Η "σκληρότητα" στο νερό με υψηλό-αλάτι αναφέρεται κυρίως σε κατιόντα απολέπισης όπως το ασβέστιο (Ca2+), το μαγνήσιο (Mg2+), το στρόντιο (Sr2+) και το βάριο (Ba2+). Εάν δεν αφαιρεθούν πριν από-επεξεργασία, αυτά τα κατιόντα θα σχηματίσουν στρώματα σκληρής κλίμακας, όπως θειικό ασβέστιο, ανθρακικό ασβέστιο και πυριτικό μαγνήσιο κατά τη διάρκεια της επακόλουθης υψηλής- διαδικασίας συγκέντρωσης. Αυτά μπορεί να φράξουν τους πόρους της μεμβράνης, να καταστρέψουν τα στοιχεία της μεμβράνης ή να προσκολληθούν στους σωλήνες ανταλλαγής θερμότητας του εξατμιστή, μειώνοντας σημαντικά την απόδοση μεταφοράς θερμότητας και αυξάνοντας τη συχνότητα καθαρισμού και το κόστος λειτουργίας.
Τα ακόλουθα είναι αρκετές κοινώς χρησιμοποιούμενες και εξαιρετικά αποτελεσματικές διαδικασίες μαλάκυνσης και αφαίρεσης σκληρότητας προεπεξεργασίας:
1. Μαλάκωμα χημικής κατακρήμνισης
Αυτή είναι η πιο κλασική και ευρέως χρησιμοποιούμενη διαδικασία. Η βασική του αρχή είναι η προσθήκη χημικών ουσιών για τη μετατροπή των ιόντων σκληρότητας σε ένα ίζημα με εξαιρετικά χαμηλή διαλυτότητα, το οποίο στη συνέχεια διαχωρίζεται με καθίζηση ή διήθηση.
α) Ασβέστη-Διαδικασία ανθρακικού νατρίου: Αυτή είναι η προτιμώμενη μέθοδος για την επεξεργασία λυμάτων υψηλής σκληρότητας, ιδιαίτερα όταν η σκληρότητα ασβεστίου είναι υψηλή και η σκληρότητα μαγνησίου είναι χαμηλή.
Η αντίδραση είναι μια διαδικασία δύο-βημάτων:
Αφαίρεση ασβεστοποίησης: Αρχικά, προστίθεται άσβεστος (Ca(OH)2) για να μετατραπεί το διττανθρακικό ασβέστιο στο νερό σε ίζημα ανθρακικού ασβεστίου. Ca(HCO3)2 + Ca(OH)2 → 2CaCO3↓ + 2H2O
Μη-ανθρακική σκληρότητα: Στη συνέχεια, προστίθεται ανθρακικό νάτριο (Na2CO3) για να αντιδράσει με μη-ανθρακικό ασβέστιο και σκληρότητα μαγνησίου στο νερό.
CaSO4 + Na2CO3 → CaCO3↓ + Na2SO4
MgSO4 + Ca(OH)2 → Mg(OH)26 + CaSO4 (το προκύπτον CaSO4 αντιδρά στη συνέχεια με ανθρακικό νάτριο).
Χαρακτηριστικά: Το βέλτιστο pH για την απασβέστωση του ασβέστη είναι γενικά 9,5-10,5. για προχωρημένη απομάκρυνση μαγνησίου, το pH πρέπει να αυξηθεί στο 10,5-11,0 ή ακόμη υψηλότερο, καθώς η καθίζηση υδροξειδίου του μαγνησίου απαιτεί υψηλότερη αλκαλικότητα. Θεωρητικά, οι συγκεντρώσεις ασβεστίου μπορούν να μειωθούν σε 30-40 mg/L (μετρούμενες ως CaCO3) και οι συγκεντρώσεις μαγνησίου κάτω από 10 mg/L.
Πλεονεκτήματα: Χαμηλό κόστος αντιδραστηρίου (ο ασβέστης και η ανθρακική σόδα είναι φθηνά), ώριμη τεχνολογία και υψηλή ικανότητα επεξεργασίας.
Μειονεκτήματα: Δημιουργεί μεγάλη ποσότητα χημικής ιλύος (περίπου 1-3% του όγκου του επεξεργασμένου νερού), που απαιτεί πρόσθετες μονάδες αφυδάτωσης ιλύος. Η αύξηση του pH αυξάνει τα συνολικά διαλυμένα στερεά (TDS) στο νερό.
β) Υδροξείδιο του νατρίου-μέθοδος ανθρακικής σόδας: Αυτή η μέθοδος χρησιμοποιεί υγρή καυστική σόδα (NaOH) αντί για ασβέστη και είναι κατάλληλη για εφαρμογές με υψηλή σκληρότητα μαγνησίου ή όταν η εισαγωγή πρόσθετων ιόντων ασβεστίου είναι ανεπιθύμητη.
Αρχή:
Mg²⁺ + 2NaOH → Mg(OH)2↓ + 2Na+
Ca²⁺ + Na2CO3 → CaCO3↓ + 2Na+
Χαρακτηριστικά: Σε σύγκριση με τη μέθοδο ασβέστη, η ποσότητα της παραγόμενης λάσπης είναι περίπου 30-50% μικρότερη. Επειδή δεν εισάγονται ιόντα ασβεστίου, η ιλύς αποτελείται κυρίως από Mg(OH)2 και CaCO3, με αποτέλεσμα μια καθαρότερη λάσπη.
Κόστος: Το κόστος του NaOH είναι σημαντικά υψηλότερο από αυτό του ασβέστη, με αποτέλεσμα υψηλότερο λειτουργικό κόστος. Αυτή η μέθοδος χρησιμοποιείται συνήθως για μικρούς έως μεσαίους όγκους νερού ή όπου η υψηλή ποιότητα λάσπης είναι ζωτικής σημασίας.
Λειτουργία: Ο εξοπλισμός λείανσης και προετοιμασίας που απαιτείται για τα συστήματα δοσομέτρησης ασβέστη δεν απαιτείται, με αποτέλεσμα ένα καθαρότερο περιβάλλον λειτουργίας.
γ) Συν-καθίζηση (Προσθήκη πηκτικών βοηθημάτων)
Για να βελτιωθεί η αποτελεσματικότητα της καθίζησης και η ποιότητα των εκροών, μια μικρή ποσότητα κροκιδωτή (όπως PAM) και πηκτικό βοήθημα (όπως χλωριούχος σίδηρος FeCl3) προστίθεται τυπικά κατά τη διάρκεια της διαδικασίας χημικής καθίζησης. Αυτό μπορεί να μειώσει τη θολότητα των λυμάτων κάτω από 10 NTU, μειώνοντας το φορτίο στις επόμενες μονάδες διήθησης.
2. Μέθοδος ανταλλαγής ιόντων
Αν και η χημική κατακρήμνιση είναι-οικονομική, η υπολειπόμενη σκληρότητα των αποβλήτων της μπορεί να εξακολουθεί να είναι πολύ υψηλή για ευαίσθητα συστήματα μεμβράνης όπως η αντίστροφη όσμωση (RO). Η ανταλλαγή ιόντων μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως διαδικασία στίλβωσης για αφαίρεση βαθιάς σκληρότητας.
Χρησιμοποιώντας κατιονανταλλακτική ρητίνη ισχυρού οξέος, τα ιόντα νατρίου (Na+) αντικαθιστούν τα ιόντα ασβεστίου και μαγνησίου στο νερό.
2R-Na + Ca²⁺ → R2-Ca + 2Na⁺
Χαρακτηριστικά: Εξαιρετική ποιότητα εκροής, με υπολειπόμενη σκληρότητα σταθερά ελεγχόμενη<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.
Σενάριο Εφαρμογής: Η νανοδιήθηση γενικά δεν χρησιμοποιείται αποκλειστικά για την πρωτογενή αποσκλήρυνση των λυμάτων υψηλής-αλατότητας επειδή η υψηλή αλατότητα (υψηλό TDS) του ακατέργαστου νερού ανταγωνίζεται τα ιόντα σκληρότητας για θέσεις ανταλλαγής στη ρητίνη, με αποτέλεσμα απότομη πτώση της ικανότητας ρητίνης, συχνή αναγέννηση και κακή οικονομική απόδοση. Είναι πιο κατάλληλο για δευτερεύουσα βαθιά αποσκλήρυνση μετά από προεπεξεργασία χημικής καθίζησης.
3. Νανοδιήθηση μεμβράνης
Η νανοδιήθηση είναι μια τεχνολογία μεμβράνης μεταξύ αντίστροφης όσμωσης και υπερδιήθησης. Τα μοναδικά εφέ φόρτισης και κοσκίνισης του δίνουν ξεχωριστά πλεονεκτήματα στο μαλακτικό πεδίο.
Nanofiltration membranes have a high rejection rate (>95-98%) για δισθενή ιόντα (όπως Ca+, Mg+ και SO42-), ενώ το ποσοστό απόρριψης για μονοσθενή ιόντα (όπως Na+ και Cl-) είναι χαμηλότερο (20-80%).
Χαρακτηριστικά: Ο θεωρητικός ρυθμός απομάκρυνσης για το θειικό ασβέστιο (CaSO4) μπορεί να φτάσει το 99,8%, αποτρέποντας αποτελεσματικά το σχηματισμό θειικών αλάτων. Η πίεση λειτουργίας είναι συνήθως 5-15 bar, πολύ χαμηλότερη από αυτή των μεμβρανών RO, με αποτέλεσμα τη σχετικά χαμηλή κατανάλωση ενέργειας.
Πλεονεκτήματα: Φυσική διαδικασία, δεν απαιτούνται αντιδραστήρια, δεν δημιουργείται χημική λάσπη. μπορεί να αφαιρέσει ταυτόχρονα κάποια οργανική ύλη και χρώμα.
Μειονεκτήματα: Πρέπει να βασίζεται σε καλή προεπεξεργασία (όπως υπερδιήθηση (UF)) για την αποφυγή ρύπανσης της μεμβράνης. παράγει ένα συμπυκνωμένο διάλυμα (θάμνο νερό) με υψηλότερη σκληρότητα, που απαιτεί μεταγενέστερη επεξεργασία. και έχει υψηλό επενδυτικό κόστος.
Εφαρμογές: Ιδιαίτερα κατάλληλο για προ-επεξεργασία νερού υψηλής-αλατότητας με υψηλή θειική σκληρότητα και υψηλή οργανική περιεκτικότητα.
4. Σωληναριακή μικροδιήθηση (TMF)
Χρησιμοποιεί μια χημική αντίδραση καθίζησης (όπως η διεργασία ασβέστη-σόδας) για να μετατρέψει τα ιόντα σκληρότητας σε αδιάλυτα ιζήματα (όπως CaCO3 και Mg(OH)2). Ωστόσο, το επόμενο στάδιο διαχωρισμού της λάσπης-του νερού δεν βασίζεται πλέον στην καθίζηση με βαρύτητα, αλλά αντ' αυτού επιτυγχάνεται μέσω της υψηλής-απόδοσης διήθησης της σωληνοειδούς μεμβράνης μικροδιήθησης.
Μονάδα χημικής αντίδρασης: Τα λύματα αναμιγνύονται επιμελώς και αντιδρούν με μαλακτικούς παράγοντες (όπως ασβέστη, ανθρακικό νάτριο και NaOH) σε δεξαμενή αντίδρασης ή αντιδραστήρα, σχηματίζοντας σωματίδια ιζήματος μεγέθους μικρών- ή ακόμη και νανομέτρων.
Μονάδα διαχωρισμού μεμβράνης: Το πλούσιο σε ίζημα-απόβλητο της αντίδρασης εισέρχεται απευθείας στο σύστημα μεμβράνης σωληνοειδούς μικροδιήθησης. Οι μικροπόροι (συνήθως 0,1-0,2 μm) στο τοίχωμα της μεμβράνης επιτρέπουν μόνο στο νερό και τα διαλυμένα άλατα να περάσουν, ενώ παρεμποδίζουν πλήρως όλα τα κατακρημνισμένα σωματίδια, την αιωρούμενη ύλη, τα κολλοειδή και τα περισσότερα βακτήρια και ιούς, επιτυγχάνοντας άμεσο και αποτελεσματικό διαχωρισμό του λασπωμένου νερού.
Μονάδα μεμβράνης: Αποτελείται από πολλαπλές παράλληλες σωληνοειδείς μεμβράνες, τυπικά διαμέτρου 5-12 mm, με εσωτερικό στήριγμα και στρώμα φίλτρου στην επιφάνεια. Αυτός ο σχεδιασμός μεγάλης διαμέτρου παρέχει εξαιρετική αντοχή στη μόλυνση και τη φθορά.
Αντλία κυκλοφορίας: Παρέχει διασταυρούμενη-ταχύτητα ροής κατά μήκος της μεμβράνης (συνήθως 3-4,5 m/s). Αυτός ο υψηλός ρυθμός ροής ξεπλένει έντονα την επιφάνεια της μεμβράνης, αποτρέποντας αποτελεσματικά τη ρύπανση και την απόφραξη.
Λειτουργικός τρόπος: Χρησιμοποιείται ένα κυκλοφορούν σύστημα φιλτραρίσματος, με το συμπύκνωμα να επανακυκλοφορεί συνεχώς πίσω στον αντιδραστήρα για να διατηρείται υψηλή συγκέντρωση στερεών (έως 1-3%). Το διήθημα (νερό προϊόντος) αποβάλλεται συνεχώς. Όταν η συγκέντρωση της ιλύος στον αντιδραστήρα φτάσει σε ένα ορισμένο επίπεδο (π.χ. 2,5-3%), ένα μέρος της συμπυκνωμένης λάσπης αποβάλλεται αυτόματα.
Πλεονεκτήματα: Εξαιρετική και σταθερή ποιότητα εκροής, με σταθερά χαμηλή θολότητα<0.2 NTU and an SDI15 value of <3 (typically <1).
Υψηλή συγκέντρωση λάσπης με ελάχιστο όγκο: Το σύστημα TMF εκκενώνει τη λάσπη σε συγκέντρωση 2,5%-3,5% (κατά βάρος). Αυτή η μείωση του όγκου της λάσπης κατά πάνω από 60% μειώνει σημαντικά το φορτίο και το κόστος των επόμενων μονάδων αφυδάτωσης λάσπης (π.χ. χημική κατανάλωση και κατανάλωση ενέργειας για φυγόκεντρες και πιεστήρια φίλτρων πλακών και πλαισίου).
Το συμπαγές αποτύπωμα και ο αρθρωτός σχεδιασμός εξαλείφουν την ανάγκη για ογκώδεις δεξαμενές καθίζησης και φίλτρα πολλαπλών-μέσων, με αποτέλεσμα ένα εξαιρετικά ολοκληρωμένο σύστημα που μπορεί να μειώσει το αποτύπωμα κατά 50%-70%.
Μειονεκτήματα: Απαιτεί μια αντλία κυκλοφορίας για να παρέχει υψηλές-ταχύτητες διασταυρούμενης ροής, με αποτέλεσμα σχετικά υψηλή κατανάλωση ενέργειας του συστήματος (αν και αυτό αντισταθμίζεται εν μέρει από το μειωμένο κόστος επεξεργασίας λάσπης). Τα στοιχεία της μεμβράνης απαιτούν τακτικό χημικό καθαρισμό (CIP), συνήθως με όξινη πλύση (π.χ. κιτρικό οξύ) για την αφαίρεση ανόργανων αλάτων και αλκαλική πλύση (π.χ. NaOH) για την απομάκρυνση οργανικών ρύπων. Οι σωληνοειδείς μεμβράνες υψηλής ποιότητας, όταν συντηρούνται σωστά, μπορούν να διαρκέσουν 5-7 χρόνια.