Obróbka i odsalanie wody morskiej

Odsalanie wody morskiej jest kluczowym rozwiązaniem na rozwiązanie problemu niedoboru wody słodkiej w regionach z ograniczonym dostępem do naturalnych źródeł słodkiej wody. Usuwając Rozpuszczone saule, minerały i zanieczyszczenia z wody morskiej, procesy odsalania przekształcają ją w wodę pitną nadającą się do picia, rolnictwa i zastosowań przemysłowych. Dzięki postępom w technologii nowoczesne systemy odsalania stają się coraz bardziej wydajne, zrównoważone i opłacalne, co czyni je niezbędnym narzędziem w globalnym zarządzaniu wodą.

Odsalanie jest szczególnie istotne w suchych regionach, obszarach przybrzeżnych i na wyspach, gdzie zapotrzebowanie na wodę słodką przekracza podaż. Te systemy nie tylko zapewniają niezawodne źródło czystej wody, ale również wspierają rozwój gospodarczy i zrównoważony rozwój środowiska, redukując nadmierne uzależnienie od tradycyjnych źródeł wody.

Zastosowania odsalania wody morskiej

1. Dostawa wody komunalnej: Zapewnia wodę pitną dla populacji miejskiej i wiejskiej, zwłaszcza w regionach o niedoborze wody.
2. Zastosowania przemysłowe: Dostarcza wodę wysokiej jakości dla procesów takich jak chłodzenie, czyszczenie i produkcja.
3. Nawadnianie rolnicze: Wspiera nawadnianie w suchych obszarach, umożliwiając zrównoważone praktyki rolnicze.
4. Zastosowanie morskie i offshore: Dostarcza wodę słodką dla statków, platform wiertniczych i odległych obiektów przybrzeżnych.

Zalety odsalania wody morskiej

Odsalanie wody morskiej oferuje liczne korzyści, szczególnie w regionach borykających się z niedoborem wody lub dużym zapotrzebowaniem. Przemieniając obfity zasób w użyteczną wodę pitną, odsalanie dostarcza rozwiązania, które odpowiadają zarówno na natychmiastowe, jak i długoterminowe wyzwania związane z wodą:

• Wiarygodne źródło wody: Systemy odsalania zapewniają stałe źródło wody pitnej, niezależnie od warunków pogodowych lub dostępności naturalnej wody pitnej, co czyni je nieocenionymi w obszarach narażonych na susze.
• Możliwość rozszerzenia: Od małych wsi nadmorskich po dużych metropolitalnych miastach, zakłady odsalania mogą być projektowane w celu zaspokojenia różnorodnych potrzeb wodnych, zapewniając elastyczność i adaptacyjność.
• Zapewnienie jakości: Zaawansowane technologie odsalania produkują wodę, która spełnia lub przekracza rygorystyczne normy wody pitnej, wspierając wymagania dotyczące zdrowia i bezpieczeństwa.
• Odporność na suszę: Poprzez zmniejszenie zależności od tradycyjnych źródeł wody, odsalanie zwiększa odporność na długotrwałe susze i niedobory wody.
• Wzrost gospodarczy: Wiarygodny dostęp do wody wspiera działalność przemysłową i rolniczą, przyspieszając rozwój gospodarczy w regionach, gdzie niedobór wody mógłby ograniczać postęp.

Postępy technologiczne w odsalaniu wody morskiej

Nowoczesne technologie odsalania wody morskiej szybko się rozwijają, czyniąc proces bardziej wydajnym, zrównoważonym i przystępnym cenowo. Kluczowe innowacje obejmują:

1. Zaawansowane membrany: Nowoczesne membrany oferują poprawioną trwałość, zwiększone wskaźniki odrzucania soli i niższe wymagania energetyczne, czyniąc systemy odsalania bardziej efektywnymi i opłacalnymi.
2. Odsalanie zasilane energią słoneczną: Integracja odnawialnych źródeł energii, takich jak energia słoneczna, zmniejsza zależność od paliw kopalnych i minimalizuje ślad węglowy zakładów odsalania.
3. Systemy hybrydowe: Łączenie odwróconej osmozy z procesami termalnymi maksymalizuje wskaźniki odzysku wody i zmniejsza zużycie energii, optymalizując ogólną wydajność zakładów odsalania.
4. Integracja AI i IoT: Monitorowanie w czasie rzeczywistym i analityka predykcyjna pozwalają operatorom wykrywać i rozwiązywać problemy proaktywnie, zapewniając stałą wydajność systemu.
5. Odwrócona osmoza niskociśnieniowa: Innowacyjne systemy odwróconej osmozy niskociśnieniowej osiągają wysokie wskaźniki odzysku przy znacznie zmniejszonym zużyciu energii, obniżając koszty operacyjne.

Wyzwania i rozwiązania w odsalaniu wody morskiej

Pomimo swoich korzyści, odsalanie wody morskiej napotyka wyzwania, które wymagają innowacyjnych rozwiązań:

• Wysokie zużycie energii: Urządzenia do odzysku energii i integracja odnawialnych źródeł energii, takich jak wiatr lub energia słoneczna, znacznie zmniejszają energię operacyjną, co czyni odsalanie bardziej zrównoważonym.
• Usuwanie soli: Sól, produkt uboczny procesu odsalania, może stanowić zagrożenie dla środowiska, jeśli nie jest prawidłowo zarządzana. Zaawansowane systemy zarządzania solanką, w tym technologie zerowego zrzutu cieczy, skutecznie łagodzą te skutki.
• Osadzanie i zatykanie: Technologie wstępnego oczyszczania, takie jak ultrafiltracja i dawkowanie środków antyszumowych, chronią systemy odsalania przed osadzaniem i zatykanie, zapewniając niezawodną pracę i wydłużając żywotność systemu.

Najczęściej zadawane pytania dotyczące odsalania wody morskiej

1. Jak efektywne są nowoczesne systemy odsalania? Obecne technologie, zwłaszcza odwrócona osmoza, osiągają do 50% wskaźniki odzysku wody przy zmniejszonym zużyciu energii.
2. Czy woda odsalana jest bezpieczna do picia? Tak, woda odsalana spełnia międzynarodowe normy dotyczące wody pitnej, gdy jest odpowiednio traktowana i monitorowana.
3. Jakie są obawy środowiskowe związane z odsalaniem? Zużycie energii i utylizacja słonej wody to kluczowe obawy, ale nowoczesne osiągnięcia skutecznie rozwiązują te problemy.
4. Jak długo działają systemy odsalania? Przy odpowiedniej konserwacji większość systemów ma żywotność wynoszącą 20-30 lat.
5. Czy odsalanie można połączyć z energią odnawialną? Tak, systemy odsalania zasilane energią słoneczną i wspomagane wiatrem są coraz częściej wprowadzane, aby zwiększyć zrównoważoność.

Odsalanie wody morskiej i systemy osmozy odwróconej

Metoda osmozy odwróconej (RO) oparta na technologiach membranowych jest najczęściej stosowaną metodą w zakładach odsalania. Osmoza odwrócona opiera się na zasadzie usuwania rozpuszczonych soli i innych zanieczyszczeń poprzez przepuszczanie wody przez półprzepuszczalną membranę pod wysokim ciśnieniem. Ta metoda okazała się korzystna pod względem efektywności energetycznej i skalowalności w porównaniu do alternatyw, takich jak destylacja termalna, i stanowi około 66% światowej zdolności odsalania na początku lat 2010. Nowoczesne zakłady RO słonej wody mogą zmniejszyć zużycie energii do poziomów takich jak ~3 kWh na jednostkową objętość oczyszczania wody dzięki jednostkom odzysku energii i zaawansowanym membranom. Ten raport szczegółowo opisuje etapy systemów osmozy odwróconej w oczyszczaniu wody morskiej, rodzaje stosowanych filtrów i membran, procesy chemiczne oraz parametry, które należy monitorować w tym procesie.

Rysunek 1: Jednostka osmozy odwróconej w zakładzie odsalania El Prat w pobliżu Barcelony, Hiszpania. Duże zielone rury reprezentują linii zasilające pod wysokim ciśnieniem, podczas gdy niebieskie cylindryczne stosy w tle reprezentują membrany osmozy odwróconej spiralnie zwinięte. Zakłady tej skali mogą przekształcać setki tysięcy metrów sześciennych wody słonej w wodę pitną dziennie.

Etapy procesu osmozy odwróconej

Zabieg oczyszczania wody morskiej przez osmozę odwróconą składa się z kilku kolejnych etapów, od odbioru surowej wody do dystrybucji oczyszczonej wody produktowej. Główne etapy typowego zakładu osmozy odwróconej wody morskiej oraz funkcje każdego z nich opisano poniżej:

Rysunek 2: Schemat blokowy typowego zakładu osmozy odwróconej wody morskiej (Tampa Bay, 25 mgd pojemności). Ten diagram przedstawia wszystkie kroki od przyjęcia wody i wstępnego oczyszczania do procesów membranowych RO w dwóch etapach i końcowego treatmentu. Po usunięciu wody morskiej z zakładu za pomocą grubych sit i sedymentacji, large i ciężkie ciała stałe są usuwane, a następnie przefiltrowywane przez filtry piaskowe i ziemi okrzemkowej w celu usunięcia drobnych cząstek. Woda, która przechodzi przez filtry wkładowe, jest następnie podawana do membrany RO przez pompy pod wysokim ciśnieniem i zostaje oddzielona od soli, przekształcając się w produkt; skoncentrowany słony strumień jest usuwany przez turbinę odzysku energii, a oczyszczona woda poddawana jest ostatecznym procesom bilansowania.

1. Pobór wody i wstępne filtrowanie

Proces uzdatniania wody morskiej rozpoczyna się od poboru surowej wody z morza. Przy poborze wody z otwartego morza, duże osady i organizmy takie jak liście, glony i fragmenty drewna są zazwyczaj chwytane przy użyciu przenośnych sito lub grubych sita w strukturze poboru . Na przykład, w obiekcie Tampa Bay, obiekty takie jak muszle i gałęzie o średnicy większej niż 1/4 cala (>6 mm) są eliminowane na tym etapie. Po filtracji grubych zanieczyszczeń, wzrost biologiczny można kontrolować poprzez zastosowanie chemiczne wstępne uzdatnianie, takiego jak niska dawka chloru w strukturze poboru wody (aby zapobiec glonom i organizmom morskim). Woda jest następnie przekazywana do jednostek wstępnego uzdatniania w obrębie zakładu. Głównym celem etapu poboru surowej wody jest zapewnienie stosunkowo stabilizowanego poboru wody poprzez usunięcie dużych zanieczyszczeń, aby chronić kolejne wrażliwe urządzenia i membrany.

2. Wstępne uzdatnianie (Koagulacja, Sedimentation i Filtracja)

Wstępne uzdatnianie jest to kluczowy krok dla efektywnego i długotrwałego działania membran osmozy wstecznej. Woda morska zawiera wiele ciał stałych w zawiesinie, mętności, materii organicznej i mikroorganizmów. Jeśli te zanieczyszczenia są bezpośrednio podawane do membran, zgromadzą się na powierzchni membrany i spowodują zatykanie (zanieczyszczanie koloidalne), wzrost biologiczny (zanieczyszczanie bio) oraz problemy z osadzaniem. Dlatego woda zasilająca musi być oczyszczona tak bardzo, jak to możliwe przed wejściem do membran. Niezawodna technika wstępnego uzdatniania jest niezbędnym warunkiem dla udanego działania procesu SWRO i ma na celu minimalizację zanieczyszczenia cząstkami, organicznego i biologicznego na membranach.

Pierwszym krokiem w wstępnym uzdatnianiu jest zazwyczaj chemiczne koagulowanie i flokulacja . Poprzez dodawanie koagulantów, takich jak sole metali (np. chlorek żelaza(III) lub siarczan glinu) oraz polimery do wody, drobne cząstki w zawiesinie, plankton i materia organiczna w wodzie są koagulowane. Mikroorganizmy i koloidy są związane razem, tworząc floki z tymi chemikaliami. Następnie, woda jest powoli przepuszczana przez zbiornik wyrównawczy/osadzający aby osadzić powstałe floki; podczas tego procesu ciężkie cząstki osadzają się na dnie i są oddzielane od wody. Poprzez odpowiednie dostosowanie warunków chemicznych (pH, dawka koagulantu itp.), rozpuszczona materia organiczna może być również częściowo adsorbowana i przyczepiona do floków.

szybkie filtry piaskowe lub wielomediowe filtry są używane do usuwania mniejszych i lżejszych cząstek z wody. Te filtry zawierają media, takie jak piasek kwarcowy, antracyt lub granat o specjalnych rozmiarach ziaren. Gdy woda jest filtrowana od góry w dół przez złoże filtracyjne, większość pozostałych ciał stałych w zawiesinie jest zatrzymywana między ziarnami. Mętność wody opuszczającej typowy etap filtracji mediów może być zredukowana do ~0.1 NTU. Jeśli przefiltrowana woda nadal zawiera bardzo małe (submikronowe) koloidy, niektóre systemy stosują dodatkowe filtry pomocnicze. Na przykład, w obiekcie Tampa Bay,filtr zdiatomitowy jest stosowany po filtrze piaskowym, aby zatrzymać koloidalny materiał o wielkości mikrona. Filtry diatomitowe (kieselguhr) mogą filtrować nawet bardzo drobne cząstki, przepuszczając wodę przez złożę z porowatego materiału glebowego.

W końcu, tuż przed wejściem do membran RO, woda jest przepuszczana przez filtry wkładkowe . Filtry wkładkowe to drobne cylindryczne elementy filtrujące o rozmiarze porów zazwyczaj 5 mikronów lub mniejszym. Służą one do ochrony membran przez wychwytywanie ostatnich pozostałych cząstek osadu, które mogły umknąć z etapów wcześniejszych. W pewnym sensie, filtry wkładkowe są umieszczane jako ostateczne filtry bezpieczeństwa i pomagają obniżyć Wskaźnik Gęstości Osadu (SDI) przy wpływającej wodzie do membrany poniżej określonego poziomu. Systemy RO do wody morskiej są zazwyczaj projektowane tak, aby miały SDI wody zasilającej < 3; nowoczesne zakłady dążą do SDI < 2. Na przykład, zaawansowana sekwencja wstępnego oczyszczania (koagulacja + flotacja powietrzna + filtracja) może obniżyć mętność surowej wody z 5–20 NTU do <0.25 NTU i SDI około 1,5. Niższy SDI pozwala membranom opierać się zanieczyszczeniu przez dłuższy czas i pracować na swój pierwotny projektowany poziom.

Uwaga: Jako alternatywa dla tradycyjnego wstępnego oczyszczania filtrami piaskowymi, zastosowania wstępnego oczyszczania przy użyciu membran ciśnienia niskiego stały się powszechne w wielu zakładach w ostatnich latach. Mikrofiltrowanie (MF) lub ultrafiltracja (UF) mogą zastąpić filtry piaskowe w trudnych źródłach wody, takich jak woda morska. Tego typu wstępne oczyszczanie obniża mętność i wartości SDI w wodzie do znacznie niższych poziomów (SDI < 2 lub nawet < 1) i dostarcza praktycznie całkowicie przejrzystą wodę do membran RO. Przy wstępnym oczyszczaniu UF/MF łatwiej jest stabilnie obsługiwać jednostkę RO, szczególnie w wodach przybrzeżnych z zakwitami glonów lub wahaniami mętności. Jednak wstępne oczyszczanie membran także ma swoje własne wymagania konserwacyjne, takie jak potrzeba chemicznego czyszczenia; metoda do wyboru zależy od jakości surowej wody i warunków eksploatacyjnych.

Dobrze zaprojektowane i obsługiwane wstępne oczyszczanie przygotowuje wodę zasilającą RO do wartości docelowych, takich jak mętność <0.5 NTU i SDI <3 . To minimalizuje gromadzenie się zanieczyszczeń i biofilmu na membranach, zmniejsza częstotliwość czyszczenia chemicznego i obniża całkowite koszty eksploatacji.

3. Wysokociśnieniowa pompa i odzyskiwanie energii

Czysta i stosunkowo niska zawartość cząstek woda morska, która przeszła wstępne oczyszczanie, jest teraz gotowa do odsalania przez membrany odwróconej osmozy. Aby pokonać równowagę osmotyczną i zmusić cząsteczki wody do przejścia przez membranę, na wodę aplikuje się wysokie ciśnienie. W tym celu wysokociśnieniowe pompy wchodzą do akcji. Typowy system RO do wody morskiej wymaga ciśnienia roboczego w zakresie około 60–70 bar . W literaturze podaje się wartości takie jak 69–80 bar dla konwencjonalnych pomp SWRO. W praktyce stosuje się ciśnienia w zakresie od 55 bar do 80 bar, w zależności od zasolenia wody zasilającej i pożądanej stawki odzysku. Na przykład, dla wody morskiej o zasoleniu 35 000 mg/L (3,5% soli), ciśnienie około 65–70 bar może być wystarczające aby usunąć połowę wody jako wodę pitną (około 45–50% odzysku). Ciśnienie wzrośnie, jeśli zostanie wymagane większe zasolenie lub wyższy odzysk.

Woda wydobywająca się z pompy wysokociśnieniowej jest podawana do modułów membranowych umieszczonych w szeregach wewnątrz stalowych obudów membranowych (zbiorników ciśnieniowych). Podczas gdy woda surowa przepływa przez elementy membranowe od punktu wejścia do tych zbiorników, część wody jest filtrowana przez membrany i przechodzi do rury zbiorczej (rura permeatowa) wewnątrz z powodu zastosowanego ciśnienia. W ten sposób pozyskiwana jest świeża woda, podczas gdy sole i inne substancje retentatowe pozostają po stronie wejściowej membran i kondensują podczas przepływu. Każdy zbiornik ciśnieniowy zazwyczaj mieści 5–8 spiralnie zwijanych elementów membranowych; koncentracja soli wzrasta, gdy woda przemieszcza się od pierwszego elementu do ostatniego elementu. Z tego powodu, systemy typowo projektowane są w wielu etapach: Koncentrat (pozostała woda słona) w pierwszym etapie jest używany jako surowiec dla następnego etapu, co zwiększa odzysk wody.

Proces odwróconej osmozy jest procesem wymagającym dużej ilości energii. Większość ciśnienia przekazywanego wodzie pozostaje na skoncentrowanym przepływie, a jeśli ta energia jest marnotrawiona, koszty operacyjne wzrastają. Aby temu zapobiec,urządzenia odzysku energii (ERD) wykorzystywane są w nowoczesnych zakładach RO. Przepływ skoncentrowany przechodzi przez te urządzenia, gdy opuszcza system z dużym ciśnieniem i przekazuje swoją energię nowo napływającej wodzie surowej. Na przykład, ERD (urządzenia izobaryczne) typu komory wymiany ciśnienia lub turbiny hydrauliczne, takie jak turbina Peltona mogą odzyskać ~90% ciśnienia przepływu skoncentrowanego. W ten sposób, zapewnienie energii dla pompy wysokociśnieniowej jest znacznie zmniejszone. Dziś, dzięki wysokiej jakości jednostkom ERD, zużycie energii przez odwróconą osmozę słonej wody zostało zredukowane do około 3 kWh/m³, bardzo blisko teoretycznego minimum . Ten postęp jest dość uderzający, gdy weźmie się pod uwagę, że zakłady RO 20-30 lat temu zużywały 5–8 kWh/m³. Krótko mówiąc, pompy wysokociśnieniowe i sprzęt do odzysku energii współpracują, aby stworzyć źródło mocy i rdzeń zwiększający wydajność procesu RO.

4. Etap membran odwróconej osmozy

Serce systemu odwróconej osmozy stanowią moduły membranowe. Prawie wszystkie dzisiejsze instalacje odsalania wody morskiej używająmembran kompozytowych cienkowarstwowych (TFC) z poliimidów/poliamidów. Te membrany składają się z niezwykle cienkiej (<0.5 µm) warstwy separatora z poliamidu na porowatej warstwie wsparcia (zwykle poliestr). Średnice porów membran poliamidowych mieszczą się w zakresie angstromów (~0.0001 mikronów), pozwalając cząsteczkom wody przechodzić, a jednocześnie są nieprzepuszczalne dla rozpuszczonych jonów soli i większych zanieczyszczeń. Zgodnie z danymi z zakładu Tampa Bay, rozmiar porów używanych membran RO wynosi około 0.001 mikronów, lub 100 tysięcznych ludzkiego włosa. W ten sposób jony, takie jak sód i chlorek, są zatrzymywane w tempie 99%+, podczas gdy cząsteczki H₂O mogą przechodzić.

Membrany zazwyczaj pakowane są w konfiguracji modułu spiralnego. W elemencie RO spiralnego, płaskie membrany liściaste i siatki separatorów kanałów przepływowych owinięte są wokół centralnej rury zbierającej. Każdy liść membrany jest przyklejony z trzech stron, a pozostałe krawędzie są połączone z centralną rurą. Gdy woda zasilająca przepływa przez kanały między liśćmi membran pod wysokim ciśnieniem, część wody przechodzi przez osłony, aby dotrzeć do centrum (rura permeatu); pozostała woda przepływa do wylotu elementu jako bardziej słony koncentrat. Schemat przepływu na rysunku 2 pokazuje ten proces w dwóch etapach (pierwsze przejście RO i drugie przejście). Chociaż system jednoprzejściowy jest zazwyczaj wystarczający do uzdatniania wody morskiej, w niektórych przypadkach stosuje się system RO z podwójnym przejściem, aby poprawić jakość wody produktów. Woda permeatowa z wylotu pierwszego przejścia RO jest podawana do drugiego zestawu RO, aby dalej zmniejszyć jej zasolenie (np. aby uzyskać wodę o bardzo niskiej przewodności, <50 mg/L). W obiektach uzdatniania wody, takich jak Tampa Bay, jedno przejście zazwyczaj wystarcza do spełnienia wymaganych standardów jakości wody (poniżej 500 mg/L TDS); jednak w przemysłowych zastosowaniach wody ultrapure podwójne przejście jest powszechne.

Wskaźnik retencji soli membran osmozy wstecznej zazwyczaj wynosi powyżej 99%. Na przykład, typowa membrana do wody morskiej może uzyskać <0,5 g/L (500 mg/L) produktu z zasilania o zasoleniu 35 g/L. Dwa główne wskaźniki wydajności membrany to przepływ permeatu (wskaźnik produkcji) i współczynnik odrzutu soli. Wartości te zmieniają się w zależności od parametrów, takich jak ciśnienie, temperatura i zasolenie zasilania. Gdy zastosuje się wysokie ciśnienie, przepływ wody przez membranę wzrasta, a zasolenie permeatu maleje (przenikanie soli maleje). Wraz ze wzrostem temperatury wody wzrasta przepływ, ponieważ lepkość maleje, ale tendencja do wypływu jonów soli przez membranę również nieco wzrasta. Szczegółowe efekty tych parametrów zostaną omówione w następnych sekcjach.

Membrany RO do wody morskiej są wrażliwe na chlor i utleniacze z powodu swojego materiału. Ponieważ warstwa poliamidowa może być szybko utleniona i uszkodzona przez wolny chlor, środki dezynfekujące, takie jak chlor stosowany w wstępnym uzdatnianiu, są całkowicie usuwane przed wejściem do membran RO. W tym celu do wody zasilającej podawane są chemikalia redukujące, takie jak bizulfid sodu (NaHSO₃), aby zneutralizować resztkowy chlor. Alternatywnie, w niektórych systemach dezynfekcja z użyciem chloramin jest przeprowadzana zamiast chlorowania, co ma mniejsze szkody na poliamidzie; jednakże, ogólnie rzecz biorąc, nie jest to pożądane, a większość systemów SWRO zarządza kontrolą biologiczną w formie krótkoterminowego chlorowania + pełnej dechloracji w wstępnym uzdatnianiu. Chociaż membrany na bazie octanu celulozy były używane jako materiały membranowe w przeszłości, obecnie nie są preferowane, ponieważ mają niższy wskaźnik odrzutu soli i wartości przepływu; ponadto membrany celulozowe są trudne w eksploatacji, ponieważ wymagają ciągłego chlorowania. W rezultacie prawie wszystkie elementy membranowe w nowoczesnych zakładach RO są typu TFC poliamidowego, a ich eksploatacja prowadzona jest z uwzględnieniem ich wrażliwości.

Regularne monitorowanie i konserwacja są również niezbędne do uzyskania pożądanej efektywności z membran RO. Z biegiem czasu,zapylenie może nastąpić na powierzchniach membran: W przypadkach, gdy wstępne przetwarzanie jest niewystarczające, koloidalne osady mułowe, biofilm lub osady nieorganiczne (np. osady takie jak CaCO₃, CaSO₄) przykrywają membrany, co zmniejsza przepływ i pogarsza jakość ścieków. W takim przypadku jednostki RO są okresowo poddawane chemicznemu czyszczeniu (CIP: Cleaning in Place). Specjalne roztwory czyszczące zawierające kwasy, zasady lub środki dezynfekujące są cyrkulowane przez moduły membranowe, aby rozpuścić nagromadzony brud. Chociaż producenci membran zazwyczaj zalecają CIP co 3–6 miesięcy, jest idealnie, aby przeprowadzić czyszczenie gdy wskaźniki zapylenia przekraczają określone progi(te wskaźniki omówione są w sekcji parametrów w następnej sekcji). Na przykład niektórzy producenci zalecają rozpoczęcie chemicznego czyszczenia, gdy prędkość przepływu permeatu spada o 10% lub przenikanie soli wzrasta o 5–10%. Regularne CIP może w dużej mierze przywrócić wydajność membran, ale w przypadkach poważnego zapylenia/osadzania, wymiana membran może być konieczna. Dlatego ciągłe monitorowanie pracy i prewencyjne czyszczenie są krytyczne.

5. Post-Tratowanie (Stabilizacja wody produktowej i dezynfekcja)

Permeat (woda produktowa) z jednostki reverse osmosis jest zasadniczo czystą wodą, która została w dużej mierze odsolona. Typowy permeat wody morskiej może być zarówno korozyjny jak i mieć płaski smak, gdy jest używany bezpośrednio jako woda pitna, ponieważ zawiera bardzo mało całkowitych minerałów. Z tego powodu odpady z RO są zazwyczaj poddawane serii procesów post-tratowania, aby je ustabilizować i doprowadzić do zgodności z normami.

Przede wszystkim niektóre gazy, które nie są usuwane podczas RO (takie jak CO₂) mogą pozostać w wodzie produktowej i uczynić wodę kwasową. pH wody permeacyjnej jest zazwyczaj lekko kwaśne i wynosi 5.5–6.5 (ponieważ wodorowęglany w wodzie surowej są przekształcane w gaz CO₂). Ta kwaśna woda może rozpuszczać metale w rurach przesyłowych. Neutralizacja i dodatek minerałów są stosowane, aby temu zapobiec i zapewnić równowagę mineralną wody. Najczęściej dawana metoda to przepuszczanie wody przez warstwę wapienia (kalcytu). Ta warstwa, która zawiera minerały węglanu wapnia, zwiększa pH wody i dodaje jonów takich jak Ca<sub>2+</sup> i HCO₃^-, co sprawia, że woda jest bardziej zrównoważona i zasadowa. Alternatywnie, twardość i zasadowość mogą być dostosowywane w podobny sposób poprzez dawkowanie wapna (Ca(OH)₂) lub popiołu sodowego (Na₂CO₃). Celem jest osiągnięcie zalecanego zakresu pH wynoszącego 7–8 i pewnego poziomu twardości dla wody pitnej.

Dodatkowo, woda produktowa jest zazwyczaj dezynfekowana w punkcie końcowym . Ponieważ membrany zatrzymują bakterie i wirusy w dużym stopniu, woda permeatowa jest mikrobiologicznie dość czysta; jednak ponieważ istnieje dryzyko ponownego zanieczyszczenia podczas transportu i przechowywania, stosowana jest niskodawkowa chloracja z chloru lub chloraminy , aby zapewnić bezpieczeństwo biologiczne wody w sieci dystrybucyjnej. Dezynfekcja UV może być również stosowana w niektórych systemach, ale ponieważ nie zapewnia ochrony resztkowej, zazwyczaj preferuje się przepompowanie pewnej ilości chloru. Stwierdzono, że chemikalia równoważące są dodawane do wody produktowej po RO w obiekcie Tampa Bay, a uzyskana woda wysokiej jakości jest przesyłana do regionalnej sieci i mieszana z innymi wodami oczyszczonymi. Dzięki mieszaniu i ostatecznym regulacjom uzyskuje się końcową wodę, która spełnia wszystkie parametry w dyrektywach dotyczących wody pitnej.

Innym aspektem poobróbczej obróbki jest usuwanie ścieków (koncentrat) . W procesie RO, określony procent wody surowej jest przekształcany w wodę słodką (wskaźnik odzysku wynosi zazwyczaj 35–50%), podczas gdy reszta wypływa jako bardziej słona, skoncentrowana struga. Ten skoncentrowany sól jest zazwyczaj odprowadzany z powrotem do morza lub do środowiska. Jednakże, ponieważ bezpośrednie odprowadzenie może powodować problemy ekologiczne, zazwyczaj stosowana jest metoda dilucji lub metoda kontrolowanego odprowadzania. Na przykład, skoncentrowana woda wypuszczona z zakładu Tampa Bay jest mieszana z wodą chłodzącą sąsiedniej elektrowni cieplnej i odprowadzana do morza, aby stężenie soli nie wzrosło nagle w odbierającym środowisku. W wielu zakładach odprowadzenie odbywa się przez rury dyfuzyjne na dnie morskim, a koncentrat jest szybko rozcieńczany na dużej objętości. Przybliżona słoność strumienia koncentratu jest około dwa razy większa niż wody morskiej, do której jest doprowadzany (np. 35 g/L woda surowa z 45% odzyskiem → ~65 g/L koncentratu). Ten strumień zazwyczaj wychodzi z nieco podwyższoną temperaturą (proces pompowania powoduje nagrzewanie). Z tego powodu przeprowadzane są oceny wpływu na środowisko i wybierana jest najbardziej odpowiednia metoda odprowadzania.

Na koniec, w ramach obróbki poobróbczej, oczyszczona woda jest zazwyczaj przekazywana do zbiornika wody produktowej wewnątrz zakładu i pompowana stamtąd do sieci. Jeśli woda produktowa ma być mieszana z wodą z różnych źródeł (mieszanka), jest miksowana w odpowiedniej proporcji. Finalna woda pitna, która przeszła przez wszystkie procesy równoważenia i dezynfekcji, jest teraz gotowa do dystrybucji.

Parametry Mierzone i Kontrolowane w Procesie

Aby skutecznie i bezpiecznie obsługiwać systemy osmozy odwrotnej, pewne krytyczne parametry operacyjne muszą być nieprzerwanie monitorowane i kontrolowane . Te parametry są ważne zarówno dla monitorowania wydajności systemu, jak i dla wczesnej interwencji w potencjalne problemy. Główne wielkości mierzone w procesach RO w wodzie morskiej oraz ich interpretacja są opisane poniżej:

• Ciśnienia (Źródło, Skoncentrowanie, Różnica): Ciśnienie źródła na tyle outlet pompy wysokociśnieniowej to siła, która działa na membrany i zwykle wynosi kilkanaście barów dla SWRO. Pewien spadek ciśnienia występuje w każdej jednostce ciśnienia; różnica między wejściem a wyjściem jest monitorowana jako ciśnienie dyfuzji (ΔP) . Pod normalnymi warunkami, spadek ciśnienia o kilka barów jest widoczny na membranach pierwszego etapu systemu RO. Jeśli ΔP wzrasta w czasie, może to wskazywać, że membrany lub sieci przestrzenne są zanieczyszczone i zablokowane. Na przykład wzrost o 15% w pierwszym etapie ΔP jest zazwyczaj uznawany za alarm utrzymania/czyszczenia. Operatorzy monitorują ΔP dla każdego etapu osobno, aby zobaczyć, gdzie zanieczyszczenie się zaczyna. Abnormalnie wysokie ciśnienia źródła są również wskazaniem na zanieczyszczenie membrany lub awarię pompy. Ciśnienie na wyjściu ze skoncentrowania jest monitorowane w celu oceny wydajności jednostek odzyskiwania energii. W optymalnej operacji, większość ciśnienia skoncentrowania jest przekazywana do ERD i nie jest marnowana.

Wydajności przepływu i wskaźnik odzysku: W systemie istnieją trzy podstawowe przepływy: Przepływ źródłowy , przepływ permeatu i przepływ skoncentrowany . Związek między nimi wyraża wskaźnik odzysku :  Odzysk(%)=Przepływ źródłowy/Przepływ permeatu ×100. Odzysk jest zazwyczaj wybierany w zakresie od 35 do 50% w systemach wodnych. Wysoki odzysk oznacza mniej ścieków, ale prowadzi również do większego stężenia soli podczas przepływu źródłowego i zwiększa ryzyko powstawania osadu. W miarę wzrostu odzysku, ciśnienie osmotyczne na membranę wzrasta; po pewnym punkcie, netto przepływ wody może stać w miejscu. Dlatego nadmiernie wysoki odzysk nie jest celem. W trakcie operacji, zmiana w przepływie permeatu w porównaniu do wartości projektowych jest kluczowym wskaźnikiem. Spadek przepływu permeatu może wskazywać, że membrany zaczynają się zanieczyszczać lub że wydajność pompy spada. Producenci membran zalecają czyszczenie przy spadku przepływu o 10% w porównaniu do wartości początkowej. Podobnie, abnormlane niskie wskaźniki przepływu permeatu mogą wskazywać na problem z pompą źródłową lub zaworami, dlatego regularna kalibracja i monitorowanie wszystkich mierników przepływu ta jednoznacznie istotne.

• Słoność, Przewodność i TDS: Stężenie soli (TDS, w mg/L) lub przewodność elektryczna (µS/cm) wody surowej i produktu permeatu jest mierzona ciągle lub okresowo. Przewodność jest pośrednim wskaźnikiem ilości rozpuszczonych jonów w wodzie i jest używana do monitorowania wydajności odwróconej osmozy. Wydajność ej usuwania soli w membranach może być obliczana według wzoru:  Usunięcie Soli(%)=(1−TDS Wody Surowej/TDS Permeatu)×100. Nowa i czysta membrana SWRO zwykle zapewnia usunięcie soli na poziomie 99% lub więcej. Na przykład, jeśli ze 200 mg/L permeatu pochodzi z 35,000 mg/L wody surowej, oznacza to 99.4% usunięcia. Jeśli przewodność permeatu zaczyna rosnąć w zakładzie, wydajność membran może się zmniejszać. Może to wystąpić, gdy niektóre jony zaczynają wyciekać z powodu uszkodzenia przez chlor (utlenianie warstwy aktywnej) lub zatykania membran . W szczególności nagły i ostry wzrost przewodności może wskazywać na uszkodzoną membranę lub nieszczelną uszczelkę O-ring, co może wskazywać, że woda surowa jest zmieszana - w takim przypadku należy sprawdzić komponenty w odpowiednim zbiorniku ciśnieniowym. Stopniowy wzrost przewodności w czasie ogólnie wskazuje, że powierzchnia membrany jest zatykania i efektywna powierzchnia porów jest zmniejszona, co oznacza, że wskaźnik zatrzymywania soli jest obniżony. Zgodnie z zaleceniami producenta, wzrost o 5–10% przewodności permeatu (lub przemieszczenia soli) oznacza, że nadszedł czas na czyszczenie. Przepuszczalność soli może również nieznacznie wzrosnąć z wiekiem membran, ale zwykle jest to naprawdę wolne; szybkie zmiany wskazują na problem. W związku z tym przewodność zarówno wody surowej, jak i produktu powinna być monitorowana i rejestrowana za pomocą czujników online.
• pH i stan chemiczny: pH wody surowej i permeatu jest ważne zarówno dla chemicznej kontroli procesu, jak i dla formowania osadów. pH wody surowej zwykle jest nieznacznie obniżane w zależności od strategii dawkowania środków przeciw osadowych (na przykład naturalne pH wody morskiej wynosi 8.2, ale aby zredukować tendencję do osadzania, można je obniżyć do około pH 7 za pomocą kwasu mineralnego). Dlatego pH wody wchodzącej do pompy jest ciągle mierzone i utrzymywane w pożądanym zakresie. Wzrost pH może oznaczać awarię lub chemiczne wyczerpanie pomp dozujących i zwiększa ryzyko wytrącania węglanu wapnia. Z drugiej strony, zbyt niskie pH jest niepożądane, ponieważ może przyspieszać korozję. pH wody permeatu jest również monitorowane; jeśli jest zbyt niskie, może oznaczać niewystarczającą neutralizację w obróbce końcowej. Czujniki pH również zapewniają krytyczne informacje zwrotne w procesach czyszczenia membran (cyrkulacja kwasu/zasady podczas CIP).
• Indeks gęstości zawiesin (SDI) i mętność: Najważniejszymi wskaźnikami jakości wstępnego uzdatniania są SDI oraz pomiar mętności. SDI jest indeksem opartym na czasie zatykania konkretnego papieru filtracyjnego i numerycznie wyraża potencjał zanieczyszczenia koloidalnego wody. Standardy zwykle wymagają SDI < 5 dla wody surowej do RO; SDI < 3 jest celem dla trudnych aplikacji, takich jak woda morska, a SDI < 2 wskazuje na bardzo dobre wstępne uzdatnianie. Testy SDI przeprowadza się w określonych odstępach czasu (np. codziennie) w obiekcie, aby zweryfikować wydajność wstępnego uzdatniania. Jeśli wartość SDI jest wyjątkowo wysoka, występuje problem w systemie filtracyjnym (np. pęknięcie filtra, błąd dawkowania koagulantu) i konieczna jest natychmiastowa interwencja, ponieważ wysoki SDI może powodować szybkie zatykanie membran. Mętność (NTU) jest parametrem, który można monitorować w czasie rzeczywistym; mętność wody wlotowej RO jest zwykle utrzymywana poniżej 0,2–0,5 NTU. Mierniki mętności online wydają alarm, gdy nastąpi nagłe pogorszenie jakości wody (np. zakwit planktonu lub migracja osadów). W ten sposób operatorzy mogą podjąć środki ostrożności, takie jak spowolnienie lub zatrzymanie systemu oraz płukanie filtrów, jeśli mętność wzrośnie. Krótko mówiąc, SDI i NTU są wskaźnikami zdrowia wstępnego uzdatniania; utrzymywanie ich na niskim poziomie gwarantuje długą żywotność membran.
• Temperatura: Temperatura wody jest ważnym czynnikiem wpływającym na wydajność membran. Cieplejsza woda zwiększa przepuszczalność membran, co z kolei zwiększa przepływ, ale może także zwiększać migrację soli do pewnego stopnia. Z kolei, gdy temperatura wody morskiej spada w zimnych miesiącach, wskaźnik przepływu permeatu uzyskany przy tym samym ciśnieniu maleje. Dlatego duże obiekty projektuje się z uwzględnieniem sezonowych zmian temperatury wody; aby zrekompensować zmniejszony przepływ zimą, może być konieczne nieznaczne zwiększenie ciśnienia lub uruchomienie dodatkowych elementów membranowych. Temperatura jest zazwyczaj parametrem, którego nie można kontrolować (ponieważ temperatura wody morskiej jest czynnikiem środowiskowym); jednak ważne jest mierzenie jej i normalizowanie danych wydajności w zależności od temperatury. Na przykład, producenci membran dają gwarancję wydajności dla 25°C; możemy zrozumieć rzeczywisty stan membran, normalizując wydajność uzyskaną w wodzie o temperaturze 15°C do 25°C. W tym celu bieżąca temperatura jest rejestrowana za pomocą cyfrowych czujników temperatury w systemie, a inne parametry są porównywane odpowiednio.
• Chlor: Jeśli chlor jest dodawany w celu kontrolowania wzrostu biologicznego podczas fazy wstępnego uzdatniania, chlor musi być całkowicie zneutralizowany przed dotarciem do wlotu RO. Dlatego może być konieczne wykonanie pomiaru chloru (lub ORP: pomiar potencjału redukcji utleniania) tuż przed membraną. Poziom chloru wolnego powinien wynosić 0,0 mg/L. Jeśli nawet śladowe ilości chloru zostaną wykryte w pomiarach, sytuacja ta musi być natychmiast skorygowana (zwiększenie dawki substancji redukującej lub zmniejszenie chlorowania); w przeciwnym razie mogą wystąpić nieodwracalne uszkodzenia membran. Czujniki ORP zapewniają szybką informację o obecności resztek chloru, natychmiast monitorując poziom utlenienia wody. Ten parametr jest szczególnie używany do weryfikacji, czy dawka chloru/neutralizacji działa poprawnie.

wiele więcej danych można zbierać w zależności od projektu systemu i jego działania (np. przewodności przy każdym wyjściu zbiornika ciśnieniowego, różnice ciśnienia na wejściu/wyjściu każdego filtru, przepuszczalność UV, jeśli istnieje system dezynfekcji UV itp.). Jednak wartości takie jak ciśnienie, przepływ, przewodność, pH, SDI/mętność stanowią wskaźniki, które każdy operator RO ściśle monitoruje. Dane te są a zazwyczaj rejestrowane ciągle z systemem SCADA i analizy tendencji są przeprowadzane. Monitorowanie trendów wydajności pozwala przewidzieć, kiedy membrany będą wymagały czyszczenia lub czy występuje problem w wstępnym uzdatnianiu. Na przykład, jeśli operator rozpoczyna konserwację tylko wtedy, gdy występuje problem w systemie, zgłoszono, że kanały zwrotne mogą być obserwowane w membranach, gdy czyszczenie odbywa się tylko wtedy, gdy wzrost ΔP osiągnie 40–50 psi (3–4 bar). Dlatego proaktywne monitorowanie i wczesna reakcja są kluczowe dla efektywnej pracy zakładów RO.

Poniższa tabela przedstawia wartości podsumowujące niektóre ważne parametry, które zazwyczaj są monitorowane w procesie odwróconej osmozy wody morskiej:

Wartości powyżej są ogólnie uznawane za typowe zakresy dla systemów odwróconej osmozy wody morskiej. Każda instalacja może mieć swoje własne parametry projektowe i cele; w związku z tym wartości „normalne” mogą się różnić w zależności od projektu. Ważne jest, aby określić wartości podstawowe dla własnego systemu podczas pracy i śledzić trend odpowiednio . Na przykład wartości ciśnienia, przepływu i przewodności zarejestrowane podczas pierwszej pracy z nowymi czystymi membranami służą jako odniesienie w czasie. Kiedy zostanie przekroczony określony próg odchylenia, operatorzy otrzymują alarm i wprowadzane są plany interwencji. Tą metodą małe problemy są rozwiązywane, zanim staną się dużymi, żywotność membrany jest maksymalizowana, a jakość wody produktywnej jest stale utrzymywana na bezpiecznym poziomie.

Wnioski i Ocena

Technologia desiakcji osmotycznej w odsalaniu wody morskiej to zintegrowany proces, który wychodzi od wstępnego przetwarzania do membranowej filtracji pod wysokim ciśnieniem i ostatecznej regulacji jakości wody. Każdy etap określa ogólną efektywność systemu, przygotowując odpowiednie warunki dla następnego. Filtry wstępne i wstępne przetwarzanie przygotowują wodę wpływającą, chroniąc membrany; membrany spiralne z poliamiidu separują wodę od jej soli pod ciśnieniem; po obróbce równoważy uzyskaną czystą wodę i przygotowuje ją do użycia. Monitorowanie krytycznych parametrów, takich jak ciśnienia, prędkości przepływu, przewodność, pH, SDI w tym procesie jest kluczowe dla utrzymania wydajności systemu.

Badania akademickie i przemysłowe pokazują, że wiarygodność wstępnego przetwarzania i regularna kontrola operacyjna są dla udanej operacji SWRO. Jak stwierdzili Valavala i in., w procesach SWRO- konieczne jest stosowanie wiarygodnych technik wstępnego przetwarzania (koagulacja + filtracja lub UF/MF) z powodu ryzyka zatykania membran.

Ponownie, dzięki zastosowaniu urządzeń do odzyskiwania energii w nowoczesnych obiektach, koszty energii zostały znacznie zredukowane, a pozyskiwanie świeżej wody z wody morskiej stało się bardziej zrównoważone. Technologia membran odwróconej osmozy również rozwijała się przez lata i została ulepszona w celu osiągnięcia wysokiej wydajności przy niskich ciśnieniach. Na przykład, membrany kompozytowe o cienkowarstwowych strukturach dostarczają wodę pitną milionom ludzi dzisiaj, z odrzutem soli przekraczającym 99% i wysokimi przepływami permeatu. W rezultacie systemy odwróconej osmozy w przetwarzaniu wody morskiej zapewniają niezawodne i ciągłe źródło świeżej wody, gdy są zaprojektowane i eksploatowane prawidłowo. Zrozumienie szczegółów każdego etapu omawianego w tym raporcie jest krytyczne dla inżynierów i operatorów, aby zapewnić efektywną pracę systemu. Dzięki odpowiedniemu wstępnemu przetwarzaniu, odpowiedniemu doborowi membran, efektywnej kontroli procesów oraz regularnemu utrzymaniu, zakłady odwróconej osmozy mogą działać stabilnie przez lata i skutecznie przekształcać wodę morską w wodę pitną. Tak więc, woda morska może być uważana za niewyczerpane źródło dla populacji żyjących w regionach lub na wyspach, gdzie zasoby wody są ograniczone. Wiedza intensywna jednak praktyczna aplikacja odwróconej osmozy czyni ją strategiczną technologią zaopatrzenia w wodę dla współczesnych i przyszłych pokoleń.

Źródła: Informacje i dane zostały zebrane z różnych publikacji akademickich, raportów technicznych i przewodników branżowych. Na przykład, Valavala i in. (2011) przedstawili porównanie technik wstępnego przetwarzania RO, podczas gdy raporty Tampa Bay Water Authority dostarczyły schemat blokowy i dane operacyjne dla prawdziwego zakładu SWRO. Parametry wydajności membran zostały zebrane ze źródeł technicznych, takich jak Lenntech, podczas gdy praktyczne informacje dotyczące interpretacji wskaźników operacyjnych uzyskano z publikacji ekspertów branżowych, takich jak Chemtreat. Takie holistyczne podejście ma na celu zapewnienie kompleksowego przeglądu procesów odwróconej osmozy w wodzie morskiej poprzez połączenie obu, teoretycznego tła i praktycznego doświadczenia.