"Tvrdoća" u visoko-slanoj vodi prvenstveno se odnosi na katione kao što su kalcijum (Ca²⁺), magnezij (Mg²⁺), stroncijum (Sr²⁺) i barijum (Ba²⁺). Ako se ne uklone prethodni tretman, ovi katjoni će formirati slojeve tvrdog kamenca kao što su kalcijum sulfat, kalcijum karbonat i magnezijum silikat tokom naknadnog procesa visoke{3}}koncentracije. Oni mogu začepiti pore na membrani, oštetiti elemente membrane ili se zalijepiti za cijevi za izmjenu topline isparivača, značajno smanjujući efikasnost prijenosa topline i povećavajući učestalost čišćenja i operativne troškove.
Slijedi nekoliko često korištenih i vrlo učinkovitih procesa omekšavanja i uklanjanja tvrdoće predobradom:
1. Omekšavanje hemijskim taloženjem
Ovo je najklasičniji i najrašireniji postupak. Njegov osnovni princip je dodavanje hemikalija za pretvaranje jona tvrdoće u talog sa izuzetno niskom rastvorljivošću, koji se zatim odvaja sedimentacijom ili filtracijom.
a) Proces sa vapnom{0}}kancinske sode: Ovo je poželjna metoda za tretiranje otpadnih voda visoke{1}}vrste, posebno kada je tvrdoća kalcijuma visoka, a tvrdoća magnezijuma niska.
Reakcija je proces u-dva koraka:
Uklanjanje kalcifikacije: Prvo se dodaje kreč (Ca(OH)₂) kako bi se kalcijum bikarbonat u vodi pretvorio u talog kalcijum karbonata. Ca(HCO₃)₂ + Ca(OH)₂ → 2CaCO₃↓ + 2H₂O
Bez-karbonatna tvrdoća: Zatim se dodaje soda soda (Na₂CO₃) da reaguje sa ne-karbonatnom tvrdoćom kalcijuma i magnezijuma u vodi.
CaSO₄ + Na₂CO₃ → CaCO₃↓ + Na₂SO₄
MgSO₄ + Ca(OH)₂ → Mg(OH)₂↓ + CaSO₄ (nastali CaSO₄ zatim reaguje sa soda pepelom).
Karakteristike: Optimalni pH za uklanjanje kamenca je općenito 9,5-10,5; za napredno uklanjanje magnezijuma, pH treba podići na 10,5-11,0 ili čak više, jer taloženje magnezijum hidroksida zahteva veću alkalnost. Teoretski, koncentracije kalcija mogu se smanjiti na 30-40 mg/L (mjereno kao CaCO₃), a koncentracije magnezija ispod 10 mg/L.
Prednosti: Niski troškovi reagensa (kreč i soda pepeo su jeftini), zrela tehnologija i visok kapacitet obrade.
Nedostaci: Stvara veliku količinu hemijskog mulja (otprilike 1-3% zapremine tretirane vode), što zahteva dodatne jedinice za odvodnjavanje mulja; podizanje pH povećava ukupne otopljene čvrste materije (TDS) u vodi.
b) Metoda natrijum hidroksida-natrijum hidroksida: Ova metoda koristi tečnu kaustičnu sodu (NaOH) umjesto vapna i pogodna je za primjene s visokom magnezijumskom tvrdoćom ili kada je uvođenje dodatnih jona kalcijuma nepoželjno.
princip:
Mg²⁺ + 2NaOH → Mg(OH)₂↓ + 2Na⁺
Ca²⁺ + Na₂CO₃ → CaCO₃↓ + 2Na⁺
Karakteristike: U poređenju sa metodom kreča, količina proizvedenog mulja je otprilike 30-50% manja. Budući da se ne unose ioni kalcija, mulj se prvenstveno sastoji od Mg(OH)₂ i CaCO₃, što rezultira čistijim muljem.
Trošak: Trošak NaOH je znatno veći od troška vapna, što rezultira većim operativnim troškovima. Ova metoda se obično koristi za male do srednje količine vode ili gdje je visok kvalitet mulja ključan.
Rad: Oprema za mljevenje i pripremu koja je potrebna za sisteme za doziranje kreča nije potrebna, što rezultira čistijim radnim okruženjem.
c) Ko{0}}taloženje (Dodavanje koagulantnih pomagala)
Da bi se poboljšala efikasnost taloženja i kvalitet efluenta, mala količina flokulanta (kao što je PAM) i pomoćnog koagulanta (kao što je željezni hlorid FeCl₃) se obično dodaje tokom procesa hemijskog taloženja. Ovo može smanjiti zamućenost efluenta na ispod 10 NTU, smanjujući opterećenje na kasnijim jedinicama za filtriranje.
2. Metoda jonske izmjene
Iako je hemijska precipitacija isplativa-, rezidualna tvrdoća njenog efluenta i dalje može biti previsoka za osjetljive membranske sisteme kao što je reverzna osmoza (RO). Jonska izmjena se može koristiti kao proces poliranja za duboko uklanjanje tvrdoće.
Koristeći smole za kationsku izmjenu jakih kiselina, joni natrija (Na⁺) zamjenjuju ione kalcija i magnezija u vodi.
2R-Na + Ca²⁺ → R₂-Ca + 2Na⁺
Karakteristike: Odličan kvalitet efluenta, sa zaostalom tvrdoćom stabilno kontrolisanom na<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.
Scenario primjene: Nanofiltracija se općenito ne koristi samo za primarno omekšavanje otpadne vode visokog{0}}saliniteta jer se visoki salinitet (visoki TDS) sirove vode natječe s ionima tvrdoće za mjesta izmjene na smoli, što rezultira naglim padom kapaciteta smole, čestom regeneracijom i lošom ekonomskom efikasnošću. Pogodniji je za sekundarno duboko omekšavanje nakon hemijske precipitacije.
3. Membranska nanofiltracija
Nanofiltracija je membranska tehnologija između reverzne osmoze i ultrafiltracije. Njegovo jedinstveno punjenje i efekti prosijavanja daju mu jasne prednosti u polju omekšavanja.
Nanofiltration membranes have a high rejection rate (>95-98%) za dvovalentne jone (kao što su Ca⁺, Mg⁺ i SO₄²⁻), dok je stopa odbacivanja za jednovalentne jone (kao što su Na⁺ i Cl⁻) niža (20-80%).
Karakteristike: Teoretska brzina uklanjanja kalcijum sulfata (CaSO₄) može dostići 99,8%, efikasno sprečavajući stvaranje sulfatnog kamenca. Radni pritisak je tipično 5-15 bara, mnogo niži nego kod RO membrana, što rezultira relativno niskom potrošnjom energije.
Prednosti: Fizički proces, nisu potrebni reagensi, ne stvara se hemijski mulj; može istovremeno ukloniti neke organske tvari i boju.
Nedostaci: Mora se zasnivati na dobrom prethodnom tretmanu (kao što je ultrafiltracija (UF)) kako bi se spriječilo zarastanje membrane; proizvodi koncentriranu otopinu (vodu iz grmlja) veće tvrdoće koja zahtijeva naknadni tretman; i ima visoke troškove ulaganja.
Primjene: Posebno pogodan za pred-tretman vode visokog-saliniteta sa velikom tvrdoćom sulfata i visokim sadržajem organskih tvari.
4. Tubularna mikrofiltracija (TMF)
Koristi hemijsku reakciju taloženja (kao što je proces vapna-soda) za pretvaranje jona tvrdoće u nerastvorljive precipitate (kao što su CaCO₃ i Mg(OH)₂). Međutim, sljedeći korak odvajanja mulja-vode više se ne oslanja na gravitacijsko taloženje, već se umjesto toga postiže visokoefikasnom-filtracijom cijevne mikrofiltracione membrane.
Jedinica za hemijsku reakciju: Otpadna voda se temeljno miješa i reaguje sa sredstvima za omekšavanje (kao što su vapno, soda i NaOH) u reakcionom rezervoaru ili reaktoru, formirajući čestice taloga veličine mikrona- ili čak nanometara-.
Jedinica za membransku separaciju: Reakcioni efluent bogat-precipitatom direktno ulazi u sistem membrane za mikrofiltraciju. Mikropore (obično 0,1-0,2 μm) u zidu membrane propuštaju samo vodu i otopljene soli, dok u potpunosti presreću sve istaložene čestice, suspendirane tvari, koloide i većinu bakterija i virusa, postižući trenutno i efikasno odvajanje zamućene vode.
Membranski modul: Sastoji se od više paralelnih cevastih membrana, tipično prečnika 5-12 mm, sa unutrašnjim nosačem i slojem filtera na površini. Ovaj dizajn velikog promjera pruža izuzetnu otpornost na kontaminaciju i habanje.
Cirkulaciona pumpa: Omogućava poprečnu-brzinu protoka kroz membranu (obično 3-4,5 m/s). Ova velika brzina protoka snažno ispire površinu membrane, efikasno sprečavajući zaprljanje i začepljenje.
Način rada: Koristi se cirkulirajući sistem filtracije, pri čemu koncentrat kontinuirano cirkulira natrag u reaktor kako bi se održala visoka koncentracija čvrstih tvari (do 1-3%). Permeat (voda proizvoda) se kontinuirano ispušta. Kada koncentracija mulja u reaktoru dostigne određeni nivo (npr. 2,5-3%), dio koncentriranog mulja se automatski ispušta.
Prednosti: Odličan i stabilan kvalitet efluenta, uz konstantno nisku zamućenost od<0.2 NTU and an SDI15 value of <3 (typically <1).
Visoka koncentracija mulja sa minimalnom zapreminom: TMF sistem ispušta mulj u koncentraciji od 2,5%-3,5% (težinski). Ovo smanjenje zapremine mulja za preko 60% značajno smanjuje opterećenje i troškove naknadnih jedinica za odvodnjavanje mulja (npr. potrošnju hemikalija i energije za centrifuge i pločaste i okvirne filter preše).
Kompaktan otisak i modularni dizajn eliminišu potrebu za glomaznim taložnicima i multi-filterima medija, što rezultira visoko integrisanim sistemom koji može smanjiti otisak za 50%-70%.
Nedostaci: Zahtijeva cirkulacionu pumpu koja osigurava velike poprečne-brzine protoka, što rezultira relativno velikom potrošnjom energije sistema (iako je to djelimično nadoknađeno smanjenim troškovima tretmana mulja). Elementi membrane zahtijevaju redovno hemijsko čišćenje (CIP), obično sa kiselinom (npr. limunskom kiselinom) za uklanjanje neorganskog kamenca i alkalnim pranjem (npr. NaOH) za uklanjanje organskih zagađivača. Visokokvalitetne cjevaste membrane, kada se pravilno održavaju, mogu trajati 5-7 godina.
