Procesy Uzdatniania Wody z Wykorzystaniem Technik Membranowych
- Szczegóły
W najbardziej ogólnym ujęciu, membrana syntetyczna jest to przegroda między dwoma roztworami (mieszaninami) ciekłymi lub gazowymi, ograniczająca transport substancji w taki sposób, że substancje te mogą być wymieniane między fazami z szybkością zależną od własności membrany oraz charakterystyki faz.
Transport masy przez membrany odbywa się dzięki odpowiedniej sile napędowej, do której zalicza się różnicę ciśnień hydraulicznych, ciśnień cząstkowych składników separowanych, ich stężeń po obu stronach membrany czy też różnicy potencjału elektrycznego.
Można stwierdzić, że w technikach membranowych transport cząsteczek zastaje wywołany różnicą ich potencjałów chemicznych po obu stronach membrany, a separacja zachodzi dzięki różnicy szybkości transportu różnych substancji.
W procesach separacji membranowej siłą napędową może być różnica: ciśnienia, stężenia i potencjału elektrycznego.
Uwzględniając stan skupienia oraz rodzaj materiału, z którego membrana jest wytworzona, rozróżniamy membrany stałe i ciekłe oraz membrany organiczne (polimerowe) i nieorganiczne. Biorąc natomiast pod uwagę strukturę oraz morfologię membran, można je podzielić na porowate i lite (nieporowate), symetryczne i asymetryczne oraz kompozytowe, które uważa się za odmianę membran asymetrycznych.
Przeczytaj także: Technologie oczyszczania wody: Przegląd
Membrany w urządzeniach technicznych konfiguruje się w pięciu zasadniczych rodzajach jako moduły płytowo-ramowe, spiralne, rurowe oraz kapilarne i z włókien kanalikowych.
Występujące w środowisku zanieczyszczenia, zarówno naturalnego pochodzenia jak i antropogenicznego można podzielić na dwie zasadnicze grupy: substancje nieorganiczne oraz substancje organiczne.
W zależności, na usuwanie których zanieczyszczeń są skierowane nasze potrzeby w oczyszczaniu, to stosowane są odpowiednie, najkorzystniejsze procesy membranowe. W związku z tym należy w przypadku odsalania wody proponować odwróconą osmozę, natomiast do zmiękczania, usuwania mętności i mikroorganizmów oraz usuwania NOM (naturalnej materii organicznej) zastosować nanofiltrację, w celu usunięcia zawiesin i koloidów odpowiednia jest mikro i ultrafiltracja.
Każdy przypadek oczyszczania/rozdziału/ zatężania wymaga doboru skutecznego i ekonomicznego procesu.
Do metod membranowych zaliczamy takie procesy, jak: odwrócona osmoza (RO) oraz elektrodializa (ED). Ponadto należy zwrócić uwagę, że koszty realizacji poszczególnych rodzajów odsalania/demineralizacji są różne. Metody destylacyjne cechuje wysokie zużycie energii, niezależnie od stężenia soli w wodzie.
Przeczytaj także: Grupa Azoty Puławy - oczyszczanie wody
Łączenie odwróconej osmozy z metodami termicznymi w systemy skojarzone jest korzystne, gdyż: niektóre elementy metod są wspólne np. ujęcie wody surowej i jej wstępne oczyszczanie, oczyszczanie końcowe, mieszanie permeatu z destylatem, unieszkodliwianie koncentratów itp. Dodatkowe korzyści wynikające z stosowania systemów skojarzonych to: efektywne wykorzystanie energii elektrycznej i wody odsolonej. Woda może być magazynowana, co nie jest możliwe w przypadku elektryczności.
Kojarzenie RO i metody termicznej w sposób następczy RO - metoda termiczna - krystalizacja NaCl, stosuje się do zatężania retentatu RO metodą termiczną z równoczesnym odzyskiem wody odsolonej i selektywną krystalizacją NaCl. Proponowany sposób stosuje się w przypadku śródlądowych wód wysoce zasolonych, a więc głównym celem odsalania takich wód jest wyeliminowanie z nich soli, najkorzystniej w postaci produktów handlowych. Przykładem takiego podejścia do odsalania wód kopalnianych była uruchomiona w 1995 r. instalacja w Dębieńsku.
Jedną z propozycji jest, żeby: permeat z NF poddać odsalaniu, co pozwala uniknąć ryzyka krystalizacji siarczanu wapnia oraz osiągnąć duży uzysk wody (do 150 g/l soli w retentacie). Korzyści jakie wynikają z tych rozwiązań jest wiele.
Praca instalacji termicznych/RO bez konieczności stosowania dodatkowych chemikaliów (np. Istotne jest wstępne przygotowanie wody przed RO (często koagulacjaflokulacja- sedymentacja). Układ korzystny przy wyższym zasoleniu wody surowej, tj.
Kolejnym przykładem odsalania/ demineralizacji wody jest uruchomiona instalacja w Elektrowni Kozienice. Instalacja składa się z: układu RO - wymiany jonowej.
Przeczytaj także: Przewodnik po uzdatnianiu wody szkłem
Koszty procesowe dla wód miernie zasolonych (tzn. do 4 g/dm3) wynosiły ok. 0,5 USD/m3 w latach 80. oraz 0,2-0,35 USD/m3 w chwili obecnej. Natomiast dla wód morskich (35-42 g/dm3) ponad 1 USD/m3 w latach 80. i na początku lat 90.
Wg przepisów, woda do picia powinna mieć twardość 60-500 mg CaCO3/l. Normowany jest również Mg: 30 mg/l. Nadmierna twardość wody w wodzie do picia jest szkodliwa dla zdrowia.
-- wód miękkich i mało twardych (tw. ogólna ok.<200mg CaCO3/l) z wód bardzo twardych i twardych (tw. ogólna >300mg CaCO3/l).
Nanofiltracja wydaje się być odpowiednim i ekonomicznym procesem równoczesnego usuwania twardości i naturalnej materii organicznej (NOM), co wykazują wyniki w tabeli 4 w badaniach przeprowadzonych w 2002 r.
Praktyczne zastosowanie nanofiltracyjnego uzdatniania z wykorzystaniem - membrany nanofiltracyjnej ma miejsce w SUW Zawada k.Dębicy - skierowane jest głównie do usuwania twardości (500 mg CaCO3/l).
Zastosowanie odwróconej osmozy /i lub nanofiltarcji w oczyszczaniu wody do picia oraz do celów przemysłowych, sprawdza się również jako układ skojarzony.
Wstępne uzdatnianie: ograniczenie zanieczyszczenia membran poprzez fouling i skaling. Zakres zależy od jakości wody surowej. Można użyć systemy: 1 - stopniowe dla wody słonawej (<10 g/dm3) lub 2-stopniowe dla wody słonej (>10 g/ dm3), stopień odzysku wody: 70-80% - dla wody słonawej; ok.
W 2000 roku ponad 2 miliony m3/d wody do picia produkowano z wykorzystaniem niskociśnieniowych metod membranowych, tj. mikrofiltracji i ultrafiltracji1), a obecnie ilość ta jest znacznie większa. Wielkość porów membran do MF i UF jest zbyt duża by bezpośrednio efektywnie zatrzymać związki rozpuszczone lub nawet koloidalne występujące w wodzie.
Przykładem systemu skojarzonego jest proces koagulacja/strącanie-MF. Szczególnie przydatny do usuwania fluoru oraz metali ciężkich (As, Sb,Hg itd.) ze środowiska wodnego.
Zastosowanie systemu skojarzonego polegającego na adsorpcji-MF, opiera się na stosowaniu żywicy jonowymiennej o niskiej granulacji: MIEX o uziarnieniu 150 μm (F, NO3 -, As(V), Cr(VI)) oraz Dowex i Amberlite o uziarnieniu 20 μm (szczególnie przydatny do adsorpcji boru (B). Używa się też węgiel aktywny do adsorpcji metali ciężkich.
Kolejną propozycją jest system skojarzony, opisany punktem (C), w którym proces UF/MF wspomagany jest polimerami (PEUF). Proces polega na wiązaniu jonów metali i anionów rozpuszczalnym w wodzie polimerem w związki kompleksowe, których rozmiar jest większy od porów membrany UF/MF. Stosuje się polimery kompleksujące i polielektrolity.
Można również wprowadzać do procesu UF/MF wspomaganie surfaktantami (MEUF), opisane punktem (D), w celu skutecznego usunięcia zanieczyszczeń, takich jak: NO3 -, ClO4 -, Cr(III), As, metale. W takim systemie hybrydowym, do wody zawierającej któryś z wymienionych jonów, dodawany jest roztwór surfaktantu o stężeniu przekraczającym krytyczne stężenie tworzenia miceli (CMC), w którego micelach wiązane są jony.
Nadmierna zawiesina występująca w wodzie może być skutecznie obniżona do wartości normatywnych (norma dla wody do picia = 1 NTU) przy wykorzystaniu technik mikrofiltracyjnych/ultrafiltracyjnych. Ponadto usuwane są mikroorganizmy, bakterie, zanieczyszczenia w formie koloidalnej.
Powodem podstawowym, dla którego zdecydowano o modernizacji zakładu SUW w Suchej Beskidzkiej było skażenie bakteriologiczne wody powierzchniowej pobieranej z rzeki Stryszawki. Zastosowane są tam membrany firmy PALL Aria AP6 w systemie modułowym przedstawionym na rys.7. Odzysk filtratu jest do 99%, w zależności od właściwości wody zasilającej, z wydajnością 130 m3/h, tj. 1135680 m3/ rok.
Kolejnym obiektem, gdzie wdrożono taki sposób uzdatniania to ZUW w Jarosławiu (uruchomienie nastąpiło w październiku 2009 r.) o wydajności 470 m³/h. Zainstalowany system membranowy przygotowuje wodę do picia o jakości spełniającej wszystkie wymagania stawiane przez obowiązujące Rozporządzenie Ministra Zdrowia z dnia 13 listopada 2015 r. w sprawie jakości wody przeznaczonej do spożycia przez ludzi.
Przykładem bezpośredniego wykorzystania MF do usuwania mętności i mikroorganizmów z wody powierzchniowej jest stacja uzdatniania wody do picia w Suchej Beskidzkiej pobierająca wodę z rzeki Stryszawka. Filtracyjny system membranowy PALL AriaTM składa się z 40 membranowych modułów filtracyjnych (typu USV- 6203). Podobne rozwiązania zostały również wdrożone w ZUW Jarosław, gdzie przepustowość stacji wynosi 470 m³/h oraz SUW Biała Dolina 6,5 - m³/h.
Dzisiejsze działania zarówno naukowe, jak i przemysłowe koncentrują się na opracowywaniu tzw. „zielonych technologii”, tj. procesów przyjaznych środowisku naturalnemu. Szczególną uwagę zwracają rozwiązania minimalizujące zużycie surowców naturalnych oraz pozwalające na odzysk i ponowne wykorzystanie cennych składników i surowców. Technologia membranowego oczyszczania ścieków znalazła już swoje miejsce w realizacjach polskich. Szczególnie istotny jest fakt, gdy ładunek zanieczyszczeń jest nierównomierny w trakcie roku. Przy aplikacji rozwiązań membranowych ten fakt nie ma znaczenia. Na zdjęciu 1 (rys 11) przedstawiono zrealizowaną inwestycję w miejscowości wczasowej, gdzie dopływające duże ładunki występują latem.
Przykładem zastosowania w przemyśle chemicznym klasycznego, ciśnieniowego membranowego procesu rozdziału jest technologia odzysku ze ścieków glikolu etylenowego, oparta na procesie nanofiltracji (NF) i odwróconej osmozie (RO). Została ona opracowana i opatentowana przez Instytut Chemii Przemysłowej w Warszawie, a wdrożona w PKN Orlen SA w Płocku.
W procesie syntezy tlenku etylenu i glikolu etylenowego powstają ścieki, zanieczyszczone przede wszystkim glikolem etylenowym w ilości do 1% mas oraz węglanowymi solami sodowymi w ilości do 1,5 % mas. Przed wdrożeniem technologii membranowej, strumień ścieków kierowano do zakładowej oczyszczalni ścieków. Odzysk glikolu ze ścieków na drodze destylacji uniemożliwiały obecne w nich sole nieorganiczne, które w trakcie zatężania wypadały z roztworu, osadzając się na warnikach kolumn destylacyjnych.
Wprowadzona membranowa technologia oczyszczania ścieków glikolowych jest oparta na trójstopniowym procesie nanofiltracji z wykorzystaniem membran spiralnych typu DK firmy GE Water. Zastosowana w procesie membrana charakteryzuje się małą przepuszczalnością soli węglanowych i dużą odzyskiwanego glikolu etylenowego.
Przerabiane ścieki glikolowe, po wstępnym oczyszczeniu w procesie mikrofiltracji są kierowane na pierwszy stopień nanofiltracji, gdzie następuje ich rozdział na permeat I i retentat I. Oba uzyskane strumienie są poddawane dalszemu przerobowi: permeat na II stopniu doczyszczającym, retentat zaś w węźle końcowego zatężania III. Wszystkie trzy stopnie nanofiltracji są identyczne i zawierają po cztery, szeregowo połączone moduły NF. Produktami procesu NF są permeat stanowiący ponad 90 % wejściowego strumienia i retentat.
Permeat w całości jest zawracany do procesu odzysku glikolu metodą osmozy odwróconej. Uzyskany koncentrat glikolowy jest zawracany i wykorzystany w przerobie, pozostały po procesie RO permeat uzupełnia natomiast obieg wody procesowej. Zastosowanie procesu nanofiltracji przyczyniło się do obniżenia o ponad 90%: strat glikolu etylenowego, ilości produkowanych ścieków i wartości ChZT (chemicznego zapotrzebowania tlenu) w ściekach odprowadzanych do oczyszczalni biologicznej.
Od blisko dziesięciu lat można zaobserwować zmianę w podejściu do problemu produkcji wody zdemineralizowanej. Wykorzystanie metod odwróconej osmozy lub elektrodializy polega na wstępnej demineralizacji w urządzeniach membranowych, po czym woda kierowana jest do pełnej demineralizacji na żywicach jonowymiennych. Dla obiegów ciepłowniczych wystarczy przeprowadzenie tego procesu metodą odwróconej osmozy. Pozostałe techniki, a więc mikrofiltracja i ultrafiltracja są metodami wspomagającymi prawidłową eksploatację urządzeń odwróconej osmozy i/lub elektrodializy albo wprowadzane są jako filtr końcowy wody zdemineralizowanej.
Elektrodejonizacja jest nowoczesną techniką, którą stosuje się w miejsce wymiany jonowej. Potrzeba wstępnej demineralizacji, a niekiedy również zmiana układu technologicznego instalacji do tego służącej spowodowana jest głównie: wzrostem zasolenia wody surowej, wzrostem zapotrzebowania na wodę zdemineralizowaną, rosnącymi cenami chemikaliów i kosztami odprowadzania ścieków poregeneracyjnych, a także koniecznością odchodzenia od wody pitnej jako źródła zasilania obiektów energetycznych. W ostatnim przypadku istnieje możliwość wykorzystania ścieków przemysłowych do zamykania obiegów wodnych, odsolin z układu chłodni kominowych oraz zanieczyszczonych wód powierzchniowych.
Obecnie w stacjach ...
Rozwój infrastruktury technicznej oraz wprowadzanie nowych rozwiązań w przemyśle, mających na celu zwiększenie wydajności i sprawności instalacji technologicznych, powoduje zaostrzenie kryteriów jakościowych wody wykorzystywanej w procesach produkcyjnych. Zapewnienie wody surowej, relatywnie taniej, jest podstawowym problemem przy lokalizacji obiektu energetycznego. Konieczne jest odchodzenie od wykorzystywania jej pitnych zasobów jako źródła ich zasilania. Poszukuje się zatem technologii umożliwiających użycie do tego celu wód odpadowych, czyli powierzchniowych, oczyszczonych ścieków przemysłowych, komunalnych z mechaniczno-biologicznej oczyszczalni, odsolin z obiegu chłodzącego itp. Potrzeba ta wynika również ze wzrostu zasolenia wody surowej oraz zapotrzebowania na jej zdemineralizowaną formę.
Coraz szersze zastosowanie do celów przemysłowych w energetyce znajdują techniki membranowe. Woda uzdatniona w wyniku procesów membranowych, zwłaszcza odwróconej osmozy, charakteryzuje się wysokim stopniem czystości. Do zasilania energetycznych kotłów parowych stosuje się układy hybrydowe, takie jak odwrócona osmoza (RO)-wymiana jonowa. Za pomocą RO woda pozbawiona jest ok. 99,5% substancji rozpuszczonych. Wprowadzenie odwróconej osmozy do układu technologicznego przygotowania wody zdemineralizowanej w wyraźny sposób poprawia wyniki eksploatacji stacji demineralizacji.
W porównaniu z zastosowaniem samej wymiany jonowej układ hybrydowy odwrócona osmoza-wymiana jonowa jest bardziej ekonomiczny. W celu zapewnienia niezawodnej i ciągłej pracy stacji z tą technologią konieczne jest właściwe wstępne przygotowanie wody z zastosowaniem koagulacji, sedymentacji i filtracji, a czasami celowe jej dekarbonizowanie i dodatkowe zmiękczanie. Zestaw czynności ją przygotowujących uzależniony jest od jej charakteru chemicznego w stanie surowym oraz wielkości stacji demineralizacji.
System RO-wymiana jonowa stosuje się, zaczynając od stężenia 100-300 mg/l substancji rozpuszczonej. Przy czym im jest ono większe, tym korzystniejszy okazuje się układ z odwróconą osmozą. Dla wody o niskiej zawartości soli preferowana jest wymiana jonowa, dlatego czyszczenie kondensatu prowadzi się prawie wyłącznie tą metodą. Poza aspektami technicznymi i ekonomicznymi należy również brać pod uwagę czynniki ekologiczne.
Dotychczasowe doświadczenia eksploatacyjne instalacji skojarzonej metody RO-wymiana jonowa wskazują na zalety w postaci pracy wymieniaczy jonowych, przebiegającej w korzystniejszych warunkach w złożu mieszanym, co daje wodę wysokiej jakości. Zmniejsza się częstość ich regeneracji w porównaniu do układu klasycznego, a ponadto spada zużycie jonitów, czas pracy ich złoża oraz chemikaliów służących do ich regenerowania. Przykładem rozwiązania opartego na systemie hybrydowym RO-wymiana jonowa z wykorzystaniem dwujonitu w węźle demineralizacji jest stacja uzdatniania wody (SUW) Elektrociepłowni (EC) Chorzów.
Działanie jej opiera się na uzdatnianiu wstępnym i demineralizacji. Ten pierwszy proces obejmuje wstępną koagulację i filtrację na filtrach żwirowych w celu usunięcia zawiesin i koloidów, zmiękczanie oraz filtrację na filtrach węglowych i workowych o śr. 5 µm. W najnowocześniejszych rozwiązaniach w miejsce klasycznej wymiany jonowej stosuje się elektrodejonizację (EDI).
Wprowadzenie RO do demineralizacji nie eliminuje jednak całkowicie wad rozwiązań opartych o wymianę jonową. Przede wszystkim chodzi tutaj o konieczność regeneracji złóż chemikaliami. Elektrodejonizacja jest połączeniem elektrodializy z wymianą jonową, w której wykorzystuje się konwencjonalną żywicę. Przyłożone napięcie powoduje wędrówkę jonów do odpowiednich elektrod i tym samym do strumienia zatężonego.
Drugim zadaniem stałego napięcia elektrycznego jest dysocjacja wody na jony H+ i OH-, które obsadzają grupy jonowymienne żywicy, doprowadzając do jej regeneracji. Komory wypełnione jonitem są zasilane wodą surową i stąd odprowadzana jest jej forma zdemineralizowana. Te urządzenia oraz komory koncentratu są rozdzielone membranami jonowymiennymi. W ten sposób eliminuje się konieczność chemicznej regeneracji jonitów.
Woda zdemineralizowana ma bardzo wysoką jakość i przewodność poniżej 0,2 mS/cm (S - siemens, jednostka przewodności elektrycznej w układzie SI). W odróżnieniu od złoża mieszanego proces dejonizacji EDI ma charakter ciągły.
Na świecie pojawia się coraz więcej firm oferujących technologię RO-EDI. Przykładem takiej instalacji jest rozwiązanie zastosowane w EC Wrotków-Lublin, służące do produkcji wody zasilającej turbiny parowe bloku gazowo-parowego. W niektórych rozwiązaniach w miejsce odwróconej osmozy stosuje się elektrodializę odwracalną (EDR), która służy do wstępnej demineralizacji wody zasilającej kotły energetyczne w układzie hybrydowym z wymianą jonową.
W tego rodzaju metodzie liczba regeneracji jonitów zostaje zmniejszona o 80%, a tym samym obniża się zużycie chemikaliów i ilość zrzucanych ścieków. Wzrasta natomiast fizyczna stabilność jonitów i zmniejsza się ich zanieczyszczenie, a ponadto obniżają się koszty procesu. System z EDR jest w mniejszym stopniu wrażliwy na zanieczyszczenia w wodzie niż rozwiązania oparte na odwróconej osmozie i wymianie jonowej. To umożliwia zasilanie wodami powierzchniowymi posiadającymi SDI (test SDI - ang. Slit Density Index jest stosowany do oceny jakości wody kierowanej do produkcji) w granicach od 5 do 6. EDR pozwala też na uzyskanie wysokiego stopnia odzysku wody na poziomie 85-95%.
tags: #ec #zeran #uzdatnianie #wody #proces
