Tratamento da salmoura (ZLD)
A salmoura é uma corrente líquida com salinidade superior e é produzida em diversos processos industriais. Durante muito tempo era identificada como um resíduo. A temperatura da salmoura pode variar bastante dependendo da sua fonte.
As fontes de salmoura incuem:
- Dessalinização
- Processos de mineração
Num processo de dessalinização existem duas correntes de saída, do produto e um do subproduto. O produto, chamado por permeado, é água pura com alguns sólidos dissolvidos que atravessaram o processo, este conjunto é representa a água doce produzida. A salmoura é um subproduto sob a forma de uma correte líquida com concentrações elevadas de todos os sólidos dissolvidos da alimentação e alguns aditivos do tratamento prévio (quantidades residuais de coagulantes, floculantes e anti incrustantes), matéria orgânica, micróbios e qualquer outro tipo de partículas rejeitadas pelas membranas RO.
Tem-se verificado um aumento na procura de água de boa qualidade, quer para indústria quer para o consumo humano. Com a diminuição dos recursos de água doce, o crescimento demográfico e os novos avanços na tecnologia da dessalinização, os fornecedores de água começaram por optar pelo tratamento de água salgada (BW) e água do mar (SW), de forma a conseguirem dar resposta à procura.
Em 2007 a água produzida através de processos de dessalinização aumentou para 47.6 Mm3/d e em 2015 para o dobro, 97.5 Mm3/d, e ainda, 45% desta produção são no Médio Oriente. Na verdade 70% das centrais de dessalinização após 2000 eram de processos de membranas. O que leva atualmente a osmose inversa (RO) a um total de 63% das operações de dessalinização, os sistemas de Multi Stage Flash (MSF) a 23% e destilação de efeito múltiplo (Multi Effect Distillation- MED) a 8%, sendo as restantes operações por Eletrodiálise (ED), Eletrodiálise Inversa (EDR) e híbridos. A osmose inversa de água do mar (SWRO) permite obter uma concentração de sais 2 vezes superior e o MSF 1.5 vezes superior. A salmoura produzida por estes processos, também denominada por concentrado, é essencialmente composto por uma elevada concentração de Cloreto de Sódio (NaCl) e diversos outros sais dependendo do tratamento prévio e da natureza da água fornecida (Cálcio, Magnésio, Bicarbonatos, etc.).
Fig.1, Insústria de dessalinização por tecnologia, utilizadores, custo e custo dos componentes (assumindo um custo de eletricidade de $0.05/kWh e de petróleo de $60/bbl), de “Desalination and sustainability - An appraisal and current perspective, Veera Gnaneswar Gude, Water Research 89 (2016)”
Salmoura é um termo muito vago na indústria da água. Devido às limitações de resistência à pressão por parte das membranas, a osmose inversa apenas permite concentrar correntes de salmoura até cerca de 70,000 ppm (mg/L) de total de sólidos dissolvidos (Total Dissolved Solids- TDS). Neste texto é considerado como salmoura qualquer corrente com concentração de 65,000-85,000 ppm não sendo possível maior concentração por sistemas de osmose inversa de água do mar.
O depósito final da salmoura pode ser um pouco problemático visto que:
- Aumenta a salinidade dos meios aquáticos que a recebem
- Tem impacto sobre a vida marinha local
- Pode conter químicos do pré-tratamento e de limpeza das membranas
- Pode conter metais da corrosão dos sistemas (Cu, Fe, Ni, Mo, Cr)
- Tem um impacto estético (colorização)
- Pode ter efeitos sobre aquíferos próximos devido a fugas nas tubagens da salmoura
- Cria danos permanentes devido às obras envolventes das infraestruturas de descarga
A salmoura é diretamente descartada, mas devido a uma regulamentação governamental cada vez mais rigorosa, os métodos de gestão convencional da salmoura podem deixar de ser uma opção viável num futuro próximo.
A quantidade de salmoura produzida depende da capacidade de produção da central e a sua taxa de rendimento. A taxa de rendimento é expressa em percentagem (%) de água doce produzida por unidade de fluxo de entrada de água de alimentação no sistema. Os sistemas BWRO têm taxas de rendimento entre 50% e 90% e os sistemas SWRO têm entre 30% e 55%. Um maior rendimento leva a um menor volume de concentrado com salinidade elevada, e vice-versa. O volume de salmoura produzido numa estação de dessalinização pode ser calculado da seguinte forma:
Vb = Vp x (1-R)/R (1)
onde,
- Vp = volume de permeado
- Vb = volume de salmoura
- R = taxa de rendimento do sistema (%)
A qualidade da salmoura depende de:
- A composição da água da alimentação e a sua salinidade
- A rejeição de sal das membranas de dessalinização
- O rendimento total
O fator de concentração em sistemas BWRO costuma ser entre 4 e 10, enquanto em sistemas SWRO costuma ser de 1.5 a 2.0 vezes. O TDS da salmoura (TDSb) depende da concentração da água de alimentação e do permeado (TDSf and TDSp) e do rendimento da central (Y),
TDSb = TDSf x 1/(1-R) x (RxTDSp)/(100x(1-Y)) (2)
A concentração pode ser calculada como
CF(%) = 1/(1-R) (3)
Quando é sabida a passagem de sal na membrana (SP), CF pode ser calculada como
CF(%) = [1 – (R x SP)]/(1-R) (4)
onde
SP (%) = 1 - % salt rejection = permeate TDS (TDSp)/feed TDS (TDSf) (5)
A CF do sal é essencialmente limitada pela pressão osmótica cada vez mais elevada da salmoura (πbrine). Para sistemas SWRO, este limite é de aprox. 65,000 a 85,000 mg/L. Valores ótimos de rendimento para sistemas SWRO de uma só passagem estão entre os 40% e 45%, sendo que o CF varia entre 1.5 a 1.8. Em comparação, sistemas de BWRO têm taxas de rendimento entre 70 e 90% e fatores de concentração entre 4 e 10.
Dependendo da qualidade da água de alimentação, podemos utilizar os seguintes princípios para prever a qualidade da salmoura:
- O ph da salmoura é mais elevado do que a água de alimentação por ser mais alcalina
- As membranas RO rejeitam metais pesados num rácio similar ao cálcio e magnésio
- Grande parte da matéria orgânica é rejeitada em ≥ 95% (exceto para aquela que tem um baixo peso molecular (MW))
- Salmoura de sistemas de BWRO para água de lençóis freáticos (groundwater GW), pode ser anaeróbica e conter sulfitos de hidrogénio (H2S)
Quando um processo de tratamento prévio é incluído no procedimento, a água de alimentação para o sistema de osmose inversa terá níveis mais reduzidos de certos constituintes tais como metais dissolvidos, microrganismos e outras partículas, e terá concentrações um pouco mais elevadas de iões inorgânicos tais como sulfatos, cloretos e ferro, se forem utilizados coagulantes.
A salmoura pode ainda conter matéria orgânica residual da água da alimentação, condicionando com polímeros e anti incrustantes.
A salmoura gerada é pouco turva (habitualmente < 2 NTU), tem poucos sólidos suspensos (TSS) e baixa demanda bioquímica de oxigénio (BOD habitualmente < 5 mg/L), visto que grande parte das substâncias têm de ser removidas no tratamento prévio devido à sensibilidade da membrana.
No entanto, se os fluxos laterais do tratamento prévio forem misturados e descarregados juntos com a salmoura, a mistura será mais turva, com mais TSS e ocasionalmente BOD.
Ácidos e inibidores de incrustações adicionados à água de alimentação são rejeitados pela membrana SWRO e também afetam o conteúdo mineral e qualidade da salmoura. As concentrações de inibidores de incrustações costumam ser < 20 mg/L.
Salmoura é também produzida na indústria mineira, tai como extração de petróleo e gás. Grande quantidade de água é bombeada para o solo de forma a extrair minerais. Por exemplo de acordo com o instituto American Petroleum Institute, nas operações de mineração de petróleo estima-se que durante a extração, nove barris de água são recuperados por cada barril de petróleo extraído. A salmoura da mineração contém muito sal e químicos perigosos, que poderiam ser muito perigosos para a vida marinha. A eliminação desta salmoura é um dos maiores desafios em termos ambientais. A injeção no solo em grande profundidade e o depósito da salmoura em lagos são formas atuais para descartar quantidades de salmoura em excesso e são consideradas uma grande fonte de contaminação das águas subterrâneas. Também a descarga de salmoura no mar foi provada como sendo prejudicial para os organismos marinhos.
Scaling species in RO plants are mainly calcium carbonate (CaCO3), calcium sulphate (CaSO4) and barium sulphate (BaSO4). Others such as calcium phosphate (Ca3(PO4)2), Silicate or metal scaling can also occur. In order to apply scale control, acid treatment and antiscalant dosage are used. In RO sulphuric acid was most commonly used but the use of antiscalants, such as polyphosphates, phosphonates or polycarbonic acids has become very common due to the negative effects of inorganic acid treatment
Tabela 1, Propriedades físicas e químicas de salmoura de dessalinização de água do mar e os potenciais impactos ambientais e ecológicos na sua descarga
| Estações de osmose inversa | Estações MSF |
Impactos ecológico-ambientais |
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|---|---|---|---|
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Propriedades físicas |
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| Salinidade e temperatura | 65-85 g/L a ToC de ambiente SW |
≈ 50,000 mg/L ± 5-15 oC a SW ToC |
↓ vitalidade & biodiversidade de elevado grau Inofensivo após boa diluição |
| Densidade do efluente | > densidade da água | Depende do processo | ↓ biodiversidade |
| Oxigénio dissolvido (DO |
recurso de furo → tipicamente < SW DO recurso a céu aberto → ≈ SW DO a ToC de ambiente SW ToC |
Pode ser < SW DO devido a deareação física e a utilização de catadores de oxigénio | / |
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Aditivos para controlo de incrustações biológicas e produtos secundários |
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| Cloro | Neutralizado antes das membranas para evitar a sua oxidação | Cerca de 10-25% da dosagem da fonte, se não neutralizada |
↑↑ tóxico para muitos organismos Degrada rapidamente |
| Orgânicos halogenados | normalmente < níveis inofensivos |
De composição e concentração variável Tipicamente trihalometanos |
Efeitos cancerígenos Dispersão através de corrente e evaporação |
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Aditivos de controlo de incrustações |
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| Anti incrustantes | < níveis tóxicos | < níveis tóxicos |
Degradabilidade baixa/ moderada + cargas totais elevadas → aculmulação, efeitos crónicos, efeitos colaterais desconhecidos |
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Aditivos de controlo de espuma |
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| Agentes anti espuma (p.ex. poliglicol | Não presente (tratamento desnecessário) | < níveis inofensivos |
Não tóxico boa degradabilidade |
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Contaminantes devido a corrosão |
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| Metais pesados | ↑concentração de ferro, cromo, níquel, molibdénio, se for utilizado aço inoxidável de ↓ qualidade | ↑concentrações de cobre e níquel se forem utilizados materiais de ↓ qualidade nos permutadores de calor |
Cobre- MSF (15-100 mg/L)- ↓ toxicidade para grande parte das espécies; ↑ (bio)acumulação e efeitos longo-termo. Traços de metais → não tóxico ou com efeito longo termo )excepto talvez para Ni em MSF) |
As cinco opções de gestão de salmoura nos Estados Unidos são utilizados segundo as seguintes capacidades (Table 2 & Fig.3),
- Descarga em águas de superfície (45%)
- Descarga para o esgoto (27%)
- Injeção profunda (13%)
- Aplicação na terra (8%)
- Lagos de evaporação ponds (4%)
Table 2, Métodos mais comuns de depósito final da salmoura nos Estados Unidos
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Método de depósito final de salmoura |
Princípio e descrição |
% da capacidade total |
| Injeção profunda | A salmoura é injetada para uma subsuperfície de formações de rocha porosa | 13 |
| Aplicação na terra | Brine is used for irrigation of salt-tolerant crops and grasses | 8 |
| Lagos de evaporação | A salmoura evapora de forma contínua enquanto os sais se vão acumulando no fundo do lago. | 4 |
| Descarga nos esgotos | A descarga da salmoura é feita diretamente para um sistema de esgotos existente. Custo e utilização de energia reduzidos. | 27 |
| Descarga na superficie do mar | A descarga da salmoura acontece à superfície, um dos métodos mais comuns para grandes estações de dessalinização a nível mundial. | 45 |
| Descarga submersa no mar | A descarga da salmoura é feita off shore através de vários difusores instalados no fundo do oceano. |
Fig.3, Most common brine disposal methods in the US
A descarga em água à superfície é a alternativa mais comum visto que pode ser aplicada a todas as escalas de tamanho das estações de dessalinização. A descarga direta no sistema de esgotos existente é o método mais comum para estações de dessalinização mais pequenas. A descarga através da injeção profunda é a opção mais adequada para estações de dessalinização BW no interior, de tamanho médio a grande. A aplicação na terra e os lagos de evaporação também costumam ser aplicadas a estações de escala pequena a média, quando o clima e solo apresenta condições favoráveis à evaporação e existam culturas halofíticas com crescimento e produção em todo o ano.
As principais vantagens e desvantagens das opções de gestão de salmoura mais comuns estão apresentadas na Tabela 4.
Tabela 4, Comparação dos métodos de gestão de salmoura
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Método de gestão da salmoura |
Vantagens |
Desvantagens |
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Descarga em água superficial |
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Descarga no sistema de esgotos |
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Injeção profunda
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Lagos de evaporação
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Aplicação na terra |
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Tabela 6, apresenta os custos de construção para um volume de 40,000 m3/dia numa estação de dessalinização BWRO e numa estação SWRO com eficiência de 80% - 10,000 m3/d de salmoura e com uma eficiência de 45% - 48,900 m3/d de salmoura, respetivamente.
Table 6, Construction costs for brine disposal methods of theoretical 40,000 m3/ day desalination plant
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Método de gestão de salmoura |
BWRO ($ mm) |
SWRO ($ mm) |
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Descarga em água superficial |
2-10 | 6.5-30 |
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Descarga no sistema de esgotos |
0.5-2 | 1.5-6 |
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Injeção profunda |
4-8 | 15-25 |
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Lago de evaporação |
30-50 | 140-180 |
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Aplicação na terra |
8-10 |
30-40 |
Fig.4, Representação gráfica de valores aproximados do CAPEX do tratamento convencional da salmoura como função das taxas de fluxo de salmoura
Normalmente, a descarga de salmoura no esgoto (limitada a baixos fluxos de salmoura) ou nas águas superficiais (mar, oceano ou rio) encontra-se mais delimitada pelas legislações por serem as mais comuns. Lagoas de evaporação com gestão de fugas costuma ser mais fácil de licenciar do que a aplicação na terra (descarga de RIB e irrigação por aspersão), visto que protege mais os aquíferos locais.
A construção dos sistemas de descarga de salmoura, como por exemplo longas tubagens no oceano com estruturas de difusores complexos, muitas vezes demora o mesmo tempo da construção da própria estação de dessalinização e envolve estudos de impacto ambiental prolongados e uma revisão da regulamentação em vigor. Também os furos de injeção profunda e RIBs envolvem estudos de impacto e constrangimentos ambientais que podem durar de seis meses a um ano. Já a descarga para um sistema de esgotos existente é o modo mais fácil para implementar a gestão do concentrado.
A pegada mais baixa costuma estar associada à descarga no sistema de esgotos, já os lagos de evaporação têm elevadas exigências em termos de espaço necessário.
5.6. Limitações operacionais e confiabilidade
Os furos de injeção profunda não são adequados para zonas sísmicas e requerem a disponibilidade de aquíferos salinos profundos confinados. Os furos de injeção profunda requerem inspeção e manutenção periódica, o que requer ou uma opção de descarga alternativa ou a instalação de furos backup.
Furos em praias pouco profundos não são adequados quando exista uma elevada erosão costeira.
Opções de gestão da salmoura como os lagos de evaporação ou a aplicação na terra podem ser de caráter sazonal, exigindo uma segunda forma de gestão backup de forma a garantir sempre disponibilidade.
Informação adicional