from desalination plants generally consists of

98.5% rejection water with a significantly higher salt level than the input water and 1.5% from filter

wash water and cleaning products [26]. In the case of seawater desalination, concentrated brines

are negatively buoyant in seawater, giving them a tendency to sink and spread along the sea

bottom, displacing normally saline water from hollows. This can have a devastating effect on sea

bottom life which impacts more broadly on the entire shallow ecosystems, however, efficient

diffuser design and placement can ensure that problems from brine discharge to the ocean are

minimal [32]

178

Table 5: Typical salt concentration in RO concentrate and permeate with 45% recovery at 900psi

operating pressure (Dhawan (2007))

Seawater

(PPM) Concentrate (PPM) Permeate (PPM)

Sodium, Na 10,967 19,888 64

Potassium, K 406 736 3

Magnesium, Mg 1,306 2,372 2

Calcium, Ca 419 761 0.5

Bicarbonate, HCO3 109 194 0.9

Chloride, Cl 19,682 35,771 105

Sulphate, SO4 2,759 5,014 1.5

TDS 35,666 64,771 176

Five main methods exist for the disposal of brines as detailed below. These methods are discussed

in detail by [4], however, little detail is given regarding the feasibility of the individual techniques nor

comparative costs and environmental impacts of the alternative techniques.

• Surface water/ocean discharge

• Discharge to the sewer

• Deep well injection

• Land application

• Evaporation/crystallisation.

Currently brine disposal from 28 Australian desalination plants is via discharge to ocean outfalls (6

plants), discharging to the sewer for smaller inland plants (11 plants), to evaporating basins (8

plants and ground infiltration (3 plants) [52–54]. An interesting development is in situ RO within

boreholes, with the reject salt concentrate being pumped down to a lower level that is sealed off

from the input side [30]. Fig. 16 shows some of the factors to consider when choosing brine-

disposal methods.

179

Figure 6 Factors affecting brine disposal options, (NSW-Public-Works, 2011)

Environmentally safe brine disposal depends mainly on the site of the treatment plant. For plants

situated near the sea or close to brackish environments, such as estuaries, brine disposal is

comparatively easy compared to inland desalination facilities with sea discharge invariably being

the preferred option. The most common methods of brine disposal for all RO installations in

Australia are shown in Fig. 17 [75].

As seen in Fig. 17 the most common disposal options for inland plants is discharge to the

sewerage network or evaporation in ponds, however, neither will be sustainable in the long run, as

larger quantities of brine are produced. Large evaporation ponds are expensive and do not reuse

the water and based upon costs for the building of lined earthen dam impoundments, they are

estimated to have a capital cost of AU$12,000/ML and require a land surface of 600 m2 /ML to give

a cost of AU$20/m2 [33]. Land application also has significant issues associated with the effects of

salt on plant growth and issues associated with sodicity and deep well injection whilst attractive can

be expensive.

An alternative to these techniques is direct injection of the brines back into the aquifer from which

they came. Significant studies exist for the injection of CO2 into aquifers for carbon sequestration

and although some include costs studies [64] the costs were not deemed relevant to brine injection

due to the high depth of the wells at 1500– 2000 m. Few studies exist regarding the injection of

brine following desalination and details regarding the cost of injection are limited. Nassar, El-

Damak, and Ghanem [74] for example used computational models to simulate the disposal of brine

into subsea aquifers and they developed a range of design procedures for the management of

brine injection based upon an understanding of dense brine flows in a salty aquifer, unfortunately

no cost analysis was provided. Woolley and Kalf [106] investigated the injection of bitterns into an

aquifer at a depth of approximately 300 m in the Tullakool Irrigation area west of Deniliquin, but

Factors

Public perception Knowledge

and degree of sophistication

Local availability, proximity,geology, geography, PEW discharge limits

Corrosion and pipeline integrity

Availability of energy

Cost

Soil conditions, agriculture, livestock

Technology

Concentrate characteristic

s

Regulatory environment

180

again no cost analysis was provided. Weller [105] carried out a detailed analysis of the costs for

disposing brine underground, developing algorithms for both capital and operating costs utilising

parameters with the only information available being disposal costs v's half fracture length. Some

studies have collected data on the costs associated with treated stormwater injection. For example

experience from the Salisbury, Playford and “Waterproofing the West” projects (personal

communication Peter Dillon CSIRO) indicates that drilling for aquifer recharge; including drilling

costs, casing and cementing is in the order of AU$330/m for a completed well. Equipping the well

with a pump (1–2000 m3 L/d) and rising main costs an additional AU$30,000. These costs exclude

the costs of bringing power to the site and the costs of pipelines to and from the site and can be

seen in Fig. 18. This can be compared with the costs for drilling a 200 mm diameter well 407 m

deep in the Chowilla floodplain which cost AU$660/m including drilling, casing and cementing costs

[65]. If brine injection into the aquifer is to be considered seriously then the environmental impacts

and the necessary approvals at a local level would need to be addressed.

Figure 7. Common approaches to brine water management in Australia (NSW-Public-Works, 2011)

Traditionally brine has been seen as having significant costs associated with disposal, however,

more recently brine is being seen as a potential resource that when exploited, is able to reduce the

net cost of providing fresh water [3]. As discussed in the AFFA document options for resource

recovery of brines include salt harvesting as a high valued product for agriculture at a value of

AU$25-$250/tonne, irrigation for salt tolerant crops such as Pistachios, aquaculture, solar ponds

which have the potential to produce electrical energy at an economical cost and finally controlled

drainage integrated systems that concentrate the salt via a range of agricultural steps such as

Lucerne fodder, barley fodder, dates and saltbush, saltwater fish and crustaceans, solar pond and

finally evaporated solar salts.

181

Figure 18. Costs associated with drilling a 200mm well

6. Discussion

Opportunities for applying desalination technologies to agriculture go hand-in-hand with

requirements to improve irrigation practices and efficiency, which can achieve significant reductions

in water demand and therefore make the application of desalinated technologies more viable,

because the cost of the water is not as critical a component. Gregory [118] summarised the

challenges and opportunities in water-use efficiency in irrigated agriculture as “Irrigated crops

occupy about 15–20% of the total cropped area but contribute 33–40% of the production, so they

are crucial to the world's food supply. Most irrigation is applied on the surface (84.5% of the total),

with smaller amounts via sprinklers (13.5%) and localised systems (2%).” Globally, almost

twothirds of the water delivered to irrigated crops is lost as drainage or runoff, or both, with those

losses being associated with storage and conveyancing efficiencies (30%) as well as farm irrigation

efficiency (37%). [118] continues, “Until recently, most irrigation was scheduled on the basis of fully

meeting crop water requirements, but with sprinkler and localised drip systems it has been possible

to demonstrate that deficit irrigation strategies can not only sustain yields and profitability, but also

reduce water use.” This suggests that it is possible to significantly reduce water use in irrigated

agriculture, which also means that the viability of more expensive sources of water is possible as

less water is required per unit of crop production. Whilst the use of alternate technologies such as

desalination should be explored, they should be done in conjunction with implementation of more

efficient water use methods.

The majority of irrigated crops can tolerate water of relatively high salt content with crops such as

broccoli, tomatoes and beetroot being much more tolerant than okra and peas for example as

shown in Table 6.

0

20.000

40.000

60.000

80.000

100.000

120.000

140.000

160.000

50 100 150 200 250 300 350

Cost

$

Bore Depth (m)

Fixed Costs

Well Costs

Total Costs

182

Table 6: Water Quality required for different crops. (Shahbaz et al 2012)

Vegetable Threshold level (dS m−1)

Pea 1.5

Okra 1.2

Tomato 2.5

Eggplant 1.1

Pepper 1.5

Carrot 1.0

Broccoli 2.8

Cauliflower 1.8

Potato 1.7

This provides opportunities to mix permeate water from desalination with water of marginal quality

to increase the volume of water available for agriculture. If blending can occur, then water

production costs would be lower when estimated per water unit supplied. This means that

desalination technologies if combined with water blending and tailored to a particular crop can be

used to provide water at a significantly reduced cost to providing desalinated water alone. Mixing

may also reduce the need for post-treatment which adds cost to produced water as permeate is

commonly required to be remineralised and ionically balanced (as permeate has reduced levels of

calcium and magnesium as well as being slightly acidic). No detailed analysis of the use of blended

water was found in the literature and an in depth analysis of the use of such waters for different

crops would be a valuable addition to the literature regarding the use of desalinated water for

agricultural purposes. It should be noted however that sometimes the blending of groundwater with

desalinated water would not be enough for meet the recommendable water quality, for example if

the resulting water does not have an equilibrated SAR. In these cases, the only way to meet the

requirements would be additional remineralisation. Other aspects such as the presence of organic

matter or other chemical compounds in water to be used for blending will also have to be

considered.

One of the identified benefits for desalinated water use in the agricultural sector is that the use of

desalinated water increases the productivity [112] and quality of some agriculture products and at

the same time leads to lower water consumption and recovery of salinity-affected soils.

As discussed by Zarzo et al. [112] irrigation of citric fruit plantations with desalinated water led to

increases in production by 10 to 50% (depending on the water quality used prior to introduction of

desalinated water), whilst water needs reduced by 20%. For a case of greenhouse production of

bananas irrigated with desalinated wastewater, fertilizers and water use were reduced by 50 and

30% respectively, leading to an increase in banana production and the earlier maturation of plants.

An increase in productivity may be related to the leaching of accumulated salts in the soil profile by

the high quality desalinated water.

183

In Spain, greenhouse products (horticultural, flowers and ornamental plants) provide greater added

value per unit of irrigated water (5.79 €/m3 on average), followed by vineyards and fruit trees (1.08

and 0.68 €/m3 respectively), and cereal grains (0.06 €/m3 ). An average of 0.41 €/m3 was

estimated for all products. These figures relate to high-value crops, for which the overall water cost

may be marginal compared to total costs. At this stage it is unlikely that the production of cotton,

rice or sugar can be effectively supported by water supplied from desalination plants.

The above leads to the conclusion that the use of desalinated water for agriculture will be viable

where there is limited access to water that is fit for purpose and it is most likely to be cost effective

in a tightly controlled environment, using agricultural practices with the mosteffective water use and

crops with high productivity. Such conditions are often associated with greenhouses and the

production of highvalue irrigated crops. This is the case in Spain; however it is also important to

mention that the high level of financial support and subsidies provided to the agricultural sector in

Spain and other EU countries make this option more viable.

A national analysis undertaken by the National Centre of Excellence for Desalination (NCED has

shown that existing farmers are unwilling to pay more than AU$1.00/m3 for water and in many

regions even this cost is considered to be unacceptably high (e.g., common water costs in

southwest Western Australia are AU$0.18–0.50/m3 ). Comparing this willingness-to-pay with the

unit cost of water production in large desalination plants means that seawater desalination is an

unlikely option for traditional agricultural practice where subsidies are not available. However for

applications where the cost of water is small compared to the infrastructure investment, i.e.,

glasshouses and hydroponics, the application of seawater desalination technologies is currently

viable.

Where large volumes of brackish water are available, cost-effective desalination for agriculture is

likely to be related to circumstances where high yielding brackish groundwater resources are

available close to the ocean and an existing irrigational water demand exists. Such conditions are

likely to minimise the cost of water production and distribution. Low-salinity groundwater is likely to

allow higher recovery rates and provide the possibility of mixing feedwater with the high-purity

desalinated water. Proximity to the ocean enables disposal of brine to the ocean, reducing disposal

costs compared to inland disposal via evaporation ponds or deep-well injection.

7. Conclusions

Suitable technologies such as reverse osmosis and electrodialysis to provide desalinated water for

agriculture are currently available and can provide water for agriculture, but at a cost that is

currently more expensive than that generally used for agricultural purposes. The adaptation of

desalination to supply water for agriculture may be cost effective; especially when applied to high

184

value crops where the cost of the water is not a critical issue. For these applications established

technologies such as Reverse Osmosis and Electro Dialysis are being commonly applied in a

number of countries around the world. Wider application of technologies, especially for broader

scale allocations will only occur where there is limited availability of fit for purpose water for

irrigation and will depend on further developments in desalination technologies, reduction in costs,

and advancements in agricultural water-use practices that reduce water losses and increase water-

use efficiency.

In this context, the cost of water is always relative and depends on the availability of supply and its

further use. In addition we must bear in mind that food supply and water security are issues of

national importance and having an inexhaustible water resource, such as that which can be

supplied by desalination, could be a factor that may make the cost of water insignificant.

Acknowledgments The support of the National Centre of Excellence for Desalination and the CSIRO Water for a Healthy

Country Flagship is gratefully acknowledged.

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dx.doi.org/10.1039/9781849735438.

193

11.1.4. MANUAL DE BUENAS PRÁCTICAS INYECCIÓN PROFUNDA DE RECHAZOS DE DESALACIÓN

Manual de buenas prácticas inyección profunda de rechazos de desalación

194

Ana Berreteaga, Elena Campos, Irene de BUstamante, Jose Antonio Iglesias, Javier Lillo,

Domingo Zarzo

RESUMEN

Existen diversos documentos que analizan las recomendaciones de seguridad para la inyección

profunda del rechazo procedente de los distintos tratamientos de agua, como son la reutilización y

la desalación (Van Voorhess, 2001, Ramos 2001, 2003; Frazier et al., 2006; U.T.E Aquaplan-

TEC4, 2007; UIC, 2010). Este documento pretende ser un manual de buenas prácticas que reúna

todos aquellos requisitos, recomendaciones y directrices básicas necesarias para la realización de

una inyección profunda del rechazo. Para ello se han tenido en cuenta las diferentes fases de

dicho proceso (selección del emplazamiento y estudios previos, diseño, autorización, construcción

de pozo, operación y clausura) y los requisitos que se han de cumplir en cada una de ellas.

Este Manual, se ha realizado dentro del Proyecto de Investigación para el Desarrollo de

Soluciones Innovadoras en la Gestión de los Vertidos de Salmueras Procedentes de Desaladoras

(Ref. FIT-310200-2007-225; 009/SGTB/2007/2.4; IAP-560620-2008-69) financiado por el Ministerio

de Industria, Turismo y Comercio, Ministerio de Medio Ambiente y Ministerio de Ciencia e

Innovación y con la colaboración del Programa Consolider-Tragua Tratamiento y Reutilización de

Aguas Residuales para una Gestión Sostenible (Ref. CSD2006-00044).

195

ÍNDICE

Prólogo

Resumen

Introducción

Fases de una operación de inyección de rechazos

1. Fase de estudio

1.1. Selección del emplazamiento

1.1.1. Características que debe cumplir una formación geológica para servir de emplazamiento

1.1.2. Tipos de emplazamientos para la inyección

1.1.3. Criterios para la selección del emplazamiento

1.2. Compatibilidad de fluidos

1.3. Recopilación de datos y cálculo de parámetros

2. Fase de diseño

2.1. Datos necesarios para el diseño del pozo y parámetros mínimos a establecer

2.2. Diseño del pozo

2.2.1 Esquema básico de las fases constructivas de un pozo de inyección profunda

2.2.2 Diseño de las fases constructivas

2.3. Diseño de la monitorización

3. Autorización

4. Fase de construcción o ejecución

4.1. Requisitos mínimos

4.2. Controles durante la realización del pozo

4.3. Comprobación de la estabilidad del pozo

196

5. Fase de operación

5.1. Control durante la inyección del residuo

5.1.1. Índice de inyectividad

5.2. Algunos posibles problemas durante la operación de inyección

5.2.1. Obturación parcial del almacén.

5.2.2. Problemas en la migración del residuo

5.2.3. Disminución del rendimiento de la inyección con el tiempo

6. Fase de clausura

Abreviaturas, bibliografía y portales web de interés

197

Prólogo

Lo dije hace ya algún tiempo, y hoy lo tengo que repetir: ¡No falta agua, sobra sal!

Porque la sal, que es fuente de vida y da sabor a los alimentos, hace inutilizable al agua para

muchos usos, y es por ello que la tecnología ha puesto empeños en la desalación y la

desalobración, y ha conseguido avances muy notorios, especialmente en cuanto a costes y

rentabilidad de estas operaciones…

Pero (y siempre hay un “pero”), cuando estas operaciones se realizan alejadas del mar, el

problema lo plantean esas salmueras, rechazo de la operación, que hay que confinar, para hacer

recomendable esta operación, necesaria y beneficiosa. Y ahí es donde el almacenamiento

profundo, con el resguardo de barreras geológicas, puede ofrecer soluciones a las buenas

prácticas, que permitan el afianzamiento de estas operaciones tierra adentro, en la lejanía de los

mares.

Oportunidad, por tanto, no le falta a esta publicación, cuyas misiones deben ser las de difundir

tecnologías, ofrecer caminos de actuación, ayudar a resolver incógnitas, colaborar en la selección

de emplazamientos adecuados, aportar herramientas de buen hacer en el diseño y construcción

de los dispositivos de inyección, y facilitar el acceso a metodologías apropiadas de control y

mantenimiento.

En este sentido la experiencia muestra problemas derivados de inadecuados planteamientos, de

errores del pasado, de técnicas inapropiadas, de afecciones hoy casi irreparables, y por ello, y

para no recaer en esos problemas, en este Manual se muestra, paso a paso, el camino para un

buen proceder, que debe conducir al encapsulamiento y confinamiento profundo de los rechazos

de la desalación.

Todo ello porque, siendo sin duda la inyección una solución apropiada, también es igualmente

cierto que requiere de un conocimiento profundo, de un conjunto multivariado de aspectos y

condicionantes, para poder culminar con éxito esta operación. Y esto no sólo es cuestión que

atañe a los técnicos, con responsabilidad en este quehacer, sino que también la utilidad se

extiende a quienes, desde ámbitos de gestión del territorio y del subsuelo, tiene en su poder la

llave para que se puedan realizar estas actuaciones.

Pero, además, aquí se sacan enseñanzas y aplicaciones para otras actuaciones hidrogeológicas

como la de recarga artificial de acuíferos, a través de sondeos profundos; o la creación de barreras

positivas frente a la intrusión salina; o la explotación de yacimientos de diferentes sales por

disolución; o la minería por lixiviación profunda natural o ácida… Y esto son servicios que “sin

querer, queriendo” presta este Manual de buenas prácticas.

Y es así que, en una lectura sencilla, de fácil comprensión para los no técnicos, y adecuada para

los que lo son, se pasa revista y esquematizan aspectos trascendentes como lo son los requisitos

geológicos para ese confinamiento en profundidad, en los que no puede pasar desapercibida la

198

similitud, en algunos casos, entre el almacenamiento de estos fluidos y el de CO2, al que se están

dedicando hoy tantos esfuerzos, en actuaciones que buscan reducir el “efecto invernadero”.

Y aspecto importante es el referente a la compatibilidad de la mezcla de fluidos, con todas sus

implicaciones de: reacciones físico-químicas, efectos sobre la roca almacén y sobre la instalación,

perdurabilidad y vida útil, consecuencias no deseadas... Aquí debe entrar en juego la modelación

de esas reacciones, que puede ser compleja y a veces difícil de simulación, por la serie de

vectores que en ella inciden, exógenos y endógenos, sin excluir a aquellos que incluso puede

jugar papales contrapuestos, como los relacionados con presión y temperatura, pero también con

procesos de absorción y adsorción, o con floculación y solubilidad,… Mundo todo éste

apasionante y en el que científicos y técnicos, investigadores y usuarios pueden encontrar sendas

por descubrir, con lo cual el manual seré también, sin duda, inspiración para estudiosos y

preocupados por el medio ambiente, pero igualmente para quienes buscan derroteros para ayudar

a mejorar nuestra calidad de vida, y a suplir las necesidades de un mundo en el que día a día se

traspasan barreras tecnológicas.

Ruego que, llegado a este punto, se me permita una reticencia. Para esa inyección se habla

generalmente en el manual de “pozos”, y me voy al Diccionario de la Lengua Española (RAE,

2001), y en su primera acepción encuentro una definición sin duda obsoleta y propia de zahoríes y

radiestesistas: “Perforación que se hace en la tierra para buscar una vena de agua”, sin dejar de

ser inadecuada, también, la que lo define como “Hoyo profundo para bajar a las minas”. Algún día

la “docta corporación” debería definir con propiedad lo que es pozo y lo que es sondeo (que

entiendo es el que se realiza con una sonda, a la que el diccionario define como “Barrena que

sirve para abrir en el terreno taladros de gran profundidad”), así se evitarían confusiones y todos

nos entenderíamos mejor.

Importante es, sin duda, el abordaje que se hace en cuanto al diseño de esos pozos (para mi

“sondeos”) de inyección, clave para el éxito de la operación, para evitar problemas con los

contextos hidrogeológicos que atraviesa, y para la vida y perdurabilidad de la obra. Y también se

aborda lo referente a equipamiento de tuberías y obturadores y, como no podía ser menos, lo que

constituyen los controles de la operación, para garantía de la misma, previsión de acciones

correctoras, y base de seguimiento y decisiones.

Para completar el panorama y la amplia visión que se ofrece, en este manual, se hace un repaso a

los distintos problemas que se pueden presentar, de muy diferente etiología, hasta llegar al

planeamiento de clausura de la instalación.

Tal vez alguien podría pensar que un manual de apenas 50 páginas debería pasar casi de

puntillas sobre muchos aspectos, sin embargo, conforme se desgrana y saborea su contenido, se

percibe más y más la utilidad del mismo y el aporte fundamental que va a prestar a los que se

inician en este quehacer, pero también a los que lo rondamos desde hace mucho tiempo. Es así

que este manual debe traspasar fronteras y tener máxima difusión en los países hermanos de

Iberoamérica, donde tanto se aprecian los aportes bibliográficos españoles.

199

Con todos estos componentes se puede asegurar la oportunidad de esta publicación, fruto del

buen andar conjunto de la Universidad de Alcalá de Henares, a través de IMDEA Agua, y del

Ministerio de Economía y Competitividad, a través de Consolider – Tragua.

Rafael Fernández Rubio

Dr. Ingeniero de Minas

Premio Rey Jaime I a la Protección del Medio Ambiente

200

RESUMEN

Existen diversos documentos que analizan las recomendaciones de seguridad para la inyección

profunda del rechazo procedente de los distintos tratamientos de agua, como son la reutilización y

la desalación (Van Voorhess, 2001, Ramos 2001, 2003; Frazier et al., 2006; U.T.E Aquaplan-

TEC4, 2007; UIC, 2010). Este documento pretende ser un manual de buenas prácticas que reúna

todos aquellos requisitos, recomendaciones y directrices básicas necesarias para la realización de

una inyección profunda del rechazo. Para ello se han tenido en cuenta las diferentes fases de

dicho proceso (selección del emplazamiento y estudios previos, diseño, autorización, construcción

de pozo, operación y clausura) y los requisitos que se han de cumplir en cada una de ellas.

Este Manual, se ha realizado dentro del Proyecto de Investigación para el Desarrollo de

Soluciones Innovadoras en la Gestión de los Vertidos de Salmueras Procedentes de Desaladoras

(Ref. FIT-310200-2007-225; 009/SGTB/2007/2.4; IAP-560620-2008-69) financiado por el Ministerio

de Industria, Turismo y Comercio, Ministerio de Medio Ambiente y Ministerio de Ciencia e

Innovación y con la colaboración del Programa Consolider-Tragua Tratamiento y Reutilización de

Aguas Residuales para una Gestión Sostenible (Ref. CSD2006-00044).

201

INTRODUCCIÓN

El emplazamiento profundo del rechazo derivado de procesos de tratamiento de agua (salmueras

y/o concentrados), consiste en inyectar y aislar dicho rechazo en formaciones geológicas porosas

y permeables, en las que el fluido inyectado permanezca confinado de una manera segura. Así, el

objetivo fundamental de la inyección profunda aquí tratada, es el almacenamiento de un fluido con

una alta concentración de sales en una formación geológica profunda, en condiciones estables

que garanticen su estanqueidad.

Está tecnología tiene sus limitaciones y problemática. Cuando el concentrado o rechazo es

inyectado en formaciones subterráneas puede provocar diferentes efectos, algunos de ellos

negativos. El principal es el deterioro de la calidad de los posibles recursos de agua subterránea si

se pone en contacto con ellos, así como pérdida de otros recursos en explotación estratégicos o

de potencial interés en el futuro, como son las materias primas energéticas y los recursos

minerales. Además de este peligro intrínseco, hay que tener en cuenta otros problemas técnicos

relacionados tanto con la perforación como con la propia inyección del fluido (Nicot & Chowdhury,

2005). Así, cuando el concentrado es inyectado en la formación almacén, sufre un aumento de

temperatura y presión, además de entrar en contacto con la roca almacén y mezclarse con el agua

de formación. Todo esto puede producir:

• Fenómenos de precipitación de fases minerales y acumulación de sólidos que obturen

parcialmente los poros de la roca almacén, inhabilitándola como tal.

• Fenómenos de taponamiento por movilización y/o floculación de arcillas y coloides,

producidos al ponerse en contacto estos con fluidos de menor fuerza iónica o

sencillamente diferente composición iónica.

• Disolución de la roca almacén, lo que puede provocar colapsos y reducir ampliamente el

volumen de almacenamiento, o incluso dar lugar a consecuencias en superficie (colapsos

y subsidencias).

• Superación de la tasa de inyección que la formación hospedante es capaz de soportar.

Para evitar estos fenómenos, es necesario establecer unos criterios y requisitos básicos, tanto a la

hora de seleccionar la formación donde depositar la salmuera, como en el resto de fases del

proceso de inyección. La complejidad de cualquier proyecto de almacenamiento subterráneo hace

necesario evaluar cada caso de manera individualizada, pudiéndose establecer criterios de

seguridad y medioambientales a aplicar en todos los casos. En este manual se establecen algunos

criterios y recomendaciones para cada fase de un proyecto de inyección, desde la selección de

formaciones adecuadas para el emplazamiento subterráneo o profundo del rechazo, hasta la

clausura del pozo de inyección. Este manual trata de aunar todas las recomendaciones de

seguridad, basándose en trabajos y experiencias de inyección previos (Van Voorhess, 2001,

Ramos 2001, 2003; Frazier et al., 2006; U.T.E Aquaplan-TEC4,2007; UIC, 2010). Estos autores no

están citados en cada una de las recomendaciones que aparecen aquí, sin embargo, todas ellas

202

están tomadas de uno u otro modo en estos trabajos y/o experiencias. Hay que tener en cuenta

que son criterios mínimos, y que la especificidad del fluido a inyectar y las condiciones geológicas

de cada caso concreto, pueden determinar que haya que establecer criterios adicionales.

El objetivo final de todas las recomendaciones es la realización de una inyección profunda segura,

de manera que se evite hipotecar otros recursos, como el agua subterránea, y asegurar la

eficiencia de la inyección, impidiendo el deterioro de la formación almacén.

FASES DE UNA OPERACIÓN DE INYECCIÓN DE RECHAZOS

Cada una de las fases presenta una problemática distinta, requiriendo un nivel mínimo de control y

vigilancia en el desarrollo de cada una de ellas.

1. Fase de estudio

Previamente al diseño de un proyecto de inyección profunda, es preciso analizar y comprobar que:

a) la formación almacén sea válida como tal y b) evaluar los posibles problemas de

incompatibilidad de fluidos (precipitación, disolución etc.) que se puedan producir y buscar una

solución para estos. Dichos requerimientos (a y b) son fundamentales y si no quedan resueltos, el

proyecto de inyección no debería llevarse a cabo.

1.1. Selección del emplazamiento

1.1.1. Características que debe cumplir una formación geológica para servir de emplazamiento del rechazo.

Es necesario que la formación almacén cumpla una serie de requisitos geológicos y legales que se

detallan en el Cuadro 1.

203

Requisitos Características Criterios específicos

Profundidad del

emplazamiento

Formación almacén que se sitúe por debajo (a

más profundidad) de la última fuente (acuífero)

de agua potable subterránea. Consideradas

como tales, al menos, las masas de agua que

figuren en los registros de zonas protegidas de

los Planes Hidrológicos de cuenca

Litológicas y

texturales

Rocas porosas y permeables.

Formación almacén con capacidad suficiente

para almacenar de forma segura la cantidad o

volumen de fluido que se quiere inyectar.

Existencia de formaciones o estructuras

impermeables que confinen la formación

almacén en la que inyectar y mantengan el

residuo aislado de acuíferos que contengan

agua con calidad apta para algún tipo de uso y

de otros posibles recursos naturales. La

formación almacén debe estar perfectamente

confinada, tanto en la vertical como en la lateral.

Continuidad Las características de las formaciones (almacén

y confinantes) han de mantenerse constantes.

Tectónicas

Áreas tectónicamente estables. El área donde

se localiza la inyección no debe presentar

actividad sísmica significativa, ni ser un área

potencialmente sísmica. Se debe comprobar la

inexistencia de fallas activas cercanas o que

afecten a las formaciones confinantes, ya que

podría constituir una vía de escape del residuo

almacenado.

Geotérmicas y

de presión

Áreas sin gradientes geotérmicos anómalos, y

formaciones geológicas y/o fluidos de formación

que no se hallen en condiciones de

sobrepresión. Por tanto, se han de conocer la

presión y temperatura del almacén en toda su

extensión.

204

Hidráulicas

Régimen hidráulico de la formación conocido, ya

que la estrategia de inyección ha de ser

coherente con él.

Geoquímicas

Compatibilidad geoquímica entre la composición

de la roca almacén, la del agua de formación

que alberga esta, y el fluido a inyectar. De

manera que se evite la disolución o precipitación

de grandes cantidades de nuevos minerales al

producirse la interacción agua inyectada-agua

de formación-roca encajante, así como la

floculación de arcillas.

Legales Son diferentes en cada país, (apartado 3 de

este manual)

Cuadro 1. Características que debe cumplir una formación para ser considerada como potencial

almacén del rechazo proveniente de la desalación.

1.1.2. Tipos de emplazamientos para la inyección de salmueras

Una vez establecidas las características que ha de cumplir la formación para ser un potencial

almacén de salmueras (Cuadro 1), se deduce que los posibles emplazamientos del rechazo se

reducen a los siguientes tipos (Cuadro 2):

Posibles emplazamientos para la

inyección de salmueras

Formaciones permeables profundas

Yacimientos de gas y petróleo abandonados

o en recuperación asistida

Cuadro 2. Posibles emplazamientos para la inyección profunda del rechazo de las plantas de

tratamiento de agua según los criterios generales establecidos en el cuadro 1.

Visto esto y dado el auge actual y la gran cantidad de información generada para el

almacenamiento de CO2, cabe destacar que los almacenes para salmuera son prácticamente los

mismos que para el CO2 exceptuando que:

• El almacén de CO2 tiene necesariamente que estar a más de 800 metros de profundidad,

el almacén de salmuera no.

• Las capas de carbón no explotables y los domos salinos se contemplan como posibles

almacenes de CO2, pero no de salmuera

205

1.1.3. Criterios para la selección del emplazamiento

Son varios los criterios que conviene seguir para seleccionar la formación almacén más

conveniente, de entre todas aquellas identificadas como potenciales almacenes. Sea de manera

directa o indirecta, estos criterios tienen un acusado componente económico y/o ambiental:

- Cercanía al punto de generación del rechazo.

- Información geológica disponible (cartografía, sondeos, geofísica, etc.). La disponibilidad

de una buena base de información obtenida previamente en proyectos de exploración

(petróleo, yacimientos minerales, almacén de CO2) supone un importante abaratamiento

de costes en las fases iniciales del proyecto de inyección, y una notable disminución del

tiempo requerido para llevar a cabo dichas fases.

- Existencia de infraestructura previa utilizable o adaptable. Aquí se incluyen conducciones,

vías de acceso, etc.

- Profundidad de la formación almacén. Hay que tener en cuenta que cuanto más profunda

se localice la formación almacén, más elevado será el coste de la construcción, el bombeo

y el futuro mantenimiento.

- Existencia de explotaciones de otros recursos naturales. Se trata generalmente de un

factor negativo, excepto en la opción económicamente más rentable (aunque no siempre

posible) de inyección de salmuera en formaciones almacén de hidrocarburos para una

recuperación asistida de estos.

- Existencia de áreas protegidas. Precisamente lo que se pretende con la inyección de

salmueras es minimizar la afección al medio, por ello hay que considerar, además de los

efectos de la propia inyección, aquellos derivados de la construcción e instalación de

infraestructuras, incluyendo la ejecución del pozo.

- Geológicamente, además de los requisitos antes citados, es preferible que en la medida

de lo posible, se eviten los medios corrosivos, ya que pueden producir el deterioro del

sistema de inyección. También es de gran importancia tener en cuenta la geología

estructural existente, ya que dependiendo de la forma y la existencia o no de estructuras

geológicas, el fluido tenderá a tener un desplazamiento u otro dentro de la formación.

Estos criterios no son excluyentes, pero hay que ponderar su importancia en cada caso, para las

potenciales formaciones y posibles puntos de inyección asociados a estas.

206

1.2. Compatibilidad de fluidos (Cuadro 3)

Criterios Condiciones y características

Compatibilidad de fluido al entrar en contacto con la roca

almacén y con el fluido que alberga

Evitar la precipitación que provocaría

la obturación del almacén

Evitar la disolución

Diferencia de densidad

Es preferible que la densidad del

residuo inyectado sea mayor que la

del líquido de la formación

Características mínimas que controlar

Naturaleza y concentración de las

especies disueltas, solubilidad de

estas en las condiciones resultantes

de la mezcla del fluido inyectado con

el agua de formación (temperatura,

presión, pH, estado redox, etc.),

características biológicas, como

presencia de microorganismos cuya

actividad metabólica pueda afectar a

los diferentes procesos. Es

conveniente llevar a cabo pruebas en

la zona de almacenamiento o, al

menos, simulando las condiciones del

almacenamiento.

Cuadro 3. Criterios relativos a las condiciones y características del fluido a inyectar

Las características físico químicas del residuo a inyectar (teniendo en cuenta todos los

tratamientos químicos, físicos, biológicos o térmicos que puede sufrir el residuo antes de ser

inyectado) deben ser compatibles con los componentes mecánicos del sistema de inyección, con

el fluido natural que alberga la formación almacén y con la naturaleza de la propia formación

almacén. De manera que no se produzca una corrosión que afecte al sistema de inyección, ni

reacciones de precipitación o de disolución que puedan llegar a obturar el almacén o a provocar

una movilización de material que llegue generar colapsos (apartado 2.3 de este trabajo). Así, es

importante evitar una composición de fluido que al interaccionar con la roca almacén y el fluido

que esta alberga, produzca la conversión de especies solubles en insolubles, dando lugar a

precipitaciones, que puedan llegar a taponar el sistema de inyección. Igualmente, un fluido con

diferente carga iónica podría producir la floculación de coloides en suspensión, lo que puede ocluir

los poros y huecos intergranulares, disminuyendo drásticamente la porosidad eficaz.

207

La diferencia de densidad del residuo a inyectar y el fluido existente en la formación almacén,

condicionan considerablemente el movimiento que puede tener el fluido inyectado en la formación.

Es preferible que la densidad del residuo sea mayor que la del fluido de la formación, pues el

residuo se dispersará aprovechando todos los espacios de almacenamiento, en caso contrario el

residuo quedará localizado en las partes superiores de la formación.

1.3. Recopilación de datos y cálculo de parámetros imprescindibles

A continuación se enumeran un mínimo de datos imprescindibles a conocer y parámetros a

calcular en la fase de estudio, antes de llevar a cabo la inyección.

Recopilación de datos (Cuadro 4)

Datos de las formaciones almacén y confinantes

Formación almacén

Litología y composición, porosidad,

permeabilidad, presión, temperatura,

condiciones hidrogeológicas y parámetros

hidráulicos, riesgo sísmico, continuidad lateral,

espesores, estructuras geológicas, presión de

fracturación y volumen disponible para el

almacenamiento.

Formaciones sello o

confinante

Grado de impermeabilidad, continuidad,

litología, composición, estructuras geológicas,

presión de fracturación y sísmica existente.

Datos de los fluidos implicados en la inyección

Fluido que alberga la

formación almacén

Composición y características fisicoquímicas

(pH, Eh, turbidez, densidad, dureza, solubilidad,

adsorción alcalinidad, poder de corrosión,

temperatura, composición, elementos traza,

aniones, cationes, TSD, gases disueltos, etc..,)

Fluido a inyectar

Composición y características fisicoquímicas

(pH, Eh, turbidez, densidad, dureza, solubilidad,

adsorción alcalinidad, poder de corrosión,

temperatura, composición, elementos traza,

aniones, cationes, TSD, gases disueltos, etc..,) y

características biológicas. Pruebas de inyección

si se trata de residuos orgánicos

Cuadro 4. Resumen de los datos necesarios para evaluar la viabilidad de inyección en una

formación.

208

La caracterización del medio en el que se va a llevar a cabo la inyección se basa en la realización

de un estudio hidrogeológico, con un buen conocimiento geológico y estructural del área donde se

ubica el almacén, que abarquen tanto a la formación almacén como a las que la sellan. Igualmente

se deben caracterizar los fluidos que contengan las formaciones almacén y sus suprayacentes.

Estos datos son necesarios para realizar el diseño del pozo de inyección y evitar reacciones o

procesos físico-químicos no deseados, que puedan malograr la formación, la instalación del pozo

y los elementos mecánicos de la inyección.

La adquisición de datos se puede llevar a cabo mediante diversas técnicas, que variarán en

función de la localización y condiciones geológicas de cada caso. Entre ellas se incluyen técnicas

geofísicas para el conocimiento del subsuelo (sísmica de reflexión, diagrafías etc...), la realización

de sondeos y ensayos para el estudio de las propiedades físico-químicas de presión, temperatura,

composición de la rocas confinantes y de la roca almacén y del fluido que alberga. El estudio de

todas estas características (Cuadro 4) permite establecer la posibilidad de que un emplazamiento

funcione o no como almacén del rechazo, y en caso afirmativo, estas características condicionarán

directamente el diseño del pozo, el caudal de inyección e incluso, la duración de operación del

pozo de inyección

Además de la recopilación de datos es necesario llevar a cabo el cálculo de algunos parámetros

mínimos (Cuadro 5).

Cálculo Datos necesarios

Volumen libre o disponible en la roca

almacén

Porosidad útil, permeabilidad, presión ,

temperatura, condiciones

hidrogeológicas y parámetros

hidráulicos, continuidad lateral y

potencia, dimensiones de la formación

litologías, composición, estructuras

geológicas

Posibles reacciones e índices de

solubilidad resultantes

Estimación de la perdida de porosidad

Datos sobre temperatura, presión, pH,

estado redox, y composición del fluido a

inyectar y del fluido de formación.

Composición del fluido a inyectar, del

fluido de la formación, y de la roca

almacén.

Volumen disponible a partir de una

estimación de material precipitado.

Cuadro 5. Algunos cálculos imprescindibles a llevar a cabo antes de la inyección

209

El cálculo del volumen libre o disponible consiste en la estimación del volumen total de poros,

válido para el almacenamiento en la formación seleccionada como almacén, reducido por algunos

factores que impiden la ocupación total del espacio (heterogeneidad, efectos de diferencias de

densidad, etc.). Existen diversos métodos para llevar a cabo este cálculo (Bradshaw et al. 2005,

Ruiz et al. 2007 y 2009 y Hurtado et al. 2008), aunque la mayor parte de estas técnicas han sido

desarrolladas para el almacenamiento de CO2 y por ello es necesario aplicarles algunos cambios

dada la diferente naturaleza de los fluidos inyectados.

El conocimiento de las posibles reacciones del fluido a inyectar al entrar en contacto con el fluido

de formación y la roca almacén es imprescindible, ya que permite evitar problemas derivados de la

precipitación y/o disolución de algunas fases minerales. Para primeras aproximaciones al cálculo

de posibles reacciones, se pueden utilizar códigos o modelos matemáticos de mezcla ya

existentes, en los que partiendo de las composiciones y condiciones de los diferentes fluidos se

pueden obtener las posibles reacciones de mezcla. Es evidente que la mezcla de fluidos y su

interacción con la roca encajante darán lugar a un sistema dinámico. El cálculo de los índices de

solubilidad de los diferentes minerales nos indicará la posibilidad de disolución o precipitación de

los mismos. A pesar de que parece relativamente sencillo de evaluar con la ayuda de los códigos

existentes, la cinética de las reacciones hace que sea una tarea complicada. También será

necesario conocer las posibles reacciones del fluido a inyectar con las partes integrantes del pozo,

con la finalidad de evitar posibles deterioros y corrosiones de las mismas. Estos valores definen la

inyectabilidad de un fluido en una formación concreta.

Una vez valorada la posibilidad de precipitación es necesario llevar a cabo una estimación de la pérdida de porosidad originada por la precipitación secundaria (lo mismo es aplicable, pero en

sentido contrario, en el caso de procesos de disolución/corrosión).

En definitiva, el grado de conocimiento de la formación almacén, el fluido que alberga esta y las

formaciones confinantes condicionan toda la operación de inyección y, por tanto, todo el estudio

de viabilidad de la misma depende de la precisión en el conocimiento de estos elementos. Un

buen estudio de viabilidad facilitará el diseño y, por tanto, el desarrollo de toda de la operación de

inyección.

2. Fase de diseño

En esta fase se definen el diseño constructivo, así como los planes de monitorización, de

explotación u operación y de clausura y sellado.

2.1. Datos necesarios para el diseño del pozo y parámetros mínimos a establecer (Cuadro 6).

Son necesarios todos los datos recogidos durante la etapa previa o fase de estudio, ya que estos

van a condicionar el diseño del pozo

210

Parámetros de diseño que hay que conocer

Profundidad del acuífero (con agua apta para algún uso)

suprayacente más próximo a la formación almacén, en

el área del pozo a proteger.

Litología y características físicas y químicas de las

diferentes formaciones que atraviesa el pozo de

inyección, las formaciones confinantes y la almacén o

zona de inyección

Litología y características físicas y químicas de la

formación almacén o zona de inyección

Inyectividad de la formación almacén o capacidad de

esta para recibir y almacenar fluidos inyectados. La

inyectividad está relacionada con la roca almacén,

define su aptitud para recibir fluidos inyectados

Presión de fracturación de la roca que, generalmente,

siempre debe ser superior a la presión que se escoja

para la inyección

Características físicas y químicas del fluido de la

formación almacén (densidad, temperatura, pH,

turbidez, dureza, alcalinidad, poder de corrosión y

composición principal: aniones, cationes, elementos

traza, TSD, materia en suspensión, gases disueltos,

etc.)

Características físico químicas del fluido a inyectar

(densidad, temperatura, pH, turbidez, dureza,

alcalinidad, poder de corrosión y composición principal:

aniones, cationes, elementos traza, TSD, materia en

suspensión, gases disueltos, etc.)

Profundidad de la zona de inyección

Inyectabilidad o compatibilidad del fluido inyectado

con la roca almacén y el agua que contiene. La

inyectabilidad está relacionada con el fluido a inyectar,

define su comportamiento y compatibilidad con la roca

y con el fluido almacén

Parámetros de diseño que hay que Presión de inyección

211

establecer Temperatura de inyección

Caudal de inyección

Cuadro 6. Parámetros que hay que conocer y establecer en la fase de diseño.

Respecto a los parámetros a establecer:

La presión de inyección vendrá determinada por las características geológicas de la formación

almacén. Depende del caudal inyectado y de la profundidad de inyección. Generalmente, la

presión de inyección debe ser siempre menor a la de fracturación de la roca para no producir

fracturas en las formaciones confinantes y no debe alterar significativamente la capacidad de

movimiento del fluido en el pozo. En determinados casos, puede ser interesante generar una

fracturación forzada (hidrofracturación) de la formación almacén, en el entorno del pozo, con el fin

de aumentar la inyectividad. Ello requiere un exhaustivo estudio previo, ya que la facturación de

las formaciones confinantes podría permitir la migración del fluido inyectado fuera de la zona

prevista. La presión de inyección debe ir variando a lo largo del tiempo de explotación del pozo, tal

y como índica Robin (2005).

La temperatura del fluido a inyectar también es un parámetro que debe ser establecido

previamente, dada su influencia en las reacciones que puedan tener lugar durante la inyección.

El caudal de inyección va a depender principalmente de la inyectividad de la formación y la

presión.

2.2. Diseño del pozo

2.2.1. Esquema básico de las fases constructivas de un pozo de inyección profunda

Lo primero que se tiene que establecer es el diámetro del pozo, en función de múltiples factores,

como inyectividad (apartado 5.1.), inyectabilidad, caudal y velocidad de inyección que se pretende

obtener, presión de inyección, profundidad de la inyección etc… Todos estos factores

condicionarán la construcción del pozo y materiales a utilizar, desde la perforación hasta su

clausura.

Fases principales para la construcción de un pozo de inyección profunda (Cuadro 7):

212

Fase Descripción

Perforación de pozo hasta la profundidad

del acuífero con agua útil más próximo a la

formación almacén

Se perfora hasta una profundidad similar o

ligeramente superior al acuífero más profundo con

agua útil, se introduce una tubería de

revestimiento y se cementa el espacio anular que

queda entre la perforación y la tubería de

revestimiento.

Perforación completa del pozo,

revestimiento y cementación

Perforación hasta la roca almacén y colocación de

la tubería de revestimiento (desde boca de pozo).

En función de las características de la formación

almacén se diseñará el pozo en esa zona: tubería

de revestimiento hasta el techo de la formación

almacén y cementación anular hasta la superficie

y frente a la formación almacén sin revestir o con

tubería de revestimiento con tramos filtrantes y

empaque de grava.

Colocación del obturador y del entubado

Introducción de la tubería de inyección y del

obturador. Se crea un espacio anular que será

rellenado por un fluido inerte.

Cuadro 7. Esquema básico de construcción de un pozo de inyección profunda

- La primera fase consiste en perforar hasta la base de la formación acuífera a proteger más

profunda, seguidamente se introduce hasta el fondo de esta primera perforación una

tubería de acero de unos 170-300 mm de diámetro exterior. Se cementa el espacio anular

entre la tubería y la pared de la perforación, para que no haya ninguna contaminación o

interferencia con el acuífero a proteger.

- La siguiente fase consiste en continuar perforando hasta alcanzar la zona de inyección;

una vez se ha llegado a la profundidad adecuada se introduce una tubería protectora o

tubería de revestimiento con un diámetro exterior aproximado de 127-254 mm (inferior a la

tubería colocada en la zona superior donde existían los acuíferos de agua potable),

disponiéndose desde la superficie hasta el final de la perforación. El final de la tubería

depende del sistema que se elija para la parte más profunda del pozo y finalmente se

cementará el espacio anular que se ha creado.

Existen dos esquemas básicos para la ejecución de la parte del sondeo que atraviesa la

formación almacén; la selección de uno u otro sistema depende de la consistencia y

litología del almacén.

213

- Sondeo abierto

Este método se usa para formaciones muy consolidadas (areniscas y carbonatos

principalmente). En este caso se perfora hasta el techo de la formación, se instala

el entubado y se cementa hasta la superficie. A continuación se perfora en menor

diámetro desde el techo de la formación almacén hasta la base del sondeo.

- Sondeo con tubería de revestimiento con tramos filtrantes y empaque de grava

Este método se utiliza principalmente en materiales arenosos no consolidados que

se disgregan fácilmente. Se perfora hasta el fondo de la formación almacén, se

coloca el entubado con tramos filtrantes en las zonas donde se encuentra la

formación objetivo donde inyectar. Esta tubería se lleva hasta la boca del sondeo;

se coloca un empaque de grava en el espacio anular entre la tubería de

revestimiento y la formación almacén, cementándose el resto del anular entre las

tuberías hasta la boca del sondeo. A pesar de ser el método más costoso, es el

que permite una mayor capacidad de inyección.

Finalmente se introduce la tubería de inyección y un obturador, al comienzo de la zona de

inyección. El obturador es atravesado por la tubería de inyección, a través de la que se inyecta el

fluido. El espacio entre la tubería de revestimiento y el tubo de inyección, se denomina anillo, y su

finalidad es inhibir la corrosión de los tubos y asegurar el control del confinamiento de este

espacio. Así, el espacio anular o anillo se puede rellenar con un fluido que inhiba la corrosión de

los tubos, habitualmente, un aceite mineral inerte. El obturador, que se encuentra situado en el

fondo del anillo, se infla contra las paredes de la tubería de revestimiento, permitiendo el

aislamiento del fluido contenido en el anillo y del fluido inyectado. En el anillo se mantiene una

presión mayor que la presión a la que se inyecta el fluido, así en el caso de que se produzca una

rotura en la tubería de inyección, se podría detectar inmediatamente una pérdida de presión en el

anillo.

214

2.2.2. Diseño de las fases constructivas (Cuadro 8)

Parte o Acción Característica a establecer

Factores que condicionan el diseño

Opciones más comunes

Selección del

diámetro del pozo Diámetro del pozo

• Inyectabilidad

• Caudal y velocidad de

inyección

• Presión de inyección

• Materia disponible para la

construcción del pozo

• Profundidad de la

inyección

En la parte superior

donde se

encuentran las

masas de agua a

proteger, diámetro

de la tubería de

revestimiento >170

– 300 mm En el

resto de la

perforación,

diámetro de la

tubería de

revestimineto > 140

– 260 mm

Perforación Método de

perforación

• Profundidad

• Diámetro

• Velocidad de avance

• Litologías que perforar

- Rotopercusión

- Percusión

- Rotación inversa

- Rotación directa

Tubería de

inyección

Dimensiones y

clases de tuberías

(espesor, diámetro,

peso nominal,

longitud tipo de

unión y material de

construcción).

• Diámetro

• Resistencia

• Compatibilidad con el

fluido de inyección

(protección a la corrosión

• Poder de corrosión del

fluido inyectado y del

fluido de la formación a

sus respectivas

temperaturas

• Vida útil del pozo

• Profundidad de la zona de

inyección.

• Presión de la inyección,

presión externa, presión

interna y carga axial.

• Litología (composición y

- Fibra de vidrio

reforzada con

plásticos y resina

epoxi

- Diferentes aceros

inoxidables

215

textura) de las zonas de

inyección y confinamiento.

Parte inferior del

pozo Sistema

• Litología y consistencia de

la formación almacén

• Poder de corrosión del

fluido inyectado, del fluido

de la formación y sus

respectivas temperaturas

- Sondeo abierto

- Entubado

perforado y

empaquetamient

o de grava

Obturadores Tipo de obturador

• Material de la tubería de

inyección

• Presiones en las tuberías

y espacio anular

• Composición de los

diferentes fluidos

- Diferentes tipos

de obturadores

en el mercado

Espacio anular Relleno

• Materiales en contacto

con el espacio anular

• Fluido inyectado

Aceite inerte

Diámetro • Caudal de inyección

Tuberías de

revestimiento

superficial y

general (a lo largo

de todo el

sondeo)

Material

Espesor

• Profundidad de la zona de

inyección.

• Presión de la inyección,

presión externa, presión

interna y carga axial.

• Diámetro del pozo.

• Dimensiones y clases de

tuberías del entubado

(espesor, diámetro, peso

nominal, longitud tipo de

unión y material de

construcción).

• Poder de corrosión del

fluido inyectado, del fluido

de la formación y sus

temperaturas.

• Litología de las zonas de

inyección y confinamiento.

• Tipo y calidad del

cemento.

216

Cementación

superficial y

general (a lo largo

de todo el

sondeo)

Espesor

• Diámetro de la tubería de

revestimiento y diámetro

del pozo

• Naturaleza del cemento

empleado

Espesor mínimo

aproximado 13 cm

Naturaleza del

cemento empleado

• Fluido inyectado

• Aditivos utilizados durante

la realización del pozo

• Formaciones o litologías

con las que entra en

contacto

Cementos

Resina epoxi

Cuadro 8. Factores que condicionan el diseño de un pozo de inyección

Perforación

En función de las características de los materiales a atravesar, de la profundidad y diámetro del

pozo se debe escoger el método de perforación que se va a emplear. Las técnicas más

comúnmente utilizadas para sondeos profundos son la rotación directa, inversa, la rotopercusión y

la percusión.

En la ejecución de la perforación de un pozo para una ISP (Inyección en Sondeo Profundo) no se

recomienda la utilización de lodos bentoníticos en el caso en el que estos puedan invadir la

formación almacén reduciendo su permeabilidad. Si los lodos son necesarios, es más

recomendable el uso de lodos a base de polímeros.

Elementos constructivos

Los principales elementos que conforman el pozo son: tuberías de revestimiento, cementaciones

anulares, tubería de inyección y obturador, tal y como se muestra en la Fig. 1.

217

Fig. 1. Esquema de los elementos principales recomendados para un sondeo de inyección

profunda: Cabeza de pozo, tuberías de revestimiento, cementaciones anulares, tubería de

inyección, obturador y medidores de presión.

Es muy importante considerar los materiales utilizados en la construcción del pozo ya que

determinarán, en gran medida, el grado de conservación, y la vida útil del pozo.

Los factores que afectan al diseño de los diferentes elementos constructivos son principalmente:

- Profundidad de la zona de inyección.

- Presión de la inyección, presión externa, presión interna y carga axial.

- Diámetro del pozo.

- Diámetro de las tuberías de revestimiento y de inyección (espesor, diámetro, peso nominal,

longitud, tipo de unión y material de construcción).

- Poder de corrosión del fluido inyectado, del fluido de la formación y sus temperaturas.

- Litología de las zonas de inyección y confinamiento.

- Tipo y calidad del cemento.

218

Tubería de inyección

Es el tubo a través del que se inyecta el residuo a almacenar. Permite llevar el fluido inyectado

desde la superficie hasta la zona de inyección, aislándolo de la tubería de revestimiento,

reduciendo la corrosión y prolongando la longevidad de los pozos. El material de esta tubería ha

de ser resistente a la corrosión provocada por el fluido a inyectar, y dadas las altas profundidades

a las que se trabajará son necesarios materiales de una resistencia adecuada, para evitar la rotura

y el colapso. En el caso de la inyección de salmueras, los materiales utilizados en el entubado son

plásticos reforzados con fibra de vidrio que presentan la ventaja de ser bastante económicos, pero

únicamente son idóneas para poca profundidad; no siendo aptos en inyección profunda (más de

1000 metros), por su baja resistencia. En ese caso, generalmente se usa acero inoxidable.

El diseño de la tubería se ha de adecuar a las necesidades de cada residuo a inyectar, evitando

en gran medida la resistencia por fricción, de tal forma que las dimensiones sean las idóneas. El

diámetro de la tubería de inyección condiciona el diseño del resto de los elementos de la

inyección, por lo que es muy importante su dimensionamiento adecuado.

En algunos casos de inyección profunda, se puede prever la instalación de una segunda tubería

de inyección, en función de la vida útil del pozo y del tipo de residuo que se vaya a inyectar.

Obturadores

Los obturadores son dispositivos cuya finalidad es mantener aislada la zona de inyección del resto

del pozo. El tipo de fluido a inyectar y las presiones que va a sufrir son factores importantes para el

diseño y /o elección del obturador.

Tuberías de revestimiento y cementaciones

Un adecuado revestimiento y cementación de los espacios anulares impiden la entrada y el

movimiento de los fluidos entre diferentes formaciones de agua subterránea y mejoran la

integridad y la longevidad del pozo.

La adhesión del cemento y la tubería de revestimiento deben de ser óptimas para conseguir un

aislamiento máximo.

El espesor mínimo de la cementación será de unos 13 cm, para lo que el diámetro de la

perforación ha de ser uno o dos diámetros nominales superiores al diámetro de la entubación, de

esta manera el anillo de cementación que rodea todo el entubado tendrá un espesor adecuado. La

correcta distribución del cemento en las operaciones de cementación depende de que exista

hueco suficiente que permita la distribución de manera homogénea, sin que se generen huecos o

bolsas de aire.

219

Entre los factores a tener en cuenta para la elección de la tubería de revestimiento y la

cementación es imprescindible considerar: 1) la profundidad de la zona de inyección, 2) la presión

de inyección, la presión externa, la presión interna, y la carga axial, 3) el tamaño del pozo, 4) el

tamaño y diámetro de la tubería de revestimiento, 5) corrosividad y temperatura del líquido

inyectado y de los fluidos de la formación, 6) litología de la zona de inyección y de los intervalos de

confinamiento y 7) tipo o grado de cementación. Además, debido a que la tubería de revestimiento

y el cemento estarán en contacto con los fluidos inyectados en la zona de inyección, la naturaleza

del cemento empleado ha de ser compatible con el fluido a inyectar, para evitar la corrosión y las

fugas. En numerosas construcciones de este tipo se usan aditivos para proteger al cemento frente

a la corrosión o degradación. En el caso de que no se pueda garantizar la protección anticorrosión,

o se utilicen otros aditivos que puedan afectar negativamente al cemento, este se puede sustituir

por una resina de epoxi.

2.3. Diseño de la monitorización

En función de las características de la inyección y del marco geológico donde se realice esta, se

establecerá un área de control alrededor del pozo durante la inyección. Como regla general, se

establece un radio mínimo de 3,5 Km (EPA), siempre y cuando las condiciones, fundamentalmente

geológicas, no determinen la necesidad de un área mayor. En estos casos, el área de control se

acomodará a cada situación principalmente en función de posibles problemas de migración del

fluido.

Sistema de control (Cuadro 9)

Sistema de control y monitorización

Parámetros mínimos que controlar durante toda la inyección

Presión

Temperatura

Caudal inyectado

Requisitos

Establecer los parámetros que son necesarios controlar en cada caso y el

intervalo de control

Los aparatos de detección de posibles averías deben seguir un estricto

plan de mantenimiento y ser cambiados con regularidad

El sistema debe parar automáticamente la inyección y reducir la presión

de inyección si se detecta una bajada en la presión o variaciones

significativas en los otros parámetros que se miden de continuo

220

Ejemplo de sistema

El espacio anular entre el tubo de inyección y el entubado exterior se

rellena con un aceite inerte. El flujo salino ejerce una presión anular a lo

largo de toda la columna. Esta presión del fluido anular debe mantenerse

constante, siempre que no haya un deterioro de la cementación o del

entubado (Fig. 2). Johnston et al (1997).

Cuadro 9. Características generales del sistema de control y monitorización

El control continuo de la presión de inyección, el caudal de inyección, volumen inyectado y la

presión del anillo asegurarán que el pozo estará operando en condiciones idóneas y proporciona

una alerta temprana de posibles problemas. Las características principales del fluido inyectado

(temperatura, composición etc.) deben ser controladas cíclicamente. Así mismo, cabe la

posibilidad de que sea necesario controlar otros parámetros, que han de ser establecidos en esta

fase de diseño, dependiendo de la problemática de cada pozo. Ante el riesgo ambiental que podría

provocar un error en el sistema de control por posibles averías, los aparatos de detección deben

de someterse a un programa de calibración y mantenimiento, por lo que es necesario tener en

cuenta este programa en el coste económico de explotación. Por otra parte, hay que considerar

que incluso después de la clausura de un pozo es necesario llevar a cabo un seguimiento y

control.

El sistema de control debe parar automáticamente la inyección o reducir la presión de inyección, si

detecta una bajada en la presión del sistema y en los otros parámetros significativos que se miden

en continuo. La presión existente en la parte anular ha de estar controlada a través de equipos que

permitan detectar cualquier cambio o avería que se pueda producir dentro de la perforación. De

esta manera, se logra que la inyección se pueda ejecutar y el pozo se pueda cerrar sin llegar a

afectar a los acuíferos productivos. En el caso de que no exista anillo habrá que controlar

cualquier pérdida de presión que pueda estar originada por un escape o filtración del fluido

inyectado.

Johnston et al (1997) diseñaron un sistema de monitorización consistente en controlar la presión

del fluido que rellena el espacio anular situado entre el tubo de inyección y la tubería de

revestimiento. De manera que existe una presión anular a lo largo de toda la columna que debe

mantenerse constante, siempre que no haya un deterioro de la cementación o del entubado (Fig.

2).

221

Fig. 2. Sistema de control de la presión. Johnston et al (1997).

Piezómetros de control (Cuadro 10)

Un buen control de la instalación de inyección precisa de varios piezómetros de control. Los

piezómetros se clasifican en:

Clasificación Tipo Características Finalidad

En función de la

distancia

Control

inmediato 30 m del pozo

Control inmediato de

cualquier incidencia

Control de la

zona

2-3 Km en la formación

almacén y niveles

superiores

Verificar el aislamiento

y controlar el

movimiento del fluido

Control regional Límites de la formación

almacén

Verificar el aislamiento

y controlar el

movimiento del fluido a

largo plazo

Cuadro 10. Clasificación de los piezómetros o sondeos de control

Para la instalación de estos puntos de control es necesario tener en cuenta el protocolo de

construcción a seguir durante la realización o construcción de un sondeo de inyección profunda,

tanto en el tipo de material como los otros factores citados anteriormente

222

En esta fase de diseño además de la construcción y monitorización también se han de establecer

los parámetros de la operación (apartado 5 de este manual) y el plan de la clausura y sellado

(apartado 6 de este manual).

3. Autorización

La normativa para la autorización de una inyección profunda varía según el país, por lo que en

este apartado sólo se trata la normativa vigente en el Estado Español.

La desalación de las aguas continentales tienen que someterse al régimen previsto en el Real

Decreto Legislativo 1/2001 para la explotación del dominio público hidráulico (capítulo V, artículo

13).

Además, la inyección profunda está contemplada en la sección B del artículo 3 de la Ley 22/1973

de Minas, por lo que parece preceptivo solicitar autorización de aprovechamiento de la “estructura

subterránea”, que debe incluir el proyecto justificativo de la necesidad de dicha utilización, así

como la designación del perímetro de protección.

Por otra parte, todo el proyecto debe estar sometido a un estudio de impacto, de manera que se le

aplicará la ley de responsabilidad medioambiental y reglamento en vigor (Ley 26/2007 y Real

Decreto 2090 /2008)

4. Fase de construcción o ejecución

4.1. Requisitos

- Seguir al detalle las directrices que han sido indicadas en la fase previa de diseño y

planificación en todos los aspectos (presiones, condiciones del residuo a inyectar,

vigilancia y control, etc.)

- Construcción de un pozo piloto de investigación siempre y cuando el grado de

incertidumbre de la información existente en la zona lo haga necesario.

- Evitar el vertido en superficie de fluidos procedentes de la construcción del pozo, o de

acuíferos perforados que presenten agua de baja calidad.

- Obtención del mayor número de datos, estudios etc. posibles, para poder realizar con

mayor criterio las fases de operación y clausura.

- Recopilación en un informe final de todas las incidencias ocurridas durante la realización

del pozo y las modificaciones del proyecto original, en caso que se hubieran producido,

exponiendo las causas que las generaron.

- Elaboración de un informe con los resultados recopilados de todas las pruebas que se

hayan realizado en el pozo (bombeo, inyección, etc.)

223

- Redacción de un manual de operación y mantenimiento, para que los operarios del

sistema puedan conocer el funcionamiento del mismo y cómo actuar en caso de

emergencia (manual de contingencia).

4.2. Controles durante la realización del pozo (Cuadro 11)

Durante la construcción de la ISP también es necesaria la realización de diferentes ensayos para

conseguir garantizar al máximo el aislamiento de la conducción y la previsión de posibles medidas

correctoras. Entre dichos ensayos se incluye la comprobación de la verticalidad con una

periodicidad aceptable para asegurar que la ISP perfora los materiales deseados y que llega a la

profundidad establecida. Así mismo, se incluyen una serie de registros geofísicos y la realización

de pruebas durante las diferentes fases de construcción (Cuadro 11).

Fase Test que realizar

Ejecución

Perforación Desviación, para asegurar que se

perforan los materiales deseados

Antes de instalar el

revestimiento superficial

Diagrafías o perfiles eléctricos de

resistividad y potencial espontáneo,

perfiles de porosidad, rayos gamma y

caliper

Después de instalar el

revestimiento superficial

y la cementación anular

Adhesión del cemento, perfiles de

temperaturas y densidad

Comprobación de la

viabilidad de la

construcción.

Registro de adherencia del cemento.

Exploración del contacto y de la

adherencia del cemento

Registros de temperatura. Control de la

temperatura dentro de las 48 horas

posteriores a la cementación

Prueba de estanqueidad en las

cementaciones entre las tuberías de

revestimiento y entre la tuberías de

revestimiento y la pared del pozo. A

una presión igual o superior a 1,5

veces la presión esperada de trabajo y

no inferior a 50psi (3,4 atm), durante

224

una hora y sin caídas de presión

Prueba de bombeo

Análisis químico del agua procedente

de las formaciones en contacto con el

pozo

Pruebas de inyección y presión inicial

antes de dar comienzo a la operación.

Pruebas de desplazamiento del fluido

almacenado

Cuadro 11. Parámetros a controlar durante la fase de ejecución

4.3. Comprobación de la estabilidad del pozo

Para saber si la construcción es fiable y funcional, y el aislamiento es correcto, es necesario

realizar un test de verificación después de terminada la construcción y antes de dar comienzo a la

inyección s.s. Dicho test ha de consistir en:

- Comprobación del contacto y de la adherencia de la cementación.

- Registro de la temperatura. Control de la temperatura dentro de las 48 horas posteriores a

la cementación.

- Prueba de estanqueidad en las cementaciones entre las tuberías de revestimiento y entre

la tuberías de revestimiento y la pared del pozo. A una presión igual o superior a 1,5 veces

la presión esperada de trabajo y no inferior a 50 psi (3,4 atm), durante una hora y sin

caídas de presión una vez hechas las correcciones de temperatura.

- Prueba de bombeo para determinar si el pozo tiene una capacidad adecuada y para

obtener muestras representativas del agua subterránea.

- Análisis químico del agua procedente de los estratos en contacto con el pozo.

- Pruebas de inyección.

- Pruebas de desplazamiento del fluido almacenado.

5. Fase de operación

Este apartado del manual está basado en Ramos (2001, 2003).

Una vez llevada a cabo una comprobación positiva de la estabilidad del pozo (Apartado 4.3 de

este manual) se puede proceder a la fase de operación. Durante esta fase es fundamental seguir

estrictamente el proyecto, ajustándose a las especificaciones establecidas en el mismo.

225

5.1. Control durante la inyección del residuo (Cuadro 12)

Fase Test que realizar

Operación

Antes de la operación

inicial del pozo

Test de integridad mecánica externa:

Trazadores, temperatura y perfiles sónicos

Periódicamente durante

la vida útil del pozo. El

intervalo de medida

depende de la

naturaleza de la

formación almacén, los

fluidos inyectados y del

rendimiento general del

pozo

Medición de parámetros químicos

Test de integridad mecánica externa:

trazador radioactivo, temperatura, sónicos

o de evaluación del cemento. Un intervalo

típico sería de cinco años; sin embargo,

debe existir la posibilidad de cambiar el

intervalo en función de la naturaleza y el

volumen del fluido inyectado y de la

formación que lo recibe

Test de integridad mecánica interna o

medida de presión de inyección. Se puede

medir prácticamente en continuo:

Caudal de inyección

Presión en la cabeza de inyección

Presión anular

Presión del acuífero principal y de los

vecinos de la formación receptora que

puedan ser susceptibles de ser afectados

por la inyección

Medida de temperatura de residuo

inyectado

Si el obturador tiene que

ser recolocado Pruebas de presión adicionales

Cuadro 12. Parámetros a controlar durante la fase de operación

La planificación de los parámetros a medir y la metodología para su medición se establecen en la

fase de diseño (apartado 2.3.4. de este manual). Cada inyección es diferente, pues la geología

226

regional, la formación almacén y el residuo a inyectar tienen particularidades que son analizadas

con detenimiento en la fase de estudio para que las condiciones de inyección sean óptimas. Los

parámetros a medir y los intervalos de medición dependen de diversos factores. Sin embargo, en

todas las inyecciones, es aconsejable controlar de forma continuada y durante toda operación de

inyección los siguientes parámetros:

- Test de integridad mecánica interna o medida de presión de inyección.

- Caudal de inyección

- Presión en la cabeza de inyección

- Presión del anillo

- Presión del acuífero principal y de los vecinos a la formación receptora que puedan

ser susceptibles de ser afectados por la inyección

- Medida de temperatura de residuo inyectado

Los aparatos registradores permiten la comparación y evolución de la presión y del caudal de

inyección, Es imprescindible conocer la mayor presión admisible por el sistema en cada momento

y medir la presión constantemente, ya que esto permitirá detectar diferentes incidencias en el

sistema.

El estudio de las reacciones químicas que se están produciendo durante la inyección requiere un

control de la composición química del fluido inyectado y del fluido en la formación. Los parámetros

químicos a determinar y su frecuencia de medida son variables, en función de los casos. Como

mínimo, es aconsejable una frecuencia, al menos, trimestral. Así mismo, una prueba de integridad

mecánica externa garantiza que los líquidos inyectados permanecen en la formación objetivo y

que no afectan a la porción de tubería de revestimiento debajo del obturador o al cemento de la

parte inferior del orificio. La prueba de integridad mecánica externa se basa en: trazador

radioactivo, temperatura, sónicos o de evaluación del cemento. El intervalo de tiempo adecuado

para estos registros depende de la naturaleza de la formación y de los líquidos inyectados. Un

intervalo típico sería de cinco años; sin embargo, debe existir la posibilidad de ajustar el intervalo

en función de la naturaleza y el volumen del fluido inyectado y de la formación que lo recibe.

5.1.1. Índice de inyectividad (Ramos, 2001)

La inyectividad se refiere a la roca almacén y su capacidad para recibir fluidos inyectados. El

índice de inyectividad (Donalson, 1974) relaciona el caudal inyectado con la presión de inyección,

por unidad de espesor de formación. En una representación cartesiana, la X o eje de abscisas

corresponde al caudal inyectado y la Y o eje de ordenadas a la presión de inyección, siendo la

pendiente de la recta obtenida el valor del índice de inyectividad. Este índice es característico de

cada sondeo. Si se mantiene constante indica que la porosidad y la permeabilidad de la formación

y el radio de influencia del pozo no han sufrido cambios. Si la pendiente aumenta implica una

227

pérdida de porosidad y permeabilidad en la formación inyectada, ocasionado generalmente por un

relleno u oclusión de los poros. Si contrariamente la pendiente disminuye implica un aumento del

radio de influencia, probablemente debido a una fractura inducida hidráulicamente. La evolución

del índice de inyección puede revelar daños en el pozo, drenaje del residuo hacia otros niveles, u

otras deficiencias que pueden surgir durante la inyección.

Para conocer qué daños ha podido sufrir el pozo, es útil conocer la evolución del pozo y las

incidencias que ha habido durante la realización de la perforación. Un conocimiento del estado de

esfuerzos al que está sometida la formación, también es útil en la identificación de posibles

fracturas hidráulicas que se pueden dar en el sistema. Por ejemplo, en general, en las formaciones

sedimentarias los esfuerzos verticales aumentan proporcionalmente con la profundidad (presión

litostática), mientras que los esfuerzos laterales son función de las condiciones geológicas

existentes.

5.2. Algunos posibles problemas durante la operación de inyección (cuadro 13) (Tomado de Ramos, 2001)

Los principales problemas en las operaciones de inyección en pozos profundos derivan de la

rotura del equilibrio químico existente (previo a la inyección) entre la roca almacén y el agua que

contiene, equilibrio estabilizado a lo largo de un prolongado tiempo durante el cual las condiciones

físico-químicas han permanecido inalteradas. Son los llamados problemas de compatibilidad.

La mayoría de los efectos negativos que se pueden presentar tienen que ver con pérdidas de

inyectividad, fundamentalmente por disminución de la porosidad de la roca almacén al obturarse

los poros. Pueden producirse colmataciones debido a la presencia de finos procedentes de la

perforación o el arrastre de fjnos de la propia formación. Igualmente, se pueden producir

colmataciones debidas a procesos químicos de precipitación por un cambio de temperatura,

reacción del lodo de perforación con el agua del almacén, reacción entre la salmuera y la roca

almacén y/o el agua contenida. O colmataciones debidas a la existencia de partículas en

suspensión en la salmuera.

Otros problemas derivan de un exceso en la presión de inyección, ya que pueden generarse

fracturas en la masa de roca o propagar las existentes con efectos imprevistos, tales como

aumento de la capacidad de almacenamiento hasta pérdida de estanqueidad y puesta en conexión

con otros acuíferos. También por efecto de la presión se puede producir un cierre de los poros en

los materiales más cercanos a la zona de inyección, disminuyendo la capacidad de infiltración. El

Ground Water Protection Council (GWPC, 2010) propone una limitación de la velocidad (y por

tanto del caudal) de infiltración a 2,5 m/s. Otro problema relativamente frecuente es la obturación

de los poros de la formación en la proximidad a la zona de inyección debida a la presencia de

burbujas de aire.

228

Posibles problemas durante la operación de inyección

Obturación parcial del almacén

Existencia de partículas sólidas en

suspensión en el líquido a inyectar

Presencia o generación de burbujas de

gas al inyectar fluidos en el interior del

pozo

Presencia de microorganismos y

organismos vivos

Presencia de arcillas en la formación de

almacenamiento

Migración del residuo y contaminación de aguas subterráneas

Disminución del rendimiento de la inyección con el tiempo (Saparilli et al., 2000)

Cuadro 13. Resumen de algunos de los problemas más habituales que se pueden dar en una

operación de inyección profunda. Un buen estudio durante las fases previas evitaría la mayor parte

de ellos.

5.2.1. Obturación parcial del almacén.

Se puede producir por:

A) Existencia de partículas sólidas en suspensión: la detección de estas partículas es fundamental

para el buen funcionamiento del sistema. La presencia de estas partículas puede dar lugar a:

- Obturación del pozo de inyección por acumulación de sólidos en el fondo.

- Taponamiento y/o invasión de la formación almacén por acumulaciones concéntricas al

pozo

- Formación de una costra de decantación sobre el material de la formación, en la parte

interior del pozo.

Las partículas pueden tener tres orígenes posibles:

- Procedentes del fluido inyectado

- Presentes en la formación almacén

- Formadas por precipitación como consecuencia de problemas de compatibilidad

B) Existencia de procesos de precipitación producidos por la mezcla de la salmuera con el agua de

formación, y que igualmente puede dar lugar a:

229

- Obturación del pozo de inyección por acumulación de precipitados en el fondo

- Oclusión de los poros de la formación almacén en el entorno cercano al pozo

- Formación de una costra de precipitación sobre el material de la formación, en la pared del

sondeo

C) Presencia de burbujas de gas puede dar lugar a problemas de obturación del pozo, perdiendo

capacidad de inyección, especialmente en litologías detríticas.

D) Presencia de microorganismos y organismos vivos (algas, mohos, bacterias ferruginosas,

bacterias sulfato-reductoras y bacterias productos de lodos) que puedan dar lugar a rellenos

biogénicos y a problemas de obturación del pozo, perdiendo también capacidad de inyección.

Según las características químicas que presente el residuo a inyectar puede dar lugar a ambientes

reductores no aptos para el crecimiento de este tipo de bacterias.

E) Presencia de arcillas en la formación almacén que se pueden hidrolizar al entrar en contacto

con el residuo disminuyendo así, posteriormente, la permeabilidad de la formación.

Todo este tipo de problemas se deben prever en las fases de estudio y de diseño, aunque durante

la perforación también se obtiene información. Para evitarlos es necesario (apartados 1.2 y 1.3 de

este manual):

- Conocer la permeabilidad de la formación y qué procesos físicos y físicoquímicos pueden

modificarla (se estudia con ensayos en laboratorio sobre testigos extraídos durante la

perforación).

- Estudiar y modelizar las reacciones salmuera-agua de formación y salmuera-formación

almacén, en diferentes condiciones de presión, temperatura y concentración.

- A veces, aplicar un tratamiento previo del agua a inyectar para que los problemas de

colmatación sean reducidos al máximo.

5.2.2. Problemas en la migración del residuo

El grado de incertidumbre sobre la migración del residuo es elevado debido a la imposibilidad de

conocer la formación almacén y su régimen hidráulico con precisión en toda su extensión. Aunque

se pueden utilizar modelos matemáticos de flujo para poder prever el movimiento del residuo, los

principales problemas o dificultades de la modelización de un proyecto de inyección profunda son:

- Dispersión hidrodinámica

- Flujo multifase

- Flujo en medios fracturados

- Reacciones químicas y microbiológicas

- Desconocimiento de la extensión y los contaminantes en la zona saturada.

230

- Cambios en el movimiento del fluido debido a la dispersión y/o floculación física, adsorción

e intercambio iónico, disolución y/o precipitación de minerales e iones

5.2.3. Disminución del rendimiento de la inyección con el tiempo

Existen modelos de simulación de la disminución de la inyectividad en un pozo de inyección

profunda (Saparilli et al., 2000). Esta disminución depende, entre otros parámetros, de las

particularidades físico-químicas del residuo a inyectar y del tipo de acondicionamiento del pozo

realizado en la zona de la formación almacén (apartado 2.2). Es importante conocer las

propiedades de la formación almacén, el volumen y la presión de inyección, el diseño constructivo

del pozo, los daños iniciales que se pueden producir en el pozo y la construcción y operaciones

características de cada proyecto de inyección profunda.

6. Fase de clausura (Cuadro 14).

Un correcto diseño del sellado y abandono de un pozo puede evitar, en un futuro, posibles

problemas de contaminación en los acuíferos de agua potable. El programa de clausura detallado

debe presentarse a la autoridad antes de otorgarse la autorización de explotación. Una vez

terminada la explotación dicho programa puede ser revisado.

Antes de abandonar el pozo de inyección, es necesario que éste sea sellado con cemento para

evitar el movimiento del fluido residual hacia los acuíferos.

No se dispone de una legislación española que marque las directrices en la realización de esta

etapa de abandono de una inyección profunda. La guía base de sellado y abandono puede

basarse en los criterios establecidos en EEUU por UIC y la EPA para la clausura de un pozo de

inyección profunda de clase I.

231

Actividades Descripción

Informes y notificaciones a la autoridad

competente

Notificación del cierre y clausura

Aprobación de la integridad de los sondeos de

control

Presentación del informe de clausura y

abandono

Planes de clausura

Disminución de la presión

Comprobación de la integridad de los

mecanismos

Utilización de fluidos amortiguadores

Medidas de prevención por el fluido existente

entre el entubado dentro y fuera de la tubería

de inyección.

Toma de muestras

Planes y controles después de la clausura

Evaluación del Coste

Información hidrogeológica

Acciones correctoras

Pozos de control y monitoreo

Documentación

Cuadro 14. Recomendaciones para la fase de clausura. Explicación en el texto.

Los requerimientos básicos que hay que cumplir para el sellado, clausura y abandono de un pozo,

deberían ser (cuadro14):

- Notificación al organismo técnico y medioambiental competente. Se propone una notificación del

propietario o del operador del pozo como mínimo 45 días antes del comienzo del sellado a menos

que se especifique o esté regulado lo contrario.

- Comprobación de la integridad de la instalación. El propietario o el operador tendrán que

demostrar que el pozo mantiene los piezómetros y/o sondeos necesarios para el control después

de la clausura.

- Presentación del informe de clausura y abandono. El propietario o el operador deberán presentar

un informe del sellado y abandono en un plazo máximo de 60 días después del sellado del mismo.

232

Igualmente, este plazo tendrá que ajustarse a la regulación existente si hubiera lugar.

En todo caso, el propietario u operador del pozo ha de tener el permiso de abandono. La

obligatoriedad de implementar el plan perdurará hasta la finalización del permiso.

El proyecto de clausura debería contemplar los siguientes puntos:

- Disminución de la presión. Las caídas de presión se deben medir para cada intervalo de

tiempo que marque el proyecto de diseño y construcción del pozo.

- Integridad de la instalación. El propietario u operador del pozo deberá realizar ante un

responsable del organismo competente una demostración de los mecanismos que se usan

habitualmente en el funcionamiento de la inyección de un pozo. Las demostraciones han

de incluir como mínimo un test de presión, test y log del entubado, control de la

cementación y los diferentes parámetros del flujo. Es importante que todos los sondeos de

control se mantengan en funcionamiento y en buen estado de conservación para que una

vez esté cerrada la operación se pueda tener un control del fluido y su evolución.

- Fluidos amortiguadores. Con la finalidad de asegurar el aislamiento del rechazo es

conveniente inyectar un fluido amortiguador adecuado antes del abandono del pozo. Hay

que tener en cuenta las condiciones físico-químicas que se pueden dar con el fluido

existente en la formación almacén, así como también con en el mismo fluido inyectado.

- Medidas de prevención para impedir el movimiento del fluido existente entre el entubado y

dentro y fuera del pozo. El pozo ha de ser sellado de manera que se evite el movimiento

de fluidos desde la zona de inyección al acuífero protegido:

- Cementación del pozo. Si no se han producido problemas en el entubado del pozo

debe ser rellenado con cemento. En el caso de que esto no fuera posible es necesario

que el pozo pase el test SAPT (Standard Annulus Pressure), para asegurar que el

fluido no es desplazado hacia las capas del acuífero a proteger.

- Cementación desde el exterior del pozo. Si es necesario se perfora y se inyecta

cemento a presión hacia el entubado para eliminar cualquier hueco y que no pueda

circular el flujo residual fuera de la zona de inyección.

- Toma de muestras. Será apropiada la toma de muestras en el acuífero suprayacente a la

formación almacén, por lo que al menos debe de existir un pozo de control en la zona a

muestrear.

En cualquier caso, cada operación de ISP ha de ser estudiada independientemente en base a

todos los criterios, de manera que el abandono tenga los efectos negativos mínimos.

En todos los casos, la presión es un parámetro que debe ser controlado y, si es posible, con tomas

de medida periódicas para poder ver la evolución de la misma.

Han de llevarse a cabo un plan de seguimiento y una serie de controles después de la clausura y

233

abandono de la inyección. El plan de control y seguimiento, debe ser entregado antes de

comenzada la explotación y revisado antes de que el informe de abandono sea entregado, debe

incluir:

- Estimación del Coste.

Estimación del coste del mantenimiento y seguimiento de todo el programa de control hasta el

abandono definitivo de la instalación.

- Información hidrogeológica

Información que ayude a valorar la posible migración futura del residuo desde la zona de

inyección. Ha de incluir la siguiente información:

- Rango de presiones de la zona de inyección antes de que se inicie la inyección

propiamente dicha.

- Estimación del valor de la presión en la zona de inyección cuando ésta se clausure.

- Estimación del tiempo necesario para que la presión hidrostática en la capa de

inyección sea menor que la que tenga el acuífero a proteger más profundo.

- Predicción de la situación del frente de avance del residuo durante el abandono y la

clausura.

- Acciones correctoras.

Informar a la autoridad competente de todas actuaciones, correcciones o modificaciones que se

hayan realizado en el pozo.

- Pozos de control y seguimiento.

El sistema de control y seguimiento debe incluir piezómetros de control en los que se registre en

continuo la presión y los parámetros de calidad del agua, al menos, hasta el tiempo establecido en

el apartado 2c de planes de después del abandono.

No será necesario un control adicional en las instalaciones si el nivel piezométrico de la formación

almacén es inferior al nivel piezométrico del acuífero a proteger más profundo.

- Informe final

Su contenido mínimo incluirá la siguiente información:

- Presentación de un estudio geológico de la zona donde se indique la localización del

pozo como punto de referencia. Este estudio geológico debe contemplar la misma

información que el estudio geológico inicial indicando si existe alguna modificación

debida a la perforación y/o inyección.

- Elaboración de una notificación del estado del pozo que incluya la siguiente

información:

234

- Volumen total de residuo inyectado en cada pozo y ritmos de inyección.

- El tiempo total de inyección.

- La zona de inyección y las características de la capa confinante

- Relación de los escapes que se han dado durante la inyección y una

estimación del rango de escape que pueden tener durante el abandono y

la clausura.

- Conservación de la relación de los volúmenes y la composición del

residuo inyectado durante, al menos, tres años después de la clausura.

- Resultados del control analítico.

- Resultados de los test de control de estanqueidad.

ABREVIATURAS

EPA- Environmental Protection Agency

GWPC- Ground Water Protection Council

ISP- Inyección en sondeos profundos

Test SAPT- Test Standard Annulus Pressure

UIC- Underground Injection Control

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Ruiz, C., Recreo, F., Prado, P., Campos, R., Pelayo, M., de la Losa, A., Hurtado, A., Lomba, L.,

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Van Voorhees, R. F. (2001). Removed From The Environment. Environmental Law Institute.

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PORTALES WEB DE INTERES

American Petroleum Institute (API) http://www.api.org/

Environmental Protection Agency (EPA): http://ww.epa.gov

Ground water protection council (GWPC) http://www.gwpc.org

Underground Injection Control (UIC) http://www.epa.gov/ogwdw000/uic/

Editor:

Consolider Tragua

ISBN:

978-84-695-3633-9

Diseño y maquetación:

Base 12 diseño y comunicación

237

11.1.5. 7 YEAR OPERATION OF A BWRO PLANT WITH RAW WATER FROM A COASTAL AQUIFER FOR AGRICULTURAL IRRIGATION

238

7 Years Operation of BWRO Plant with Raw Water from Coastal Aquifer for Agriculture Irrigation

Carlos García, Francisco Molina, Domingo Zarzo

ABSTRACT

This paper will show the most relevant aspects in the 7 year operation period in the management of

the O&M (operation and maintenance) at a BWRO (brackish water reverse osmosis) plant at

Cuevas de Almanzora, Almeria, Spain. This plant has a current capacity of water production of

25,000 m3/d and it was built to supplying agricultural consumers in the proximity of the plant.

Cuevas de Almanzora BWRO plant is an exceptional plant in many aspects: 1) It is a plant working

with brackish water but it was designed to be able to working with seawater with regards to

materials, qualities and pressures (except the high pressure pump), and it could even be converted

easily into a seawater plant; 2) Extensive hydrogeological studies have been completed allowing

the control of aquifer exploitation and water extraction in the seawater-brackish water interface; 3)

Water is distributed to different agricultural users with different water quality requirements (it

produces “a la carte” water); 4) RO trains include inter stage energy recovery device to improve the

hydraulic equilibrium between stages and reducing the energy consumption. This paper will

present the following aspects: BWRO plant description; Results of the aquifer hydrogeological

studies for the determination of saline intrusion. Conclusions and operation guidelines; Operation of

the plant, results, operational problems arising from increasing salinity and specifically from

sulphates; Description of the planned changes at the plant to allowing a possible future conversion

into an SWRO plant; O&M costs.

239

1. Introduction 1.1. Desalination for agriculture in the area

Spain suffers a serious lack of water resources which is aggravated with time and includes cyclical

drought periods. In this worrying situation the cases of general water use are prioritized for human

supply, leaving other uses of agricultural irrigation, recreational uses as golf courses, irrigation of

parks and gardens and urban services in the second place. For this reason the use of potable

water is restricted, therefore it is necessary to look for other non conventional resources (reuse,

brackish and seawater desalination). For example, in Spain the use of potable water for irrigation of

golf courses is totally forbidden. Then, in the case of Spain, farmers and other users of this water

have assumed in their production costs the price of this new water coming from desalination or

reuse installations.

From water shortage around 1995, many farmers and agricultural businessmen decided to install

desalination plants in the South East of Spain (mainly Mediterranean coastal areas) to solve the

problem of available resources. In Spain these technologies were previously used in Canary Island

but it was the first time in the mainland. We estimate that between 1995 and 2000 more than 200

desalination plants were installed for this application in this area, with typical sizes ranging between

100 and 5,000 m3 /d, with some plants treating more than 10,000 m3 /d.

Two examples of it are the Mazarron and Cuevas de Almanzora plants, with sizes of 13,500 and

25,000 m3 /d, respectively. Mazarron plant was built following a project from the owner and

although it incorporated some technical innovations as energy recovery devices (turbocharger) it

was not successful due to the increase of salinity in less than a year from 9,000 ppm of TDS (total

dissolved solids) to more than 20,000 ppm of TDS, being finally restored into a seawater

desalination plant with larger capacity. The plant at Cuevas de Almanzora (Fig. 1) is described in

this paper.

The implementation of ‘AGUA’ program from the Spanish Environment Ministry could change this

situation because large plants installed all over the Mediterranean coast could supply water for

human consumption, agriculture and services (although there is a discussion with the farmers

about the final price of water), leaving the small facilities built in recent years, some of which were

even illegal, unused or abandoned.

240

Fig.1. Cuevas de Almanzora BWRO

3.1. Description of the customer and their needs The ‘Comunidad de Regantes’(community irrigation) of Cuevas de Almanzora is an association

with agricultural producers who supply water for different clients and end users in the area of

Cuevas de Almanzora, Palomares, Villaricos and Vera, in the Almeria province, Spain

Until recent years water resources of this community came from the dam of Cuevas, which

recorded minimum levels in the last years and the contributions of water transfers from other

regions (also restricted). These allocations were insufficient meaning many farmers had to reduce

land size for their crops. Another additional problem was the increased salinity of aquifers making

groundwater useless for agricultural purposes.

In 2002 a new desalination plant began to solve the water problems of this community. The BWRO

plant was designed with some common elements for a total flow of 30,000 m3 /d, with the building,

intake and other installations ready to treat 60,000 m3 /d. Given the increasing salinity forecasts

and even the possibility of exclusive use of seawater, the plant was built with components prepared

to treat seawater including 1,200 psi pressure vessels, high pressure piping 904 L stainless steel,

etc. This makes it possible to convert existing facilities to treat seawater at a reduced cost. The

installation of RO trains (5,000 m3 /d each), train by train, recorded an increase in salinity in the

raw water. Construction stopped with 4 trains which was enough for the community needs and

maintaining a stable aquifer. In recent years another 5,000 m3 /d were added with the incorporation

of another small disused plant from a farm.

2. Description of the project 2.1. Basic Data Location: Road between Villaricos and Palomares (Almería, Spain)

Owner: “Community Irrigation” Cuevas de Almanzora.

241

Design, construction and operation: Consortium between SADYT (Valoriza, Sacyr Group) and

Talleres y Gruas Gonzalez (local civil works contractor)

Project Type: Private installation partially subsidized by local government (Junta de Andalucia)

including European Community funds and with an O&M contract for 15 years.

Technology: Reverse Osmosis Desalination Plant.

Purpose of Installation: To obtain quality water for agricultural irrigation.

Flow: 30,000 m3/day in different stages (currently in operation 25,000 m3/day)

Recovery: 65-70%

Water Quality: Brackish water underground from coastal aquifer. Conductivity between 9,000-

20,000 µS/cm (with increasing salinity)

Treated water: Contract: < 500 µS/cm

The plant was executed in a record time;

Beginning of the works: September 2002

Term of execution: 8 months (6 months to start-up the first RO train)

2.2. Plant Description

Treatment Process

1. Water Intake

By wells (6 currently), with an average depth of 20-30 m. Depth of 50 m while maintaining the water

level between 8 and 11 m.

2. Raw water tank 1,500 m3

3. Physical pre-treatment (sand filtration and cartridge filter):

- 4 low pressure pumps 350 m3/h

- 1 backwash filter pump 450 m3/h

- 4 units sand filters 3,000 mm diameter and 11,000 mm length

- 1 blower for filter backwash

- 4 units of GRP (glass reinforced polyester) cartrigde filters, with 150 cartridges of 40”

length and 5 µ selectivity

4. Chemical pre-treatment: Hydrochloric acid, Sodium hypochlorite, Sodium Bisulphite and

antiscalant. Currently only antiscalant is added.

5. Reverse omosis trains

-4 high pressure pumps 350 m3/h, 27.5 bar, with frequency variation, with 400 kW electric

motor.

242

No. of trains: 4

Unitary flow: 5,000 m3/day

Total flow: 20,000 m3/day

Additionally in the last years a small 5,000 m3/day plant was transported and installed into the RO

building increasing the total flow to 25,000 m3/day. This small plant (in 2 trains) was installed with

all the required pre-treatment (sand filters, cartridge filters, chemical dosing, etc,)

Design recovery: 65-70%

Array: (34:17) x 6

Membrane: TORAY SU-720 F (1ª stage)/SU-820 FA (2ª stage)

6. Energy recovery system

There are energy recovery devices (Turbocharger) installed to recover some of the residual energy

from brine, increasing the pressure between the first and second RO stages.

7. CIP system

With cleaning and flushing pumps 270 m3/h, cartrigde filter and 2 tanks with 20 and 50 m3,

respectively, equipped with agitation and heat resistance.

8. Electrical installation

The plant has 3 transformers with 750 KVA each one, CCM, and SCADA system for control.

9. Product water pond

Works included an open pond with 23,000 m3 capacity to store product water

10. Product water pumps

Plant includes 2 pumping stations:

- Pumping station to Cuevas de Almanzora containing 4 pumps with 290 m3/h at 18.5 bar,

which sends product water to the water pipes net for distribution of community varying the

flow and pressure depending on the needs of end users.

- A second group of pumps to send water to Palomares village, with 3 additional pumps

11. Brine discharge

The facilities include a submerged pipe for discharge of brine that joins to another brine pipe in

Pulpi (another desalination plant) and ends at 350 m of shoreline and 6.5 m deep at the mouth of

the Almanzora River.

The outflow pipe is 650 mm in diameter with horizontal injection diffuser nozzles at the point of

discharge. The point of discharge, which derived from the environmental impact study, was

decided due to the characteristics of the river Almanzora with flooding periods and without sensitive

species, not forgetting that this is a discharge of water with lower salinity than seawater at the

mouth of a river, which is an area degraded by sediment transport.

243

Fig. 2. Cuevas de Almanzora BWRO plant

For optimization of operation management, plant is fed from different wells with different flows and

salinities, depending on behaviour of each well (those are medium values);

- Well 1 : between 17.00 µS/cm and 18.00 µS/cm (practically not used)

- Well 2 : between 9.00 µS/cm and 15.00 µS/cm

- Well 3 : between 9.00 µS/cm and 15.80 µS/cm

- Well 4 : between 7.00 µS/cm and 8.60 µS/cm

- Well 5 : between 7.00 µS/cm and 8.80 µS/cm

- Well 6 : between 8.00 µS/cm and 10.00 µS/cm

2.3. Innovations 2.3.1. Plant ready to treat different water qualities

The plant was designed knowing the problem of increasing salinity in raw water, and then the

concept of it was in 2 stages:

1st stage: recovery of water from the river mouth (although the intake is from wells) avoiding the

seawater. Designed to treat water with conductivity between 7,600 – 30,000 µS/cm

2nd stage: Progressive incorporation of seawater treatment

In the lasts years the equilibrium of the system has been maintained with growing salinity although

stable, and then the transformation into a seawater RO plant was not necessary.

Solutions to operate with growing salinity

Ø RO Plant designed to work with salinity 25,000-30,000 µS/cm

Ø High pressure pumps designed in a very conservative way and with frequency variation

Ø For correct hydraulic balance between stages it was included an energy recovery turbine

(Turbocharger) and membranes are different on each stage:

Ø Membrane 1st stage: SU 720 F (brackish water)

Ø Membrane 2nd stage: SU 820 FA (seawater)

244

But if it fails, we will go to the plan B. The plant is easy to transform into a seawater plant due that

the following facts:

- 1,200 psi pressure vessels

- 904 SS pipes, Sch 80 in high pressure

- GRP and materials resistant to seawater corrosion in pre-treatment

- Carbon steel filters with rubber lining

- High pressure pump has a longer shaft that would attach to a Pelton turbine. Another

option would be changing the pumps and incorporating other energy recovery devices

- Other materials (valves, pipes, fitting, instruments, etc.) also were designed for seawater

treatment

2.3.2. Production of “a la carte” water

Quality of water supplied is different depending on the requirements of each end-user. The quality

requirements are also different depending of the irrigated crops e.g. tomatoes, lettuce, potatoes,

melon, etc., or type of user e.g. agriculture irrigation, golf course, sometimes even drinking water

for surrounding districts.

Quality of water supplied in controlled by means of an automatic blending of permeate and raw

water with the control of conductivity of each flow. The price is different too and is calculated by the

different registered qualities or demand.

2.3.3. R&D Center

Recently the plant has become a research centre for Sadyt, having installed some pilot plants to

research brine dilution, ZLD of brine by means of evaporation-crystallization, etc., operating on the

plant

2.2.4. Trasar 3-D

Due to problems in the past with increasing concentration of salinity in raw water (and especially

sulphates) and the need to control the adequate dosage of antiscalant, Nalco agreed to the

installation of a Trasar 3-D system (Fig. 3), to control accurately this dosage.

245

Fig. 3. Nalco Trasar 3-D device

2.4. Hydrogeological studies

To predict the behaviour of the aquifer regarding time and the extraction of well water for the plant,

a series of hydrogeologic studies were conducted:

• Infiltration and flows calculation (rainfall studies)

• Geologic and hydraulic environment

• Piezometric levels of groundwater, water quality and evolution with time

• List of water intakes

• Evaluation of resources

• Crops maps and water uses

• Pumping tests

These studies were completed with a campaign of geophysical exploration by means of Electrical

tomography (technology based in the analysis of electrical resistance of ground materials). 16

profiles of electrical tomography grouped in 5 lines with direction NW-SE, perpendicular to the

coast line. Each profile was 355 m length

246

Fig. 4. Electrical tomography profiles

Fig. 5. Example of profile. (red=water with low salinity, green=brackish water, blue=seawater)

There were 3 different stripes observed in the direction NE-SW parallel to the coast;

-High conductivity (close to the sea). Conductive Materials. Very salty water

- Materials predominantly conductive. Salty water

-Moderate salinity. Thick materials with brackish water in the pores. brackish water

The study determined:

- The most adequate area for well water intake and possible evolution of aquifer

- The most adequate area for future seawater intake

247

-The possibility to inject brine in the salty water area (this solution was discarded finally with the

construction of the brine pipe).

2.5. Costs

2.5.1. Investment cost

The investment of the works was as follows;

-Investment for the 1st stage of the plant: 12,182,727 €

-Subsidy of ‘Junta de Andalucía’ (local Government): 6,091,363 €

2.5.2. O&M costs

Water costs are different depending on raw water quality and product water quality required for

each user. The typical distribution of costs is shown in Table 1. Normally the costs are below 0.3

€/m3.

248

Table 1. O&M costs for 17,000 µS/cm conductivity in raw water

Concept €/year €/m3

Variable costs

Chemicals 0.048

Membrane replacement 0.020

Cartrigde filters and others 0,.004

Energy 0.127

Maintenance 0.01

Total variable cost 0.211

Fixed costs

Personnel 148,750 0.030

Fixed maintenance 16,227 0.003

Other fixed costs 19,833 0.004

Total Fixed costs 184,811 0.048

TOTAL COST 0.248

Personnel costs are very reduced in this case (as usual in desalination plants for agriculture

irrigation) because the plant is managed only with 4 people and night or weekend staffing is

avoided by means of alarms being sent to the mobile phones of O&M personnel.

3. Results

3.1. General Data

The graphs below (Figs. 6-8) show some characteristics of raw water in the last 4 years, e.g.

conductivity, chlorides and sulphates.

249

Fig. 6. Conductivity (µs/cm) of raw water

Fig. 7. Sulphates in raw water

Fig.8. Chlorides in raw water

As shown, the conductivity and chlorides in the last 4 years seem quite stable, but the sulphates

are showing different tendencies. Due to the peak of sulphates obtained in the first years of

operation was forced the temporary reduction of recovery and the change of antiscalant type.

CONDUC T IVITY

0

5000

10000

15000

20000

25000

30000

35000

40000

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

2006

2007

2008

2009

S ulphates

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

2006

2007

2008

2009

C hlorides

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

14000

16000

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

2006

2007

2008

2009

250

3.2. Problems at startup and first years

The plant started up in late May 2003 with salinity values in raw water of 9,200-9,400 µS/cm and a

sulphate concentration of 2,800 ppm. Recovery was fixed at 63% using the antiscalant

‘PermaTreat 191’.

But a progressive increase in conductivity in the raw water was found, reaching values of 10,000–

10,200 µS/cm in only one month, with a period of maximum conductivity of 12,000 µS/cm in July

2003, although this trend was stabilizing. The concentration of sulphate at this time was at values

between 3,000–3,300 ppm, which forced to a reduce recovery between 55–56%. Given the low

economic viability of this recovery, a change of dosage was decided, from the antiscalant

PermaTreat 191 to a more specific product such as PermaTreat 504, which allowed the system to

raise the conversion to values of 70%.

It also shows the evolution of sulfate with time, which reflects the rapid increase between the

months of May and August of 2003, which was moderated over time to remain stable, in the last

few months settling to 2,600 ppm. Curiously, the levels of sulphates were sometimes above the

levels of sulphates in seawater and the Chloride concentration was relatively stable. The

interpretation of this problem was that perhaps it was due to the aquifer material solution. The

graph (Fig. 9) is for the purpose of showing the trend of parameters, but it can not be interpreted

rigorously because it represents blended water values from individual wells (which have different

characteristics and location), and the operation has not always worked with all the wells and

sometimes alternating wells. Some other water parameters (pH, temperature and conductivity) can

be seen in Tables 2 and 3.

Fig 9. Sulphates in raw water 2003-2004

3.3. O&M data

Points about the main process parameters:

SULPHATES IN RAW WATER

0 200 400 600 800

1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400 2600 2800 3000 3200 3400

29/04/2003 23/07/2003 16/10/2003 09/01/2004 03/04/2004 27/06/2004 20/09/2004 14/12/2004 Data

mg/l

RAW WATER

251

Table 2. Some water parameters in 2009 (values obtained from 2 data per day)

pH raw water pH prod. Temp (ºC)

Minimum value 5.6 5.4 19

Maximum value 7.6 5.9 23

Average value 7.1 5.6 21

• Temperatures are very stable all over the year with values around 20°C

• No membranes have been replaced from the start of the project (7 years)

• Cartridge filters have been changed usually once a year

• Only antiscalant is added as chemical treatment (Permatreat 191 and Permatreat

504 in the peak periods with high sulphate concentration)

• 1 chemical membrane clean is completed per year

• No membrane replacement has been necessary during all this time

Typical operating values can be seen in Table 4

Table 3. Some water parameters in 2009 (values obtained from 2 data per day)

Cond. Raw

water Cond product

Cond.

Reject 1st

stage

Cond 1st

stage Cond 2nd stage Cond brine

(µS/cm) (µS/cm) (µS/cm) (µS/cm) (µS/cm) (µS/cm)

Minimum

value 14,400 335 20,200 143 249 23,265

Maximum

value 20,800 551 34,900 578 651 60,020

Average

value 17,369 431 30,933 399 441 44,135

252

Table 4.Typical operating values in year 2009

Pressures

P 1st

stage

(bar)

P oulet 1st

stage (bar)

P inlet 2nd

stage

P outlet 2nd

stage P outlet 2nd stage Pbackpressure

19.7 19.1 31.3 30.7 0.6 2.0

3.4. Energy consumption and energy tariffs

Energy recovery due to the turbochargers is over 30%, with a specific electrical consumption in

high pressure pumping of 0.9 kWh/m3 and 1.9 kWh/m3 in the whole plant including permeate

pumping.

Shown below (Table 5) is typical table of results, for energy recovery for a raw water conductivity of

15,000 µS/cm

Table 5. Energy recovery

Pressure (bar)

Raw water

Conductivity

(mS/cm)

Product water

conductivity

(µS/cm)

Recovered

pressure (bar)

TRAIN 1 19.0 15.00 150 9.5

TRAIN 2 18.5 15.00 145 8.5

TRAIN 3 19.0 15.00 155 8.5

TRAIN 4 18.2 15.00 180 8.0

Another very important issue in this plant is the use of special energy tariffs also with a

discontinuous operation. The plant stops automatically in peak and high-peak hours reducing the

energy costs. Unfortunately, sometimes the peak water demand is in months with more energy

peak hours so it is more difficult to manage this situation. Since the beginning of free market in the

electricity sector in Spain the cost of energy have changed both in terms of power and energy

increasing 59% in power cost and 35% in consumption cost. The rate 6.1 corresponds to our

facility; the costs set out in the regulated part of the electricity tariff for access to the free market are

listed in Table 6. Fixed energy costs are part of the regulated tariff because of this we must

increase the marketing and distribution costs with a formula such as:

253

Final Cost = Fixed cost + (Market Cost) x Passage Coefficient

Fixed cost = cost of the regulated rate indicated in table 6; Market cost = in the energy cost

published daily with a day in advance; Passage Coefficient = is a variable rate set by the trader; It

includes the benefit and cost of toll distribution.

Table 6.Tariff 6.1.

With this formula, there are two contract possibilities:

Power Term

€/kW year P1 P2 P3 P4 P5 P6 INCREASES

2008 10,092230 5,050488 3,696118 3,696118 3,696618 1,686408

2009-

January 10,092230 5,050488 3,696118 3,696118 3,696618 1,686408 0,00%

2009-July 13,119911 6,565634 4,804953 4,804953 4,804953 2,192330 30,00%

2010

January 16,268690 8,141386 5,958142 5,958142 5,958142 2,718489 24,00%

(proposed)

2010 July 17,082124 8,548455 6,256049 6,256049 6,256049 2,854414 5,00%

Consumptio

n Term

€/kWh P1 P2 P3 P4 P5 P6 INCREASES

2008 1,930500 1,693400 1,287000 0,730700 0,471900 0,429000

2009-

January 3,571400 2,963500 1,698800 0,964500 0,622900 0,429000 0,00%

2009-July 4,642800 3,852600 2,208400 1,253900 0,809800 0,557700 30,00%

2010

January 6,964200 5,201000 2,771500 1,379300 0,890800 0,557700 0,00%

(proposed)

2010 July 7,312410 5,461050 2,910075 1,448265 0,935340 0,585585 5,00%

254

• The first option is through a flat rate for each period and it is renewed annually, in which the

trading company after their market forecasts set a price that is unchangeable during the contracted

period.

• The second option is a type of Pool. In our case, it consists of the price varying by the monthly

average for each period to which using the above formula. Therefore we are not subject to a fixed

price with the advantages and disadvantages that it implies.

Since the free market in Spain came into force we had two forms of contracts. At first our method

was tied to a fixed rate contract with an average cost of 0.07–0.08 € per kWh. After analyzing the

market trends the decision to change the type of contract to the second option provided the project

with a commitment with our client that allows us to share the benefit. Since then the cost per kWh

is below 0.06 €

4. Conclusions The main conclusions obtained during this experience are indicated below:

• Desalination plants treating underground brackish water require rigorous studies of the

aquifer to test their possible temporal evolution and the impact on water extraction and exploitation.

• Aquifer studies can also determine the most appropriate for deposits, the optimal

operating system and the location of the discharge.

• The design of a facility of this type, and more so, in coastal aquifers, must be flexible and

able to respond to different situations of water quality an expected worsening.

• The desalination plant in Almeria Cuevas de Almanzora is a unique facility in many ways.

• It is a plant that is currently working with brackish water, but is ready to work with sea

water, in terms of materials, qualities and pressures (except pumps).

• Rigorous hydrogeological studies were undertaken which controlled the exploitation of the

aquifer and the extraction of water to be desalinated brackish water interface of seawater–water

distributed to different users with different requirements (produced water “on demand”).

255

11.2. TRABAJOS NO PUBLICADOS

En el presente apartado se incluyen todos aquellos trabajos realizados en la presente

línea de investigación pero que no han sido publicados en revistas científicas y por tanto

no se consideran “trabajos publicados” a efectos de esta tesis. En general se trata de

comunicaciones a congresos nacionales e internacionales, excepto un capítulo de un

libro en preparación. Para cada uno de los trabajos presentados se incluye únicamente

su abstract original (el resumen de resultados ha sido expuesto en la discusión de

resultados).

Relación de trabajos incluidos:

TRABAJOS NO PUBLICADOS:

- Zarzo, D. Beneficial uses of reverse osmosis brines. 2017. Capitulo en el Libro

Sustainable Desalination Handbook. Editorial Elsevier. En preparación.

COMUNICACIONES A CONGRESOS

- Zarzo, D. López, A., Campos, E.; Nieto, J., Macías, F., García, M., Mateos, F.

Belmonte, A. 2016. Research and Development Project for Sustainable Treatment

of Acid Mine Drainage Water. Presentado en el 5th International Congress on

Water Management in Mining. Mayo 18-20 Santiago, Chile

- Zarzo, D.; Campos, E.; Molina, F.; Terrero, P.; Cano, J.L.; Alarcon, D.; Lopez; A.I..

2016. Development of an innovative and efficient system for solar desalination

with zero liquid discharge (ZLD). Presentado en DESAL 2016, Asociacion

Latinoamericana de Desalación. Octubre 2016, Santiago de Chile

- Molina, F., Campos, E., Zarzo. D. Energy recovery and optimization in a brackish

water desalination plant with variable salinity. 2015. Presentado en el IDA

(International Desalination Association) World Congress 2015. San Diego, USA,

Sept 2015.

- Sal, R., Segura, C., Zarzo, D. 2013. Towards a near zero liquid discharge in a

solar-thermal power Industry. Presentado en el Congreso Internacional de la IDA

(International Desalination Association), Tianjin (China), Octubre 2013

- Diaz, J.I., Sanchez, J.M., Sanchez, N. , Veneros, M., Zarzo, D. 2011. Modeling of

Brine Discharges Using Both a Pilot Plant and Differential Equations. Presentado

en el IDA (International Desalination Association) World Congress on

256

Desalination and Water Reuse “Desalination; Sustainable for a Thirsty Planet”,

Sept. 2011, Perth, Western Australia

- Calzada, M., Terrero, P., Campos, E., Zarzo, D., Salcedo, R. 2016. Innovador

proceso de desalación por osmosis directa utilizando citrato de sodio como

agente extractante. Ventajas e inconvenientes. Presentado en el XI Congreso

Internacional de AEDyR, Valencia, 19-21 Octubre 2016.

257

11.2.1. BENEFICIAL USES OF REVERSE OSMOSIS BRINES

Beneficial uses of Reverse Osmosis Brines

Domingo Zarzo

Capitulo del libro: Sustainable Desalination Handbook (en preparación)

ABSTRACT

Desalination technology has been expanded worldwide in the last decades. Along with the major

advantages and benefits resulting from its use, there is still room for improving some key aspects

such as energy consumption or the reduction in environmental impacts, mainly caused by brine

discharge and management.

Brine is simply the concentrate from desalination plants with different composition (mainly inorganic

compounds and a small quantity of chemicals used in process) and concentration depending on

water source, quality and plant recovery. The search of technologies able to recover salts or

commercially profitable compounds from brines is a priority research field, along with other

applications such as energy recovery or energy production. These applications additionally

produce the positive effect of the reduction of brine volume discharged to the environment.

In this chapter, these applications will be outlined, besides to other management systems for

desalination brines. Although it will be focused on brines produced by RO plants, most of the

applications and uses mentioned could be applied for brines from other desalination processes

258

11.2.2. R&D PROJECT FOR SUSTAINABLE TREATMENT OF ACID MINE DRAINAGE WATER

R&D project for sustainable treatment of acid mine drainage water

Domingo Zarzo, Ana I. López, Elena Campos, Jose M. Nieto, Francisco Macias, Manuel J. Garcia,

Fco. Javier Mateos and Antonio Belmonte

ABSTRACT

The paper describes a research project regarding the production of water with enough quality for

irrigation or other uses from the Odiel River, Huelva (Spain). The Odiel River is polluted by different

materials from mining activities, mainly metals (iron, aluminum, copper, nickel and zinc), other

elements and inorganic compounds and the resulting drainage water has very low pH water around

3. The project has been financed by the Spanish ERDF–Innterconecta Program funds and has

involved several companies and public research centers.

The main goal of the project is to find the best and cheapest combination of active and passive

water treatment technologies in order to improve the water of the Odiel river basin to achieve the

good ecological and chemical state of water bodies in order to fulfill the requirements of the

European Union Water Framework Directive and to promote the wine and citric agriculture with a

new source of clean water as an economic alternative to the traditional activities in the area.

Several alternatives for the treatment of this type of water have been studied and compared by

different research groups, including passive treatments, active treatment and use of sludge for

sealing tailing, physical-chemical (coagulation-flocculation, precipitation) and membrane treatments

(ultrafiltration (UF) and reverse osmosis (RO), with a novel technology for solar driven RO) to get

the best quality of water for reuse. It has also been developed a model of the Odiel river basin and

its reservoirs to analyze the effect of impact on the river quality. With the technology and know-how

developed in this project we contribute to increasing competitiveness and adding value to the

mining operations reducing the impact in the environment and the cost of treating the acidic

drainage.

259

11.2.3. DEVELOPMENT OF AN INNOVATIVE AND EFFICIENT SYSTEM FOR SOLAR DESALINATION WITH ZERO LIQUID DICHARGE (ZLD).

Development of an innovative and efficient system for solar desalination with zero liquid dicharge (ZLD).

Domingo Zarzo, Elena Campos, Francisco Molina, Patricia Terrero, J.L. Cano, Diego Alarcon , Ana

I. Lopez

ABSTRACT

Freshwater scarcity is an increasing problem worldwide with economic implications and

sociopolitical relevance. Solutions based on desalination are being implemented with increasing

relevance in the areas of greatest water shortages. Desalination processes have environmental

implications that have be resolved; 1) Brine management or disposal, especially in brackish water

plants located in inland areas and 2) Energy consumption, which can indirectly contribute to climate

change if the energy source is non-renewable. Although the energy consumption of desalination

plants, in particular Reverse osmosis technology (RO), has declined markedly in recent years, it

remains being one of the main limitations.

Against this background Sadyt/Valoriza Agua have developed a new desalination process with

liquid zero discharge which takes advantage of high efficiency and ease of operation of the RO

process system, but powered with solar thermal energy, minimizing the liquid discharge, even

reaching its almost complete elimination (ZLD). The system uses low pressure steam (10 bars)

generated in a solar thermal collector plant or by any other steam generation system, using the

mechanical energy of steam to pressurize directly the water entering the osmosis membrane. The

residual low-pressure steam is used to evaporate the brine produced in the RO process by means

a vacuum evaporation system with one or more stages. The results have shown higher energy

efficiency than other conventional thermal processes.

In this article this system will be described and the results obtained with the first built prototype will

be shown.

260

11.2.4. ENERGY RECOVERY AND OPTIMIZATION IN A BRACKISH WATER DESALINATION PLANT WITH VARIABLE SALINITY

Energy recovery and optimization in a brackish water desalination plant with variable salinity

Francisco Molina, Elena Campos and Domingo Zarzo

ABSTRACT

Management of variable salinity brackish water involves many challenges for the operation of

desalination plants. Design has to be very flexible and consider aspects such as recovery,

temperature, hydraulic balance between stages, working pressure, and as a consequence, energy

consumption.

On the other hand, energy recovery systems in brackish water RO plants are not very common due

to the lower efficiency and economic feasibility working with low pressures and/or flow rates and

depending on the plant size.

Combining the two circumstances (variable salinity and energy recovery), the Cuevas de

Almanzora plant has had an efficient operation for the last 10 years, obtaining energy savings

higher than 30% and an energy consumption close to 0.9 Kw-h/m3 in high pressure and 1.9 Kw-

h/m3 including product water pumping, with salinities between 10,000 and 20,000 µs/cm.

The devices installed for energy recovery (Turbocharger©) between stages have enabled the

hydraulic balance between stages and an important energy savings, which is variable and

increases at higher water salinity.

In this paper the evolution of energy consumption and recovery over time will be analyzed for the

last 10 years of operation, as well as the management of electric tariffs which have led to reduced

water production costs. This plant produces water for different agriculture products with different

qualities and prices, depending on the required blending with raw water.

Another relevant aspect considered regarding variable salinity is the evolution of different ion

concentration in raw water (such as sulphates), which has caused problems with recovery and the

use of specific antiscalants.

It is possible that the most surprising result in this operation is the fact that any membrane

replacement has not been required in more than 10 years.

261

11.2.5. TOWARDS A NEAR ZERO LIQUID DISCHARGE IN A SOLAR-THERMAL POWER INDUSTRY

Towards a near zero liquid discharge in a solar-thermal power industry

R. Sal, C. Segura, and D. Zarzo

ABSTRACT

In recent times there has been a proliferation of solar thermal power plants, especially in countries

such as Spain where the legislation has been favourable to its implementation.

However, there are several factors that limit the viability of these projects, related to the availability

of water quality and quantity.

For this reason, in these projects is being necessary, apart from having enough water supplies,

maximum reuse and efficient water use.

In the current paper the proposed water treatment solution for a solar thermal power plant in Spain

will be described, with the maximum water reuse, using water from the concentrate of a brackish

Reverse Osmosis (BWRO) plant installed for process water, purges from cooling towers and other

effluents, through an Electrodialysis reversal (EDR), thus obtaining a high degree of global

recovery and water reuse.

Thus the overall water consumption in the installation (and therefore the provision of water supply)

has been reduced by 25-30%.

262

11.2.6. MODELLING OF BRINE DISCHARGES USING BOTH A PILOT PLANT AND DIFFERENTIAL EQUATIONS

Modelling of brine discharges using both a pilot plant and differential equations

Jesus I. Diaz, Juan Maria Sanchez, Noemi Sanchez, Marisol Veneros and Domingo Zarzo

ABSTRACT

Using Modelling Theory and Dimensional Analysis a pilot plant has been designed and built to

perform brine discharge testing. These tests have been designed to maintain both geometric

similarity and dynamic similarity between the pilot plant and a brine discharge from a seawater

reverse osmosis (SWRO) desalination plant.

We have simulated the discharge of brine in seawater as a function of several variables such as:

discharged velocity, increased fluid conductivity/concentration between discharge and ambient and

also increased density between discharge and ambient. The results obtained in the pilot plant are

compared with an actual brine discharge, the brine discharge of the Antofagasta SWRO

desalination plant, known as “La Chimba” desalination plant.

Additionally, water solutions discharges with ionized salts and therefore conductivity and dye

discharge (water with suspended solids) have been tested.

Among other results, the plume discharge dynamics and shape of the variety of performed testing

have been described.

Finally, we will present a mathematical model given by a system of nonlinear partial differential

equations, starting with the Navier-Stokes equations of Fluid Mechanics.

263

11.2.7. INNOVADOR PROCESO DE DESALACIÓN POR OSMOSIS DIRECTA UTILIZANDO CITRATO DE SODIO COMO AGENTE EXTRACTANTE. VENTAJAS E INCONVENIENTES.

Innovador proceso de desalación por osmosis directa utilizando citrato de sodio como agente extractante. Ventajas e inconvenientes.

Calzada, Mercedes; Campos, Elena; Terrero, Patricia; Zarzo, Domingo; Ruiz Beviá, Francisco;

Salcedo, Raquel; García, Pedro y García, Miriam

RESUMEN

En la actualidad y debido a la cada vez más creciente escasez de agua, que afecta no solamente

a países subdesarrollados o en vías de desarrollo sino también a países con un elevado nivel de

desarrollo, se está recurriendo a la obtención de agua mediante la desalación de aguas salobres y

de agua del mar (más de un 90% del agua existente en el planeta) a pesar de que estos procesos

conllevan un consumo energético importante, y una eficiencia energética limitada.

El proceso más frecuentemente utilizado para la desalación es la Ósmosis Inversa OI, proceso del

cual se obtiene agua con baja concentración de sales (agua dulce), pero conlleva un consumo

energético importante. En esta investigación hemos estudiado la osmosis directa OD, como una

posible alternativa que minimice el consumo energético utilizando citrato de sodio como agente

extractante, debido a que esta sustancia es un aditivo regulado muy utilizado en la industria

alimenticia, farmacéutica y química.

La investigación fue realizada a escala de laboratorio con agua salobre de pozo de la desaladora

de Cuevas de Almanzora, Almería. Se realizó una primera etapa de OD utilizando citrato de sodio

a una concentración de 40 g/L para unos resultados de flujo específico de 7,0 L/m2h y una

retención del 98%. En la segunda etapa de NF se diluyó la corriente hasta unos 20 g/L, con una

presión de 7 bar y 26 L/m2/h de flujo específico, todo ello con una retención de más de 99%.

A efectos comparativos, para estudiar la viabilidad del proceso, hemos realizado los

correspondientes balances de materia y energía para su extrapolación y comparación con un

proceso de osmosis inversa convencional de similares capacidades.

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12. CONCLUSIONES La desalación se ha convertido en los últimos años en uno de los recursos de agua no convencionales más importante, suministrando agua de calidad y en cantidad suficiente para consumo de millones de personas en todo el mundo y para usos industriales y agrícolas.

Junto a las grandes ventajas de la desalación hay aspectos que son mejorables como el consumo energético (que supone el mayor componente del coste de producción de agua) y el impacto ambiental generado por el vertido o gestión de las salmueras.

Las salmueras son las corrientes de rechazo de los sistemas de desalación cuyas características dependen de las del agua de aporte y su factor de concentración, junto con los productos químicos utilizados en el proceso y que éstas pudieran contener.

Las salmueras procedentes de desaladoras de agua de mar no generan graves problemas en su gestión, por ser en general vertidas al mar con estudios de impacto ambiental previos y un posterior seguimiento ambiental.

La gestión de salmueras de desaladoras de agua salobre en interior representa a menudo un grave problema debido a que todavía no existe una solución universal que sea técnica y económicamente viable.

Los proyectos de investigación presentados en esta tesis y que han dado lugar a los artículos y presentaciones que forman parte de la misma, cubren la mayor parte de las alternativas posibles para la gestión de salmueras, desde la caracterización de las mismas y las sales que contienen, modelización de su vertido, posibles aplicaciones de las sales y su valorización, uso de tecnologías emergentes, uso de salmueras para aprovechamiento de energía residual, etc.

Los trabajos de investigación descritos en esta tesis han contribuido al incremento del conocimiento en esta área de investigación, han suministrado procesos nuevos por medio de patentes y contribuido a la formación de personal investigador, contando con numerosos centros de investigación nacionales e internacionales.

Dado que aún no se dispone de un sistema de gestión y tratamiento universal para las salmueras de desalación, que sea técnica y económicamente viable y sostenible ambientalmente, todavía queda un importante campo de la investigación en el que pueden jugar un papel importante las tecnologías emergentes y el uso de las energías renovables.