SlideShare a Scribd company logo
1 of 65
Download to read offline
FSAWWA 2015 Paper GJ Schers, et al.    Date November 30, 2015 
“Floridan Aquifer” Lessons Learned  Page 1 of 32   
 Salinity Increases in the Upper Floridan Aquifer Wellfields in South Florida: 
What have we learned and how do we plan new systems? 
Authors:  GJ Schers1
 PMP, Ed Rectenwald1
 PG, PMP, Jim Anderson2
 PG, Andy Fenske3
,  
Amanda Barnes PE4
, Howard Brogdon5
, and Tom Uram6
 PG  
 
1
 MWH Global Inc, 2 
JLA Geosciences, Inc., 3
 City of Cape Coral, 4
 Town of Jupiter, 5 
Collier County and  
6
 Palm Beach County 
 
1. Introduction 
The use of brackish ground water as a source for potable water supply has gained interest throughout the 
country. Population growth in areas of fresh water scarcity, coupled with an affordable brackish water 
reverse osmosis (BWRO) treatment technology, have led to implementation of many systems in Texas, 
Florida and California. Production well and treatment technology have improved tremendously over the 
past decades and long term operational experiences have provided the utilities with valuable information 
on design and operational criteria and pitfalls. Three aspects need to be carefully considered during the 
implementation of a BWRO system: (1) wellfield design and related source water productivity and quality, 
(2) required pre‐treatment for RO and (3) disposal of the RO concentrate. 
The wellfield design and related source water productivity and quality depend on aquifer conditions and 
heterogeneity, which vary by region, but design criteria for production wells are commonly understood. 
Criteria like well spacing, capacity, redundancy, depth and flow and withdrawal control of production 
wells are nowadays carefully considered to provide a sustainable wellfield in terms of both production 
capacity and water quality. Some wells have experienced water quality degradation over time and, if not 
anticipated during design, treatment modifications can become expensive. Also treatment technologies 
have improved over time and  current low‐energy  RO thin film  composite membrane technology has 
become the treatment of choice. 
The  type  of  pre‐treatment  is  dependent  upon  the  local  ground  water  chemistry  where  sand,  iron, 
hydrogen sulfide, organics, and silicates can be present. Each substance requires dedicated attention in 
regards to pre‐treatment to avoid membrane fouling and/or scaling. In Florida the presence of sand in the 
aquifer,  without  removal,  can  cause  physical  damage  to  the  membranes  and  hydrogen  sulfide  and 
dissolved iron, when oxidized, can cause membrane fouling. In parts of Texas, the major issue for BWRO 
pre‐treatment includes radionuclides, arsenic, and heavy metals. In Southern California, elevated levels 
of iron and manganese may require upstream media or greensand filtration. 
Disposal of RO concentrate varies per  region. Common methods of disposal, including surface water 
discharge and deep well injection, are not readily available for landlocked areas. Areas with deep aquifers 
or in close vicinity to the ocean, like coastal areas in Florida, can use more common methods of disposal. 
Disposal methods in Texas are variations of surface disposal and while Southern California has access to 
ocean disposal, there is a trend towards using regional concentrate transmission such to improve the 
inland  salt  balance.  Alternatives  for  concentrate  treatment  include  evaporation  ponds,  membrane 
distillation and thermal treatment, although these methods are typically only applied when zero‐liquid 
discharge is required. While these technologies are effective, they are also expensive and the pros and 
cons need to be evaluated prior to implementation. 
FSAWWA 2015 Paper GJ Schers, et al.    Date November 30, 2015 
“Floridan Aquifer” Lessons Learned  Page 2 of 32   
This paper will focus on BWRO systems in Florida and source water quality. The Upper Floridan Aquifer 
(UFA) is widely used here as a water source for potable and industrial water supply. The current (2014) 
permitted capacity of BWRO systems for municipal use is 551 MGD, which represents close to 25% of the 
total permitted capacity. In South Florida the aquifer contains brackish ground water and many systems 
have used this source in the last 40 years. The Cities of Venice and Cape Coral along the west coast were 
among the first to implement these systems successfully in the 1970’s and 1980’s. Many other water 
utilities in that region followed their footsteps including Lee County, Collier County, Bonita Springs, and 
the cities of Fort Myers and North Port. In 1990, the Town of Jupiter was the first east coast utility to 
implement BWRO.  Martin County followed shortly thereafter with the construction of its North plant in 
Jensen Beach.  In the 2000’s other utilities including the City of North Miami Beach, the Town of Davie, 
and Palm Beach County implemented UFA wellfield and BWRO treatment systems. 
Although there are many commonalities between east and west coast UFA systems, there are also distinct 
differences. Aquifer salinity, expressed as total dissolved solids (TDS), typically ranges from 2,000‐5,000 
mg/L on the west coast, and is often more saline (3,500‐8,000 mg/L TDS) on the east coast. The production 
zone of the aquifer (or typical well depth), is deeper in east Florida because the aquifer dips steeply to the 
Southeast.  In general, the UFA is more productive on the Southeast coast. Typical well production rates 
on  the  west  coast  are  350‐700  gpm  as  compared  to  800‐2,000  gpm  towards  the  Southeast.  One 
commonality for the UFA is that the wellfield salinity generally increases over time, requiring improved 
wellfield management by including redundant production wells and treatment modifications, which have 
increased the costs of producing potable water. 
The salinity increases may impact the BWRO treatment system, which typically is limited by the raw water 
salinity  it  can  treat.  The  limits  are  caused  by  upper  design  criteria  of  individual  components  of  the 
treatment system, like the horsepower of RO feed pump motors or the pressure rating of membranes, 
membrane  vessels  or  pipework.  In  existing  systems,  the  operation  is  restricted  by  the  limits  of  the 
materials and equipment and unless these are replaced, it may not be able to treat higher salinity raw 
water. Fortunately, there have also been improvements in membrane technology which provide for better 
salt rejections at lower feed water pressure and developments in scale inhibitor which allow for higher 
system recoveries. In several cases these improvements have been implemented and have offset the 
salinity increases allowing continued successful use of the BWRO systems. In terms of planning for a new 
system, the designer needs to allow for some form of water degradation. This flexible design approach 
has been documented by this author in several publications and focuses on selecting conservative design 
criteria for RO feed pumps, chemical pre‐treatment feed systems, RO skid design, and RO bypass pipeline 
and valving.  
This paper will describe the general hydrogeology of the Floridan Aquifer in South Florida, will provide 
details on wellfield and source water quality of certain BWRO systems and will present impacts of source 
water salinity on the treatment. 
 
   
FSAWWA 2015 Paper GJ Schers, et al.    Date November 30, 2015 
“Floridan Aquifer” Lessons Learned  Page 3 of 32   
2. Florida Aquifers 
Three major aquifer systems underlie Florida: Surficial Aquifer System (SAS), Intermediate Aquifer System 
(IAS), and Floridan Aquifer System (FAS). The IAS is only present in the Southwestern half of the state and 
has variable permeability. The aquifer systems are composed of multiple, discrete aquifers separated by 
low permeability “confining” units that occur throughout this Tertiary/Quaternary age sequence.  
Brackish ground water in Florida is mainly found in the lower FAS, but is also present in the IAS and SAS 
along coastal areas that have been impacted by lateral saline water intrusion. The brackish to highly saline 
ground water found at depth in the lower FAS is connate water that was trapped in the marine limestones 
as they were deposited. Very highly saline water with TDS concentrations exceeding 100,000 mg/L is 
found below the Cretaceous‐aged anhydrite sequence underlying the FAS and is caused by the long term 
dissolution of rock units. 
2.1 Southwest Florida Aquifers 
In Southwest Florida, freshwater resources occur within the SAS and IAS.  The more abundant sources of 
water occur within the FAS, with water quality that ranges from brackish to saline.   The FAS is defined as 
a  vertically  continuous  sequence  of  permeable  carbonate  rocks  of  tertiary  age  that  are  hydraulically 
connected in varying degrees, and whose permeability is generally several orders of magnitude greater 
than that of the formations above and below (Miller, 1986).  The system is subdivided into the Upper 
Floridan aquifer (UFA), middle confining unit (MCU) and the Lower Floridan aquifer (LFA).  The FAS in the 
west  coast  study  area  is  composed  predominately  of  limestone  with  lower  occurrences  of  dolomitic 
limestone and dolomite (Miller, 1986). 
The UFA is composed of a series of variable permeable carbonate formations including, in descending 
depth, the Lower Hawthorn, Suwannee and Ocala. The MCU is composed of a series of low porosity 
limestones  and  dolomites  that  consists  of  the  Avon  Park  formation.  The  LAS  consists  of  the  highly 
transmissive Boulder Zone found within the lower Avon Park and Oldsmar Formation.  Potential sources 
of drinking water are found in the UFA above the regulatory Underground Source of Drinking Water 
(USDW),  which  is  defined  as  having  TDS  levels  of  10,000  mg/l  or  less  and  is  expected  to  occur  at 
approximately 1,100 to 1,300 feet below land surface.  Portions of the LFA are used for disposal of RO 
concentrate and/or treated wastewater. The source water of BWRO systems is provided from the UFA 
with water quality generally ranging between 1,500 and 4,000 mg/L TDS up to about 15,000 mg/L in 
deeper and more coastal areas.  Water quality in the LFA is likely saline, with a TDS concentration of 
approximately 37,000 mg/L, based on sparse existing data.  A summary of hydraulic, water quality and 
potential use of these aquifers is shown in Figure 1.   
Lateral saltwater intrusion occurs when seawater migrates inland from a natural reduction of freshwater 
heads or pumping of wells. Increases in pumping lowers the hydraulic potential by stressing the aquifer 
allowing the seawater to move inland at a faster rate. Fractures which are also evident in carbonate 
aquifers of Florida may also increase movement of saltwater laterally into coastal wellfields. Vertical 
saltwater intrusion occurs when saline water moves upward through fractures from underlying more 
brackish aquifers. Production wells are occasionally drilled into fractures that are oriented vertically or at 
high angles. These fractures may act as conduits for saline waters to move upward rapidly degrading the 
water quality of some wells soon after they go into production (see Figure 2). 
 
FSAWWA 2015 Paper GJ Schers, et al.    Date November 30, 2015 
“Floridan Aquifer” Lessons Learned  Page 4 of 32   
Figure 1: Southwest Florida Aquifer Hydrogeology 
Figure 2: Sources and Migration Pathways of brackish ground water in Coastal Southwest Florida 
[Source USGS Circular 1262, 2003] 
   
Production Zone:
1500-3000 mg/L TDS
FSAWWA 2015 Paper GJ Schers, et al.    Date November 30, 2015 
“Floridan Aquifer” Lessons Learned  Page 5 of 32   
2.2 Southeast Florida Aquifers 
In Southeast Florida, freshwater resources occur within the SAS and Biscayne Aquifer System (BAS). Water 
resources that occur within the FAS, with water quality that ranges from brackish to saline.  The FAS is 
defined  as  a  vertically  continuous  sequence  of  permeable  carbonate  rocks  of  tertiary  age  that  are 
hydraulically  connected  in  varying  degrees,  and  whose  permeability  is  generally  several  orders  of 
magnitude greater than that of the formations above and below (Miller, 1986). The system is subdivided 
into the Upper Floridan aquifer (UFA), middle confining unit (MCU) and the Lower Floridan aquifer (LFA). 
The FAS in the east coast study area is composed predominately of limestone with lower occurrences of 
dolomitic limestone and dolomite (Miller, 1986). 
The  UFA  is  composed  of  a  series  of  carbonate  formations  with  variable  permeability  including,  in 
descending depth, the Arcadia Formation of the Basal Hawthorn Unit, Suwannee, Ocala and Avon Park. 
The MCU is composed of a series of low porosity limestones and dolomites that consists of the Avon Park 
Formation. The LFA consists of the highly transmissive Boulder Zone found within the lower Avon Park 
and Oldsmar Formation.  Potential sources of drinking water are found in the UFA above the regulatory 
Underground Source of Drinking Water (USDW), which is defined as having TDS levels of 10,000 mg/l or 
less and is expected to occur at approximately 1,000 to 1,400 feet below land surface. Portions of the LFA 
are used for disposal of RO concentrate and/or treated wastewater. The source water of BWRO systems 
is provided from the UFA with TDS generally ranging between 3,000 mg/L to 6,000 mg/L up to about 
15,000 mg/L in deeper and more coastal areas. The UFA within some parts of Palm Beach County and 
northern Broward Counties exhibits a reversal in salinity, with higher TDS concentration in the upper 
sections of the UFA and lower TDS concentrations in the lower sections (Reese and Memberg, 2000). 
Water  quality  in  the  LFA  is  likely  saline,  with  a  TDS  concentration  of  approximately  37,000  mg/L.  A 
summary of hydraulic, water quality and potential use of these aquifers is shown in Figure 3. The pathways 
of lateral and vertical saltwater intrusion are similar than in Southwest Florida Aquifers. 
 
Figure 3: East Florida Aquifer Hydrogeology 
FSAWWA 2015 Paper GJ Schers, et al.    Date November 30, 2015 
“Floridan Aquifer” Lessons Learned  Page 6 of 32   
3. Wellfield and Water Quality  
Water  quality  trends  can  occur  in  two  fashions;  slow  trends  over  time  within  the  wellfield,  and  fast 
changes in individual wells. Certain mechanisms can be responsible for these trends or quick changes, 
however,  many  times  the  exact  answer  is  not  known  without  intense  and  potentially  expensive 
investigations. There are however ways to minimize the effects of water quality changes. 
Several wellfields tapping the UFA have shown some type of abrupt water quality declines, including the 
North  Collier  Regional  WTP  UFA  wellfield  (CDM,  2005),  North  Lee  County  wellfield  (SFWMD  Permit 
Information Files), the City of Cape Coral North RO wellfield (MWH, 2007,) and the City of Fort Myers 
wellfield. Four utilities, the City of Cape Coral, Collier County, the Town of Jupiter, and Palm Beach County, 
gave permission to use their water quality data in this report. Also current water quality data are provided 
in this report from other utilities, including Bonita Springs Utility, City of Venice, City of North Miami 
Beach, Town of Davie and Broward County, to complement the data from the four case studies and to 
enable  a  presentation  over  a  wide  range  of  source  water  quality.  However  historical  trends  are  not 
provided. The next sections will present the data on the four featured case studies. 
3.1 Southwest Florida Case Studies 
City of Cape Coral 
The City of Cape Coral is a pre‐platted community that relies on domestic self‐supply in areas not served 
by the utility system. Limited fresh ground water sources from the IAS are available to supply domestic 
users. The City is in the process of expanding the utility service again to meet the demands of a growing 
population, after 6 years of decline between 2006 and 2012. The City operates two BWRO systems. The 
Southwest BWRO system is the older system, which was originally put in operation in 1976 at a capacity 
of 3 MGD. Expansions occurred in 1985 to 15 MGD and in 2008 to 18 MGD. In 2008, as part of plant 
expansion, also the number of production wells was increased from 24 to 32, each with an approximate 
depth of 700 ft. The North BWRO system is the newer system with a capacity of 12 MGD, put in operation 
in 2010. This system includes 22 production wells to a similar depth than the Southwest wells.  
 
FSAWWA 2015 Paper GJ Schers, et al.    Date November 30, 2015 
“Floridan Aquifer” Lessons Learned  Page 7 of 32   
A well location map and a photo of a North BWRO production well is included above. The City kept records 
of  well  pumpage  and  water  quality  since  inception.  While  pumpage  of  each  well  was  recorded 
continuously, water sampling for water quality was carried out monthly at each production well.  Samples 
were analyzed for hardness, alkalinity, chlorides, conductivity, TDS, pH, hydrogen sulfide, color, fluoride 
and turbidity.  Trends for each of these water quality parameters was developed for each well and for all 
wells combined.  Figure 4 shows the increasing raw water chlorides in all wells combined from each 
wellfield. The Southwest wellfield combined chlorides increased from 600 mg/L in 1988 to 900 mg/L in 
2014, while the North wellfield chlorides increased from 800 mg/L in 2010 to 1,100 mg/L in 2014. Similar 
trends were established for sodium, TDS, hardness and conductivity.  On the other hand, limited to no 
variations were observed for other parameters, such as the source water alkalinity, pH, hydrogen sulfide, 
radionuclides, fluoride and turbidity. 
Water quality trends have occurred in two fashions; slow trends over time within the wellfield, and fast 
changes observed in individual wells. The referenced figure includes two graphics depicting the chloride 
increases in individual wells. In the Southwest wellfield, 21% of the wells have seen a chloride increase of 
5% or higher during each 12 months of operation. The ‘bad’ wells are 105, 112, 114, 214 and 231 and are 
spread randomly throughout the wellfield. In the North wellfield, 50% of the wells have seen a chloride 
increase of 5% or higher during each 12 months of operation. The ‘bad’ wells are 301, 302, 303, 305, 306, 
307, 318, 320, 322, 323 and 324 and are grouped in certain areas in North Cape Coral. 
Collier County 
The  County  has  kept  records  of  the  North  Collier  County  well  pumpage  and  water  quality  since  the 
beginning. The North Collier brackish wellfield was originally constructed in 1998 with 10 production wells 
in the lower Hawthorn aquifer and now currently has a total of 25 production wells. Six of the production 
wells are constructed into the mid Hawthorn aquifer with casing and total depths approximately 400 feet 
and 515 feet, respectively.  With the other 19 production wells constructed in the lower Hawthorn aquifer 
with  casing  and  total  depths  of  the  wells  approximately  750  and  950  feet  below  land  surface  (bls), 
respectively.   
Wells RO‐001 through RO‐004 at the western end of the wellfield which are producing from the lower 
Hawthorn aquifer experienced rapid increases in salinity shortly after they were placed into operation.  
The chloride concentration of water samples obtained from wells RO‐001 through RO‐004 during 2000 
and 2001 (after they were initially constructed) ranged from approximately 2,000 to 3,000 mg/L.  Chloride 
concentrations in these wells increased to between 6,000 to 10,000 mg/L within two year of operation.  
The membrane processes used at the NCRWTP are unable to adequately treat the higher salinity waters 
so wells RO‐001 through RO‐004 have largely been unused since 2002.  A total of 19 additional production 
wells have been added to date to increase the raw water supply capacity to the RO WTP.  Individual well 
yields in the wellfield generally range from 500 to 700 gpm with chlorides concentrations ranging from 
850 mg/L to 3,000 mg/L (see Figure 5) and have shown no signs of degradation. In the North wellfield, 
21% of the wells have seen a chloride increase of 5% or higher during each 12 months of operation. The 
‘bad’ wells are 001, 002, 003, 004 and 009. 
The County also has kept records of the South Collier County well pumpage and water quality since the 
beginning of operation.   The South Collier brackish wellfield was originally constructed in 2001 to 2002 
with 11 production wells in the mid Hawthorn aquifer and 4 production wells in the lower Hawthorn 
aquifer for a total of 15 production wells.  In 2006 through 2007, the County constructed 25 additional 
production wells in the mid Hawthorn aquifer and 2 production wells in the lower Hawthorn aquifer for a 
FSAWWA 2015 Paper GJ Schers, et al.    Date November 30, 2015 
“Floridan Aquifer” Lessons Learned  Page 8 of 32   
grand total of 42 production wells.  All of the production wells constructed in the mid Hawthorn aquifer 
have casing and total depths approximately 300 feet and 420 feet, respectively.  And the production wells 
constructed in the lower Hawthorn aquifer have casing and total depths of the wells approximately 630 
and 1,000 feet below ground surface, respectively.   
All production wells in the South County Wellfield show somewhat stable chlorides throughout the period 
of record which typically average from approximately 2,000 to 3,000 mg/L.  However, RO‐7, 10, 13, 14, 
17, 39 and 41 all have average chloride concentrations between 3,000 to 4,600 mg/L within one year of 
operation and have seen  rapid inclines of chlorides over time.   Individual well yields in the wellfield 
generally range from 500 to 700 gpm with chlorides concentrations ranging from 2,000 mg/L to 3,000 
mg/L and have shown no signs of degradation. In the South wellfield, 13% of the wells have seen a chloride 
increase of 5% or higher during each 12 months of operation. The ‘bad’ wells are 007, 010, 013, 014 and 
039. 
3.2 East Florida Aquifers 
Town of Jupiter 
Information on the Town of Jupiter UFA wellfield was collected from historical pumping and water quality 
data provided by the Town. The Towns UFA wellfield was originally constructed in 1995 with 4 production 
wells  in  the  UFA.  The  wellfield  was  periodically  expanded  westward  as  the  Towns  water  demands 
increased and as water quality changed in older production wells.  The Towns UFA wellfield expansion 
occurred in several phases with the most recent in 2003 with the newer wells being constructed away 
from the Towns Water Treatment Plant along the C17 canal with well spacing of approximately 2,000 feet. 
The  average  UFA  well  casing  and  borehole  depths  are  approximately  1,215  and  1,560  feet  bls, 
respectively. Individual well yields range between 500 gpm and 1,600 gpm. 
The Towns older UFA production wells RO‐2 through RO‐6 have experienced the most significant increases 
in TDS with at the northern end of the wellfield experienced increases in salinity shortly after they were 
placed into operation. The chloride concentration of water samples obtained from wells RO‐2 through 
RO‐7 during 1995 and 1997 (after they were initially constructed) ranged from approximately 1,350 to 
2,700 mg/L. Chloride concentrations have increased between 2,110 mg/L (RO‐2) and 556 mg/L (RO‐13) 
with  the  largest  increases  (>1,000  mg/L)  in  wells  RO‐2,  RO‐3,  RO‐5,  RO‐6,  RO‐7.  Overall,  chloride 
concentrations have increased between 2% and 5% per year. This increase in salinity is directly related to 
the well usage.  
In 2004, JLA Geosciences suggested the need for uniform and equitable pumpage of the RO wells following 
rapid increases in chloride and specific conductance in water produced from wells RO‐2 and RO‐3. At that 
time as much as 46% of the water supplying the plant was being produced from RO‐2 and 58% from RO‐
3, with an average chloride of approximately 3,000 mg/L. With the installation of wells RO‐11, RO‐12 and 
RO‐13 (2004), pumpage from RO‐2 and RO‐3 declined to level off the produced water quality. The leveling 
off of chloride on the RO‐2 is likely the result of reduced stress on the well from the even distribution of 
well pumpage and the increased number of wells available for use with the installation of RO‐11, RO‐12 
and RO‐13.  
   
FSAWWA 2015 Paper GJ Schers, et al.    Date November 30, 2015 
“Floridan Aquifer” Lessons Learned  Page 9 of 32   
Palm Beach County 
Information on the Palm Beach County Water Utilities Department (PBCWUD) Water Treatment Plan No. 
11 (WTP‐11) UFA wellfield was collected from historical pumping and water quality data provided by 
PBCWUD. The WTP‐11 was originally placed into service in 2008 with 7 UFA production wells producing 
approximately 10 MGD raw water. The wellfield extends northward with well spacing of approximately 
800 feet. Average well casing and borehole depths are approximately 1,150 feet below land surface (bls) 
and 1,450 feet bls, respectively. Due to declines in well performance and rapid water quality degradation 
the WTP‐11 UFA wellfield was expanded in 2012 (Well PW‐8) and in 2014 (Wells PW‐9 and PW‐10).  The 
newly constructed wells were completed with boreholes at shallower depths of approximately 1,350 feet 
bls, to target sections of the UFA with better water quality. Additionally, individual well withdraw rates 
were reduced from an average of 2 MGD per well to 1MGD per well to reduce the rate of water quality 
degradation.  
The existing Upper Floridan Aquifer wells in the Lake Region WTP11 wellfield have lost capacity since they 
were constructed in 2005 (TP‐1 and TP‐2), 2007 (PW‐3 – PW‐7) and 2012 (PW‐8) due to a combination of 
over pumping and water quality degradation. Wells in the northern portion of the wellfield, TP‐1, TP‐2, 
PW‐4 through PW‐7, have experienced upconing of higher saline water with a current range of 5,000 to 
10,000 mg/L TDS in the source water.  
   
FSAWWA 2015 Paper GJ Schers, et al.    Date November 30, 2015 
“Floridan Aquifer” Lessons Learned  Page 10 of 32   
Figure 4: Summary of City of Cape Coral Floridan Aquifer production wells  
Summary of 
Production Wells 
Southwest Wells North Wells
 
Start of Operation  1976 (3 MGD) 2010 (12 MGD)
Capacity  15 MGD (exp. in ’85)
18 MGD (exp. in ‘08) 
12 MGD (original)
Number 
Average Capacity 
34 
500 gpm 
24
500 gpm 
Specific capacity  10‐100 gpm/ft 10‐100 gpm/ft
Depth 
Diameter 
700 ft 
12 inch FRP 
700 ft
12 inch FRP 
Original TDS  
Current TDS 
1,400 mg/L (1988)
2,200 mg/L (2014) 
2% increase/year 
2,000 mg/L (2010)
2,500 mg/L (2014) 
5% increase/year 
Other source water 
quality parameters 
Chloride 900 mg/L, 
Hardness 575 mg/L as 
CaCO3, H2S 3 mg/L 
Chloride 1100 mg/L, 
Hardness 625 mg/L as 
CaCO3, H2S 3 mg/L 
0%
5%
10%
15%
20%
25%
30%
35%
40%
101
103
105
107
109
111
211
213
215
217
219
221
223
225
227
229
231
0
500
1,000
1,500
2,000
2,500
3,000
3,500
4,000
Chlorides increase (%/Year of Operation)
Southwest Wellfield ‐ Well ID
Chlorides Concentration (mg/L)
Chlorides (avg first 6 m)
Chlorides Increase During Ops
Chlorides Increase (%/Yr Ops)
0%
5%
10%
15%
20%
25%
30%
35%
40%
301
303
305
307
309
311
313
317
319
321
323
0
500
1,000
1,500
2,000
2,500
3,000
3,500
4,000
Chlorides increase (%/Year of Operation)
North Welllfield ‐ Well ID
Chlorides Concentration (mg/L)
Chlorides (avg first 6 m)
Chlorides Increase During Ops
Chlorides Increase (%/Yr Ops)
SW Wells: 21% bad 
(>5% incr/yr) 
N Wells: 50% bad 
(>5% incr/yr)
0
4
8
12
16
20
24
28
0
500
1,000
1,500
Total Pumpage (mgd)
Concentration Chloride (mg/L)
Chlorides South
Chlorides North
Total Pumpage North + South
FSAWWA 2015 Paper GJ Schers, et al.    Date November 30, 2015 
“Floridan Aquifer” Lessons Learned  Page 11 of 32   
Figure 5: Summary of Collier County Floridan Aquifer production wells  
Summary of 
Production Wells 
South Wells North Wells
Start of Operation  2002 (5 MGD) 2000 (5 MGD)
Capacity  12 MGD (exp. in ’07) 8 MGD (exp. In ‘03)
Number 
Average Capacity 
42 
300 gpm 
25
300 gpm 
Specific capacity  10‐100 gpm/ft 10‐100 gpm/ft
Depth 
Diameter 
300‐400 ft (mid Hawtorn)
600‐1000 ft (low Hawtorn) 
12 inch FRP 
400‐500 ft (mid Hawtorn)
700‐900 ft (low Hawtorn) 
12 inch FRP 
Original TDS  
Current TDS 
4,500 mg/L (2002)
5,500 mg/L (2013) 
2.5% increase/year 
5,500 mg/L (2000)
4,780 mg/L (2013) 
No increase 
Other source water 
quality parameters 
Chloride 2,750 mg/L, 
Hardness 1,500 mg/L as 
CaCO3, H2S 3 mg/L 
Chloride 2,000 mg/L, 
Hardness 1,100 mg/L as 
CaCO3, H2S 3 mg/L 
 
   
0
2,000
4,000
6,000
8,000
Concentration Chloride (mg/L)
Chlorides South
Chlorides North
12 per. Mov. Avg. (Chlorides South)
12 per. Mov. Avg. (Chlorides North)
0%
5%
10%
15%
20%
25%
30%
35%
40%
001
003
005
007
009
011
013
015
017
019
021
023
025
027
029
031
033
035
037
039
041
0
500
1,000
1,500
2,000
2,500
3,000
3,500
4,000
Chlorides increase (%/Year of Operation)
South Wellfield ‐ Well ID
Chlorides Concentration (mg/L)
Chlorides (avg first 6 m)
Chlorides Increase During Ops
Chlorides Increase (%/Yr Ops)
0%
10%
20%
30%
40%
50%
60%
70%
80%
90%
001
003
005
007
009
011
013
015
017
019
101
114
116
0
1,000
2,000
3,000
4,000
5,000
6,000
7,000
8,000
9,000
Chlorides increase (%/Year of Operation)
North Welllfield ‐ Well ID
Chlorides Concentration (mg/L)
Chlorides (avg first 6 m)
Chlorides Increase During Ops
Chlorides Increase (%/Yr Ops)
S Wells: 13% bad 
(>5% incr/yr) 
N Wells: 21% bad 
(>5% incr/yr)
FSAWWA 2015 Paper GJ Schers, et al.    Date November 30, 2015 
“Floridan Aquifer” Lessons Learned  Page 12 of 32   
Figure 6: Summary of Jupiter Floridan Aquifer production wells
 
   
FSAWWA 2015 Paper GJ Schers, et al.    Date November 30, 2015 
“Floridan Aquifer” Lessons Learned  Page 13 of 32   
Figure 7: Summary of Palm Beach County Floridan Aquifer production wells 
FSAWWA 2015 Paper GJ Schers, et al.    Date November 30, 2015 
“Floridan Aquifer” Lessons Learned  Page 14 of 32   
3.3 Solutions to Minimize Saline Water Migration 
As presented in the previous sections, water degradation due to migration of poor water quality is quite 
common, in particular in the larger wellfields at both the east and west coast. Upward migration of poor 
quality water can have detrimental effects not only for the individual well, but for the entire wellfield. As 
presented by the authors in other publications, there are some solutions that can be imposed on brackish 
water wells that are experiencing impacts from poor quality water. At times, multiple solutions need to 
be considered simultaneously to achieve the desired effect. Some of these solutions were discussed in 
the sections on the four case studies. 
Back Plugging with Cement 
It is possible that wells may be usable in the future if they are back plugged. Since wells can have multiple 
distinct flow zones in the borehole, they can be back plugged to minimize the connection to poorer quality 
water. Grout can be forced into small fractures, thus plugging off even small conduits outside of the 
borehole wall. Back plugging reduces the borehole stresses from the previously exposed vertical conduits, 
decreasing the possibility of upward migration. During construction of the southwest wells, the City of 
Cape Coral used this method effectively to ‘save’ one of wells without affecting the wellfield. 
Hydraulic Control and Water Quality Blending 
Since a well may be connected or in close proximity to a vertical conduit, it is quite possible that back 
plugging may not be completely successful and the well will continue to show signs of degradation since 
any  vertical  conduit  will  always  be  within  the  capture  zone  (drawdown  cone)  of  this  well.  Further 
operational analysis may show that the well can be used at lower flow rates thus reducing drawdown and 
stresses on the aquifer and the water produced can be diluted into the raw water stream to the res 
treatment system. The wellfields exhibited in the case studies use this method, although in several cases 
wells were retrofitted with variable frequency drives and flow meter control since their construction. A 
recent example is the Palm Beach County Region 11 wells retrofit. 
Well Abandonment 
A facility could also plug and abandon a well and look for new location where production could be as good 
or better without the degrading water quality. If the poor water quality is originating from the upper half 
of the production interval just below the casing then this may be the only option available. This solution 
is also not a guarantee and could be more costly if the new location identified the same water quality 
issues as the well that was plugged and abandoned. Well abandonment due to severe water quality 
impacts within an active wellfield will have a much lower chance of success. If the conduit connection to 
the poor quality water is not severed and abandonment activities are not successful, then the poor quality 
water can be pulled or captured by the next closest operating well if the poor quality water is allowed to 
enter the raw water aquifer. The option of well abandonment should be considered as the last option 
available for many reasons. Besides the capital investment in the construction of the well and pipeline, 
abandonment removes all potential for hydraulic control of the migration of poor water quality, and may 
artificially migrate through the wellfield by pumping stresses alone. The exhibited case studies have wells 
which are very infrequently used or have even by abandoned because of severe water quality. 
   
FSAWWA 2015 Paper GJ Schers, et al.    Date November 30, 2015 
“Floridan Aquifer” Lessons Learned  Page 15 of 32   
Redundant Production Wells 
Some  facilities  are  moving  forward  to  better  manage  changing  water  quality  occurrences  by  adding 
additional wells to their system for redundancy.  The poor water quality may be occurring due to stressing 
a particular area for too long and not allowing the aquifer to recharge naturally.  If property is available 
and location is favorable within the proximity of the main raw water lines, a facility may want to include 
redundant production wells, with sufficient spacing to existing wells.  This will allow the facility to cycle 
the use of the wells with better management to keep from stressing the aquifer in one specific area for a 
long period of time.   The facility could take wells offline in areas where the aquifer is being stressed more 
than usual and operate the redundant production wells. In particular, the exhibited wellfield in Southwest 
Florida have used this method extensively to control water degradation. Both the City of Cape Coral and 
Collier County have a number of standby wells in each wellfield. 
Pro‐active Wellfield Management System 
On‐line  monitoring  of  certain  well  parameters  to  allow  the  implementation  of  a  pro‐active  wellfield 
management system is another method to create a sustainable wellfield operation in terms of production 
capacity and water quality. Several utilities have implemented this method successfully in the last 10 
years.  Multiple  parameters  are  collected  on‐line,  in  real  time,  to  monitor  the  operations  of  a  well, 
including the well drawdown, production flow and water quality. This information can be used in a pro‐
active program to control the wellfield. All exhibited case studies use on‐line monitoring extensively and 
have some form of pro‐active wellfield management system. For instance the City of Cape Coral keeps 
careful track of drawdown, flow, total flow and conductivity and use that for development of a series of 
trends for each production well. 
 
4. Reverse Osmosis Treatment  
 
4.1 General Description of RO Treatment 
One of the most critical factor for a successful operation of a BWRO system is the quality of the RO feed 
water, which is determined by the source water quality and the pre‐treatment effectiveness. For the 
treatment system design, a good understanding of source water quality and chemistry is needed including 
future water quality trends, variability between wells and wellfields, and seasonal variations. 
The typical process used in Florida to treat brackish ground water uses chemical pretreatment, cartridge 
filtration, reverse osmosis (RO), degasification, disinfection, and corrosion control (see Figure 8). Sand 
separation,  upstream  of  the  chemical  pre‐treatment,  is  optional  and  depends  on  the  expected  sand 
production from wells. Pretreatment chemicals are used to manage scaling in the RO membranes and 
reduce the pH to optimize hydrogen sulfide stripping in the degasifiers. Post treatment chemicals are used 
to perform primary disinfection and to adjust the pH, hardness and alkalinity for corrosion control. 
Pre‐treatment  
Sand separators are used to separate sand and other solid matter larger than a certain diameter (generally 
≥0.1 mm) from the source water that could either plug the downstream cartridge filters, or damage or 
foul the downstream RO membrane systems. Sand separators are typically used as a pretreatment step, 
FSAWWA 2015 Paper GJ Schers, et al.    Date November 30, 2015 
“Floridan Aquifer” Lessons Learned  Page 16 of 32   
treating the full ground water wellfield flow, in addition to the pretreatment steps of chemical treatment. 
There are different types of sand separators and its selection depends on the sand/silt characterization 
and plant operation. Typically, RO manufacturers require the feed water turbidity and silt density index 
(SDI) to be below specific maximums as a requirement for the RO membrane warranty; in this regard, the 
sand separators may help the pretreatment system comply with these warranty requirements. 
The primary function of cartridge filters is to remove particulate and colloidal matter larger than a certain 
diameter from the source water that could either damage or foul downstream RO membranes. Cartridge 
filters serve two important roles: 1) to remove relatively large particulates in order to protect the RO/NF 
membrane integrity, and 2) as an inexpensive backup in the event of a failure in one of the other upstream 
pre‐treatment systems. 
 
Figure 8: Typical Schematic of BWRO Treatment Process 
Iron is naturally present in shallow limestone aquifers in South Florida and, if exposed to air and allowed 
to oxidize, the ferrous bicarbonate forms an insoluble ferric hydroxide that is difficult to remove from the 
membrane surface. The approach here is to keep the iron in the reduced form (Fe2+
) by minimizing air 
intrusion and applying an acid to the feed water. Hydrogen sulfide, at low concentrations though, is 
present in the shallow aquifers in South Florida. The deeper, brackish aquifers contain elevated levels of 
hydrogen sulfide and, if exposed to air and allowed to oxidize, elemental sulfur (S0
) will be formed, which 
will block the cartridge filters and RO membranes and is difficult to remove. In this case also, minimizing 
air intrusion is very important.  
Chemical pre‐treatment with acid and scale inhibitor is practiced to minimize membrane scaling, with a 
general  trend  in  the  industry  to  limit  or  even  eliminate  acid  and  to  rely  mostly  on  a  scale  inhibitor. 
Acidification  is  often  achieved  with  sulfuric  acid  (and  less  commonly  hydrochloric  acid)  to  prevent 
FSAWWA 2015 Paper GJ Schers, et al.    Date November 30, 2015 
“Floridan Aquifer” Lessons Learned  Page 17 of 32   
precipitation of carbonate scale on the membranes. An additional impact of the sulfuric acid addition is 
the conversion of carbonate ion (alkalinity) to carbonic acid in the source water (see Figure 9), which 
passes as carbon dioxide gas through the membranes. Sulfuric acid is preferred over hydrochloric acid due 
to cost and safety reasons, but the addition of sulfuric acid may increase the scaling potential for sulfate 
salts  and  lower  the  recovery.  All  polyamide  membranes  are  intolerant  to  chlorine  and  may  result  in 
breakdown of the membrane material with prolonged use. 
   
Figure 9: (L) Carbon Dioxide and (R) Hydrogen Sulfide Dissociation in Water as Function of pH  
As the RO permeate passes through the membranes, the remaining concentrate becomes increasingly 
concentrated with dissolved solids. At a certain point, the solubility of various salts can be exceeded, 
causing  precipitation  onto  the  membranes,  called  “scaling.”  Scaling  can  reduce  the  flow  or  flux  of 
permeate and can also damage the membrane itself. As mentioned, scale inhibitor is commonly used in 
conjunction with acidification to inhibit the formation of phosphate and sulfate scaling on membranes, 
and reduce the acid dosage required to inhibit formation of carbonate scales. Threshold scale inhibitors 
suppress precipitation by interrupting the kinetics of normal crystallization, thus delaying precipitation 
beyond the residence time in the membrane system. Scale inhibitors allow the membrane system to 
increase recovery beyond limiting salt saturation limits. The sparingly soluble salts of concern in most 
waters include calcium carbonate (or LSI), calcium sulfate, strontium sulfate, barium sulfate and silica 
dioxide. It is important to select the appropriate scale inhibitor for the design application – some scale 
inhibitors  may  act  as  coagulants,  facilitating  the  accumulation  of  organic  carbon  on  the  membrane 
surfaces and increasing fouling potential. There are well‐documented industry guidelines on the limits of 
the saturation indexes of these sparingly soluble salts with or without the use of scale inhibitors. 
   
0.00
0.20
0.40
0.60
0.80
1.00
4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14
Molar Fraction
pH
Carbonic Acid (H2CO3)
Bicarbonate Ion (HCO3‐)
Carbonate Ion (CO32‐)
0.00
0.20
0.40
0.60
0.80
1.00
4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14
Molar Fraction
pH
Hydrogen Sulfide (H2S)
Bisulfide Ion (HS‐)
Sulfide Ion (S2‐)
FSAWWA 2015 Paper GJ Schers, et al.    Date November 30, 2015 
“Floridan Aquifer” Lessons Learned  Page 18 of 32   
Main treatment 
High pressure pumps are used to increase the 
feed  water  pressure  to  overcome  osmotic 
pressure and hydraulic losses in the connecting 
pipework and RO trains. Two methods exists for 
the  high  pressure  pump  arrangement:  (1) 
decentralized  system  with  a  dedicated  feed 
pump per RO train or (2) centralized system with 
one  common  pump  station  and  a  common 
header and flow control valves to feed each of 
the RO trains. Both methods have their specific 
advantages  and  disadvantages  with  a  decision 
mainly driven by the owner. 
RO trains in South Florida typically consist of two single‐pass stages with the 1st
 stage concentrate used as 
the feed for the 2nd
 stage. Permeate flows of both stages join for the total permeate while the 2nd
 stage 
concentrate flow is the total train concentrate. Each train consist of multiple, parallel pressure vessels 
which can either hold six or seven standard 40‐inch long and 8‐inch diameter RO elements. The train array, 
including the number of pressure vessels in each stage and related flow and flux distribution, is dependent 
upon the feed water quality and the overall train design concept. 
The RO process produces a high‐pressure concentrated waste stream. When this concentrate stream is 
depressurized, the energy that is lost can be recovered using energy recovery devices (ERDs), which can 
reduce overall energy requirements by 10 to 50 percent. Energy recovery is not economically justified for 
all RO membrane systems; those with tight membranes, low recovery and high concentrate flow and 
pressure (e.g. high TDS brackish ground water) are more likely to find energy recovery beneficial with low 
pay‐back periods and improved flow balancing between the membrane train stages. Those systems with 
lose membranes, high recovery and low concentrate flow and pressure (e.g. low TDS brackish ground 
water)  will  find  1st
  stage  permeate  throttling  more  cost‐beneficial  for  flow  balancing  between  the 
membrane  train  stages.  ERDs  will  minimize  the  feed  pressure  required,  which  in  turn  minimizes  the 
operating power costs.  
There  are  different  devices  available  with  direct‐
transfer pressure exchangers for high efficiency (90‐
95%)  –see  picture  to  the  right–,  turbo‐chargers 
which combine recovery device and pump in one for 
medium  efficiency  (50‐70%)  and  more‐traditional 
turbines with medium‐high efficiency (80‐85%). The 
devices are typically installed on a membrane train 
to  transfer  pressure/energy  in  the  concentrate  to 
the 2nd
 stage feed water, reducing the size of the RO 
feed and/or inter‐stage pumps. 
   
FSAWWA 2015 Paper GJ Schers, et al.    Date November 30, 2015 
“Floridan Aquifer” Lessons Learned  Page 19 of 32   
Bypassing a portion of the feed water around the membrane process, treating it with cartridge filters only, 
and blending it with the membrane permeate may allow the system to meet treated water quality goals 
while treating less of the incoming flow stream. Blending of the RO bypass water with permeate may be 
beneficial when the permeate water quality requires re‐mineralization. The bypass will reduce the amount 
of post‐treatment chemicals and the amount of feed water that needs to be treated, both reducing the 
capital and O&M costs for the plant. 
Post treatment 
Degasifiers are typically used as post‐treatment to remove hydrogen sulfide (H2S) and carbon dioxide 
(CO2) from the RO permeate by counter current mass transfer of air and water. The removal of H2S and 
CO2 is optimized by a reduction of the pH to levels around 5.8‐6.0 (see Figure 11). The addition of chlorine 
to the degasified water will oxidize any remaining dissolved sulfide in the water into colloidal sulfur, 
increasing  the  finished  water  turbidity.  Elemental  sulfur  is  a  sticky  substance  that  is  difficult  and 
cumbersome  to  remove  from  the  downstream  clearwell  and  can  create  variations  in  finished  water 
turbidity by sloughing off of sulfur sediments. Degasifiers serve several important roles: 1) reduction of 
effluent turbidity by removing sulfide from the water stream before chlorination; 2) odor control for the 
treated effluent; and 3) corrosion control through 
the removal of excess CO2.  
Odors  from  degasifiers  can  result  in  complaints 
from  neighbors  in  the  vicinity  of  the  installation 
which  may  present  community  relations 
challenges  for  the  owner.  Odor  control  through 
dilution and dispersion, or odor removal systems 
(like  wet  chemical  scrubbers  or  biological  filters) 
may  need  to  be  added  to  degasifier  systems  to 
meet local air quality and odor limit requirements 
at the site of the installation.  
Depending on the downstream requirements chemical addition to the treated water may be required for 
primary disinfection, pH adjustment and corrosion control. The need for these chemicals depends on 
specific raw water quality and treated water quality goals, and should be evaluated on a case by case 
basis. The concept of removing excess carbon dioxide in the degasifier and then having to dose it again 
for corrosion control in the clearwell may be considered inefficient. Some utilities have been studying 
alternative technologies for hydrogen sulfide removal, such as oxidation.  
4.2 Specific Considerations to address Salinity Increases 
As presented before, some degradation of raw water quality can be expected in Floridan Aquifer water 
supply and treatment systems. A conservative design of a RO treatment system will accommodate some 
degradation while maintaining the required capacity and finished water quality. Also the design will be 
specific to the raw water quality anticipated for that system and in South Florida the salinity can vary by 
region, with TDS levels of around 2,000 mg/L in certain parts going up to levels around 8,000 mg/L in other 
parts. As can be expected, this variance has a significant influence on the system design and equipment 
specifications.  As  part  of  this  work,  raw  water  quality  data  was  obtained  from  different  systems,  as 
summarized in Table 1 to create several case‐studies, with the following observations: 
FSAWWA 2015 Paper GJ Schers, et al.    Date November 30, 2015 
“Floridan Aquifer” Lessons Learned  Page 20 of 32   
 In general, TDS are higher along the east coast with some exceptions 
 Some parameters relevant to chemistry equilibrium of sparingly soluble salts, like barium, silica 
and strontium appear relatively higher on the west coast 
 Hardness is  higher along  the east coast, with a higher relative contribution from  magnesium 
whereas alkalinity is relatively constant throughout the region despite varying TDS levels 
 Sulfate levels, important for saturation indexes of sparingly soluble salts, in general follow the TDS 
trend  
 Hardness and sulfate levels are extremely high in the Sarasota County wellfields which may impact 
the RO recovery rate or led to alternative technologies, such as electro dialysis reversal (EDR) 
 Potassium appears to be higher on the east coast 
Though not included in the table, the Floridan Aquifer water also contains hydrogen sulfide, with 
concentrations varying from 2 to 5 mg/L, and radionuclides with gross alpha concentrations varying 
between 5 and 40 pCi/L. 
The raw water quality data sets, presented in the table, were used to model the RO treatment process for 
each particular case study. Proprietary membrane software was used to develop the system design and 
predict the treatment performance. Subsequently, also proprietary scale inhibitor software was used to 
determine  the  required  chemical  pre‐treatment  (type  and  dose)  to  control  membrane  scaling.  The 
following design assumptions and goals were used as guidelines for the design efforts: 
Pre‐Treatment 
 Sand separators and cartridge filters to bring the Silt Density Index below 3 
 Sulfuric acid dosing to suppress the feed water pH to 6.0. A few scenarios were run with reduced 
acid dose in the RO feed water and relying on a scale inhibitor, while maintaining a Langelier 
Saturation Index (LSI) of 1.8 or less 
RO Train Design 
 Dedicated feed pump per train 
 2‐stage array, single pass 
 Dependent  upon  design  need,  with  or  without  ERDs.  In  our  particular  case  studies,  a  direct 
transfer pressure exchanger was selected 
 Average, conservative system flux is 12.5 gfd 
 2‐1 vessel array, with 7 elements per vessel 
 Capacity of RO train and associated bypass is 3 MGD 
 TFC HR RO membranes, 40‐inch long and 8‐inch diameter with 5 year element age and 25% fouling 
allowance 
 1st
 and 2nd
 stage back pressure 20 psi, interstage pressure loss 5 psi 
 Use of software design warnings to guide the design effort 
Post Treatment 
 Blend permeate with RO bypass 
 Sulfuric acid dosing to suppress the feed water pH to 5.8‐6.0. 
 Degasifier to remove carbon dioxide and hydrogen sulfide 
FSAWWA 2015 Paper GJ Schers, et al.    Date November 30, 2015 
“Floridan Aquifer” Lessons Learned  Page 21 of 32   
 Liquid lime (Ca(OH)2) and carbon dioxide (or gas CO2) dosing in clearwell to meet the finished 
water quality goals, including a pH of 8.0, hardness of 80 mg/L as CaCO3 and total alkalinity of 60 
mg/L as CaCO3. This is somewhat arbitrary and has to be evaluated on a case by case basis and 
depends largely on the corrosion control strategy. 
A summary of the results of the membrane modeling efforts is included in Table 2, with increasing TDS 
levels in the wellfield presented from left to right. The table does not include the modeling results of the 
City of Venice due to different water chemistry composition here and its negative impact on possible RO 
recovery rates, which would skew the trends presented further in this report. 
General observations from the modelled case studies with TDS levels varying from 1500 mg/L to 9500 
mg/L as summarized in the table are: 
 RO recovery rate reduces from 85% to 75% 
 RO bypass reduces from 20% to 2%, with the permeate flow making up the difference 
 Train  array  increases  from  48‐24  vessels  to  60‐30  vessels  to  produce  the  additional  required 
permeate flow at higher raw water TDS 
 Feed pressure increases from 188 to 392 psi, without ERD, and from 188‐282 with ERD 
 Post treatment chemicals to adjust alkalinity and calcium are necessary across the full range of 
raw water quality however for instance CO2 dosages increase from 14 to 44 mg/L 
 Electricity and chemical costs for RO treatment only increase from $0.32 to $0.72 per 1000 gallons 
treated water 
The table can facilitate in quick assessments in the following conditions: (1) by a utility planning a new 
BWRO system to verify typical design criteria and operational parameters based on initial well water 
quality and (2) by a utility operating an existing BWRO to estimate impacts of degrading raw water quality 
on the design configuration and operations. 
In the sections below, specific aspects of the BWRO treatment system will be described in regards to 
different TDS levels in the wellfield. 
   
FSAWWA 2015 Paper GJ Schers, et al.    Date November 30, 2015 
“Floridan Aquifer” Lessons Learned  Page 22 of 32   
Table 1: Water Quality Data Sets from Case Studies and Others 
Parameter
(current ‐ 2015, or 
otherwise noted)
Units
Cape Coral, 
South RO 2000
Cape Coral, 
North RO 2010 
Cape Coral, 
North RO
Venice RO
North Miami 
Beach RO
Town of Davie 
RO
Collier County 
South
Jupiter RO
Broward 
County 
System 1
Palm Beach 
County 
System 11
Total Dissolved Solids mg/L 1,516 2,000 2,623 3,000 3,200 4,950 5,350 7,880 7,470 6,100
Barium mg/L 0.03 0.04 0.04 0.03 0.01 0.01 0.03 0.02 0.01 0.04
Fluoride mg/L 1.4 1.4 1.4 1.7 0.9 1.1 1.4 1.8 0.8
Nickel mg/L U U U U U U U 0.01U 0.01U 0.01U
Nitrate mg/L as N 0.01U 0.01U 0.01U U U U 0.50 0.02U 0.01U 0.50U
Sodium mg/L 343 420 600 265 780 1,450 1,370 2,310 2,100 1,590
Chloride mg/L 589 890 1,210 528 1,400 2,500 2,530 4,110 3,850 2,660
Iron mg/L 0.01U 0.01U 0.01U U U 0.01U 0.02U 0.02U 0.05 0.02U
Manganese mg/L 0.01U 0.01U 0.01U U U U 0.01U 0.01U 0.01U 0.012U
Sulfate mg/L 269 280 330 1,315 460 510 720 595 935 530
pH mg/L 7.7 7.7 7.7 7.6 7.8 7.7 7.5 7.6 7.8 7
Ammonium‐N mg/L 0.32 0.35 0.39 0.49 0.35 0.50 n/a 0.74
mg/L as CaCO3 141 142 145 105 115 132 152 120
mg/L 172 173 177 128 140 0 161 n/a 146
Calcium mg/L 90 108 125 415 105 150 270 197 210
Hydrogen Sulfide mg/L 3.0 3.0 3.0 3.0 3.5 3.2 4.0
Magnesium mg/L 86 92 105 178 110 205 280 290
Potassium mg/L 19 22 25 9 35 55 68 131
Silica mg/L 15 16 18 25 15 19 10
Strontium mg/L 17 19 21 14 3 15 15 12
Temperature °C 25 25 25 25 25 25 25 23 25 22
Bicarbonate Alkalinity
 
 
 
   
FSAWWA 2015 Paper GJ Schers, et al.    Date November 30, 2015 
“Floridan Aquifer” Lessons Learned  Page 23 of 32   
Table 2: Membrane Modeling Results 
Modeling Scenarios
Cape Coral, 
Southwest RO 
(1990)
Cape Coral,  
North RO 
(2010)
Cape Coral, 
North RO
North Miami 
Beach
Cape Coral, 
North RO 
(projected)
Town of Davie
Collier County 
South RO 
Palm Beach 
County System 
11
Jupiter RO
Broward 
County WTP1 
(projected)
Raw Water TDS (mg/L) 1516 2000 2623 3250 3850 4690 5350 6060 7600 9356
Permeate TDS  43 51 76 90 112 169 153 197 244 282
Finished Water TDS Contrib. Bypass (mg/L) 405 400 375 360 337 281 296 251 202 163
Bypass Limit as % of Finished Water 20% 20% 14% 11% 9% 6% 6% 4% 3% 2%
Bypass Flow (gpm) 438 402 313 242 191 131 120 90 58 38
Permeate Flow (gpm) 1,753 1,754 1,878 1,945 1,988 2,054 2,056 2,084 2,115 2,135
Finished Water Flow (gpm) 2,191 2,156 2,191 2,187 2,179 2,185 2,176 2,175 2,173 2,172
Array Recovery 85% 80% 80% 80% 80% 80% 80% 75% 75% 70%
Stage 1 Pressure Vessels 48 50 52 54 56 58 58 58 58 60
Stage 2 Pressure Vessels 24 25 26 27 28 29 29 29 29 30
Average Flux (gfd) 12.5 12.0 12.4 12.3 12.2 12.1 12.2 12.3 12.5 12.2
Feed Water pH 6.0 6.0 6.0 6.0 6.0 6.0 6.0 6.0 6.0 6.0
Feed Water Pressure w/ Fouling Allowance 188 195 215 210 220 234 243 251 270 282
Interbank ERD Pressure Gain (psi) 0 0 0 43.7 58.9 82.8 99.1 102 137 153
Design Warnings None None None None None None None None None None
Saturation Indices (If Scaling)
      Langlier Index 0.57 0.29 0.36 0.41 0.43 ‐ 0.65 ‐ ‐ ‐
CaSO4 ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ ‐
CaF2 2.5 1.4 1.3 1.4 2.4 ‐ 1.2 ‐ ‐ ‐
BaSO4 14.3 11.9 11.35 10.82 10.42 2.5 9.41 1.8 2.36 1.6
SrSO4 6.1 4.2 4.2 4.0 3.9 1.8 2.8 1.9 1.6 1.1
SiO2 ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ ‐
Degasified Water Quality (range)
Ca. Hardness (mg/L as CaCO3) 59.3 52.8 44.7 36.8 32.2 22.4 35.3 15.8 14.4 10.1
Mg. Hardness (mg/L as CaCO3) 92.8 74.0 61.8 53.1 49.3 44.5 44.1 43.4 32.6 22.9
Total Hardness (mg/L as CaCO3) 152 127 106 90 81 67 79 59 47 33
TDS (mg/L) 434 421 428 414 430 434 415 443 435 433
pH 8.0 8.0 8.0 8.0 8.0 8.0 8.0 8.0 8.0 8.0
Alkalinity (mg/L as CaCO3) ‐ Treated Water 44 35 28 24 21 15 15 13 11 10
FSAWWA 2015 Paper GJ Schers, et al.    Date November 30, 2015 
“Floridan Aquifer” Lessons Learned  Page 24 of 32   
Table 2: Membrane Modeling Results (Continued) 
Modeling Scenarios (Table Continued)
Cape Coral, 
Southwest RO 
(1990)
Cape Coral,  
North RO 
(2010)
Cape Coral, 
North RO
North Miami 
Beach
Cape Coral, 
North RO 
(projected)
Town of Davie
Collier County 
South RO 
Palm Beach 
County System 
11
Jupiter RO
Broward 
County WTP1 
(projected)
Finished Water Quality Goals
Total Hardness (mg/L as CaCO3) ‐ Goal 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80
Alkalinity (mg/L as CaCO3) ‐ Goal 60 60 60 60 60 60 60 60 60 60
Post‐Treatment Chemicals
Additional Hardness Dosed (mg/L as CaCO3) 0 0 0 0 0 13 1 21 33 47
Calflo (Ca(OH)2) (mg/L) 0 0 0 0 0 10 0 15 24 35
Carbon Dioxide (mg/L) 0 0 0 0 0 12 1 18 29 41
Additional Alkalinity Dosed (mg/L as CaCO3) 16 25 32 36 39 45 45 47 49 50
Additional Bicarbonate Dosed (mg/L) 19 31 39 44 47 55 54 58 60 61
Calflo (Ca(OH)2) (mg/L) 12 19 23 26 29 33 33 35 36 37
Carbon Dioxide (mg/L) 14 22 28 31 34 40 39 42 43 44
Electricity Use 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
Feed Flow Per Train (gpm) 2062 2192 2347 2431 2485 2568 2569 2779 2821 3049
Feed Pressure (psi) 188.2 195.3 215 209.6 220.2 234 243.4 251 270 282
Feed Pump Suction Pressure (psi) 30 30 30 30 30 30 30 30 30 30
Feed Pump Efficiency 78% 78% 78% 78% 78% 78% 78% 78% 78% 78%
Interbank Flow (gpm) 675 806 811 778 741 703 683 900 872 1,094
Interbank ERD Pressure Gain (psi) 0 0 0 44 59 83 99 102 137 153
Energy Cost ($/kWh) $0.12 $0.12 $0.12 $0.12 $0.12 $0.12 $0.12 $0.12 $0.12 $0.12
Annual Energy Cost ($/year) $191,461 $213,992 $256,477 $257,906 $279,132 $309,360 $323,841 $362,753 $399,806 $453,862
Energy Cost ($/1000 gallons) $0.17 $0.19 $0.22 $0.23 $0.25 $0.27 $0.29 $0.33 $0.36 $0.41
Chemical Use $0 $0 $0 $0 $0 $0 $0 $0 $0 $0
Sulfuric Acid Dose (mg/L) 100 101 104 108 107 92 93 93 97 102
Sulfuric Acid Unit Cost ($/gallon) $2.19 $2.19 $2.19 $2.19 $2.19 $2.19 $2.19 $2.19 $2.19 $2.19
Sulfuric Acid Cost ($/1000 gallons) $0.11 $0.12 $0.13 $0.15 $0.15 $0.13 $0.14 $0.15 $0.16 $0.18
Anti‐scalant Dose (mg/L) 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5
Anti‐scalant Unit Cost ($/lb) $1.25 $1.25 $1.25 $1.25 $1.25 $1.25 $1.25 $1.25 $1.25 $1.25
Anti‐scalant Cost ($/year) $5,653 $6,008 $6,434 $6,665 $6,811 $7,038 $7,043 $7,618 $7,732 $8,359
Calflo Dose (mg/L) 11.7 18.8 23.5 26.5 28.5 33.5 33.0 35.1 36.2 37.0
Calflo Unit Cost ($/lb) $0.24 $0.24 $0.24 $0.24 $0.24 $0.24 $0.24 $0.24 $0.24 $0.24
Calflo Cost ($/year) $26,665 $42,863 $53,579 $59,267 $62,116 $74,984 $71,914 $76,457 $78,887 $80,458
Carbon Dioxde Dose (mg/L) 17.4 27.9 34.9 39.3 42.4 49.8 49.1 52.2 53.9 54.9
Carbon Dioxide Unit Cost ($/lb) $0.11 $0.11 $0.11 $0.11 $0.11 $0.11 $0.11 $0.11 $0.11 $0.11
Carbon Dioxide Cost ($/year) $18,775 $30,181 $37,726 $41,732 $43,738 $52,798 $50,637 $53,835 $55,546 $56,652
Chemical Cost ($/1000 gallons) $0.16 $0.19 $0.22 $0.24 $0.26 $0.25 $0.26 $0.27 $0.29 $0.31
Total Energy + Chemical Cost ($/1000 gallons) $0.32 $0.38 $0.44 $0.47 $0.51 $0.53 $0.55 $0.60 $0.65 $0.72  
The chemical costs covers only the chemicals explicitly mentioned above. The electricity costs only covers RO feed pump, and does not cover the well pumps, 
transfer pumps and high service pumps; neither does is include other electrical consumers, such as the degasifier blowers.   
FSAWWA 2015 Paper GJ Schers, et al.    Date November 30, 2015 
“Floridan Aquifer” Lessons Learned  Page 25 of 32   
Pre‐Treatment – Acid  
In the last ten to fifteen years significant improvements have been made in terms of scale inhibitors. 
Different  types  of  scale  inhibitors  have  been  developed  with  each  a  specific  objective  in  mind,  like 
inhibition  of  calcium  carbonate  scaling,  inhibition  of  certain  sparingly  soluble  salts  scaling  and/or 
reduction of ferrous fouling. Currently, many utilities operating BWRO treatment systems have reduced 
or even eliminated the use of sulfuric acid in the RO feed stream for cost and/or safety reasons. As the 
optimal pH of the degasifier influent is around 5.8 to 6.0, utilities still need to dose sulfuric acid to the 
degasifier influent or have converted to carbonic acid (or carbon dioxide gas), dosed to the blend stream 
of RO permeate and RO bypass, to reduce the pH. In considering this the utility needs to consider the total 
system chemistry, including the use of post treatment chemicals as liquid lime and carbon dioxide to meet 
the finished water hardness and alkalinity goals. This has been done for three case‐studies: (1) Cape 
Coral’s North RO, (2) Town of Davie and (3) Town of Jupiter RO. The results are presented in Figure 10. 
Based on modeling, sulfuric acid is still required in the RO feed to maintain a LSI of 1.8 or less and acid is 
also needed in the degasifier inlet to maintain optimal pH conditions of 5.8‐6.0, although the overall acid 
consumption reduces. The figure shows that acid reduction is partly offset with an increase in the scale 
inhibitor, liquid lime and carbon dioxide dose, although overall chemical costs are lower for all case studies 
with limited sulfuric acid addition. 
 
Figure 10: Chemical Costs, with Acid and Limited Acid, for some Case Studies 
 
$0.13 
$0.05 
$0.13 
$0.05 
$0.16 
$0.05 
$0.01 
$0.02 
$0.01 
$0.02 
$0.01 
$0.03 
$0.03 
$0.05 
$0.05 
$0.05 
$0.05 
$0.05 
$0.05 
$0.06 
$0.07 
$0.07 
$0.07 
$0.08 
$0.00
$0.05
$0.10
$0.15
$0.20
$0.25
$0.30
$0.35
2623 2623
(limited acid)
4690 4690
(limited acid)
7600 7600
(limited acid)
Chemical Costs ($ per 1000 gallons treated)
Raw Water Total Dissolved Solids (mg/L)
Sulfuric Acid Cost ($/1000 gallons) Anti‐scalant Cost ($/1000 gallons)
Carbon Dioxide Cost ($/1000 gallons) Calflo Cost ($/1000 gallons)
FSAWWA 2015 Paper GJ Schers, et al.    Date November 30, 2015 
“Floridan Aquifer” Lessons Learned  Page 26 of 32   
RO Bypass 
As mentioned before, bypassing a portion of the raw water around the membrane process and blending 
it with the RO permeate helps meeting the finished water quality goals through re‐mineralization, while 
treating less of the incoming flow stream. The ability to bypass and the amount of the bypass flow is 
primarily dependent on the raw water TDS and finished water quality goals, but can also be influenced by 
the membrane salt rejection performance. As is expected, the bypass flow will need to be reduced when 
the raw water TDS increases or is higher. This concept is presented in Figure 11 illustrating the reduction 
in the bypass flow from just below 20% to around 6% of the raw water flow when the TDS in the raw water 
increases from 2,000 to 4,700 mg/L. Consequently, and to maintain the treatment plant capacity (at 
100%), the permeate flow will need to be increased from 80 to 94%. This requires modifications to the RO 
trains to accommodate more pressure vessels and RO elements for higher production while maintaining 
the same flux rate. The RO Bypass flow at raw water TDS levels of above 5,000 mg/L is low and practicing 
RO bypass becomes less attractive. 
 
Figure 11: Bypass Water and Permeate Flows as Function of Raw Water TDS 
 
RO Train 
Using the design assumptions and goals presented before, a RO train design was developed for each case 
study  as  summarized  in  Table  2.  The  concept  of  increasing  the  number  of  pressure  vessels  and  RO 
elements to maintain the same finished water flow is evident. For a 3 MGD system, the RO array needs to 
be increased from 48‐24 to 58‐29 pressure vessels in the first and second stage respectively, when the 
TDS in the raw water increases from 1,500 to 7,600 mg/L. At the same time the RO recovery rate decreases 
from 85% to 75% and the feed pressure increases from 188 to 392 psi without ERD (and 188 to 282 psi 
0%
20%
40%
60%
80%
100%
120%
1,500 2,500 3,500 4,500 5,500 6,500 7,500 8,500 9,500
Flow (% of Design Flow)
Raw Water Total Dissolved Solids (mg/L)
Bypass Flow WTP (%) Permeate Water Flow WTP (%)
Rated Finished Water Capacity WTP (%)
FSAWWA 2015 Paper GJ Schers, et al.    Date November 30, 2015 
“Floridan Aquifer” Lessons Learned  Page 27 of 32   
with ERD). The RO feed pumps are the single largest electrical consumers at any BWRO treatment system 
and ERDs to obtain the residual pressure from the second stage concentrate, which would be lost when 
concentrate is discharged, and to convert that into feed pressure energy to the second stage feed has 
become very popular. For each case study, the payback period was calculated and the results are provided 
in Figure 12. As illustrated the payback period of ERDs is less than 10 years and will become interesting 
when the raw water TDS exceeds 3,000 mg/L. Below 2,500 mg/L TDS, the payback period of an ERDs is 
above 15 years and is therefore less interesting. The combination of number of pressure vessels and the 
inclusion of an ERD in the BWRO treatment system are provided in Figure 13. 
 
Figure 12: Payback Period of an ERD as Function of Raw Water TDS 
 
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
1,500 2,500 3,500 4,500 5,500 6,500 7,500 8,500 9,500
Interstage ERD Payback Period (Years)
Raw Water Total Dissolved Solids (mg/L)
FSAWWA 2015 Paper GJ Schers, et al.    Date November 30, 2015 
“Floridan Aquifer” Lessons Learned  Page 28 of 32   
 
Figure 13: RO Array Design as Function of Raw Water TDS 
 
Post Treatment 
The RO permeate is combined with the RO bypass and treated in the degasifier vessels to remove the 
hydrogen sulfide and excess carbon dioxide. The chemistry of the blend stream will change as a function 
of the membrane performance but also as a result of the RO bypass flow percentage. Therefore, also the 
chemistry of the degasified water will change as a function of the raw water TDS content. This concept is 
illustrated in Figure 14. The alkalinity of the degasified water will decrease from just above 40 to around 
15 mg/L CaCO3 when the raw water TDS increases from 1500 to 5000 mg/L, while total hardness drops 
from 120 to 70 mg/L CaCO3. (The little blip on the hardness curve is due to the relatively higher hardness 
in the Collier County raw water at 5350 mg/L TDS.) The alkalinity is a measure of the buffering ability of 
the water and a certain minimum threshold or goal is recommended for corrosion control and stable 
chlorine residual. The exact alkalinity goal will need to be defined by each owner and is dependent upon 
many  factors  like  distribution  system,  finished  water  quality  and  corrosion  control  strategy.  In  this 
particular  report,  alkalinity  and  hardness  goal  of  60  and  80  mg/L  CaCO3  respectively  are  assumed 
requiring the addition of post–treatment chemicals to add alkalinity and hardness to the treated water. 
Different chemicals can be used for this purpose but over the last couple of years the combination of 
carbon dioxide and liquid lime has become popular. As can be found in Table 2, for a raw water TDS of 
5,000 mg/L about 30 mg/L liquid lime and 40 mg/L carbon dioxide is needed to recondition the degasified 
water to the set points for corrosion control. 
48 50 52 54 56 58 58 58 60
24
25
26
27
28
29 29 29
30
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
1,516 2,000 2,623 3,250 3,850 4,690 6,060 7,600 9,356
Interstage ERD Pressure Gain (psi)
RO Train Array
Raw Water Total Dissolved Solids (mg/L)
Stage 1 Pressure Vessels Stage 2 Pressure Vessels Interbank Booster Pump (psi) ‐ Max
FSAWWA 2015 Paper GJ Schers, et al.    Date November 30, 2015 
“Floridan Aquifer” Lessons Learned  Page 29 of 32   
 
Figure 14: Finished Water Quality, prior to Post‐Treatment Chemicals as Function of Raw Water TDS 
 
Electricity and Chemical Costs  
For each case study, electricity and chemical costs were calculated as shown in Figure 15. The costs 
increase from $0.33 to $0.72 per 1000 gallons of water treated over the range of raw water TDS levels 
from our case studies. The increase in electricity is more significant than the increase in chemical costs, 
despite the use of ERDs for TDS levels of 3000 mg/L and above. 
Four different chemicals make up the BWRO system chemical costs as shown in this figure, e.g. sulfuric 
acid, scale inhibitor, liquid lime and carbon dioxide. Further details are depicted in Figure 16, which shows 
that the costs of the scale inhibitor is relative constant across the range of TDS levels while the cost of 
sulfuric acid increases slightly. However the largest relative increase to the chemical costs is due to the 
increased dosages of liquid lime and carbon dioxide to maintain stable finished water. 
0
20
40
60
80
100
120
140
1,500 2,500 3,500 4,500 5,500 6,500 7,500 8,500 9,500
Total Hardness and Alkalinity in RO Permeate (mg/L as 
CaCO3)
Raw Water Total Dissolved Solids (mg/L)
Total Hardness (mg/L as CaCO3) ‐ Treated Water
Alkalinity (mg/L as CaCO3) ‐ Treated Water
Total Hardness (mg/L as CaCO3) ‐ Goal
Alkalinity (mg/L as CaCO3) ‐ Goal
Increase Alkalinity
Increase Hardness
Needed
FSAWWA 2015 Paper GJ Schers, et al.    Date November 30, 2015 
“Floridan Aquifer” Lessons Learned  Page 30 of 32   
 
Figure 15: Chemical and Electricity Costs as Function of Raw Water TDS 
 
 
Figure 16: Chemical Costs as Function of Raw Water TDS 
$0.17 $0.19 $0.22 $0.23 $0.25 $0.27 $0.29 $0.33 $0.36
$0.41
$0.16
$0.19
$0.22 $0.24
$0.26 $0.25
$0.26
$0.27
$0.29
$0.31
$0.00
$0.10
$0.20
$0.30
$0.40
$0.50
$0.60
$0.70
$0.80
1,516 2,000 2,623 3,250 3,850 4,690 5,350 6,060 7,600 9,356
Operating Cost ($ per 1000 gallons treated)
Total Dissolved Solids (mg/L)
Energy Cost ($/1000 gallons) Chemical Cost ($/1000 gallons)
$0.11  $0.12  $0.13  $0.15  $0.15 
$0.13  $0.14  $0.15  $0.16 
$0.18 
$0.01  $0.01 
$0.01 
$0.01  $0.01 
$0.01  $0.01 
$0.01  $0.01 
$0.02 
$0.04  $0.04 
$0.05 
$0.05 
$0.06 
$0.07  $0.07 
$0.07 
$0.07 
$0.07 
$0.03  $0.03 
$0.03 
$0.04 
$0.04  $0.05  $0.05 
$0.05 
$0.05 
$0.05 
$0.00
$0.05
$0.10
$0.15
$0.20
$0.25
$0.30
$0.35
1,516 2,000 2,623 3,250 3,850 4,690 5,350 6,060 7,600 9,356
Chemical Costs ($ per 1000 gallons treated)
Total Dissolved Solids (mg/L)
Sulfuric Acid Cost ($/1000 gallons) Anti‐scalant Cost ($/1000 gallons)
Calflo Cost ($/1000 gallons) Carbon Dioxide Cost ($/1000 gallons)
FSAWWA 2015 Paper GJ Schers, et al.    Date November 30, 2015 
“Floridan Aquifer” Lessons Learned  Page 31 of 32   
5. Conclusions 
Important  lessons  have  been  learned  over  40  years  of  operation  of  this  brackish  source.  The  UFA  is 
complex and heterogeneous aquifer where well specifics may differ moving from the west to east coast. 
However there are many commonalties in the wellfield design and operation as well. Many wellfields have 
experienced degrading water quality due to migration of pockets and areas of poor water quality due to 
human‐induced changes in the aquifer. This paper has presented several case studies of BWRO systems 
with degrading raw water quality impacting wellfield and treatment operations. The paper can provide 
guidance to utilities who are either operating or planning a BWRO system in terms of best practices of 
wellfield and treatment plant design. 
   
FSAWWA 2015 Paper GJ Schers, et al.    Date November 30, 2015 
“Floridan Aquifer” Lessons Learned  Page 32 of 32   
Literature References 
GJ  Schers,  and  Andy  Fenske,  Reducing  Adverse  Impacts  of  Declining  Water  Quality  on  RO  WTP  by 
Implementing Operational Changes to the Wellfield; paper presented at FWRC 2007 
Stefan Schuster, GJ Schers, and Michael Weatherby, Brackish Ground Water Supply in the US: 40 Years of 
Experience with RO Design and Operation; paper presented at Texas Water 2014 
Ron Cass, GJ Schers et al (2006); Optimizing existing facilities: finding another three MGD at the existing 
Cape Coral RO WTP; paper presented at FWRC 2006 
FDEP Division of Water Resource Management, Desalination in Florida: Technology, Implementation, and 
Environmental Issues 2010 
Karla Kinser,  GJ Schers and Andy Fenske  (2007 and 2008); Chemical optimization for a  new brackish 
ground water RO WTP, paper presented at the FSAWWA, FWRC and AMTA conferences in 2007 and 2008, 
and article was published in the FWRJ 2008 
MWH (2011), Best Practice Design Guides for Sand Separators, RO and Degasifiers 
Ed Rectenwald, Mike Weatherby, Significant water quality trends observed in the lower Hawthorn Aquifer 
of Southwest Florida, occurrences and solutions, paper presented at FSAWWA 2007 
GJ Schers et al; Designing a RO plant for changing raw water quality, paper presented at the FWRC 2007 
GJ  Schers  et  al;  Reducing  adverse  impacts  of  declining  water  quality  on  RO  WTP  by  implementing 
operational changes to the wellfield; paper presented at the FSAWWA and FWRC conferences 2007 
USGS, National Brackish Groundwater Assessment 2013 
U.S. Department of the Interior Bureau of Reclamation, Desalination and Water Purification Research and 
Development Program Report No. 155 Treatment of Concentrate 2009 
U.S. Geological Survey. 2003. Desalination of Ground Water: Earth Science Perspectives. Fact Sheet 075‐
03, October 2003.  
 
To Presented at:
FSAWWA 2015
Wed 3A: Dec. 2, 2015
Presented by: GJ Schers PMP
2
• Introduction in Florida Aquifer
• Featured Wellfields and Salinity
Trends
• Floridan Aquifer Water Quality
• Treatment Evaluations
• Conclusions
*
Cape Coral
Collier County *
*Jupiter
*
Palm Beach
County
*
Venice
*Bonita Springs
*
Broward (TW)
Davie
North Miami
Beach
*
*
Floridan Aquifer Wellfield and Treatment
3
4
• Relatively deep; brackish source
• Used since 1970’s
– Cape Coral, Venice
• Represents 25% of permitted capacity
• Benefits:
– Is considered an Alternative Water Supply (AWS)
– Requires localized/regionalized only permitting
– (can be) Small scale, easy expandable
– Therefore, Floridan Aquifer is good supplemental source
5
• Important Aspects for Implementation of BWRO systems:
1. Wellfield productivity and water quality
2. Pre-Reverse Osmosis (RO) treatment
3. RO
4. Post-RO treatment
5. Concentrate disposal Red: addressed in paper
• Objective paper: develop best practices for BWRO based
on existing operational systems
6
• Collect operational data on performance of 4 case studies:
• West coast: Cape Coral, Collier County (Venice, Bonita)
• East coast: Jupiter and Palm Beach County (NMB, Davie,
Broward)
• Analyze and compare wellfield data
• Develop ‘wide’ set of source water quality
• Evaluate impacts on water treatment
• Develop best practices on salinity impacts
Floridan Aquifer Wellfield and Treatment
7
8
Floridan
Well
9
Item West Coast East Coast
In operation since 1970’s 1990’s
Productivity expressed in
typical well capacity (gpm)
350-700 800-2,000
Depth wells (ft fls) 500-1,000 1,000-1,600
Aquifers Upper Floridan
Mid, Lower Hawthorn
Upper Floridan
Water Quality in TDS (mg/L) 1,500-4,000 3,000-7,500
Salinity reversal in area
Concentrate Disposal (ft bls) Boulder Zone
(>2,000)
Boulder Zone
(>2,000)
Several publications addressed experiences with water quality trends
• Slow trend over time in wellfield
• Fast change in individual wells
10
Summary of Production 
Wells
Southwest Wells North Wells
Start of Operation 1976 (3 MGD) 2010 (12 MGD)
Capacity 15 MGD (exp. in ’85)
18 MGD (exp. in ‘08)
12 MGD (original)
Number
Average Capacity
34
600 gpm
24
600 gpm
Specific capacity 10‐50 gpm/ft 10‐50 gpm/ft
Depth
Diameter
700 ft
12 inch FRP
700 ft
12 inch FRP
Original TDS 
Current TDS
1,400 mg/L (1988)
2,200 mg/L (2014)
2% increase/year
2,000 mg/L (2010)
2,500 mg/L (2014)
5% increase/year
Other source water quality 
parameters
Chloride 900 mg/L
Hardness 575 mg/L as CaCO3
H2S 3 mg/L
Chloride 1100 mg/L, 
Hardness 625 mg/L as CaCO3
H2S 3 mg/L
11
0
4
8
12
16
20
24
28
0
200
400
600
800
1,000
1,200
1,400
TotalPumpage(mgd)
ConcentrationChloride(mg/L)
Chlorides South
Chlorides North
Total Pumpage North + South
12
-5%
0%
5%
10%
15%
20%
25%
30%
35%
101
103
105
107
109
111
211
213
215
217
219
221
223
225
227
229
231
-1,000
0
1,000
2,000
3,000
4,000
5,000
6,000
TDSincrease(%/100MG)
Well ID
TDSConcentration(mg/L)
TDS increase
Avg first 6 m
Increase (%/100 MG)
13
Summary of Production 
Wells
Town of Jupiter RO Production wells
Start of Operation 1995 (6 MGD)
Capacity
8 MGD (exp. in ‘03)
10 MGD (exp. in ‘15)
Number
Average Capacity
12
1,400 gpm
Specific capacity 50 gpm/ft
Depth
Diameter
1,400 ft
17.4 inch PVC/FRP
1,600 ft
16, 12 inch PVC/FRP
Original TDS 
Current TDS
3,000 mg/L (1995) 
Avg. 6,500 mg/L (max 9,700 mg/L)
3%‐12% increase/year
Other source water 
quality parameters
Chlorides 4,000 mg/L
Hardness 1,650 mg/L as CaCO3
H2S 3 mg/L
14
0
2
4
6
8
10
12
0
2,000
4,000
6,000
8,000
10,000
12,000
TotalPumpage(mgd)
AverageConcentrationTDS(mg/L)
TDS AVERAGE
Total Pumpage
15
0%
5%
10%
15%
20%
25%2
3
5
6
7
8
9
10
11
12
13
0
1,000
2,000
3,000
4,000
5,000
6,000
7,000
8,000
9,000
10,000
TDSIncrease(%/100MG)
Well ID
TDSConcentration(mg/L)
TDS avg (first 6m) TDS increase TDS Increase (%/100 MG)
• Similar patterns were developed for other case studies
16
0
1,000
2,000
3,000
4,000
5,000
6,000
7,000
8,000
ConcentrationChloride(mg/L)
Chlorides South
Chlorides North
12 per. Mov. Avg. (Chlorides South)
12 per. Mov. Avg. (Chlorides North)
0.00
1.00
2.00
3.00
4.00
5.00
6.00
7.00
8.00
9.00
0
1,000
2,000
3,000
4,000
5,000
6,000
7,000
8,000
9,000
10,000
TotalPumpage(mgd)
AverageConcentrationTDS(mg/L)
TDS Average
Pumping
Average
• Back plugging with cement
• Hydraulic control and water quality blending
• Redundant production wells
• Pro-active wellfield management system
• Well abandonment
17
Floridan Aquifer Wellfield and Treatment
18
19
Parameter
(current - 2015, or
otherwise noted)
Units
Cape
Coral,
South RO
Cape
Coral,
North RO
North
Miami
Beach RO
Town of
Davie RO
Collier
County
South
Jupiter
RO
TDS mg/L 1,516 2,623 3,200 4,950 5,350 7,880
Barium mg/L 0.03 0.04 0.01 0.01 0.03 0.02
Fluoride mg/L 1.4 1.4 0.9 1.1 1.4
Sodium mg/L 343 600 780 1,450 1,370 2,310
Chloride mg/L 589 1,210 1,400 2,500 2,530 4,110
Sulfate mg/L 269 330 460 510 720 595
Bicarbonate Alkalinity mg/L 172 177 140 0 161 182
Calcium mg/L 90 125 105 150 270 197
Hydrogen Sulfide mg/L 3.0 3.0 3.5 3.2
Magnesium mg/L 86 105 110 205 280
Potassium mg/L 19 25 35 55 68
Strontium mg/L 17 21 3 15 15
Floridan Aquifer Wellfield and Treatment
20
21
22
0.00
0.10
0.20
0.30
0.40
0.50
0.60
0.70
0.80
0.90
1.00
4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14
MolarFraction
pH
Carbonic Acid (H2CO3)
Bicarbonate Ion (HCO3-)
Carbonate Ion (CO32-)
0.00
0.10
0.20
0.30
0.40
0.50
0.60
0.70
0.80
0.90
1.00
4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14
MolarFraction
pH
Hydrogen Sulfide (H2S)
Bisulfide Ion (HS-)
Sulfide Ion (S2-)
• Use range of source water quality
• Apply generic design assumptions BWRO
• Utilize membrane, scale inhibitor and chemistry software
models to develop conceptual designs BWRO
• Table the results
23
Snapshot of Output Table
• LSI in RO feed < 1.8 (scale inhibitor)
• pH degasifier inlet < 6.0
– Acid in RO feed or
– Limited acid in RO feed and additional acid in permeate
• Treated water Hardness > 80 mg/L, Alkalinity > 60 mg/L CaCO3
• Meet the treated water goals (for corrosion control) by:
– RO Bypass and addition of carbon dioxide and liquid lime
24
25
$0.13
$0.05
$0.13
$0.05
$0.16
$0.05
$0.01
$0.02
$0.01
$0.02
$0.01
$0.03
$0.03
$0.05
$0.05
$0.05
$0.05
$0.05
$0.05
$0.06
$0.07
$0.07
$0.07
$0.08
$0.00
$0.05
$0.10
$0.15
$0.20
$0.25
$0.30
$0.35
2623 2623
(limited acid)
4690 4690
(limited acid)
7600 7600
(limited acid)
ChemicalCosts($per1000gallonstreated)
Raw Water Total Dissolved Solids (mg/L)
Sulfuric Acid Cost ($/1000 gallons) Anti-scalant Cost ($/1000 gallons)
Carbon Dioxide Cost ($/1000 gallons) Calflo Cost ($/1000 gallons)
• Bypass limited by treated water TDS < 440 mg/L
• Upper limit 20%
• Total capacity system remains at 100%
• Reduction in RO Bypass compensated by increase permeate
26
27
0%
20%
40%
60%
80%
100%
120%
1,500 3,500 5,500 7,500 9,500
Flow(%ofDesignFlow)
Raw Water Total Dissolved Solids (mg/L)
Bypass Flow WTP (%)
Permeate Water Flow WTP (%)
Rated Finished Water Capacity WTP (%)
48 50 52 54 56 58 58 58 60
24 25 26 27 28 29 29 29 30
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
1,516 2,000 2,623 3,250 3,850 4,690 6,060 7,600 9,356
InterstageERDPressureGain(psi)
ROTrainArray
Raw Water Total Dissolved Solids (mg/L)
Stage 1 Pressure Vessels Stage 2 Pressure Vessels
Interbank Booster Pump (psi) - Max
• Use of direct pressure exchanger from
concentrate to second stage feed
• Electricity $0.12/kWh
28
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
1,500 3,500 5,500 7,500 9,500
InterstageERDPaybackPeriod
(Years)
Raw Water Total Dissolved Solids (mg/L)
29
• Hardness and
Alkalinity goal of 80
and 60 mg/L CaCO3
• Bypass as before
0
20
40
60
80
100
120
140
1,500 2,500 3,500 4,500 5,500 6,500 7,500 8,500 9,500
TotalHardnessandAlkalinityinROPermeate
(mg/LasCaCO3)
Raw Water Total Dissolved Solids (mg/L)
Total Hardness (mg/L as CaCO3) - Treated Water
Alkalinity (mg/L as CaCO3) - Treated Water
Total Hardness (mg/L as CaCO3) - Goal
Alkalinity (mg/L as CaCO3) - Goal
Increase
Alkalinity Needed
Increase Hardness
Needed
30
$0.17 $0.19
$0.22 $0.23 $0.25 $0.27 $0.29
$0.33 $0.36
$0.41
$0.16
$0.19
$0.22
$0.24
$0.26
$0.25
$0.26
$0.27
$0.29
$0.31
$0.00
$0.10
$0.20
$0.30
$0.40
$0.50
$0.60
$0.70
$0.80
1,516 2,000 2,623 3,250 3,850 4,690 5,350 6,060 7,600 9,356
OperatingCost($per1000gallonstreated)
Total Dissolved Solids (mg/L)
Energy Cost ($/1000 gallons) Chemical Cost ($/1000 gallons)
Floridan Aquifer Wellfield and Treatment
31
• Wellfield:
– Aquifer is complex and heterogeneous
– Many wellfields have experienced water quality degradation
• In wellfield
• Individual wells
– Best practice of wellfield design and operation available
• Treatment:
– Membrane and scale inhibitor technology improved
– Design should accommodate some form of degradation
– Impacts/trends on treatment assessed
32
Floridan Aquifer Wellfield and Treatment
33

More Related Content

Similar to FSAWWA Paper and Presentation Floridan Aquifer 12022015

Puget Sound Nutrient Source Reduction Project
Puget Sound Nutrient Source Reduction ProjectPuget Sound Nutrient Source Reduction Project
Puget Sound Nutrient Source Reduction ProjectNisqually River Council
 
Economic Valuation of water resources
Economic Valuation of water resources Economic Valuation of water resources
Economic Valuation of water resources virgo_az
 
From Field to Stream: Measuring Sediment and Nutrient Losses - Kuehner
From Field to Stream: Measuring Sediment and Nutrient Losses - KuehnerFrom Field to Stream: Measuring Sediment and Nutrient Losses - Kuehner
From Field to Stream: Measuring Sediment and Nutrient Losses - KuehnerSoil and Water Conservation Society
 
IRJET - Underground Water Recharge through Rainwater Harvesting using Rem...
IRJET -  	  Underground Water Recharge through Rainwater Harvesting using Rem...IRJET -  	  Underground Water Recharge through Rainwater Harvesting using Rem...
IRJET - Underground Water Recharge through Rainwater Harvesting using Rem...IRJET Journal
 
Engineered Nanoparticles in Food: Implications for Food Safety and Consumer H...
Engineered Nanoparticles in Food: Implications for Food Safety and Consumer H...Engineered Nanoparticles in Food: Implications for Food Safety and Consumer H...
Engineered Nanoparticles in Food: Implications for Food Safety and Consumer H...Nebraska Water Center
 
Integration of Human-Dimensions Science (HDS) in Ecosystem Restoration: A Ca...
Integration of Human-Dimensions Science (HDS) in Ecosystem Restoration: A Ca...Integration of Human-Dimensions Science (HDS) in Ecosystem Restoration: A Ca...
Integration of Human-Dimensions Science (HDS) in Ecosystem Restoration: A Ca...Sapnamul
 
Impacts of climate change on agriculture
Impacts of climate change on agricultureImpacts of climate change on agriculture
Impacts of climate change on agricultureCarmen Capriles
 
Impacts of On-site Wastewater Treatment Systems on Water Quality and Quantity...
Impacts of On-site Wastewater Treatment Systems on Water Quality and Quantity...Impacts of On-site Wastewater Treatment Systems on Water Quality and Quantity...
Impacts of On-site Wastewater Treatment Systems on Water Quality and Quantity...National Institute of Food and Agriculture
 
DGIS: Increasing Effectiveness and Efficiency through Probabilistic Decision ...
DGIS: Increasing Effectiveness and Efficiency through Probabilistic Decision ...DGIS: Increasing Effectiveness and Efficiency through Probabilistic Decision ...
DGIS: Increasing Effectiveness and Efficiency through Probabilistic Decision ...Land Health Decisions (SD4) ICRAF
 

Similar to FSAWWA Paper and Presentation Floridan Aquifer 12022015 (20)

Managing Water for Increased Resiliency of Drained Agricultural Landscapes
Managing Water for Increased Resiliency of Drained Agricultural LandscapesManaging Water for Increased Resiliency of Drained Agricultural Landscapes
Managing Water for Increased Resiliency of Drained Agricultural Landscapes
 
Final_Potter_Creek
Final_Potter_CreekFinal_Potter_Creek
Final_Potter_Creek
 
Puget Sound Nutrient Source Reduction Project
Puget Sound Nutrient Source Reduction ProjectPuget Sound Nutrient Source Reduction Project
Puget Sound Nutrient Source Reduction Project
 
Final Paper
Final Paper Final Paper
Final Paper
 
Lessons learned from the nifa ceap synthesis
Lessons learned from the nifa ceap synthesisLessons learned from the nifa ceap synthesis
Lessons learned from the nifa ceap synthesis
 
Economic Valuation of water resources
Economic Valuation of water resources Economic Valuation of water resources
Economic Valuation of water resources
 
From Field to Stream: Measuring Sediment and Nutrient Losses - Kuehner
From Field to Stream: Measuring Sediment and Nutrient Losses - KuehnerFrom Field to Stream: Measuring Sediment and Nutrient Losses - Kuehner
From Field to Stream: Measuring Sediment and Nutrient Losses - Kuehner
 
Scoping meeting presentation 4 29-13
Scoping meeting presentation 4 29-13Scoping meeting presentation 4 29-13
Scoping meeting presentation 4 29-13
 
ECO_soilreport_web
ECO_soilreport_webECO_soilreport_web
ECO_soilreport_web
 
modelling_workshop-final_report
modelling_workshop-final_reportmodelling_workshop-final_report
modelling_workshop-final_report
 
IRJET - Underground Water Recharge through Rainwater Harvesting using Rem...
IRJET -  	  Underground Water Recharge through Rainwater Harvesting using Rem...IRJET -  	  Underground Water Recharge through Rainwater Harvesting using Rem...
IRJET - Underground Water Recharge through Rainwater Harvesting using Rem...
 
Engineered Nanoparticles in Food: Implications for Food Safety and Consumer H...
Engineered Nanoparticles in Food: Implications for Food Safety and Consumer H...Engineered Nanoparticles in Food: Implications for Food Safety and Consumer H...
Engineered Nanoparticles in Food: Implications for Food Safety and Consumer H...
 
Water quality targeting success stories perez
Water quality targeting success stories   perezWater quality targeting success stories   perez
Water quality targeting success stories perez
 
Integration of Human-Dimensions Science (HDS) in Ecosystem Restoration: A Ca...
Integration of Human-Dimensions Science (HDS) in Ecosystem Restoration: A Ca...Integration of Human-Dimensions Science (HDS) in Ecosystem Restoration: A Ca...
Integration of Human-Dimensions Science (HDS) in Ecosystem Restoration: A Ca...
 
Impacts of climate change on agriculture
Impacts of climate change on agricultureImpacts of climate change on agriculture
Impacts of climate change on agriculture
 
Meeting goals and tracking quantified progress
Meeting goals and tracking quantified progressMeeting goals and tracking quantified progress
Meeting goals and tracking quantified progress
 
Daran Rudnick-NWC-Retreat-3-4-19
Daran Rudnick-NWC-Retreat-3-4-19Daran Rudnick-NWC-Retreat-3-4-19
Daran Rudnick-NWC-Retreat-3-4-19
 
Impacts of On-site Wastewater Treatment Systems on Water Quality and Quantity...
Impacts of On-site Wastewater Treatment Systems on Water Quality and Quantity...Impacts of On-site Wastewater Treatment Systems on Water Quality and Quantity...
Impacts of On-site Wastewater Treatment Systems on Water Quality and Quantity...
 
Indo-Ganges Basin Focal Project
Indo-Ganges Basin Focal ProjectIndo-Ganges Basin Focal Project
Indo-Ganges Basin Focal Project
 
DGIS: Increasing Effectiveness and Efficiency through Probabilistic Decision ...
DGIS: Increasing Effectiveness and Efficiency through Probabilistic Decision ...DGIS: Increasing Effectiveness and Efficiency through Probabilistic Decision ...
DGIS: Increasing Effectiveness and Efficiency through Probabilistic Decision ...
 

FSAWWA Paper and Presentation Floridan Aquifer 12022015

  • 1. FSAWWA 2015 Paper GJ Schers, et al.    Date November 30, 2015  “Floridan Aquifer” Lessons Learned  Page 1 of 32     Salinity Increases in the Upper Floridan Aquifer Wellfields in South Florida:  What have we learned and how do we plan new systems?  Authors:  GJ Schers1  PMP, Ed Rectenwald1  PG, PMP, Jim Anderson2  PG, Andy Fenske3 ,   Amanda Barnes PE4 , Howard Brogdon5 , and Tom Uram6  PG     1  MWH Global Inc, 2  JLA Geosciences, Inc., 3  City of Cape Coral, 4  Town of Jupiter, 5  Collier County and   6  Palm Beach County    1. Introduction  The use of brackish ground water as a source for potable water supply has gained interest throughout the  country. Population growth in areas of fresh water scarcity, coupled with an affordable brackish water  reverse osmosis (BWRO) treatment technology, have led to implementation of many systems in Texas,  Florida and California. Production well and treatment technology have improved tremendously over the  past decades and long term operational experiences have provided the utilities with valuable information  on design and operational criteria and pitfalls. Three aspects need to be carefully considered during the  implementation of a BWRO system: (1) wellfield design and related source water productivity and quality,  (2) required pre‐treatment for RO and (3) disposal of the RO concentrate.  The wellfield design and related source water productivity and quality depend on aquifer conditions and  heterogeneity, which vary by region, but design criteria for production wells are commonly understood.  Criteria like well spacing, capacity, redundancy, depth and flow and withdrawal control of production  wells are nowadays carefully considered to provide a sustainable wellfield in terms of both production  capacity and water quality. Some wells have experienced water quality degradation over time and, if not  anticipated during design, treatment modifications can become expensive. Also treatment technologies  have improved over time and  current low‐energy  RO thin film  composite membrane technology has  become the treatment of choice.  The  type  of  pre‐treatment  is  dependent  upon  the  local  ground  water  chemistry  where  sand,  iron,  hydrogen sulfide, organics, and silicates can be present. Each substance requires dedicated attention in  regards to pre‐treatment to avoid membrane fouling and/or scaling. In Florida the presence of sand in the  aquifer,  without  removal,  can  cause  physical  damage  to  the  membranes  and  hydrogen  sulfide  and  dissolved iron, when oxidized, can cause membrane fouling. In parts of Texas, the major issue for BWRO  pre‐treatment includes radionuclides, arsenic, and heavy metals. In Southern California, elevated levels  of iron and manganese may require upstream media or greensand filtration.  Disposal of RO concentrate varies per  region. Common methods of disposal, including surface water  discharge and deep well injection, are not readily available for landlocked areas. Areas with deep aquifers  or in close vicinity to the ocean, like coastal areas in Florida, can use more common methods of disposal.  Disposal methods in Texas are variations of surface disposal and while Southern California has access to  ocean disposal, there is a trend towards using regional concentrate transmission such to improve the  inland  salt  balance.  Alternatives  for  concentrate  treatment  include  evaporation  ponds,  membrane  distillation and thermal treatment, although these methods are typically only applied when zero‐liquid  discharge is required. While these technologies are effective, they are also expensive and the pros and  cons need to be evaluated prior to implementation. 
  • 2. FSAWWA 2015 Paper GJ Schers, et al.    Date November 30, 2015  “Floridan Aquifer” Lessons Learned  Page 2 of 32    This paper will focus on BWRO systems in Florida and source water quality. The Upper Floridan Aquifer  (UFA) is widely used here as a water source for potable and industrial water supply. The current (2014)  permitted capacity of BWRO systems for municipal use is 551 MGD, which represents close to 25% of the  total permitted capacity. In South Florida the aquifer contains brackish ground water and many systems  have used this source in the last 40 years. The Cities of Venice and Cape Coral along the west coast were  among the first to implement these systems successfully in the 1970’s and 1980’s. Many other water  utilities in that region followed their footsteps including Lee County, Collier County, Bonita Springs, and  the cities of Fort Myers and North Port. In 1990, the Town of Jupiter was the first east coast utility to  implement BWRO.  Martin County followed shortly thereafter with the construction of its North plant in  Jensen Beach.  In the 2000’s other utilities including the City of North Miami Beach, the Town of Davie,  and Palm Beach County implemented UFA wellfield and BWRO treatment systems.  Although there are many commonalities between east and west coast UFA systems, there are also distinct  differences. Aquifer salinity, expressed as total dissolved solids (TDS), typically ranges from 2,000‐5,000  mg/L on the west coast, and is often more saline (3,500‐8,000 mg/L TDS) on the east coast. The production  zone of the aquifer (or typical well depth), is deeper in east Florida because the aquifer dips steeply to the  Southeast.  In general, the UFA is more productive on the Southeast coast. Typical well production rates  on  the  west  coast  are  350‐700  gpm  as  compared  to  800‐2,000  gpm  towards  the  Southeast.  One  commonality for the UFA is that the wellfield salinity generally increases over time, requiring improved  wellfield management by including redundant production wells and treatment modifications, which have  increased the costs of producing potable water.  The salinity increases may impact the BWRO treatment system, which typically is limited by the raw water  salinity  it  can  treat.  The  limits  are  caused  by  upper  design  criteria  of  individual  components  of  the  treatment system, like the horsepower of RO feed pump motors or the pressure rating of membranes,  membrane  vessels  or  pipework.  In  existing  systems,  the  operation  is  restricted  by  the  limits  of  the  materials and equipment and unless these are replaced, it may not be able to treat higher salinity raw  water. Fortunately, there have also been improvements in membrane technology which provide for better  salt rejections at lower feed water pressure and developments in scale inhibitor which allow for higher  system recoveries. In several cases these improvements have been implemented and have offset the  salinity increases allowing continued successful use of the BWRO systems. In terms of planning for a new  system, the designer needs to allow for some form of water degradation. This flexible design approach  has been documented by this author in several publications and focuses on selecting conservative design  criteria for RO feed pumps, chemical pre‐treatment feed systems, RO skid design, and RO bypass pipeline  and valving.   This paper will describe the general hydrogeology of the Floridan Aquifer in South Florida, will provide  details on wellfield and source water quality of certain BWRO systems and will present impacts of source  water salinity on the treatment.       
  • 3. FSAWWA 2015 Paper GJ Schers, et al.    Date November 30, 2015  “Floridan Aquifer” Lessons Learned  Page 3 of 32    2. Florida Aquifers  Three major aquifer systems underlie Florida: Surficial Aquifer System (SAS), Intermediate Aquifer System  (IAS), and Floridan Aquifer System (FAS). The IAS is only present in the Southwestern half of the state and  has variable permeability. The aquifer systems are composed of multiple, discrete aquifers separated by  low permeability “confining” units that occur throughout this Tertiary/Quaternary age sequence.   Brackish ground water in Florida is mainly found in the lower FAS, but is also present in the IAS and SAS  along coastal areas that have been impacted by lateral saline water intrusion. The brackish to highly saline  ground water found at depth in the lower FAS is connate water that was trapped in the marine limestones  as they were deposited. Very highly saline water with TDS concentrations exceeding 100,000 mg/L is  found below the Cretaceous‐aged anhydrite sequence underlying the FAS and is caused by the long term  dissolution of rock units.  2.1 Southwest Florida Aquifers  In Southwest Florida, freshwater resources occur within the SAS and IAS.  The more abundant sources of  water occur within the FAS, with water quality that ranges from brackish to saline.   The FAS is defined as  a  vertically  continuous  sequence  of  permeable  carbonate  rocks  of  tertiary  age  that  are  hydraulically  connected in varying degrees, and whose permeability is generally several orders of magnitude greater  than that of the formations above and below (Miller, 1986).  The system is subdivided into the Upper  Floridan aquifer (UFA), middle confining unit (MCU) and the Lower Floridan aquifer (LFA).  The FAS in the  west  coast  study  area  is  composed  predominately  of  limestone  with  lower  occurrences  of  dolomitic  limestone and dolomite (Miller, 1986).  The UFA is composed of a series of variable permeable carbonate formations including, in descending  depth, the Lower Hawthorn, Suwannee and Ocala. The MCU is composed of a series of low porosity  limestones  and  dolomites  that  consists  of  the  Avon  Park  formation.  The  LAS  consists  of  the  highly  transmissive Boulder Zone found within the lower Avon Park and Oldsmar Formation.  Potential sources  of drinking water are found in the UFA above the regulatory Underground Source of Drinking Water  (USDW),  which  is  defined  as  having  TDS  levels  of  10,000  mg/l  or  less  and  is  expected  to  occur  at  approximately 1,100 to 1,300 feet below land surface.  Portions of the LFA are used for disposal of RO  concentrate and/or treated wastewater. The source water of BWRO systems is provided from the UFA  with water quality generally ranging between 1,500 and 4,000 mg/L TDS up to about 15,000 mg/L in  deeper and more coastal areas.  Water quality in the LFA is likely saline, with a TDS concentration of  approximately 37,000 mg/L, based on sparse existing data.  A summary of hydraulic, water quality and  potential use of these aquifers is shown in Figure 1.    Lateral saltwater intrusion occurs when seawater migrates inland from a natural reduction of freshwater  heads or pumping of wells. Increases in pumping lowers the hydraulic potential by stressing the aquifer  allowing the seawater to move inland at a faster rate. Fractures which are also evident in carbonate  aquifers of Florida may also increase movement of saltwater laterally into coastal wellfields. Vertical  saltwater intrusion occurs when saline water moves upward through fractures from underlying more  brackish aquifers. Production wells are occasionally drilled into fractures that are oriented vertically or at  high angles. These fractures may act as conduits for saline waters to move upward rapidly degrading the  water quality of some wells soon after they go into production (see Figure 2).   
  • 4. FSAWWA 2015 Paper GJ Schers, et al.    Date November 30, 2015  “Floridan Aquifer” Lessons Learned  Page 4 of 32    Figure 1: Southwest Florida Aquifer Hydrogeology  Figure 2: Sources and Migration Pathways of brackish ground water in Coastal Southwest Florida  [Source USGS Circular 1262, 2003]      Production Zone: 1500-3000 mg/L TDS
  • 5. FSAWWA 2015 Paper GJ Schers, et al.    Date November 30, 2015  “Floridan Aquifer” Lessons Learned  Page 5 of 32    2.2 Southeast Florida Aquifers  In Southeast Florida, freshwater resources occur within the SAS and Biscayne Aquifer System (BAS). Water  resources that occur within the FAS, with water quality that ranges from brackish to saline.  The FAS is  defined  as  a  vertically  continuous  sequence  of  permeable  carbonate  rocks  of  tertiary  age  that  are  hydraulically  connected  in  varying  degrees,  and  whose  permeability  is  generally  several  orders  of  magnitude greater than that of the formations above and below (Miller, 1986). The system is subdivided  into the Upper Floridan aquifer (UFA), middle confining unit (MCU) and the Lower Floridan aquifer (LFA).  The FAS in the east coast study area is composed predominately of limestone with lower occurrences of  dolomitic limestone and dolomite (Miller, 1986).  The  UFA  is  composed  of  a  series  of  carbonate  formations  with  variable  permeability  including,  in  descending depth, the Arcadia Formation of the Basal Hawthorn Unit, Suwannee, Ocala and Avon Park.  The MCU is composed of a series of low porosity limestones and dolomites that consists of the Avon Park  Formation. The LFA consists of the highly transmissive Boulder Zone found within the lower Avon Park  and Oldsmar Formation.  Potential sources of drinking water are found in the UFA above the regulatory  Underground Source of Drinking Water (USDW), which is defined as having TDS levels of 10,000 mg/l or  less and is expected to occur at approximately 1,000 to 1,400 feet below land surface. Portions of the LFA  are used for disposal of RO concentrate and/or treated wastewater. The source water of BWRO systems  is provided from the UFA with TDS generally ranging between 3,000 mg/L to 6,000 mg/L up to about  15,000 mg/L in deeper and more coastal areas. The UFA within some parts of Palm Beach County and  northern Broward Counties exhibits a reversal in salinity, with higher TDS concentration in the upper  sections of the UFA and lower TDS concentrations in the lower sections (Reese and Memberg, 2000).  Water  quality  in  the  LFA  is  likely  saline,  with  a  TDS  concentration  of  approximately  37,000  mg/L.  A  summary of hydraulic, water quality and potential use of these aquifers is shown in Figure 3. The pathways  of lateral and vertical saltwater intrusion are similar than in Southwest Florida Aquifers.    Figure 3: East Florida Aquifer Hydrogeology 
  • 6. FSAWWA 2015 Paper GJ Schers, et al.    Date November 30, 2015  “Floridan Aquifer” Lessons Learned  Page 6 of 32    3. Wellfield and Water Quality   Water  quality  trends  can  occur  in  two  fashions;  slow  trends  over  time  within  the  wellfield,  and  fast  changes in individual wells. Certain mechanisms can be responsible for these trends or quick changes,  however,  many  times  the  exact  answer  is  not  known  without  intense  and  potentially  expensive  investigations. There are however ways to minimize the effects of water quality changes.  Several wellfields tapping the UFA have shown some type of abrupt water quality declines, including the  North  Collier  Regional  WTP  UFA  wellfield  (CDM,  2005),  North  Lee  County  wellfield  (SFWMD  Permit  Information Files), the City of Cape Coral North RO wellfield (MWH, 2007,) and the City of Fort Myers  wellfield. Four utilities, the City of Cape Coral, Collier County, the Town of Jupiter, and Palm Beach County,  gave permission to use their water quality data in this report. Also current water quality data are provided  in this report from other utilities, including Bonita Springs Utility, City of Venice, City of North Miami  Beach, Town of Davie and Broward County, to complement the data from the four case studies and to  enable  a  presentation  over  a  wide  range  of  source  water  quality.  However  historical  trends  are  not  provided. The next sections will present the data on the four featured case studies.  3.1 Southwest Florida Case Studies  City of Cape Coral  The City of Cape Coral is a pre‐platted community that relies on domestic self‐supply in areas not served  by the utility system. Limited fresh ground water sources from the IAS are available to supply domestic  users. The City is in the process of expanding the utility service again to meet the demands of a growing  population, after 6 years of decline between 2006 and 2012. The City operates two BWRO systems. The  Southwest BWRO system is the older system, which was originally put in operation in 1976 at a capacity  of 3 MGD. Expansions occurred in 1985 to 15 MGD and in 2008 to 18 MGD. In 2008, as part of plant  expansion, also the number of production wells was increased from 24 to 32, each with an approximate  depth of 700 ft. The North BWRO system is the newer system with a capacity of 12 MGD, put in operation  in 2010. This system includes 22 production wells to a similar depth than the Southwest wells.    
  • 7. FSAWWA 2015 Paper GJ Schers, et al.    Date November 30, 2015  “Floridan Aquifer” Lessons Learned  Page 7 of 32    A well location map and a photo of a North BWRO production well is included above. The City kept records  of  well  pumpage  and  water  quality  since  inception.  While  pumpage  of  each  well  was  recorded  continuously, water sampling for water quality was carried out monthly at each production well.  Samples  were analyzed for hardness, alkalinity, chlorides, conductivity, TDS, pH, hydrogen sulfide, color, fluoride  and turbidity.  Trends for each of these water quality parameters was developed for each well and for all  wells combined.  Figure 4 shows the increasing raw water chlorides in all wells combined from each  wellfield. The Southwest wellfield combined chlorides increased from 600 mg/L in 1988 to 900 mg/L in  2014, while the North wellfield chlorides increased from 800 mg/L in 2010 to 1,100 mg/L in 2014. Similar  trends were established for sodium, TDS, hardness and conductivity.  On the other hand, limited to no  variations were observed for other parameters, such as the source water alkalinity, pH, hydrogen sulfide,  radionuclides, fluoride and turbidity.  Water quality trends have occurred in two fashions; slow trends over time within the wellfield, and fast  changes observed in individual wells. The referenced figure includes two graphics depicting the chloride  increases in individual wells. In the Southwest wellfield, 21% of the wells have seen a chloride increase of  5% or higher during each 12 months of operation. The ‘bad’ wells are 105, 112, 114, 214 and 231 and are  spread randomly throughout the wellfield. In the North wellfield, 50% of the wells have seen a chloride  increase of 5% or higher during each 12 months of operation. The ‘bad’ wells are 301, 302, 303, 305, 306,  307, 318, 320, 322, 323 and 324 and are grouped in certain areas in North Cape Coral.  Collier County  The  County  has  kept  records  of  the  North  Collier  County  well  pumpage  and  water  quality  since  the  beginning. The North Collier brackish wellfield was originally constructed in 1998 with 10 production wells  in the lower Hawthorn aquifer and now currently has a total of 25 production wells. Six of the production  wells are constructed into the mid Hawthorn aquifer with casing and total depths approximately 400 feet  and 515 feet, respectively.  With the other 19 production wells constructed in the lower Hawthorn aquifer  with  casing  and  total  depths  of  the  wells  approximately  750  and  950  feet  below  land  surface  (bls),  respectively.    Wells RO‐001 through RO‐004 at the western end of the wellfield which are producing from the lower  Hawthorn aquifer experienced rapid increases in salinity shortly after they were placed into operation.   The chloride concentration of water samples obtained from wells RO‐001 through RO‐004 during 2000  and 2001 (after they were initially constructed) ranged from approximately 2,000 to 3,000 mg/L.  Chloride  concentrations in these wells increased to between 6,000 to 10,000 mg/L within two year of operation.   The membrane processes used at the NCRWTP are unable to adequately treat the higher salinity waters  so wells RO‐001 through RO‐004 have largely been unused since 2002.  A total of 19 additional production  wells have been added to date to increase the raw water supply capacity to the RO WTP.  Individual well  yields in the wellfield generally range from 500 to 700 gpm with chlorides concentrations ranging from  850 mg/L to 3,000 mg/L (see Figure 5) and have shown no signs of degradation. In the North wellfield,  21% of the wells have seen a chloride increase of 5% or higher during each 12 months of operation. The  ‘bad’ wells are 001, 002, 003, 004 and 009.  The County also has kept records of the South Collier County well pumpage and water quality since the  beginning of operation.   The South Collier brackish wellfield was originally constructed in 2001 to 2002  with 11 production wells in the mid Hawthorn aquifer and 4 production wells in the lower Hawthorn  aquifer for a total of 15 production wells.  In 2006 through 2007, the County constructed 25 additional  production wells in the mid Hawthorn aquifer and 2 production wells in the lower Hawthorn aquifer for a 
  • 8. FSAWWA 2015 Paper GJ Schers, et al.    Date November 30, 2015  “Floridan Aquifer” Lessons Learned  Page 8 of 32    grand total of 42 production wells.  All of the production wells constructed in the mid Hawthorn aquifer  have casing and total depths approximately 300 feet and 420 feet, respectively.  And the production wells  constructed in the lower Hawthorn aquifer have casing and total depths of the wells approximately 630  and 1,000 feet below ground surface, respectively.    All production wells in the South County Wellfield show somewhat stable chlorides throughout the period  of record which typically average from approximately 2,000 to 3,000 mg/L.  However, RO‐7, 10, 13, 14,  17, 39 and 41 all have average chloride concentrations between 3,000 to 4,600 mg/L within one year of  operation and have seen  rapid inclines of chlorides over time.   Individual well yields in the wellfield  generally range from 500 to 700 gpm with chlorides concentrations ranging from 2,000 mg/L to 3,000  mg/L and have shown no signs of degradation. In the South wellfield, 13% of the wells have seen a chloride  increase of 5% or higher during each 12 months of operation. The ‘bad’ wells are 007, 010, 013, 014 and  039.  3.2 East Florida Aquifers  Town of Jupiter  Information on the Town of Jupiter UFA wellfield was collected from historical pumping and water quality  data provided by the Town. The Towns UFA wellfield was originally constructed in 1995 with 4 production  wells  in  the  UFA.  The  wellfield  was  periodically  expanded  westward  as  the  Towns  water  demands  increased and as water quality changed in older production wells.  The Towns UFA wellfield expansion  occurred in several phases with the most recent in 2003 with the newer wells being constructed away  from the Towns Water Treatment Plant along the C17 canal with well spacing of approximately 2,000 feet.  The  average  UFA  well  casing  and  borehole  depths  are  approximately  1,215  and  1,560  feet  bls,  respectively. Individual well yields range between 500 gpm and 1,600 gpm.  The Towns older UFA production wells RO‐2 through RO‐6 have experienced the most significant increases  in TDS with at the northern end of the wellfield experienced increases in salinity shortly after they were  placed into operation. The chloride concentration of water samples obtained from wells RO‐2 through  RO‐7 during 1995 and 1997 (after they were initially constructed) ranged from approximately 1,350 to  2,700 mg/L. Chloride concentrations have increased between 2,110 mg/L (RO‐2) and 556 mg/L (RO‐13)  with  the  largest  increases  (>1,000  mg/L)  in  wells  RO‐2,  RO‐3,  RO‐5,  RO‐6,  RO‐7.  Overall,  chloride  concentrations have increased between 2% and 5% per year. This increase in salinity is directly related to  the well usage.   In 2004, JLA Geosciences suggested the need for uniform and equitable pumpage of the RO wells following  rapid increases in chloride and specific conductance in water produced from wells RO‐2 and RO‐3. At that  time as much as 46% of the water supplying the plant was being produced from RO‐2 and 58% from RO‐ 3, with an average chloride of approximately 3,000 mg/L. With the installation of wells RO‐11, RO‐12 and  RO‐13 (2004), pumpage from RO‐2 and RO‐3 declined to level off the produced water quality. The leveling  off of chloride on the RO‐2 is likely the result of reduced stress on the well from the even distribution of  well pumpage and the increased number of wells available for use with the installation of RO‐11, RO‐12  and RO‐13.      
  • 9. FSAWWA 2015 Paper GJ Schers, et al.    Date November 30, 2015  “Floridan Aquifer” Lessons Learned  Page 9 of 32    Palm Beach County  Information on the Palm Beach County Water Utilities Department (PBCWUD) Water Treatment Plan No.  11 (WTP‐11) UFA wellfield was collected from historical pumping and water quality data provided by  PBCWUD. The WTP‐11 was originally placed into service in 2008 with 7 UFA production wells producing  approximately 10 MGD raw water. The wellfield extends northward with well spacing of approximately  800 feet. Average well casing and borehole depths are approximately 1,150 feet below land surface (bls)  and 1,450 feet bls, respectively. Due to declines in well performance and rapid water quality degradation  the WTP‐11 UFA wellfield was expanded in 2012 (Well PW‐8) and in 2014 (Wells PW‐9 and PW‐10).  The  newly constructed wells were completed with boreholes at shallower depths of approximately 1,350 feet  bls, to target sections of the UFA with better water quality. Additionally, individual well withdraw rates  were reduced from an average of 2 MGD per well to 1MGD per well to reduce the rate of water quality  degradation.   The existing Upper Floridan Aquifer wells in the Lake Region WTP11 wellfield have lost capacity since they  were constructed in 2005 (TP‐1 and TP‐2), 2007 (PW‐3 – PW‐7) and 2012 (PW‐8) due to a combination of  over pumping and water quality degradation. Wells in the northern portion of the wellfield, TP‐1, TP‐2,  PW‐4 through PW‐7, have experienced upconing of higher saline water with a current range of 5,000 to  10,000 mg/L TDS in the source water.      
  • 10. FSAWWA 2015 Paper GJ Schers, et al.    Date November 30, 2015  “Floridan Aquifer” Lessons Learned  Page 10 of 32    Figure 4: Summary of City of Cape Coral Floridan Aquifer production wells   Summary of  Production Wells  Southwest Wells North Wells   Start of Operation  1976 (3 MGD) 2010 (12 MGD) Capacity  15 MGD (exp. in ’85) 18 MGD (exp. in ‘08)  12 MGD (original) Number  Average Capacity  34  500 gpm  24 500 gpm  Specific capacity  10‐100 gpm/ft 10‐100 gpm/ft Depth  Diameter  700 ft  12 inch FRP  700 ft 12 inch FRP  Original TDS   Current TDS  1,400 mg/L (1988) 2,200 mg/L (2014)  2% increase/year  2,000 mg/L (2010) 2,500 mg/L (2014)  5% increase/year  Other source water  quality parameters  Chloride 900 mg/L,  Hardness 575 mg/L as  CaCO3, H2S 3 mg/L  Chloride 1100 mg/L,  Hardness 625 mg/L as  CaCO3, H2S 3 mg/L  0% 5% 10% 15% 20% 25% 30% 35% 40% 101 103 105 107 109 111 211 213 215 217 219 221 223 225 227 229 231 0 500 1,000 1,500 2,000 2,500 3,000 3,500 4,000 Chlorides increase (%/Year of Operation) Southwest Wellfield ‐ Well ID Chlorides Concentration (mg/L) Chlorides (avg first 6 m) Chlorides Increase During Ops Chlorides Increase (%/Yr Ops) 0% 5% 10% 15% 20% 25% 30% 35% 40% 301 303 305 307 309 311 313 317 319 321 323 0 500 1,000 1,500 2,000 2,500 3,000 3,500 4,000 Chlorides increase (%/Year of Operation) North Welllfield ‐ Well ID Chlorides Concentration (mg/L) Chlorides (avg first 6 m) Chlorides Increase During Ops Chlorides Increase (%/Yr Ops) SW Wells: 21% bad  (>5% incr/yr)  N Wells: 50% bad  (>5% incr/yr) 0 4 8 12 16 20 24 28 0 500 1,000 1,500 Total Pumpage (mgd) Concentration Chloride (mg/L) Chlorides South Chlorides North Total Pumpage North + South
  • 11. FSAWWA 2015 Paper GJ Schers, et al.    Date November 30, 2015  “Floridan Aquifer” Lessons Learned  Page 11 of 32    Figure 5: Summary of Collier County Floridan Aquifer production wells   Summary of  Production Wells  South Wells North Wells Start of Operation  2002 (5 MGD) 2000 (5 MGD) Capacity  12 MGD (exp. in ’07) 8 MGD (exp. In ‘03) Number  Average Capacity  42  300 gpm  25 300 gpm  Specific capacity  10‐100 gpm/ft 10‐100 gpm/ft Depth  Diameter  300‐400 ft (mid Hawtorn) 600‐1000 ft (low Hawtorn)  12 inch FRP  400‐500 ft (mid Hawtorn) 700‐900 ft (low Hawtorn)  12 inch FRP  Original TDS   Current TDS  4,500 mg/L (2002) 5,500 mg/L (2013)  2.5% increase/year  5,500 mg/L (2000) 4,780 mg/L (2013)  No increase  Other source water  quality parameters  Chloride 2,750 mg/L,  Hardness 1,500 mg/L as  CaCO3, H2S 3 mg/L  Chloride 2,000 mg/L,  Hardness 1,100 mg/L as  CaCO3, H2S 3 mg/L        0 2,000 4,000 6,000 8,000 Concentration Chloride (mg/L) Chlorides South Chlorides North 12 per. Mov. Avg. (Chlorides South) 12 per. Mov. Avg. (Chlorides North) 0% 5% 10% 15% 20% 25% 30% 35% 40% 001 003 005 007 009 011 013 015 017 019 021 023 025 027 029 031 033 035 037 039 041 0 500 1,000 1,500 2,000 2,500 3,000 3,500 4,000 Chlorides increase (%/Year of Operation) South Wellfield ‐ Well ID Chlorides Concentration (mg/L) Chlorides (avg first 6 m) Chlorides Increase During Ops Chlorides Increase (%/Yr Ops) 0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 001 003 005 007 009 011 013 015 017 019 101 114 116 0 1,000 2,000 3,000 4,000 5,000 6,000 7,000 8,000 9,000 Chlorides increase (%/Year of Operation) North Welllfield ‐ Well ID Chlorides Concentration (mg/L) Chlorides (avg first 6 m) Chlorides Increase During Ops Chlorides Increase (%/Yr Ops) S Wells: 13% bad  (>5% incr/yr)  N Wells: 21% bad  (>5% incr/yr)
  • 12. FSAWWA 2015 Paper GJ Schers, et al.    Date November 30, 2015  “Floridan Aquifer” Lessons Learned  Page 12 of 32    Figure 6: Summary of Jupiter Floridan Aquifer production wells      
  • 13. FSAWWA 2015 Paper GJ Schers, et al.    Date November 30, 2015  “Floridan Aquifer” Lessons Learned  Page 13 of 32    Figure 7: Summary of Palm Beach County Floridan Aquifer production wells 
  • 14. FSAWWA 2015 Paper GJ Schers, et al.    Date November 30, 2015  “Floridan Aquifer” Lessons Learned  Page 14 of 32    3.3 Solutions to Minimize Saline Water Migration  As presented in the previous sections, water degradation due to migration of poor water quality is quite  common, in particular in the larger wellfields at both the east and west coast. Upward migration of poor  quality water can have detrimental effects not only for the individual well, but for the entire wellfield. As  presented by the authors in other publications, there are some solutions that can be imposed on brackish  water wells that are experiencing impacts from poor quality water. At times, multiple solutions need to  be considered simultaneously to achieve the desired effect. Some of these solutions were discussed in  the sections on the four case studies.  Back Plugging with Cement  It is possible that wells may be usable in the future if they are back plugged. Since wells can have multiple  distinct flow zones in the borehole, they can be back plugged to minimize the connection to poorer quality  water. Grout can be forced into small fractures, thus plugging off even small conduits outside of the  borehole wall. Back plugging reduces the borehole stresses from the previously exposed vertical conduits,  decreasing the possibility of upward migration. During construction of the southwest wells, the City of  Cape Coral used this method effectively to ‘save’ one of wells without affecting the wellfield.  Hydraulic Control and Water Quality Blending  Since a well may be connected or in close proximity to a vertical conduit, it is quite possible that back  plugging may not be completely successful and the well will continue to show signs of degradation since  any  vertical  conduit  will  always  be  within  the  capture  zone  (drawdown  cone)  of  this  well.  Further  operational analysis may show that the well can be used at lower flow rates thus reducing drawdown and  stresses on the aquifer and the water produced can be diluted into the raw water stream to the res  treatment system. The wellfields exhibited in the case studies use this method, although in several cases  wells were retrofitted with variable frequency drives and flow meter control since their construction. A  recent example is the Palm Beach County Region 11 wells retrofit.  Well Abandonment  A facility could also plug and abandon a well and look for new location where production could be as good  or better without the degrading water quality. If the poor water quality is originating from the upper half  of the production interval just below the casing then this may be the only option available. This solution  is also not a guarantee and could be more costly if the new location identified the same water quality  issues as the well that was plugged and abandoned. Well abandonment due to severe water quality  impacts within an active wellfield will have a much lower chance of success. If the conduit connection to  the poor quality water is not severed and abandonment activities are not successful, then the poor quality  water can be pulled or captured by the next closest operating well if the poor quality water is allowed to  enter the raw water aquifer. The option of well abandonment should be considered as the last option  available for many reasons. Besides the capital investment in the construction of the well and pipeline,  abandonment removes all potential for hydraulic control of the migration of poor water quality, and may  artificially migrate through the wellfield by pumping stresses alone. The exhibited case studies have wells  which are very infrequently used or have even by abandoned because of severe water quality.     
  • 15. FSAWWA 2015 Paper GJ Schers, et al.    Date November 30, 2015  “Floridan Aquifer” Lessons Learned  Page 15 of 32    Redundant Production Wells  Some  facilities  are  moving  forward  to  better  manage  changing  water  quality  occurrences  by  adding  additional wells to their system for redundancy.  The poor water quality may be occurring due to stressing  a particular area for too long and not allowing the aquifer to recharge naturally.  If property is available  and location is favorable within the proximity of the main raw water lines, a facility may want to include  redundant production wells, with sufficient spacing to existing wells.  This will allow the facility to cycle  the use of the wells with better management to keep from stressing the aquifer in one specific area for a  long period of time.   The facility could take wells offline in areas where the aquifer is being stressed more  than usual and operate the redundant production wells. In particular, the exhibited wellfield in Southwest  Florida have used this method extensively to control water degradation. Both the City of Cape Coral and  Collier County have a number of standby wells in each wellfield.  Pro‐active Wellfield Management System  On‐line  monitoring  of  certain  well  parameters  to  allow  the  implementation  of  a  pro‐active  wellfield  management system is another method to create a sustainable wellfield operation in terms of production  capacity and water quality. Several utilities have implemented this method successfully in the last 10  years.  Multiple  parameters  are  collected  on‐line,  in  real  time,  to  monitor  the  operations  of  a  well,  including the well drawdown, production flow and water quality. This information can be used in a pro‐ active program to control the wellfield. All exhibited case studies use on‐line monitoring extensively and  have some form of pro‐active wellfield management system. For instance the City of Cape Coral keeps  careful track of drawdown, flow, total flow and conductivity and use that for development of a series of  trends for each production well.    4. Reverse Osmosis Treatment     4.1 General Description of RO Treatment  One of the most critical factor for a successful operation of a BWRO system is the quality of the RO feed  water, which is determined by the source water quality and the pre‐treatment effectiveness. For the  treatment system design, a good understanding of source water quality and chemistry is needed including  future water quality trends, variability between wells and wellfields, and seasonal variations.  The typical process used in Florida to treat brackish ground water uses chemical pretreatment, cartridge  filtration, reverse osmosis (RO), degasification, disinfection, and corrosion control (see Figure 8). Sand  separation,  upstream  of  the  chemical  pre‐treatment,  is  optional  and  depends  on  the  expected  sand  production from wells. Pretreatment chemicals are used to manage scaling in the RO membranes and  reduce the pH to optimize hydrogen sulfide stripping in the degasifiers. Post treatment chemicals are used  to perform primary disinfection and to adjust the pH, hardness and alkalinity for corrosion control.  Pre‐treatment   Sand separators are used to separate sand and other solid matter larger than a certain diameter (generally  ≥0.1 mm) from the source water that could either plug the downstream cartridge filters, or damage or  foul the downstream RO membrane systems. Sand separators are typically used as a pretreatment step, 
  • 16. FSAWWA 2015 Paper GJ Schers, et al.    Date November 30, 2015  “Floridan Aquifer” Lessons Learned  Page 16 of 32    treating the full ground water wellfield flow, in addition to the pretreatment steps of chemical treatment.  There are different types of sand separators and its selection depends on the sand/silt characterization  and plant operation. Typically, RO manufacturers require the feed water turbidity and silt density index  (SDI) to be below specific maximums as a requirement for the RO membrane warranty; in this regard, the  sand separators may help the pretreatment system comply with these warranty requirements.  The primary function of cartridge filters is to remove particulate and colloidal matter larger than a certain  diameter from the source water that could either damage or foul downstream RO membranes. Cartridge  filters serve two important roles: 1) to remove relatively large particulates in order to protect the RO/NF  membrane integrity, and 2) as an inexpensive backup in the event of a failure in one of the other upstream  pre‐treatment systems.    Figure 8: Typical Schematic of BWRO Treatment Process  Iron is naturally present in shallow limestone aquifers in South Florida and, if exposed to air and allowed  to oxidize, the ferrous bicarbonate forms an insoluble ferric hydroxide that is difficult to remove from the  membrane surface. The approach here is to keep the iron in the reduced form (Fe2+ ) by minimizing air  intrusion and applying an acid to the feed water. Hydrogen sulfide, at low concentrations though, is  present in the shallow aquifers in South Florida. The deeper, brackish aquifers contain elevated levels of  hydrogen sulfide and, if exposed to air and allowed to oxidize, elemental sulfur (S0 ) will be formed, which  will block the cartridge filters and RO membranes and is difficult to remove. In this case also, minimizing  air intrusion is very important.   Chemical pre‐treatment with acid and scale inhibitor is practiced to minimize membrane scaling, with a  general  trend  in  the  industry  to  limit  or  even  eliminate  acid  and  to  rely  mostly  on  a  scale  inhibitor.  Acidification  is  often  achieved  with  sulfuric  acid  (and  less  commonly  hydrochloric  acid)  to  prevent 
  • 17. FSAWWA 2015 Paper GJ Schers, et al.    Date November 30, 2015  “Floridan Aquifer” Lessons Learned  Page 17 of 32    precipitation of carbonate scale on the membranes. An additional impact of the sulfuric acid addition is  the conversion of carbonate ion (alkalinity) to carbonic acid in the source water (see Figure 9), which  passes as carbon dioxide gas through the membranes. Sulfuric acid is preferred over hydrochloric acid due  to cost and safety reasons, but the addition of sulfuric acid may increase the scaling potential for sulfate  salts  and  lower  the  recovery.  All  polyamide  membranes  are  intolerant  to  chlorine  and  may  result  in  breakdown of the membrane material with prolonged use.      Figure 9: (L) Carbon Dioxide and (R) Hydrogen Sulfide Dissociation in Water as Function of pH   As the RO permeate passes through the membranes, the remaining concentrate becomes increasingly  concentrated with dissolved solids. At a certain point, the solubility of various salts can be exceeded,  causing  precipitation  onto  the  membranes,  called  “scaling.”  Scaling  can  reduce  the  flow  or  flux  of  permeate and can also damage the membrane itself. As mentioned, scale inhibitor is commonly used in  conjunction with acidification to inhibit the formation of phosphate and sulfate scaling on membranes,  and reduce the acid dosage required to inhibit formation of carbonate scales. Threshold scale inhibitors  suppress precipitation by interrupting the kinetics of normal crystallization, thus delaying precipitation  beyond the residence time in the membrane system. Scale inhibitors allow the membrane system to  increase recovery beyond limiting salt saturation limits. The sparingly soluble salts of concern in most  waters include calcium carbonate (or LSI), calcium sulfate, strontium sulfate, barium sulfate and silica  dioxide. It is important to select the appropriate scale inhibitor for the design application – some scale  inhibitors  may  act  as  coagulants,  facilitating  the  accumulation  of  organic  carbon  on  the  membrane  surfaces and increasing fouling potential. There are well‐documented industry guidelines on the limits of  the saturation indexes of these sparingly soluble salts with or without the use of scale inhibitors.      0.00 0.20 0.40 0.60 0.80 1.00 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 Molar Fraction pH Carbonic Acid (H2CO3) Bicarbonate Ion (HCO3‐) Carbonate Ion (CO32‐) 0.00 0.20 0.40 0.60 0.80 1.00 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 Molar Fraction pH Hydrogen Sulfide (H2S) Bisulfide Ion (HS‐) Sulfide Ion (S2‐)
  • 18. FSAWWA 2015 Paper GJ Schers, et al.    Date November 30, 2015  “Floridan Aquifer” Lessons Learned  Page 18 of 32    Main treatment  High pressure pumps are used to increase the  feed  water  pressure  to  overcome  osmotic  pressure and hydraulic losses in the connecting  pipework and RO trains. Two methods exists for  the  high  pressure  pump  arrangement:  (1)  decentralized  system  with  a  dedicated  feed  pump per RO train or (2) centralized system with  one  common  pump  station  and  a  common  header and flow control valves to feed each of  the RO trains. Both methods have their specific  advantages  and  disadvantages  with  a  decision  mainly driven by the owner.  RO trains in South Florida typically consist of two single‐pass stages with the 1st  stage concentrate used as  the feed for the 2nd  stage. Permeate flows of both stages join for the total permeate while the 2nd  stage  concentrate flow is the total train concentrate. Each train consist of multiple, parallel pressure vessels  which can either hold six or seven standard 40‐inch long and 8‐inch diameter RO elements. The train array,  including the number of pressure vessels in each stage and related flow and flux distribution, is dependent  upon the feed water quality and the overall train design concept.  The RO process produces a high‐pressure concentrated waste stream. When this concentrate stream is  depressurized, the energy that is lost can be recovered using energy recovery devices (ERDs), which can  reduce overall energy requirements by 10 to 50 percent. Energy recovery is not economically justified for  all RO membrane systems; those with tight membranes, low recovery and high concentrate flow and  pressure (e.g. high TDS brackish ground water) are more likely to find energy recovery beneficial with low  pay‐back periods and improved flow balancing between the membrane train stages. Those systems with  lose membranes, high recovery and low concentrate flow and pressure (e.g. low TDS brackish ground  water)  will  find  1st   stage  permeate  throttling  more  cost‐beneficial  for  flow  balancing  between  the  membrane  train  stages.  ERDs  will  minimize  the  feed  pressure  required,  which  in  turn  minimizes  the  operating power costs.   There  are  different  devices  available  with  direct‐ transfer pressure exchangers for high efficiency (90‐ 95%)  –see  picture  to  the  right–,  turbo‐chargers  which combine recovery device and pump in one for  medium  efficiency  (50‐70%)  and  more‐traditional  turbines with medium‐high efficiency (80‐85%). The  devices are typically installed on a membrane train  to  transfer  pressure/energy  in  the  concentrate  to  the 2nd  stage feed water, reducing the size of the RO  feed and/or inter‐stage pumps.     
  • 19. FSAWWA 2015 Paper GJ Schers, et al.    Date November 30, 2015  “Floridan Aquifer” Lessons Learned  Page 19 of 32    Bypassing a portion of the feed water around the membrane process, treating it with cartridge filters only,  and blending it with the membrane permeate may allow the system to meet treated water quality goals  while treating less of the incoming flow stream. Blending of the RO bypass water with permeate may be  beneficial when the permeate water quality requires re‐mineralization. The bypass will reduce the amount  of post‐treatment chemicals and the amount of feed water that needs to be treated, both reducing the  capital and O&M costs for the plant.  Post treatment  Degasifiers are typically used as post‐treatment to remove hydrogen sulfide (H2S) and carbon dioxide  (CO2) from the RO permeate by counter current mass transfer of air and water. The removal of H2S and  CO2 is optimized by a reduction of the pH to levels around 5.8‐6.0 (see Figure 11). The addition of chlorine  to the degasified water will oxidize any remaining dissolved sulfide in the water into colloidal sulfur,  increasing  the  finished  water  turbidity.  Elemental  sulfur  is  a  sticky  substance  that  is  difficult  and  cumbersome  to  remove  from  the  downstream  clearwell  and  can  create  variations  in  finished  water  turbidity by sloughing off of sulfur sediments. Degasifiers serve several important roles: 1) reduction of  effluent turbidity by removing sulfide from the water stream before chlorination; 2) odor control for the  treated effluent; and 3) corrosion control through  the removal of excess CO2.   Odors  from  degasifiers  can  result  in  complaints  from  neighbors  in  the  vicinity  of  the  installation  which  may  present  community  relations  challenges  for  the  owner.  Odor  control  through  dilution and dispersion, or odor removal systems  (like  wet  chemical  scrubbers  or  biological  filters)  may  need  to  be  added  to  degasifier  systems  to  meet local air quality and odor limit requirements  at the site of the installation.   Depending on the downstream requirements chemical addition to the treated water may be required for  primary disinfection, pH adjustment and corrosion control. The need for these chemicals depends on  specific raw water quality and treated water quality goals, and should be evaluated on a case by case  basis. The concept of removing excess carbon dioxide in the degasifier and then having to dose it again  for corrosion control in the clearwell may be considered inefficient. Some utilities have been studying  alternative technologies for hydrogen sulfide removal, such as oxidation.   4.2 Specific Considerations to address Salinity Increases  As presented before, some degradation of raw water quality can be expected in Floridan Aquifer water  supply and treatment systems. A conservative design of a RO treatment system will accommodate some  degradation while maintaining the required capacity and finished water quality. Also the design will be  specific to the raw water quality anticipated for that system and in South Florida the salinity can vary by  region, with TDS levels of around 2,000 mg/L in certain parts going up to levels around 8,000 mg/L in other  parts. As can be expected, this variance has a significant influence on the system design and equipment  specifications.  As  part  of  this  work,  raw  water  quality  data  was  obtained  from  different  systems,  as  summarized in Table 1 to create several case‐studies, with the following observations: 
  • 20. FSAWWA 2015 Paper GJ Schers, et al.    Date November 30, 2015  “Floridan Aquifer” Lessons Learned  Page 20 of 32     In general, TDS are higher along the east coast with some exceptions   Some parameters relevant to chemistry equilibrium of sparingly soluble salts, like barium, silica  and strontium appear relatively higher on the west coast   Hardness is  higher along  the east coast, with a higher relative contribution from  magnesium  whereas alkalinity is relatively constant throughout the region despite varying TDS levels   Sulfate levels, important for saturation indexes of sparingly soluble salts, in general follow the TDS  trend    Hardness and sulfate levels are extremely high in the Sarasota County wellfields which may impact  the RO recovery rate or led to alternative technologies, such as electro dialysis reversal (EDR)   Potassium appears to be higher on the east coast  Though not included in the table, the Floridan Aquifer water also contains hydrogen sulfide, with  concentrations varying from 2 to 5 mg/L, and radionuclides with gross alpha concentrations varying  between 5 and 40 pCi/L.  The raw water quality data sets, presented in the table, were used to model the RO treatment process for  each particular case study. Proprietary membrane software was used to develop the system design and  predict the treatment performance. Subsequently, also proprietary scale inhibitor software was used to  determine  the  required  chemical  pre‐treatment  (type  and  dose)  to  control  membrane  scaling.  The  following design assumptions and goals were used as guidelines for the design efforts:  Pre‐Treatment   Sand separators and cartridge filters to bring the Silt Density Index below 3   Sulfuric acid dosing to suppress the feed water pH to 6.0. A few scenarios were run with reduced  acid dose in the RO feed water and relying on a scale inhibitor, while maintaining a Langelier  Saturation Index (LSI) of 1.8 or less  RO Train Design   Dedicated feed pump per train   2‐stage array, single pass   Dependent  upon  design  need,  with  or  without  ERDs.  In  our  particular  case  studies,  a  direct  transfer pressure exchanger was selected   Average, conservative system flux is 12.5 gfd   2‐1 vessel array, with 7 elements per vessel   Capacity of RO train and associated bypass is 3 MGD   TFC HR RO membranes, 40‐inch long and 8‐inch diameter with 5 year element age and 25% fouling  allowance   1st  and 2nd  stage back pressure 20 psi, interstage pressure loss 5 psi   Use of software design warnings to guide the design effort  Post Treatment   Blend permeate with RO bypass   Sulfuric acid dosing to suppress the feed water pH to 5.8‐6.0.   Degasifier to remove carbon dioxide and hydrogen sulfide 
  • 21. FSAWWA 2015 Paper GJ Schers, et al.    Date November 30, 2015  “Floridan Aquifer” Lessons Learned  Page 21 of 32     Liquid lime (Ca(OH)2) and carbon dioxide (or gas CO2) dosing in clearwell to meet the finished  water quality goals, including a pH of 8.0, hardness of 80 mg/L as CaCO3 and total alkalinity of 60  mg/L as CaCO3. This is somewhat arbitrary and has to be evaluated on a case by case basis and  depends largely on the corrosion control strategy.  A summary of the results of the membrane modeling efforts is included in Table 2, with increasing TDS  levels in the wellfield presented from left to right. The table does not include the modeling results of the  City of Venice due to different water chemistry composition here and its negative impact on possible RO  recovery rates, which would skew the trends presented further in this report.  General observations from the modelled case studies with TDS levels varying from 1500 mg/L to 9500  mg/L as summarized in the table are:   RO recovery rate reduces from 85% to 75%   RO bypass reduces from 20% to 2%, with the permeate flow making up the difference   Train  array  increases  from  48‐24  vessels  to  60‐30  vessels  to  produce  the  additional  required  permeate flow at higher raw water TDS   Feed pressure increases from 188 to 392 psi, without ERD, and from 188‐282 with ERD   Post treatment chemicals to adjust alkalinity and calcium are necessary across the full range of  raw water quality however for instance CO2 dosages increase from 14 to 44 mg/L   Electricity and chemical costs for RO treatment only increase from $0.32 to $0.72 per 1000 gallons  treated water  The table can facilitate in quick assessments in the following conditions: (1) by a utility planning a new  BWRO system to verify typical design criteria and operational parameters based on initial well water  quality and (2) by a utility operating an existing BWRO to estimate impacts of degrading raw water quality  on the design configuration and operations.  In the sections below, specific aspects of the BWRO treatment system will be described in regards to  different TDS levels in the wellfield.     
  • 22. FSAWWA 2015 Paper GJ Schers, et al.    Date November 30, 2015  “Floridan Aquifer” Lessons Learned  Page 22 of 32    Table 1: Water Quality Data Sets from Case Studies and Others  Parameter (current ‐ 2015, or  otherwise noted) Units Cape Coral,  South RO 2000 Cape Coral,  North RO 2010  Cape Coral,  North RO Venice RO North Miami  Beach RO Town of Davie  RO Collier County  South Jupiter RO Broward  County  System 1 Palm Beach  County  System 11 Total Dissolved Solids mg/L 1,516 2,000 2,623 3,000 3,200 4,950 5,350 7,880 7,470 6,100 Barium mg/L 0.03 0.04 0.04 0.03 0.01 0.01 0.03 0.02 0.01 0.04 Fluoride mg/L 1.4 1.4 1.4 1.7 0.9 1.1 1.4 1.8 0.8 Nickel mg/L U U U U U U U 0.01U 0.01U 0.01U Nitrate mg/L as N 0.01U 0.01U 0.01U U U U 0.50 0.02U 0.01U 0.50U Sodium mg/L 343 420 600 265 780 1,450 1,370 2,310 2,100 1,590 Chloride mg/L 589 890 1,210 528 1,400 2,500 2,530 4,110 3,850 2,660 Iron mg/L 0.01U 0.01U 0.01U U U 0.01U 0.02U 0.02U 0.05 0.02U Manganese mg/L 0.01U 0.01U 0.01U U U U 0.01U 0.01U 0.01U 0.012U Sulfate mg/L 269 280 330 1,315 460 510 720 595 935 530 pH mg/L 7.7 7.7 7.7 7.6 7.8 7.7 7.5 7.6 7.8 7 Ammonium‐N mg/L 0.32 0.35 0.39 0.49 0.35 0.50 n/a 0.74 mg/L as CaCO3 141 142 145 105 115 132 152 120 mg/L 172 173 177 128 140 0 161 n/a 146 Calcium mg/L 90 108 125 415 105 150 270 197 210 Hydrogen Sulfide mg/L 3.0 3.0 3.0 3.0 3.5 3.2 4.0 Magnesium mg/L 86 92 105 178 110 205 280 290 Potassium mg/L 19 22 25 9 35 55 68 131 Silica mg/L 15 16 18 25 15 19 10 Strontium mg/L 17 19 21 14 3 15 15 12 Temperature °C 25 25 25 25 25 25 25 23 25 22 Bicarbonate Alkalinity          
  • 23. FSAWWA 2015 Paper GJ Schers, et al.    Date November 30, 2015  “Floridan Aquifer” Lessons Learned  Page 23 of 32    Table 2: Membrane Modeling Results  Modeling Scenarios Cape Coral,  Southwest RO  (1990) Cape Coral,   North RO  (2010) Cape Coral,  North RO North Miami  Beach Cape Coral,  North RO  (projected) Town of Davie Collier County  South RO  Palm Beach  County System  11 Jupiter RO Broward  County WTP1  (projected) Raw Water TDS (mg/L) 1516 2000 2623 3250 3850 4690 5350 6060 7600 9356 Permeate TDS  43 51 76 90 112 169 153 197 244 282 Finished Water TDS Contrib. Bypass (mg/L) 405 400 375 360 337 281 296 251 202 163 Bypass Limit as % of Finished Water 20% 20% 14% 11% 9% 6% 6% 4% 3% 2% Bypass Flow (gpm) 438 402 313 242 191 131 120 90 58 38 Permeate Flow (gpm) 1,753 1,754 1,878 1,945 1,988 2,054 2,056 2,084 2,115 2,135 Finished Water Flow (gpm) 2,191 2,156 2,191 2,187 2,179 2,185 2,176 2,175 2,173 2,172 Array Recovery 85% 80% 80% 80% 80% 80% 80% 75% 75% 70% Stage 1 Pressure Vessels 48 50 52 54 56 58 58 58 58 60 Stage 2 Pressure Vessels 24 25 26 27 28 29 29 29 29 30 Average Flux (gfd) 12.5 12.0 12.4 12.3 12.2 12.1 12.2 12.3 12.5 12.2 Feed Water pH 6.0 6.0 6.0 6.0 6.0 6.0 6.0 6.0 6.0 6.0 Feed Water Pressure w/ Fouling Allowance 188 195 215 210 220 234 243 251 270 282 Interbank ERD Pressure Gain (psi) 0 0 0 43.7 58.9 82.8 99.1 102 137 153 Design Warnings None None None None None None None None None None Saturation Indices (If Scaling)       Langlier Index 0.57 0.29 0.36 0.41 0.43 ‐ 0.65 ‐ ‐ ‐ CaSO4 ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ CaF2 2.5 1.4 1.3 1.4 2.4 ‐ 1.2 ‐ ‐ ‐ BaSO4 14.3 11.9 11.35 10.82 10.42 2.5 9.41 1.8 2.36 1.6 SrSO4 6.1 4.2 4.2 4.0 3.9 1.8 2.8 1.9 1.6 1.1 SiO2 ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ Degasified Water Quality (range) Ca. Hardness (mg/L as CaCO3) 59.3 52.8 44.7 36.8 32.2 22.4 35.3 15.8 14.4 10.1 Mg. Hardness (mg/L as CaCO3) 92.8 74.0 61.8 53.1 49.3 44.5 44.1 43.4 32.6 22.9 Total Hardness (mg/L as CaCO3) 152 127 106 90 81 67 79 59 47 33 TDS (mg/L) 434 421 428 414 430 434 415 443 435 433 pH 8.0 8.0 8.0 8.0 8.0 8.0 8.0 8.0 8.0 8.0 Alkalinity (mg/L as CaCO3) ‐ Treated Water 44 35 28 24 21 15 15 13 11 10
  • 24. FSAWWA 2015 Paper GJ Schers, et al.    Date November 30, 2015  “Floridan Aquifer” Lessons Learned  Page 24 of 32    Table 2: Membrane Modeling Results (Continued)  Modeling Scenarios (Table Continued) Cape Coral,  Southwest RO  (1990) Cape Coral,   North RO  (2010) Cape Coral,  North RO North Miami  Beach Cape Coral,  North RO  (projected) Town of Davie Collier County  South RO  Palm Beach  County System  11 Jupiter RO Broward  County WTP1  (projected) Finished Water Quality Goals Total Hardness (mg/L as CaCO3) ‐ Goal 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 Alkalinity (mg/L as CaCO3) ‐ Goal 60 60 60 60 60 60 60 60 60 60 Post‐Treatment Chemicals Additional Hardness Dosed (mg/L as CaCO3) 0 0 0 0 0 13 1 21 33 47 Calflo (Ca(OH)2) (mg/L) 0 0 0 0 0 10 0 15 24 35 Carbon Dioxide (mg/L) 0 0 0 0 0 12 1 18 29 41 Additional Alkalinity Dosed (mg/L as CaCO3) 16 25 32 36 39 45 45 47 49 50 Additional Bicarbonate Dosed (mg/L) 19 31 39 44 47 55 54 58 60 61 Calflo (Ca(OH)2) (mg/L) 12 19 23 26 29 33 33 35 36 37 Carbon Dioxide (mg/L) 14 22 28 31 34 40 39 42 43 44 Electricity Use 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 Feed Flow Per Train (gpm) 2062 2192 2347 2431 2485 2568 2569 2779 2821 3049 Feed Pressure (psi) 188.2 195.3 215 209.6 220.2 234 243.4 251 270 282 Feed Pump Suction Pressure (psi) 30 30 30 30 30 30 30 30 30 30 Feed Pump Efficiency 78% 78% 78% 78% 78% 78% 78% 78% 78% 78% Interbank Flow (gpm) 675 806 811 778 741 703 683 900 872 1,094 Interbank ERD Pressure Gain (psi) 0 0 0 44 59 83 99 102 137 153 Energy Cost ($/kWh) $0.12 $0.12 $0.12 $0.12 $0.12 $0.12 $0.12 $0.12 $0.12 $0.12 Annual Energy Cost ($/year) $191,461 $213,992 $256,477 $257,906 $279,132 $309,360 $323,841 $362,753 $399,806 $453,862 Energy Cost ($/1000 gallons) $0.17 $0.19 $0.22 $0.23 $0.25 $0.27 $0.29 $0.33 $0.36 $0.41 Chemical Use $0 $0 $0 $0 $0 $0 $0 $0 $0 $0 Sulfuric Acid Dose (mg/L) 100 101 104 108 107 92 93 93 97 102 Sulfuric Acid Unit Cost ($/gallon) $2.19 $2.19 $2.19 $2.19 $2.19 $2.19 $2.19 $2.19 $2.19 $2.19 Sulfuric Acid Cost ($/1000 gallons) $0.11 $0.12 $0.13 $0.15 $0.15 $0.13 $0.14 $0.15 $0.16 $0.18 Anti‐scalant Dose (mg/L) 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 Anti‐scalant Unit Cost ($/lb) $1.25 $1.25 $1.25 $1.25 $1.25 $1.25 $1.25 $1.25 $1.25 $1.25 Anti‐scalant Cost ($/year) $5,653 $6,008 $6,434 $6,665 $6,811 $7,038 $7,043 $7,618 $7,732 $8,359 Calflo Dose (mg/L) 11.7 18.8 23.5 26.5 28.5 33.5 33.0 35.1 36.2 37.0 Calflo Unit Cost ($/lb) $0.24 $0.24 $0.24 $0.24 $0.24 $0.24 $0.24 $0.24 $0.24 $0.24 Calflo Cost ($/year) $26,665 $42,863 $53,579 $59,267 $62,116 $74,984 $71,914 $76,457 $78,887 $80,458 Carbon Dioxde Dose (mg/L) 17.4 27.9 34.9 39.3 42.4 49.8 49.1 52.2 53.9 54.9 Carbon Dioxide Unit Cost ($/lb) $0.11 $0.11 $0.11 $0.11 $0.11 $0.11 $0.11 $0.11 $0.11 $0.11 Carbon Dioxide Cost ($/year) $18,775 $30,181 $37,726 $41,732 $43,738 $52,798 $50,637 $53,835 $55,546 $56,652 Chemical Cost ($/1000 gallons) $0.16 $0.19 $0.22 $0.24 $0.26 $0.25 $0.26 $0.27 $0.29 $0.31 Total Energy + Chemical Cost ($/1000 gallons) $0.32 $0.38 $0.44 $0.47 $0.51 $0.53 $0.55 $0.60 $0.65 $0.72   The chemical costs covers only the chemicals explicitly mentioned above. The electricity costs only covers RO feed pump, and does not cover the well pumps,  transfer pumps and high service pumps; neither does is include other electrical consumers, such as the degasifier blowers.   
  • 25. FSAWWA 2015 Paper GJ Schers, et al.    Date November 30, 2015  “Floridan Aquifer” Lessons Learned  Page 25 of 32    Pre‐Treatment – Acid   In the last ten to fifteen years significant improvements have been made in terms of scale inhibitors.  Different  types  of  scale  inhibitors  have  been  developed  with  each  a  specific  objective  in  mind,  like  inhibition  of  calcium  carbonate  scaling,  inhibition  of  certain  sparingly  soluble  salts  scaling  and/or  reduction of ferrous fouling. Currently, many utilities operating BWRO treatment systems have reduced  or even eliminated the use of sulfuric acid in the RO feed stream for cost and/or safety reasons. As the  optimal pH of the degasifier influent is around 5.8 to 6.0, utilities still need to dose sulfuric acid to the  degasifier influent or have converted to carbonic acid (or carbon dioxide gas), dosed to the blend stream  of RO permeate and RO bypass, to reduce the pH. In considering this the utility needs to consider the total  system chemistry, including the use of post treatment chemicals as liquid lime and carbon dioxide to meet  the finished water hardness and alkalinity goals. This has been done for three case‐studies: (1) Cape  Coral’s North RO, (2) Town of Davie and (3) Town of Jupiter RO. The results are presented in Figure 10.  Based on modeling, sulfuric acid is still required in the RO feed to maintain a LSI of 1.8 or less and acid is  also needed in the degasifier inlet to maintain optimal pH conditions of 5.8‐6.0, although the overall acid  consumption reduces. The figure shows that acid reduction is partly offset with an increase in the scale  inhibitor, liquid lime and carbon dioxide dose, although overall chemical costs are lower for all case studies  with limited sulfuric acid addition.    Figure 10: Chemical Costs, with Acid and Limited Acid, for some Case Studies    $0.13  $0.05  $0.13  $0.05  $0.16  $0.05  $0.01  $0.02  $0.01  $0.02  $0.01  $0.03  $0.03  $0.05  $0.05  $0.05  $0.05  $0.05  $0.05  $0.06  $0.07  $0.07  $0.07  $0.08  $0.00 $0.05 $0.10 $0.15 $0.20 $0.25 $0.30 $0.35 2623 2623 (limited acid) 4690 4690 (limited acid) 7600 7600 (limited acid) Chemical Costs ($ per 1000 gallons treated) Raw Water Total Dissolved Solids (mg/L) Sulfuric Acid Cost ($/1000 gallons) Anti‐scalant Cost ($/1000 gallons) Carbon Dioxide Cost ($/1000 gallons) Calflo Cost ($/1000 gallons)
  • 26. FSAWWA 2015 Paper GJ Schers, et al.    Date November 30, 2015  “Floridan Aquifer” Lessons Learned  Page 26 of 32    RO Bypass  As mentioned before, bypassing a portion of the raw water around the membrane process and blending  it with the RO permeate helps meeting the finished water quality goals through re‐mineralization, while  treating less of the incoming flow stream. The ability to bypass and the amount of the bypass flow is  primarily dependent on the raw water TDS and finished water quality goals, but can also be influenced by  the membrane salt rejection performance. As is expected, the bypass flow will need to be reduced when  the raw water TDS increases or is higher. This concept is presented in Figure 11 illustrating the reduction  in the bypass flow from just below 20% to around 6% of the raw water flow when the TDS in the raw water  increases from 2,000 to 4,700 mg/L. Consequently, and to maintain the treatment plant capacity (at  100%), the permeate flow will need to be increased from 80 to 94%. This requires modifications to the RO  trains to accommodate more pressure vessels and RO elements for higher production while maintaining  the same flux rate. The RO Bypass flow at raw water TDS levels of above 5,000 mg/L is low and practicing  RO bypass becomes less attractive.    Figure 11: Bypass Water and Permeate Flows as Function of Raw Water TDS    RO Train  Using the design assumptions and goals presented before, a RO train design was developed for each case  study  as  summarized  in  Table  2.  The  concept  of  increasing  the  number  of  pressure  vessels  and  RO  elements to maintain the same finished water flow is evident. For a 3 MGD system, the RO array needs to  be increased from 48‐24 to 58‐29 pressure vessels in the first and second stage respectively, when the  TDS in the raw water increases from 1,500 to 7,600 mg/L. At the same time the RO recovery rate decreases  from 85% to 75% and the feed pressure increases from 188 to 392 psi without ERD (and 188 to 282 psi  0% 20% 40% 60% 80% 100% 120% 1,500 2,500 3,500 4,500 5,500 6,500 7,500 8,500 9,500 Flow (% of Design Flow) Raw Water Total Dissolved Solids (mg/L) Bypass Flow WTP (%) Permeate Water Flow WTP (%) Rated Finished Water Capacity WTP (%)
  • 27. FSAWWA 2015 Paper GJ Schers, et al.    Date November 30, 2015  “Floridan Aquifer” Lessons Learned  Page 27 of 32    with ERD). The RO feed pumps are the single largest electrical consumers at any BWRO treatment system  and ERDs to obtain the residual pressure from the second stage concentrate, which would be lost when  concentrate is discharged, and to convert that into feed pressure energy to the second stage feed has  become very popular. For each case study, the payback period was calculated and the results are provided  in Figure 12. As illustrated the payback period of ERDs is less than 10 years and will become interesting  when the raw water TDS exceeds 3,000 mg/L. Below 2,500 mg/L TDS, the payback period of an ERDs is  above 15 years and is therefore less interesting. The combination of number of pressure vessels and the  inclusion of an ERD in the BWRO treatment system are provided in Figure 13.    Figure 12: Payback Period of an ERD as Function of Raw Water TDS    0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 1,500 2,500 3,500 4,500 5,500 6,500 7,500 8,500 9,500 Interstage ERD Payback Period (Years) Raw Water Total Dissolved Solids (mg/L)
  • 28. FSAWWA 2015 Paper GJ Schers, et al.    Date November 30, 2015  “Floridan Aquifer” Lessons Learned  Page 28 of 32      Figure 13: RO Array Design as Function of Raw Water TDS    Post Treatment  The RO permeate is combined with the RO bypass and treated in the degasifier vessels to remove the  hydrogen sulfide and excess carbon dioxide. The chemistry of the blend stream will change as a function  of the membrane performance but also as a result of the RO bypass flow percentage. Therefore, also the  chemistry of the degasified water will change as a function of the raw water TDS content. This concept is  illustrated in Figure 14. The alkalinity of the degasified water will decrease from just above 40 to around  15 mg/L CaCO3 when the raw water TDS increases from 1500 to 5000 mg/L, while total hardness drops  from 120 to 70 mg/L CaCO3. (The little blip on the hardness curve is due to the relatively higher hardness  in the Collier County raw water at 5350 mg/L TDS.) The alkalinity is a measure of the buffering ability of  the water and a certain minimum threshold or goal is recommended for corrosion control and stable  chlorine residual. The exact alkalinity goal will need to be defined by each owner and is dependent upon  many  factors  like  distribution  system,  finished  water  quality  and  corrosion  control  strategy.  In  this  particular  report,  alkalinity  and  hardness  goal  of  60  and  80  mg/L  CaCO3  respectively  are  assumed  requiring the addition of post–treatment chemicals to add alkalinity and hardness to the treated water.  Different chemicals can be used for this purpose but over the last couple of years the combination of  carbon dioxide and liquid lime has become popular. As can be found in Table 2, for a raw water TDS of  5,000 mg/L about 30 mg/L liquid lime and 40 mg/L carbon dioxide is needed to recondition the degasified  water to the set points for corrosion control.  48 50 52 54 56 58 58 58 60 24 25 26 27 28 29 29 29 30 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 1,516 2,000 2,623 3,250 3,850 4,690 6,060 7,600 9,356 Interstage ERD Pressure Gain (psi) RO Train Array Raw Water Total Dissolved Solids (mg/L) Stage 1 Pressure Vessels Stage 2 Pressure Vessels Interbank Booster Pump (psi) ‐ Max
  • 29. FSAWWA 2015 Paper GJ Schers, et al.    Date November 30, 2015  “Floridan Aquifer” Lessons Learned  Page 29 of 32      Figure 14: Finished Water Quality, prior to Post‐Treatment Chemicals as Function of Raw Water TDS    Electricity and Chemical Costs   For each case study, electricity and chemical costs were calculated as shown in Figure 15. The costs  increase from $0.33 to $0.72 per 1000 gallons of water treated over the range of raw water TDS levels  from our case studies. The increase in electricity is more significant than the increase in chemical costs,  despite the use of ERDs for TDS levels of 3000 mg/L and above.  Four different chemicals make up the BWRO system chemical costs as shown in this figure, e.g. sulfuric  acid, scale inhibitor, liquid lime and carbon dioxide. Further details are depicted in Figure 16, which shows  that the costs of the scale inhibitor is relative constant across the range of TDS levels while the cost of  sulfuric acid increases slightly. However the largest relative increase to the chemical costs is due to the  increased dosages of liquid lime and carbon dioxide to maintain stable finished water.  0 20 40 60 80 100 120 140 1,500 2,500 3,500 4,500 5,500 6,500 7,500 8,500 9,500 Total Hardness and Alkalinity in RO Permeate (mg/L as  CaCO3) Raw Water Total Dissolved Solids (mg/L) Total Hardness (mg/L as CaCO3) ‐ Treated Water Alkalinity (mg/L as CaCO3) ‐ Treated Water Total Hardness (mg/L as CaCO3) ‐ Goal Alkalinity (mg/L as CaCO3) ‐ Goal Increase Alkalinity Increase Hardness Needed
  • 30. FSAWWA 2015 Paper GJ Schers, et al.    Date November 30, 2015  “Floridan Aquifer” Lessons Learned  Page 30 of 32      Figure 15: Chemical and Electricity Costs as Function of Raw Water TDS      Figure 16: Chemical Costs as Function of Raw Water TDS  $0.17 $0.19 $0.22 $0.23 $0.25 $0.27 $0.29 $0.33 $0.36 $0.41 $0.16 $0.19 $0.22 $0.24 $0.26 $0.25 $0.26 $0.27 $0.29 $0.31 $0.00 $0.10 $0.20 $0.30 $0.40 $0.50 $0.60 $0.70 $0.80 1,516 2,000 2,623 3,250 3,850 4,690 5,350 6,060 7,600 9,356 Operating Cost ($ per 1000 gallons treated) Total Dissolved Solids (mg/L) Energy Cost ($/1000 gallons) Chemical Cost ($/1000 gallons) $0.11  $0.12  $0.13  $0.15  $0.15  $0.13  $0.14  $0.15  $0.16  $0.18  $0.01  $0.01  $0.01  $0.01  $0.01  $0.01  $0.01  $0.01  $0.01  $0.02  $0.04  $0.04  $0.05  $0.05  $0.06  $0.07  $0.07  $0.07  $0.07  $0.07  $0.03  $0.03  $0.03  $0.04  $0.04  $0.05  $0.05  $0.05  $0.05  $0.05  $0.00 $0.05 $0.10 $0.15 $0.20 $0.25 $0.30 $0.35 1,516 2,000 2,623 3,250 3,850 4,690 5,350 6,060 7,600 9,356 Chemical Costs ($ per 1000 gallons treated) Total Dissolved Solids (mg/L) Sulfuric Acid Cost ($/1000 gallons) Anti‐scalant Cost ($/1000 gallons) Calflo Cost ($/1000 gallons) Carbon Dioxide Cost ($/1000 gallons)
  • 31. FSAWWA 2015 Paper GJ Schers, et al.    Date November 30, 2015  “Floridan Aquifer” Lessons Learned  Page 31 of 32    5. Conclusions  Important  lessons  have  been  learned  over  40  years  of  operation  of  this  brackish  source.  The  UFA  is  complex and heterogeneous aquifer where well specifics may differ moving from the west to east coast.  However there are many commonalties in the wellfield design and operation as well. Many wellfields have  experienced degrading water quality due to migration of pockets and areas of poor water quality due to  human‐induced changes in the aquifer. This paper has presented several case studies of BWRO systems  with degrading raw water quality impacting wellfield and treatment operations. The paper can provide  guidance to utilities who are either operating or planning a BWRO system in terms of best practices of  wellfield and treatment plant design.     
  • 32. FSAWWA 2015 Paper GJ Schers, et al.    Date November 30, 2015  “Floridan Aquifer” Lessons Learned  Page 32 of 32    Literature References  GJ  Schers,  and  Andy  Fenske,  Reducing  Adverse  Impacts  of  Declining  Water  Quality  on  RO  WTP  by  Implementing Operational Changes to the Wellfield; paper presented at FWRC 2007  Stefan Schuster, GJ Schers, and Michael Weatherby, Brackish Ground Water Supply in the US: 40 Years of  Experience with RO Design and Operation; paper presented at Texas Water 2014  Ron Cass, GJ Schers et al (2006); Optimizing existing facilities: finding another three MGD at the existing  Cape Coral RO WTP; paper presented at FWRC 2006  FDEP Division of Water Resource Management, Desalination in Florida: Technology, Implementation, and  Environmental Issues 2010  Karla Kinser,  GJ Schers and Andy Fenske  (2007 and 2008); Chemical optimization for a  new brackish  ground water RO WTP, paper presented at the FSAWWA, FWRC and AMTA conferences in 2007 and 2008,  and article was published in the FWRJ 2008  MWH (2011), Best Practice Design Guides for Sand Separators, RO and Degasifiers  Ed Rectenwald, Mike Weatherby, Significant water quality trends observed in the lower Hawthorn Aquifer  of Southwest Florida, occurrences and solutions, paper presented at FSAWWA 2007  GJ Schers et al; Designing a RO plant for changing raw water quality, paper presented at the FWRC 2007  GJ  Schers  et  al;  Reducing  adverse  impacts  of  declining  water  quality  on  RO  WTP  by  implementing  operational changes to the wellfield; paper presented at the FSAWWA and FWRC conferences 2007  USGS, National Brackish Groundwater Assessment 2013  U.S. Department of the Interior Bureau of Reclamation, Desalination and Water Purification Research and  Development Program Report No. 155 Treatment of Concentrate 2009  U.S. Geological Survey. 2003. Desalination of Ground Water: Earth Science Perspectives. Fact Sheet 075‐ 03, October 2003.    
  • 33. To Presented at: FSAWWA 2015 Wed 3A: Dec. 2, 2015 Presented by: GJ Schers PMP
  • 34. 2 • Introduction in Florida Aquifer • Featured Wellfields and Salinity Trends • Floridan Aquifer Water Quality • Treatment Evaluations • Conclusions * Cape Coral Collier County * *Jupiter * Palm Beach County * Venice *Bonita Springs * Broward (TW) Davie North Miami Beach * *
  • 35. Floridan Aquifer Wellfield and Treatment 3
  • 36. 4 • Relatively deep; brackish source • Used since 1970’s – Cape Coral, Venice • Represents 25% of permitted capacity • Benefits: – Is considered an Alternative Water Supply (AWS) – Requires localized/regionalized only permitting – (can be) Small scale, easy expandable – Therefore, Floridan Aquifer is good supplemental source
  • 37. 5 • Important Aspects for Implementation of BWRO systems: 1. Wellfield productivity and water quality 2. Pre-Reverse Osmosis (RO) treatment 3. RO 4. Post-RO treatment 5. Concentrate disposal Red: addressed in paper • Objective paper: develop best practices for BWRO based on existing operational systems
  • 38. 6 • Collect operational data on performance of 4 case studies: • West coast: Cape Coral, Collier County (Venice, Bonita) • East coast: Jupiter and Palm Beach County (NMB, Davie, Broward) • Analyze and compare wellfield data • Develop ‘wide’ set of source water quality • Evaluate impacts on water treatment • Develop best practices on salinity impacts
  • 39. Floridan Aquifer Wellfield and Treatment 7
  • 41. 9 Item West Coast East Coast In operation since 1970’s 1990’s Productivity expressed in typical well capacity (gpm) 350-700 800-2,000 Depth wells (ft fls) 500-1,000 1,000-1,600 Aquifers Upper Floridan Mid, Lower Hawthorn Upper Floridan Water Quality in TDS (mg/L) 1,500-4,000 3,000-7,500 Salinity reversal in area Concentrate Disposal (ft bls) Boulder Zone (>2,000) Boulder Zone (>2,000) Several publications addressed experiences with water quality trends • Slow trend over time in wellfield • Fast change in individual wells
  • 42. 10 Summary of Production  Wells Southwest Wells North Wells Start of Operation 1976 (3 MGD) 2010 (12 MGD) Capacity 15 MGD (exp. in ’85) 18 MGD (exp. in ‘08) 12 MGD (original) Number Average Capacity 34 600 gpm 24 600 gpm Specific capacity 10‐50 gpm/ft 10‐50 gpm/ft Depth Diameter 700 ft 12 inch FRP 700 ft 12 inch FRP Original TDS  Current TDS 1,400 mg/L (1988) 2,200 mg/L (2014) 2% increase/year 2,000 mg/L (2010) 2,500 mg/L (2014) 5% increase/year Other source water quality  parameters Chloride 900 mg/L Hardness 575 mg/L as CaCO3 H2S 3 mg/L Chloride 1100 mg/L,  Hardness 625 mg/L as CaCO3 H2S 3 mg/L
  • 45. 13 Summary of Production  Wells Town of Jupiter RO Production wells Start of Operation 1995 (6 MGD) Capacity 8 MGD (exp. in ‘03) 10 MGD (exp. in ‘15) Number Average Capacity 12 1,400 gpm Specific capacity 50 gpm/ft Depth Diameter 1,400 ft 17.4 inch PVC/FRP 1,600 ft 16, 12 inch PVC/FRP Original TDS  Current TDS 3,000 mg/L (1995)  Avg. 6,500 mg/L (max 9,700 mg/L) 3%‐12% increase/year Other source water  quality parameters Chlorides 4,000 mg/L Hardness 1,650 mg/L as CaCO3 H2S 3 mg/L
  • 48. • Similar patterns were developed for other case studies 16 0 1,000 2,000 3,000 4,000 5,000 6,000 7,000 8,000 ConcentrationChloride(mg/L) Chlorides South Chlorides North 12 per. Mov. Avg. (Chlorides South) 12 per. Mov. Avg. (Chlorides North) 0.00 1.00 2.00 3.00 4.00 5.00 6.00 7.00 8.00 9.00 0 1,000 2,000 3,000 4,000 5,000 6,000 7,000 8,000 9,000 10,000 TotalPumpage(mgd) AverageConcentrationTDS(mg/L) TDS Average Pumping Average
  • 49. • Back plugging with cement • Hydraulic control and water quality blending • Redundant production wells • Pro-active wellfield management system • Well abandonment 17
  • 50. Floridan Aquifer Wellfield and Treatment 18
  • 51. 19 Parameter (current - 2015, or otherwise noted) Units Cape Coral, South RO Cape Coral, North RO North Miami Beach RO Town of Davie RO Collier County South Jupiter RO TDS mg/L 1,516 2,623 3,200 4,950 5,350 7,880 Barium mg/L 0.03 0.04 0.01 0.01 0.03 0.02 Fluoride mg/L 1.4 1.4 0.9 1.1 1.4 Sodium mg/L 343 600 780 1,450 1,370 2,310 Chloride mg/L 589 1,210 1,400 2,500 2,530 4,110 Sulfate mg/L 269 330 460 510 720 595 Bicarbonate Alkalinity mg/L 172 177 140 0 161 182 Calcium mg/L 90 125 105 150 270 197 Hydrogen Sulfide mg/L 3.0 3.0 3.5 3.2 Magnesium mg/L 86 105 110 205 280 Potassium mg/L 19 25 35 55 68 Strontium mg/L 17 21 3 15 15
  • 52. Floridan Aquifer Wellfield and Treatment 20
  • 53. 21
  • 54. 22 0.00 0.10 0.20 0.30 0.40 0.50 0.60 0.70 0.80 0.90 1.00 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 MolarFraction pH Carbonic Acid (H2CO3) Bicarbonate Ion (HCO3-) Carbonate Ion (CO32-) 0.00 0.10 0.20 0.30 0.40 0.50 0.60 0.70 0.80 0.90 1.00 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 MolarFraction pH Hydrogen Sulfide (H2S) Bisulfide Ion (HS-) Sulfide Ion (S2-)
  • 55. • Use range of source water quality • Apply generic design assumptions BWRO • Utilize membrane, scale inhibitor and chemistry software models to develop conceptual designs BWRO • Table the results 23 Snapshot of Output Table
  • 56. • LSI in RO feed < 1.8 (scale inhibitor) • pH degasifier inlet < 6.0 – Acid in RO feed or – Limited acid in RO feed and additional acid in permeate • Treated water Hardness > 80 mg/L, Alkalinity > 60 mg/L CaCO3 • Meet the treated water goals (for corrosion control) by: – RO Bypass and addition of carbon dioxide and liquid lime 24
  • 57. 25 $0.13 $0.05 $0.13 $0.05 $0.16 $0.05 $0.01 $0.02 $0.01 $0.02 $0.01 $0.03 $0.03 $0.05 $0.05 $0.05 $0.05 $0.05 $0.05 $0.06 $0.07 $0.07 $0.07 $0.08 $0.00 $0.05 $0.10 $0.15 $0.20 $0.25 $0.30 $0.35 2623 2623 (limited acid) 4690 4690 (limited acid) 7600 7600 (limited acid) ChemicalCosts($per1000gallonstreated) Raw Water Total Dissolved Solids (mg/L) Sulfuric Acid Cost ($/1000 gallons) Anti-scalant Cost ($/1000 gallons) Carbon Dioxide Cost ($/1000 gallons) Calflo Cost ($/1000 gallons)
  • 58. • Bypass limited by treated water TDS < 440 mg/L • Upper limit 20% • Total capacity system remains at 100% • Reduction in RO Bypass compensated by increase permeate 26
  • 59. 27 0% 20% 40% 60% 80% 100% 120% 1,500 3,500 5,500 7,500 9,500 Flow(%ofDesignFlow) Raw Water Total Dissolved Solids (mg/L) Bypass Flow WTP (%) Permeate Water Flow WTP (%) Rated Finished Water Capacity WTP (%) 48 50 52 54 56 58 58 58 60 24 25 26 27 28 29 29 29 30 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 1,516 2,000 2,623 3,250 3,850 4,690 6,060 7,600 9,356 InterstageERDPressureGain(psi) ROTrainArray Raw Water Total Dissolved Solids (mg/L) Stage 1 Pressure Vessels Stage 2 Pressure Vessels Interbank Booster Pump (psi) - Max
  • 60. • Use of direct pressure exchanger from concentrate to second stage feed • Electricity $0.12/kWh 28 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 1,500 3,500 5,500 7,500 9,500 InterstageERDPaybackPeriod (Years) Raw Water Total Dissolved Solids (mg/L)
  • 61. 29 • Hardness and Alkalinity goal of 80 and 60 mg/L CaCO3 • Bypass as before 0 20 40 60 80 100 120 140 1,500 2,500 3,500 4,500 5,500 6,500 7,500 8,500 9,500 TotalHardnessandAlkalinityinROPermeate (mg/LasCaCO3) Raw Water Total Dissolved Solids (mg/L) Total Hardness (mg/L as CaCO3) - Treated Water Alkalinity (mg/L as CaCO3) - Treated Water Total Hardness (mg/L as CaCO3) - Goal Alkalinity (mg/L as CaCO3) - Goal Increase Alkalinity Needed Increase Hardness Needed
  • 62. 30 $0.17 $0.19 $0.22 $0.23 $0.25 $0.27 $0.29 $0.33 $0.36 $0.41 $0.16 $0.19 $0.22 $0.24 $0.26 $0.25 $0.26 $0.27 $0.29 $0.31 $0.00 $0.10 $0.20 $0.30 $0.40 $0.50 $0.60 $0.70 $0.80 1,516 2,000 2,623 3,250 3,850 4,690 5,350 6,060 7,600 9,356 OperatingCost($per1000gallonstreated) Total Dissolved Solids (mg/L) Energy Cost ($/1000 gallons) Chemical Cost ($/1000 gallons)
  • 63. Floridan Aquifer Wellfield and Treatment 31
  • 64. • Wellfield: – Aquifer is complex and heterogeneous – Many wellfields have experienced water quality degradation • In wellfield • Individual wells – Best practice of wellfield design and operation available • Treatment: – Membrane and scale inhibitor technology improved – Design should accommodate some form of degradation – Impacts/trends on treatment assessed 32
  • 65. Floridan Aquifer Wellfield and Treatment 33