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Mar 10, 2023

Factores de éxito de ZLD

La industria energética, así como la de petróleo y gas, química, petroquímica, minería y

La industria energética, así como la industria del petróleo y el gas, la química, la petroquímica, la minería y otras industrias generan grandes volúmenes de aguas residuales que deben gestionarse.

Por Daniel Bjorklund

La industria energética, así como la industria del petróleo y el gas, la química, la petroquímica, la minería y otras industrias generan grandes volúmenes de aguas residuales que deben gestionarse. Por lo general, estas aguas residuales se descargan a través de un emisario de la planta a un cuerpo de agua superficial, un estanque de evaporación o, en algunos casos, se inyectan en pozos profundos. Sin embargo, existen crecientes preocupaciones ambientales con respecto a tales prácticas de descarga, lo que ha resultado en el desarrollo de procesos de Descarga Cero de Líquidos (ZLD).

ZLD se puede definir en términos generales como un proceso para la recuperación máxima de agua de una fuente de aguas residuales que, de lo contrario, se descargaría. Esta agua se reutiliza beneficiosamente y las sales y otros sólidos contenidos en las aguas residuales se producen y generalmente se eliminan en un vertedero.

Los impulsores de ZLD incluyen una creciente preocupación del público sobre el impacto de tales descargas en el medio ambiente, y en muchas áreas del mundo, el agua es un recurso escaso. Tal preocupación está dando como resultado una mayor regulación y limitación de las descargas de aguas residuales. Incluso sin un impulso regulatorio, muchas empresas en diversas industrias exigen iniciativas para reducir la descarga de agua mediante la reutilización reciclada, así como ZLD, para reducir su huella ambiental y mejorar la sostenibilidad.

La descarga de líquido cero se puede lograr de varias maneras. No existe una solución "única para todos", ya que el diseño óptimo del sistema es específico del sitio. La composición de las aguas residuales, las diversas corrientes a tratar, los costos operativos específicos del sitio, la disponibilidad de espacio y otros factores son factores determinantes para un diseño óptimo. Este artículo proporciona una breve introducción a varias configuraciones típicas de ZLD y se centra en los factores que son críticos para el diseño y la operación exitosos de un sistema ZLD.

Los objetivos del sistema para un sistema ZLD son eliminar una descarga de aguas residuales líquidas, generar sólidos para su eliminación o reutilización en vertederos, y reciclar agua de alta calidad que se pueda reutilizar de manera beneficiosa. Los objetivos de diseño son minimizar la inversión de capital y el costo operativo del sistema, sin afectar significativamente la mano de obra requerida para la operación. Además, el sistema debe diseñarse con flexibilidad operativa para satisfacer las necesidades de las instalaciones y ser seguro y confiable.

Se necesita una consideración cuidadosa de la química de las aguas residuales para el diseño y la operación exitosos de un sistema ZLD. A veces, el diseñador de ZLD dispone de experiencia previa con una química del agua similar. Cuando se carece de experiencia, se puede aplicar un software patentado de modelado de química del agua para comprender los límites de solubilidad de varias especies a medida que el agua se concentra en una salmuera con alto contenido de TDS. Dicho software también es útil para estimar el consumo químico de varios productos químicos que pueden usarse en el proceso ZLD para acondicionamiento y control de pH. Si hay agua disponible, los estudios de laboratorio también pueden ser útiles para validar el modelo químico; donde el agua puede no estar disponible, a veces se pueden usar análogos sintéticos. Una base sólida de diseño de la química del agua es clave para el éxito del diseño de ZLD.

En un sistema ZLD, el agua residual que se procesa se concentra hasta los límites de solubilidad de las sales disueltas. Cuando se exceden los límites de solubilidad, las sales cristalizan y luego se pueden recolectar usando un medio apropiado. Las químicas de salmuera en las que los cationes monovalentes, como el sodio, se equilibran con sulfato y cloruro, generalmente están limitadas a un TDS máximo de menos del 30 % y una concentración de cloruro (factor importante en la selección de la metalurgia) de menos de 170 000 ppm.

Los cationes divalentes como el calcio y el magnesio son la principal preocupación para el diseño de un sistema ZLD. Las altas concentraciones de calcio y magnesio pueden conducir a la concentración de especies altamente solubles como el cloruro de calcio y el cloruro de magnesio. Las altas concentraciones de estos cationes divalentes pueden contribuir significativamente al aumento de la elevación del punto de ebullición. A medida que las salmueras de aguas residuales se concentran, la temperatura de ebullición aumenta por encima de la del agua pura debido a una propiedad física de la solución conocida como elevación del punto de ebullición (BPE). El diseño de un evaporador requiere un conocimiento preciso de la elevación del punto de ebullición. Además, las altas concentraciones de estos cationes divalentes pueden resultar en altas concentraciones de iones de cloruro y conducir a una metalurgia más costosa.

El calcio generalmente es escasamente soluble debido a la presencia de cationes de alcalinidad y sulfato y se debe considerar adecuadamente para evitar la formación de incrustaciones en un sistema de membrana de preconcentración, así como en los evaporadores de concentración de salmuera (concentrador de salmuera). Los preconcentradores de membrana generalmente se basan en suavizantes y antiincrustantes para controlar la formación de incrustaciones. Los concentradores de salmuera están diseñados con control de incrustaciones de lodos sembrados. Mediante el uso de concentradores de salmuera con control de incrustaciones de lechada sembrada, la incrustación se retarda al mantener una concentración adecuada de modo que se mantenga una alta proporción de área de superficie de cristal.

Por lo general, los cristalizadores de circulación forzada reciben la purga de los sistemas de membranas de preconcentración o concentradores de salmuera corriente arriba. Los cristalizadores están diseñados para gestionar la precipitación de especies altamente solubles como el cloruro de sodio y el sulfato de sodio, así como sales poco solubles como el sulfato de calcio. Las altas concentraciones de sodio en relación con los cationes divalentes son beneficiosas para controlar la concentración de cloruro.

La sílice está presente en concentraciones variables en las fuentes de agua naturales. La solubilidad es muy limitada a pH casi neutro; sin embargo, la solubilidad aumenta mucho si se aumenta el pH. Si se permite que precipite sin control, la sílice puede escalar los sistemas de membranas de preconcentración y la superficie de transferencia de calor de los evaporadores. Estas incrustaciones son difíciles de eliminar mediante limpieza química y, por lo tanto, deben evitarse y considerarse en el diseño del sistema.

El amoníaco, cuando esté presente, se volatilizará en un sistema evaporador y se repartirá entre el destilado y la ventilación atmosférica. A medida que el amoníaco se volatiliza, el pH del sistema puede disminuir y es posible que se necesite una solución cáustica para controlar el pH del sistema. Si hay amoníaco presente, es posible que se requieran controles adicionales en el respiradero según la concentración del respiradero para evitar un peligro para la salud, una violación del permiso de aire o un olor molesto.

Los sistemas de evaporación generalmente son más costosos en capital y operación que los sistemas de membrana, siendo los cristalizadores los más costosos. Por esa razón, y cuando sea posible, los sistemas de membrana se pueden utilizar para reducir el capital y el costo operativo del sistema de evaporación.

Los sistemas de membrana convencionales pueden concentrar hasta 2 a 3 por ciento de TDS, los sistemas de alta recuperación especialmente diseñados pueden concentrar hasta 6 a 8 por ciento en algunas aplicaciones. Dependiendo de la composición del agua residual, la preconcentración mediante un sistema de membrana puede reducir drásticamente el requisito de dimensionamiento del sistema de evaporación de fondo y, por lo tanto, el capital y el costo operativo del sistema. Por ejemplo, si un agua residual con una concentración de TDS de alimentación de 5000 se concentra utilizando un sistema de membrana de alta recuperación, el requisito de trabajo del sistema de evaporación puede reducirse entre un 90 y un 95 por ciento. Tenga en cuenta que para alcanzar altas recuperaciones en un sistema de membrana de aguas residuales, a menudo se requiere un pretratamiento adecuado, como el ablandamiento y el ajuste del pH.

Los concentradores de salmuera de película descendente de tubo vertical se utilizan generalmente para concentrar soluciones de salmuera con un contenido total de sólidos disueltos (TDS) más bajo hasta un 12 por ciento hasta un 25 por ciento de sólidos totales y se utilizan para minimizar la capacidad de diseño de un cristalizador de circulación forzada aguas abajo. Los concentradores de salmuera están diseñados específicamente para gestionar la incrustación de sales divalentes poco solubles, como el sulfato de calcio y el carbonato de calcio, así como la sílice que también suele estar presente. Los cristalizadores de circulación forzada generalmente se usan para concentrar la purga de salmuera del equipo de concentración aguas arriba, aunque los pequeños flujos de aguas residuales a veces se tratan directamente con un cristalizador de circulación forzada. Tales aplicaciones generalmente involucran flujos de aguas residuales de menos de 20 a 30 gpm. Los cristalizadores están diseñados para gestionar la cristalización de todas las sales, las sales de sodio poco solubles y las altamente solubles, como el cloruro de sodio y el sulfato de sodio, sin incrustaciones ni frecuencias de limpieza excesivas. Esta solidez se produce a expensas de un mayor consumo de energía específico y un mayor costo de capital específico.

Los sólidos generados por un cristalizador de circulación forzada generalmente se recolectan y deshidratan mediante un filtro de correa de indexación o una centrífuga. En tal caso, los sólidos se recolectan y, por lo general, se depositan en un vertedero convencional, siempre que los desechos pasen las pruebas del Procedimiento de lixiviación característico de toxicidad (TCLP). Sin embargo, en algunas aplicaciones que involucran equipos ZLD, la salmuera altamente concentrada se descarga a un estanque de evaporación. Tal configuración reduce la huella del estanque de evaporación y el trabajo y el gasto de operar el equipo de deshidratación.

Experiencia Relevante del Proveedor ZLD. Los sistemas ZLD deben diseñarse a la medida en función de la química del agua residual y el flujo de agua residual que se va a tratar. El diseño del sistema ZLD es propiedad intelectual del proveedor del sistema y generalmente no está disponible en libros de texto, revistas o Wikipedia. Una implementación exitosa de un sistema ZLD requiere que el proveedor pueda demostrar una experiencia exitosa relevante. Igual de importante en el suministro del equipo es el soporte que el proveedor brinda después de que el sistema se pone en marcha. El proveedor de ZLD debe tener una organización sólida para brindar dicho apoyo y poder demostrarlo.

Bases de diseño de química de aguas residuales. No existen "soluciones únicas para todos". Es fundamental establecer una base de diseño de la química de las aguas residuales que sea representativa de las condiciones medias, así como de las condiciones mínimas y, lo que es más importante, de las máximas. Se debe tener cuidado de no ser demasiado severo al aplicar el margen a los productos químicos de diseño, ya que tal práctica puede no lograr el resultado deseado. Es mejor estimar la química esperada y discutir las implicaciones de las desviaciones con el proveedor del sistema ZLD.

Metalurgia. La metalurgia juega un papel importante en el costo de capital de un sistema ZLD. Se requieren aleaciones que proporcionen resistencia a la corrosión a las salmueras altamente concentradas. Hay opciones disponibles que permiten la optimización de costos sin sacrificar la vida útil de la planta.

Margen de diseño conservador. El sistema ZLD es el "final de la tubería" en la mayoría de las plantas; todo lo que se haya lavado en un sumidero de desechos se concentra en el sistema ZLD. La experiencia demuestra que la química real de las aguas residuales se desviará de la química de diseño.

Una vez que los problemas operativos se hayan diseñado correctamente, el equipo operativo de la planta puede manejarlos trabajando con un proveedor de sistemas ZLD que haya demostrado experiencia en la operación de instalaciones similares.

Autor:

Daniel Bjorklund es vicepresidente de Aquatech International, líder mundial en tecnología de purificación de agua para mercados industriales y de infraestructura.