Un modelo para el tratamiento ZLD de purgas de torres de enfriamiento, incluso las más grandes

Los valiosos suministros de agua se contaminan fácilmente con agua salada, pero eliminar la sal no lo es. Como se muestra en la Figura 1, la sal proviene de diversas fuentes. Comprender la fuente en una cuenca sienta las bases para el manejo de la salinidad. A menudo existen mejores prácticas de gestión que pueden reducir la carga de sal, por lo que se puede reducir la intensidad del tratamiento.

1. Carga de sal en la cuenca. Cortesía: Garver EE. UU.

Las torres de enfriamiento (CT) de las plantas de energía son a veces un importante contribuyente de sal a las cuencas hidrográficas debido a la purga de CT. Muchos sistemas de enfriamiento industriales y comerciales utilizan CT por evaporación, especialmente en regiones áridas donde el enfriamiento por evaporación tiene la mayor eficiencia de enfriamiento y el suministro de agua es escaso. Según el Estudio de Salinidad de Arizona Central, las encuestas realizadas por el Departamento de Conservación de Agua de la Ciudad de Phoenix indican que los fabricantes utilizan entre el 25% y el 50% de su consumo total de agua para refrigeración.

Las torres de enfriamiento generalmente funcionan entre tres y cuatro ciclos de concentración (COC), que es la cantidad de veces que se puede reciclar el agua antes de causar problemas operativos con incrustaciones. Por lo tanto, la concentración de sólidos disueltos totales (TDS) que ingresan al alcantarillado desde la purga es de tres a cuatro veces mayor que el nivel de salinidad del agua de origen.

Al ver cuán crítica es la gestión de purga de CT para la salud de las cuencas, especialmente en la era de la reutilización potable directa e indirecta, Garver vio esto como una oportunidad de investigación perfecta. En 2019, la oficina de Garver en Denver propuso investigar un tren de proceso innovador para recuperar la purga salina de CT comerciales e industriales bajo la financiación de investigación de desalinización Pitch-to-Pilot (P2P) de la Oficina de Reclamación de EE. UU. (BOR).

Garver fue uno de los siete equipos a los que se les concedió parte de la subvención P2P de 1,5 millones de dólares en noviembre de 2019 destinada a investigar tecnologías disruptivas de desalinización que consumieran menos energía que la que se ofrecía en el mercado en ese momento. Garver se asoció con varias entidades que desempeñaron un papel importante en el éxito del proyecto, como Red Rocks Community College (RRCC), el Dr. Mike Mickley y otros socios de la industria. En conjunto, esos socios donaron más de $480 000 en equipos, instrumentación y mano de obra en especie para este proyecto de investigación de $200 000.

Las pruebas piloto concluyeron a finales de noviembre de 2021 y se envió un borrador del informe al BOR en junio de 2022. Actualmente, el informe todavía se encuentra en estado de revisión; sin embargo, el remolque P2P ha estado funcionando en análisis de modo de falla (FMA) durante más de un año y medio. Los resultados de FMA se presentarán al final de este artículo.

Garver propuso investigar un tren de proceso de tratamiento de concentrado de electrocoagulación (EC), clarificación (CLAR), microfiltración (MF) y ósmosis inversa (RO) de 1,5 galones por minuto con electrodestilación asistida al vacío (VAED) para recuperar la purga salina CT en una configuración de descarga cero de líquido (ZLD), evitando que las aguas residuales de alta salinidad ingresen al cobertizo de alcantarillado. La Figura 2 muestra un esquema de flujo del proceso del tren de tratamiento y cómo se integró en el sistema CT existente.

2. Diagrama de flujo del proceso de Garver para el sistema probado en Red Rocks Community College (RRCC) en Lakewood, Colorado. Nota: NaOCl = hipoclorito de sodio, EC = electrocoagulación, CLAR = clarificación, MF = microfiltración, RO = ósmosis inversa, VAED = electrodestilación asistida al vacío, O/F = desbordamiento, M = medidor, EDAR = aguas residuales planta de tratamiento, UF = ultrafiltración, y TDS = sólidos disueltos totales. Cortesía: Garver EE. UU.

Se analizó la calidad del agua del permeado y el destilado tratados para determinar si se podría reutilizar como agua de dilución de reposición CT para equilibrar la química del agua. Se evaluó la suspensión de sal del sistema VAED para ver si era lo suficientemente pura como para usarla como materia prima para la generación de hipoclorito de sodio in situ para usar en el CT y promover una economía circular.

El objetivo de este proyecto fue demostrar que un sistema de tratamiento de concentrado EC/CLAR/MF/RO con VAED podría ser eficaz en el tratamiento de la purga CT comercial con alto contenido de TDS del sistema de enfriamiento evaporativo de 600 toneladas ubicado en el edificio principal del campus de RRCC en Lakewood. Colorado. El RRCC CT operó en tres o cuatro ciclos de concentración.

Como se muestra en la Figura 2, el propósito de la EC es precipitar los componentes en la purga del CT que podrían ensuciar el CT y las membranas de RO utilizadas para tratar la purga (consulte la Tabla 1 para obtener una lista de estos componentes principales). EC es un método alternativo para agregar un coagulante metálico sin agregar un contraión de sal mediante el uso de electrodos metálicos y de corriente continua.

Tabla 1. Datos de calidad del agua. Cortesía: Garver EE. UU.

Bajo una corriente continua, el ánodo metálico se disuelve en el agua, añadiendo el coagulante metálico al agua mientras se genera hidróxido en el cátodo. Se forma un flóculo de “barrido” de hidróxido férrico o hidróxido de aluminio dependiendo de las hojas que se utilicen. El sistema MF pulió el pin-floc del sobrenadante de EC que no se depositó en el clarificador y que de otro modo ensuciaría el RO. Por diseño, si el tren de pretratamiento fuera eficaz para eliminar las incrustaciones comunes antes de la OI, la OI funcionaría con un flujo específico (galones/pie2/día [gfd]/psi) y recuperaciones más altos sin dañar las membranas.

El concentrado del RO se envió a un tanque de retención donde el sistema VAED trataría los 2200 miligramos por litro (mg/L) a 4100 mg/L de TDS en lotes de ocho galones. El sistema VAED es un proceso de destilación patentado para el tratamiento de salmuera gastada de ablandadores de agua que combina EC de corriente alterna y destilación al vacío en un proceso unitario. Lanza agua con alto contenido de TDS y condensa el vapor en un condensado con bajo contenido de TDS, dejando una suspensión de sal con un 80 % (en peso). Se realizaron modificaciones al sistema VAED de tratamiento de salmuera gastada del ablandador de agua, donado por Salt Miner LLC, para acomodar de 3 a 5 galones por hora (gph) de concentrado del RO. La unidad estándar tiene un tamaño para 1 gph de salmuera gastada del descalcificador que puede exceder los 120 000 mg/L TDS.

Se instalaron monitores de calidad de energía de Rockwell Automation en cada componente del tren de proceso para leer kW y kWh. Se instalaron medidores pico-mag de Endress Hauser y analizadores de calidad del agua en línea durante todo el proceso para determinar las tendencias del flujo total, el flujo instantáneo, la conductividad, el pH, el potencial de reducción de oxidación (ORP) y la temperatura. En conjunto, esta instrumentación permitió al equipo determinar la tendencia de los kWh consumidos por cada 1000 galones (kgal) tratados y la eficacia del tratamiento en tiempo real.

A lo largo de las pruebas de campo, se ajustaron parámetros en el tren de proceso EC, como el tiempo de residencia hidráulica (HRT), el material del electrodo, la configuración de salto del electrodo, la densidad de amperaje, la química del pretratamiento para el pH y el tamaño de eliminación de micrones de filtración aguas abajo. El flujo de permeado y la permeabilidad de la OI se cuestionaron en función de las diversas configuraciones de EC y del hecho de que la OI de tres etapas solo tenía un elemento de 29 pies cuadrados en cada etapa debido a limitaciones presupuestarias. Por lo general, una RO de tres etapas tiene múltiples elementos en la primera etapa y su número disminuye a medida que aumenta la cantidad de etapas. Durante las pruebas se realizaron ajustes en la configuración de los electrodos, la densidad de amperaje, la resiembra de la suspensión salina y la energía de condensación en el sistema VAED.

Como se muestra en la Tabla 1, el tren de tratamiento principal cumplió consistentemente los objetivos de calidad del agua y resultó en una alta eficacia de eliminación de TDS sin ensuciar las membranas de ósmosis inversa. El tren de tratamiento principal funcionó de tres a cinco horas al día durante tres días a la semana entre agosto de 2021 y diciembre de 2022. Después de cada ejecución de OI, las membranas se lavaron con ocho a 10 galones (<1 % del flujo procesado) de 10 mg. /L de permeado de TDS hasta que la conductividad del concentrado estuviera dentro del 20 % de la conductividad del flujo de alimentación del permeado.

Dado que VAED utiliza calentamiento óhmico para calentar la salmuera, cuanto mayor sea la conductividad, más rápido se calienta. Para que el sistema VAED donado funcionara con la configuración de electrodos existente en el concentrado con bajo contenido de TDS (a diferencia de la salmuera gastada del descalcificador de agua de mayor concentración para la que fue diseñado originalmente), necesitaba la adición de sal gema para sacar el TDS de lo que estaba saliendo de la tercera etapa como concentrado a aproximadamente 56.000 mg/L TDS. De lo contrario, llevaría mucho más tiempo reciclar la sal para permitir que el proceso de electrodestilación se lleve a cabo de manera eficiente.

A través de las pruebas se obtuvieron los siguientes hallazgos:

Después de que se realizó la última prueba en el tráiler P2P a fines de noviembre de 2021, el sistema se puso en análisis de modo de falla (FMA). El sistema permaneció estático desde diciembre de 2022 hasta principios de marzo de 2022 sin realizar las rutinas estándar de decapado por ósmosis inversa. Después de realizar solo un enjuague de permeado de 20 galones, el flujo específico del sistema se recuperó a su valor inicial bajo la configuración estándar sin ningún tratamiento previo químico, solo EC + CLAR + MF.

Las pruebas posteriores de FMA desafiaron aún más el tren de proceso al operar en modo por lotes donde el concentrado se reciclaba en una configuración patentada. En este modo, la recuperación pasó de aproximadamente 54 % a 97 % sin contaminación, necesidad de pretratamiento químico o necesidad de enjuagues de permeado. Posteriormente, durante la FMA, el remolque solo se operó un promedio de una vez al mes, sin la implementación de mantenimiento de tiempo de inactividad sugerido para el sistema EC, MF y RO. Esta alta recuperación permitió que el tren de proceso cerrara el circuito ZLD con la adición del sistema VAED.

Se logró la prueba del tren de tratamiento de concentrado EC/CLAR/MF/RO con VAED. La EC fue un mecanismo alternativo exitoso para la precipitación de incrustaciones y creó una calidad de agua ideal para las membranas de ósmosis inversa sin el uso de antiincrustantes ni depresión del pH. Durante el pilotaje y el FMA, no se notó contaminación de RO ya que el flujo específico se recuperó constantemente.

Se debe considerar la automatización del remolque piloto en pruebas futuras para permitir operaciones continuas. Aunque la CE y el VAED tuvieron un buen desempeño, sería beneficioso realizar más investigaciones detrás de los mecanismos de eliminación y optimizar las restricciones de diseño a gran escala, los costos de capital y los costos operativos para el avance de esta tecnología como una solución comercializada para gestionar la carga de sal.

El Dr. Peter Fiske, director ejecutivo de la Alianza Nacional para la Innovación del Agua (NAWI), dijo: “Esta demostración es una excelente oportunidad para ver el tipo de sistema de desalinización distribuido a pequeña escala que NAWI busca desarrollar y avanzar tanto con su programa piloto y nuestra línea de base y hoja de ruta generales”.

—Eric Dole, PE es el líder de prácticas de agua y energía del equipo de agua de Garver USA.

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