„Twardość” w wodzie wysoko-słonej odnosi się przede wszystkim do kationów tworzących kamień, takich jak wapń (Ca²⁺), magnez (Mg²⁺), stront (Sr²⁺) i bar (Ba²⁺). Jeśli nie zostaną usunięte-przed obróbką, kationy te utworzą twarde warstwy, takie jak siarczan wapnia, węglan wapnia i krzemian magnezu, podczas późniejszego-procesu wysokiego stężenia. Mogą one zatykać pory membrany, uszkadzać elementy membrany lub przylegać do rur wymiany ciepła parownika, znacznie zmniejszając wydajność wymiany ciepła oraz zwiększając częstotliwość czyszczenia i koszty operacyjne.
Poniżej przedstawiono kilka powszechnie stosowanych i wysoce skutecznych procesów zmiękczania i usuwania twardości podczas obróbki wstępnej:
1. Chemiczne zmiękczanie przez wytrącanie
Jest to najbardziej klasyczny i powszechnie stosowany proces. Jego podstawową zasadą jest dodanie środków chemicznych w celu przekształcenia jonów powodujących twardość w osad o wyjątkowo niskiej rozpuszczalności, który następnie jest oddzielany przez sedymentację lub filtrację.
a) Proces wapna-sody kalcynowanej: jest to preferowana metoda oczyszczania ścieków o wysokiej-twardości, szczególnie gdy twardość wapniowa jest wysoka, a twardość magnezu niska.
Reakcja jest procesem dwuetapowym-:
Usuwanie zwapnień: Najpierw dodaje się wapno (Ca(OH)₂) w celu przekształcenia wodorowęglanu wapnia w wodzie w osad węglanu wapnia. Ca(HCO₃)₂ + Ca(OH)₂ → 2CaCO₃↓ + 2H₂O
Twardość nie-węglanowa: następnie dodaje się sodę kalcynowaną (Na₂CO₃) w celu przereagowania z nie-węglanową twardością wapnia i magnezu w wodzie.
CaSO₄ + Na₂CO₃ → CaCO₃↓ + Na₂SO₄
MgSO₄ + Ca(OH)₂ → Mg(OH)₂↓ + CaSO₄ (powstały CaSO₄ następnie reaguje z sodą kalcynowaną).
Cechy: Optymalne pH do odwapniania wapna wynosi zazwyczaj 9,5-10,5; w celu zaawansowanego usuwania magnezu należy podnieść pH do 10,5-11,0 lub nawet wyżej, ponieważ wytrącanie wodorotlenku magnezu wymaga wyższej zasadowości. Teoretycznie stężenie wapnia można obniżyć do 30-40 mg/L (mierzone jako CaCO₃), a stężenie magnezu do poniżej 10 mg/L.
Zalety: Niskie koszty odczynników (wapno i soda kalcynowana są niedrogie), dojrzała technologia i wysoka wydajność oczyszczania.
Wady: Generuje dużą ilość osadu chemicznego (około 1-3% objętości oczyszczonej wody), co wymaga dodatkowych jednostek odwadniających osad; podniesienie pH zwiększa całkowitą zawartość rozpuszczonych substancji stałych (TDS) w wodzie.
b) Metoda z wodorotlenkiem-sody kalcynowanej: w tej metodzie zamiast wapna wykorzystuje się ciekłą sodę kaustyczną (NaOH) i jest ona odpowiednia do zastosowań, w których występuje duża twardość magnezu lub gdy wprowadzenie dodatkowych jonów wapnia jest niepożądane.
Zasada:
Mg²⁺ + 2NaOH → Mg(OH)₂↓ + 2Na⁺
Ca²⁺ + Na₂CO₃ → CaCO₃↓ + 2Na⁺
Cechy: W porównaniu z metodą wapienną ilość wytwarzanego osadu jest o około 30-50% mniejsza. Ponieważ nie wprowadza się jonów wapnia, osad składa się głównie z Mg(OH)₂ i CaCO₃, co daje czystszy osad.
Koszt: Koszt NaOH jest znacznie wyższy niż wapna, co powoduje wyższe koszty operacyjne. Metodę tę powszechnie stosuje się w przypadku małych i średnich objętości wody lub tam, gdzie kluczowa jest wysoka jakość osadu.
Działanie: Nie jest wymagany sprzęt do mielenia i przygotowania wymagany w systemach dozowania wapna, co zapewnia czystsze środowisko pracy.
c) Współ-strącanie (dodanie środków wspomagających koagulant)
Aby poprawić wydajność wytrącania i jakość ścieków, podczas procesu wytrącania chemicznego zazwyczaj dodaje się niewielką ilość flokulanta (takiego jak PAM) i środka wspomagającego koagulant (takiego jak chlorek żelazowy FeCl₃). Może to zmniejszyć zmętnienie ścieków do poziomu poniżej 10 NTU, zmniejszając obciążenie kolejnych jednostek filtracyjnych.
2. Metoda wymiany jonowej
Chociaż chemiczne wytrącanie jest-opłacalne, twardość resztkowa ścieków może być w dalszym ciągu zbyt wysoka dla wrażliwych systemów membranowych, takich jak odwrócona osmoza (RO). Wymiana jonowa może być stosowana jako proces polerowania w celu głębokiego usunięcia twardości.
Dzięki zastosowaniu silnie kwasowych żywic kationowymiennych jony sodu (Na⁺) zastępują w wodzie jony wapnia i magnezu.
2R-Na + Ca²⁺ → R₂-Ca + 2Na⁺
Cechy: Doskonała jakość ścieków, ze stabilnie kontrolowaną twardością resztkową<1 mg/L (as CaCO₃), perfectly meeting the feed water requirements of RO membranes (generally <1-2 mg/L). After the resin reaches saturation, it needs to be regenerated with a 5-10% NaCl solution (brine), which produces high-hardness waste brine.
Scenariusz zastosowania: Nanofiltracji zazwyczaj nie stosuje się wyłącznie do pierwotnego zmiękczania ścieków o wysokim-zasoleniu, ponieważ wysokie zasolenie (wysokie TDS) wody surowej konkuruje z jonami o twardości o miejsca wymiany na żywicy, co skutkuje gwałtownym spadkiem pojemności żywicy, częstą regeneracją i słabą efektywnością ekonomiczną. Bardziej nadaje się do wtórnego głębokiego zmiękczania po wstępnej obróbce chemicznej wytrącaniem.
3. Nanofiltracja membranowa
Nanofiltracja to technologia membranowa będąca połączeniem odwróconej osmozy i ultrafiltracji. Jego unikalne efekty ładowania i przesiewania dają mu wyraźne zalety w dziedzinie zmiękczania.
Nanofiltration membranes have a high rejection rate (>95-98%) dla jonów dwuwartościowych (takich jak Ca⁺, Mg⁺ i SO₄²⁻), podczas gdy współczynnik odrzucenia dla jonów jednowartościowych (takich jak Na⁺ i Cl⁻) jest niższy (20-80%).
Cechy: Teoretyczna szybkość usuwania siarczanu wapnia (CaSO₄) może osiągnąć 99,8%, skutecznie zapobiegając tworzeniu się kamienia siarczanowego. Ciśnienie robocze wynosi zazwyczaj 5–15 barów i jest znacznie niższe niż w przypadku membran RO, co skutkuje stosunkowo niskim zużyciem energii.
Zalety: Proces fizyczny, nie są wymagane żadne odczynniki, nie wytwarza się osad chemiczny; może jednocześnie usunąć część materii organicznej i koloru.
Wady: Musi opierać się na dobrej obróbce wstępnej (takiej jak ultrafiltracja (UF)), aby zapobiec zabrudzeniu membrany; daje stężony roztwór (wodę krzakową) o wyższej twardości, wymagający późniejszego oczyszczenia; i wiąże się z wysokimi kosztami inwestycji.
Zastosowania: Szczególnie nadaje się do-uzdatniania wstępnego-wody o dużym zasoleniu, o wysokiej twardości siarczanowej i wysokiej zawartości substancji organicznych.
4. Mikrofiltracja rurowa (TMF)
Wykorzystuje reakcję strącania chemicznego (taką jak proces wapna-sodowego) w celu przekształcenia jonów powodujących twardość w nierozpuszczalne osady (takie jak CaCO₃ i Mg(OH)₂). Jednakże kolejny etap oddzielania-wody z osadu nie opiera się już na osadzaniu grawitacyjnym, lecz jest realizowany poprzez-wysoką skuteczność filtracji przez rurową membranę mikrofiltracyjną.
Jednostka reakcji chemicznej: Ścieki są dokładnie mieszane i poddawane reakcji ze środkami zmiękczającymi (takimi jak wapno, soda kalcynowana i NaOH) w zbiorniku reakcyjnym lub reaktorze, tworząc cząstki osadu wielkości mikronów-, a nawet nanometrów-.
Jednostka separacji membranowej: bogaty w osad-odciek reakcyjny wchodzi bezpośrednio do rurowego systemu membran mikrofiltracyjnych. Mikropory (zwykle 0,1-0,2 μm) w ściance membrany przepuszczają tylko wodę i rozpuszczone sole, całkowicie przechwytując wszystkie wytrącone cząstki, zawiesiny, koloidy oraz większość bakterii i wirusów, osiągając natychmiastową i skuteczną separację mętnej wody.
Moduł membranowy: Składa się z wielu równoległych membran rurowych, zwykle o średnicy 5-12 mm, z wewnętrznym wspornikiem i warstwą filtrującą na powierzchni. Konstrukcja o dużej średnicy zapewnia wyjątkową odporność na zanieczyszczenia i zużycie.
Pompa cyrkulacyjna: zapewnia-prędkość przepływu krzyżowego przez membranę (zwykle 3-4,5 m/s). Wysokie natężenie przepływu energicznie przepłukuje powierzchnię membrany, skutecznie zapobiegając osadzaniu się zanieczyszczeń i zatykaniu.
Tryb operacyjny: Stosowany jest system filtracji obiegowej, w którym koncentrat w sposób ciągły powraca z powrotem do reaktora w celu utrzymania wysokiego stężenia substancji stałych (do 1-3%). Permeat (woda produkcyjna) jest odprowadzany w sposób ciągły. Kiedy stężenie osadu w reaktorze osiągnie określony poziom (np. 2,5-3%), część zatężonego osadu zostanie automatycznie usunięta.
Zalety: Doskonała i stabilna jakość ścieków, przy stale niskim zmętnieniu<0.2 NTU and an SDI15 value of <3 (typically <1).
Wysokie stężenie osadu przy minimalnej objętości: System TMF odprowadza osad w stężeniu 2,5%-3,5% (wagowo). To zmniejszenie objętości osadu o ponad 60% znacząco zmniejsza obciążenie i koszty kolejnych jednostek odwadniania osadów (np. zużycie środków chemicznych i energii w wirówkach oraz prasach filtracyjnych płytowo-ramowych).
Kompaktowe wymiary i modułowa konstrukcja eliminują potrzebę stosowania nieporęcznych osadników i-multimedialnych filtrów, tworząc wysoce zintegrowany system, który może zmniejszyć zajmowaną powierzchnię o 50–70%.
Wady: wymaga pompy obiegowej zapewniającej duże-prędkości przepływu poprzecznego, co skutkuje stosunkowo wysokim zużyciem energii przez system (chociaż jest to częściowo równoważone przez zmniejszone koszty oczyszczania osadu). Elementy membrany wymagają regularnego czyszczenia chemicznego (CIP), zazwyczaj za pomocą płukania kwasem (np. kwasem cytrynowym) w celu usunięcia kamienia nieorganicznego i płukania zasadą (np. NaOH) w celu usunięcia zanieczyszczeń organicznych. Wysokiej-jakości membrany rurowe, jeśli są właściwie konserwowane, mogą przetrwać 5–7 lat.
