Top Banner
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 Schers 1 PMP, Ed Rectenwald 1 PG, PMP, Jim Anderson 2 PG, Andy Fenske 3 , Amanda Barnes PE 4 , Howard Brogdon 5 , and Tom Uram 6 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 pretreatment 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 lowenergy RO thin film composite membrane technology has become the treatment of choice. The type of pretreatment 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 pretreatment 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 pretreatment 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 zeroliquid discharge is required. While these technologies are effective, they are also expensive and the pros and cons need to be evaluated prior to implementation.
65

FSAWWA Paper and Presentation Floridan Aquifer 12022015

Apr 14, 2017

Download

Documents

GJ Schers
Welcome message from author
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
Page 1: FSAWWA Paper and Presentation Floridan Aquifer 12022015

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. 

Page 2: FSAWWA Paper and Presentation Floridan Aquifer 12022015

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. 

 

   

Page 3: FSAWWA Paper and Presentation Floridan Aquifer 12022015

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). 

 

Page 4: FSAWWA Paper and Presentation Floridan Aquifer 12022015

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

Page 5: FSAWWA Paper and Presentation Floridan Aquifer 12022015

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 

Page 6: FSAWWA Paper and Presentation Floridan Aquifer 12022015

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.  

 

Page 7: FSAWWA Paper and Presentation Floridan Aquifer 12022015

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 

Page 8: FSAWWA Paper and Presentation Floridan Aquifer 12022015

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.  

   

Page 9: FSAWWA Paper and Presentation Floridan Aquifer 12022015

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.     

Page 10: FSAWWA Paper and Presentation Floridan Aquifer 12022015

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 

24500 gpm 

Specific capacity  10‐100 gpm/ft 10‐100 gpm/ft

Depth Diameter 

700 ft 12 inch FRP 

700 ft12 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 SouthChlorides NorthTotal Pumpage North + South

Page 11: FSAWWA Paper and Presentation Floridan Aquifer 12022015

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 

25300 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)

Page 12: FSAWWA Paper and Presentation Floridan Aquifer 12022015

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

 

   

Page 13: FSAWWA Paper and Presentation Floridan Aquifer 12022015

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 

Page 14: FSAWWA Paper and Presentation Floridan Aquifer 12022015

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. 

   

Page 15: FSAWWA Paper and Presentation Floridan Aquifer 12022015

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, 

Page 16: FSAWWA Paper and Presentation Floridan Aquifer 12022015

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 

Page 17: FSAWWA Paper and Presentation Floridan Aquifer 12022015

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‐)

Page 18: FSAWWA Paper and Presentation Floridan Aquifer 12022015

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. 

   

Page 19: FSAWWA Paper and Presentation Floridan Aquifer 12022015

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: 

Page 20: FSAWWA Paper and Presentation Floridan Aquifer 12022015

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 

Page 21: FSAWWA Paper and Presentation Floridan Aquifer 12022015

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. 

   

Page 22: FSAWWA Paper and Presentation Floridan Aquifer 12022015

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)

UnitsCape Coral, 

South RO 2000

Cape Coral, 

North RO 2010 

Cape Coral, 

North ROVenice RO

North Miami 

Beach RO

Town of Davie 

RO

Collier County 

SouthJupiter 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

 

 

 

   

Page 23: FSAWWA Paper and Presentation Floridan Aquifer 12022015

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 DavieCollier 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

Page 24: FSAWWA Paper and Presentation Floridan Aquifer 12022015

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 DavieCollier 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.   

Page 25: FSAWWA Paper and Presentation Floridan Aquifer 12022015

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)

Chem

ical 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)

Page 26: FSAWWA Paper and Presentation Floridan Aquifer 12022015

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 (%)

Page 27: FSAWWA Paper and Presentation Floridan Aquifer 12022015

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)

Page 28: FSAWWA Paper and Presentation Floridan Aquifer 12022015

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

2425

2627

2829 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

Page 29: FSAWWA Paper and Presentation Floridan Aquifer 12022015

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 H

ardness and Alkalinity in RO Permeate (mg/L as 

CaC

O3)

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 HardnessNeeded

Page 30: FSAWWA Paper and Presentation Floridan Aquifer 12022015

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

Chem

ical 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)

Page 31: FSAWWA Paper and Presentation Floridan Aquifer 12022015

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. 

   

Page 32: FSAWWA Paper and Presentation Floridan Aquifer 12022015

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.  

 

Page 33: FSAWWA Paper and Presentation Floridan Aquifer 12022015

To Presented at:

FSAWWA 2015

Wed 3A: Dec. 2, 2015

Presented by: GJ Schers PMP

Page 34: FSAWWA Paper and Presentation Floridan Aquifer 12022015

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)DavieNorth Miami Beach

**

Page 35: FSAWWA Paper and Presentation Floridan Aquifer 12022015

Floridan Aquifer Wellfield and Treatment

3

Page 36: FSAWWA Paper and Presentation Floridan Aquifer 12022015

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

Page 37: FSAWWA Paper and Presentation Floridan Aquifer 12022015

5

• Important Aspects for Implementation of BWRO systems:1. Wellfield productivity and water quality2. Pre-Reverse Osmosis (RO) treatment3. RO4. Post-RO treatment5. Concentrate disposal Red: addressed in paper

• Objective paper: develop best practices for BWRO based on existing operational systems

Page 38: FSAWWA Paper and Presentation Floridan Aquifer 12022015

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

Page 39: FSAWWA Paper and Presentation Floridan Aquifer 12022015

Floridan Aquifer Wellfield and Treatment

7

Page 40: FSAWWA Paper and Presentation Floridan Aquifer 12022015

8

Floridan Well

Page 41: FSAWWA Paper and Presentation Floridan Aquifer 12022015

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 FloridanMid, Lower Hawthorn

Upper Floridan

Water Quality in TDS (mg/L) 1,500-4,000 3,000-7,500Salinity 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

Page 42: FSAWWA Paper and Presentation Floridan Aquifer 12022015

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

Page 43: FSAWWA Paper and Presentation Floridan Aquifer 12022015

11

0

4

8

12

16

20

24

28

0

200

400

600

800

1,000

1,200

1,400

Tota

l Pu

mp

age

(mg

d)

Co

nce

ntr

atio

n C

hlo

rid

e (m

g/L

)

Chlorides SouthChlorides NorthTotal Pumpage North + South

Page 44: FSAWWA Paper and Presentation Floridan Aquifer 12022015

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

TD

S i

ncr

ease

(%

/100

MG

)

Well ID

TD

S C

on

cen

trat

ion

(m

g/L

)

TDS increaseAvg first 6 mIncrease (%/100 MG)

Page 45: FSAWWA Paper and Presentation Floridan Aquifer 12022015

13

Summary of Production 

WellsTown of Jupiter RO Production wells

Start of Operation 1995 (6 MGD)

Capacity8 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

Page 46: FSAWWA Paper and Presentation Floridan Aquifer 12022015

14

0

2

4

6

8

10

12

0

2,000

4,000

6,000

8,000

10,000

12,000

Total P

um

pag

e (mg

d)

Ave

rag

e C

on

cen

trat

ion

TD

S (

mg

/L)

TDS AVERAGE

Total Pumpage

Page 47: FSAWWA Paper and Presentation Floridan Aquifer 12022015

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

TD

S In

crease (%/100M

G)

Well ID

TD

S C

on

cen

trat

ion

(m

g/L

)

TDS avg (first 6m) TDS increase TDS Increase (%/100 MG)

Page 48: FSAWWA Paper and Presentation Floridan Aquifer 12022015

• 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

Co

nce

ntr

atio

n C

hlo

rid

e (m

g/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

To

tal Pu

mp

age (m

gd

)

Ave

rag

e C

on

cen

trat

ion

TD

S (

mg

/L)

TDS Average

PumpingAverage

Page 49: FSAWWA Paper and Presentation Floridan Aquifer 12022015

• Back plugging with cement

• Hydraulic control and water quality blending

• Redundant production wells

• Pro-active wellfield management system

• Well abandonment

17

Page 50: FSAWWA Paper and Presentation Floridan Aquifer 12022015

Floridan Aquifer Wellfield and Treatment

18

Page 51: FSAWWA Paper and Presentation Floridan Aquifer 12022015

19

Parameter(current - 2015, or otherwise noted)

UnitsCape 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

Page 52: FSAWWA Paper and Presentation Floridan Aquifer 12022015

Floridan Aquifer Wellfield and Treatment

20

Page 53: FSAWWA Paper and Presentation Floridan Aquifer 12022015

21

Page 54: FSAWWA Paper and Presentation Floridan Aquifer 12022015

22

0.000.100.200.300.400.500.600.700.800.901.00

4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

Mol

ar F

ract

ion

pH

Carbonic Acid (H2CO3)

Bicarbonate Ion (HCO3-)

Carbonate Ion (CO32-)

0.000.100.200.300.400.500.600.700.800.901.00

4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

Mol

ar F

ract

ion

pH

Hydrogen Sulfide (H2S)

Bisulfide Ion (HS-)

Sulfide Ion (S2-)

Page 55: FSAWWA Paper and Presentation Floridan Aquifer 12022015

• 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

Page 56: FSAWWA Paper and Presentation Floridan Aquifer 12022015

• 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

Page 57: FSAWWA Paper and Presentation Floridan Aquifer 12022015

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)

Che

mic

al C

osts

($

per

1000

gal

lons

trea

ted)

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)

Page 58: FSAWWA Paper and Presentation Floridan Aquifer 12022015

• 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

Page 59: FSAWWA Paper and Presentation Floridan Aquifer 12022015

27

0%

20%

40%

60%

80%

100%

120%

1,500 3,500 5,500 7,500 9,500

Flo

w (

% o

f D

esig

n F

low

)

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

Inte

rsta

ge E

RD

Pre

ssur

e G

ain

(psi

)

RO

Tra

in A

rray

Raw Water Total Dissolved Solids (mg/L)

Stage 1 Pressure Vessels Stage 2 Pressure Vessels

Interbank Booster Pump (psi) - Max

Page 60: FSAWWA Paper and Presentation Floridan Aquifer 12022015

• 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

Inte

rsta

ge E

RD

Pay

back

Per

iod

(Yea

rs)

Raw Water Total Dissolved Solids (mg/L)

Page 61: FSAWWA Paper and Presentation Floridan Aquifer 12022015

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

Tota

l Har

dnes

s an

d A

lkal

inity

in R

O P

erm

eate

(m

g/L

as C

aCO

3)

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 HardnessNeeded

Page 62: FSAWWA Paper and Presentation Floridan Aquifer 12022015

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

Ope

ratin

g C

ost (

$ pe

r 10

00 g

allo

ns t

reat

ed)

Total Dissolved Solids (mg/L)

Energy Cost ($/1000 gallons) Chemical Cost ($/1000 gallons)

Page 63: FSAWWA Paper and Presentation Floridan Aquifer 12022015

Floridan Aquifer Wellfield and Treatment

31

Page 64: FSAWWA Paper and Presentation Floridan Aquifer 12022015

• 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

Page 65: FSAWWA Paper and Presentation Floridan Aquifer 12022015

Floridan Aquifer Wellfield and Treatment

33