Oczyszczanie solanką - ZLD - Zerowy zrzut cieczy - MLD Minimalny zrzut cieczy
5. Konwencjonalne metody utylizacji solanki
5.1. Porównanie
5.2. Porównanie kosztów
5.3. Przepisy regulacyjne
5.4. Wdrożenie
5.5. Footprint
Solankę można zidentyfikować jako strumień cieczy o zwiększonym zasoleniu, wytwarzany w wielu procesach przemysłowych i przez długi czas uważany jedynie za strumień odpadowy. Temperatura strumienia solanki może się znacznie różnić w zależności od źródła.
Źródła solanki obejmują:
- Odsalanie
- Procesy górnicze
W procesie odsalania mamy strumień produktu i strumień produktów ubocznych. Produkt, zwany permeatem, to czysta woda z pewną ilością rozpuszczonych substancji stałych, które przechodzą przez proces i razem tworzą świeżą wodę. Solanka odsalania to strumień ciekłego produktu ubocznego o wyższym stężeniu większości rozpuszczonych substancji stałych wsadu, niektórych dodatków do wstępnego oczyszczania (resztkowych ilości koagulantów, flokulantów i antyskalantów), substancji organicznych, zanieczyszczeń mikrobiologicznych oraz wszelkich cząstek stałych odrzucanych przez membrany odwróconej osmozy (RO).
W ciągu ostatniej dekady wzrosło zapotrzebowanie na wodę pitną i przemysłową dobrej jakości. Wraz ze spadkiem zasobów słodkiej wody, wzrostem populacji i nowymi postępami w technologii odsalania, dostawcy wody zaczęli uzdatniać wodę słonawą (BW) i morską (SW), aby sprostać tym potrzebom.
Do 2007 roku całkowita ilość wody produkowanej na świecie w procesach odsalania wzrosła do 47,6%. Mm3/d, a do 2015 r. podwoić do 97,5 Mm3/d, przy czym 45% tej produkcji ma miejsce na Bliskim Wschodzie. 70% zakładów odsalania wody po 2000 r. wykorzystywało procesy membranowe, co oznacza, że odwrócona osmoza (RO) stanowi obecnie 63% wszystkich operacji odsalania. 23% to wielostopniowa destylacja rzutowa (MSF), 8% destylacja wielostopniowa (MED), a reszta to elektrodializa (ED)/elektrodializa odwrócona (EDR) i hybrydy. Odwrócona osmoza z wodą morską (SWRO) może zwiększyć stężenie soli nawet dwukrotnie, a MSF nawet 1,5-krotnie. Solanka wytwarzana w tych procesach, zwana również koncentratem lub odpadem, składa się głównie z chlorku sodu (NaCl) w wysokim stężeniu oraz różnych innych rozpuszczonych soli, w zależności od składu wody zasilającej i wstępnego oczyszczania procesu (wapń, magnez, wodorowęglany itp.).
Rys. 1. Branża odsalania według technologii, użytkowników i składników kosztów (koszty zakładają koszt energii elektrycznej na poziomie 0,05 USD/kWh i cenę ropy naftowej na poziomie 60 USD/bbl), Odsalanie i zrównoważony rozwój – ocena i aktualna perspektywa, Veera Gnaneswar Gude, Water Research 89 (2016)
Solanka to bardzo ogólne pojęcie w branży wodnej. Zgodnie z powszechnym ograniczeniem odporności membran RO na ciśnienie, RO może zagęścić strumień soli do około 70 000 ppm (mg/l) całkowitej zawartości substancji rozpuszczonych (TDS) i nie można go dalej uzdatnić. W tym tekście za solankę będziemy uważać wszystkie strumienie soli o stężeniu 65 000–85 000 ppm, których nie można dalej zagęścić za pomocą SWRO.
Utylizacja solanki może okazać się dość problematyczna, ponieważ
- zwiększa zasolenie zbiorników wodnych, do których odprowadzana jest solanka
- wpływa na lokalne życie morskie
- może zawierać środki chemiczne do wstępnego oczyszczania i czyszczenia membran
- może zawierać metale pochodzące z korozji systemów (Cu, Fe, Ni, Mo, Cr)
- powoduje problemy estetyczne (przebarwienia)
- wpływa na pobliskie warstwy wodonośne z powodu nieszczelności w rurociągach solankowych
- powoduje trwałe uszkodzenia spowodowane pracami związanymi z infrastrukturą odprowadzającą.
Solankę albo bezpośrednio usuwa się, albo minimalizuje przed utylizacją, ale ze względu na coraz bardziej rygorystyczne przepisy rządowe, konwencjonalne metody gospodarowania solanką, takie jak zrzut wód powierzchniowych/głębokich, wtrysk do głębokich studni lub zrzut do oczyszczalni ścieków, mogą nie być realnym wyborem w najbliższej przyszłości.
Ilość solanki zależy od wydajności produkcyjnej zakładu odsalania i jego współczynnika odzysku. Odzysk jest wyrażony jako procent (%) przepływu wyprodukowanej wody słodkiej do całkowitego przepływu zasilającego system. Odzysk BWRO wynosi od 50 do 90%, a SWRO zazwyczaj od 30 do 55%. Wyższy odzysk skutkuje mniejszą objętością koncentratu (wyższym zasoleniem) i odwrotnie. Objętość solanki produkowanej przez zakład odsalania można obliczyć jako:
Vb = Vp x (1-R)/R ... p; (1)
gdzie,
- Vp = objętość permeatu
- Vb = objętość solanki
- R = współczynnik odzysku systemu (%)
Jakość solanki zależy od:
- składu i zasolenia wsadu
- odrzutu soli przez membrany odsalające
- całkowitego odzysku
Współczynnik stężenia BWRO wynosi zazwyczaj od 4 do 10, podczas gdy SWRO wynosi zazwyczaj od 1,5 do 2,0. TDS solanki (TDSb) zależy od stężeń TDS w surowcu zasilającym i permeacie (TDSf i TDSp) oraz odzysku z instalacji (Y),
TDSb = TDSf x 1/(1-R) x (RxTDSp)/(100x(1-Y)) ; (2)
Stężenie można obliczyć jako:
CF(%) = 1/(1-R) ;   ;   ; (3)
Jeśli znany jest pasaż solny błony komórkowej (SP), CF można obliczyć jako:
CF(%) = [1 – (R x SP)]/(1-R) ... p; (4)
gdzie
SP (%) = 1 - % odrzutu soli = TDS permeatu (TDSp)/TDS wsadu (TDSf) (5)
Sól CF jest ograniczona głównie przez rosnące ciśnienie osmotyczne solanki (solanka). W przypadku SWRO limit ten wynosi od ok. 65 000 do 85 000 mg/l. Optymalny odzysk dla jednoprzebiegowego systemu SWRO wynosi od 40 do 45%, a współczynnik CF waha się w zakresie od 1,5 do 1,8. Dla porównania, instalacje BWRO zazwyczaj charakteryzują się odzyskiem na poziomie 70 do 90% i współczynnikiem zagęszczenia od 4 do 10.
W zależności od jakości wsadu, możemy zastosować poniższe reguły do przewidywania jakości solanki
- pH solanki jest wyższe niż wsadu, ponieważ ma ona wyższą zasadowość
- Membrany odwróconej osmozy (RO) odrzucają metale ciężkie w podobnym stosunku jak wapń i magnez
- większość substancji organicznych jest odrzucana w 95% (z wyjątkiem tych o niskiej masie cząsteczkowej (MW))
- woda gruntowa (GW) solanka BWRO może być beztlenowa i może zawierać siarkowodór (H2S)
Jeśli w procesie odsalania uwzględniono wstępne oczyszczanie, woda zasilająca RO będzie miała obniżony poziom niektórych składników, takich jak rozpuszczone metale, mikroorganizmy i cząstki, ale także nieznacznie zwiększone stężenie jonów nieorganicznych, takich jak siarczany, chlorki i żelazo, jeśli stosowane są koagulanty. Solanka może również zawierać pozostałości substancji organicznych z uzdatniania wody źródlanej za pomocą polimerów i antyskalantów.
Wytworzona solanka charakteryzuje się niską mętnością (zwykle < 2 NTU), niską zawartością zawiesiny ogólnej (TSS) i biochemicznym zapotrzebowaniem na tlen (BZT) (zwykle < 5 mg/l), ponieważ większość cząstek stałych jest w niej usuwana z procesu wstępnego oczyszczania.
Jeśli jednak strumienie boczne procesu wstępnego oczyszczania zostaną zmieszane i odprowadzone z solanką, mieszanina może mieć zwiększoną mętność, TSS, a czasami BZT. Kwasy i inhibitory kamienia dodawane do wody zasilającej są odrzucane przez membranę SWRO i również wpływają na zawartość minerałów i jakość solanki. Poziomy inhibitorów kamienia w koncentracie wynoszą zazwyczaj < 20 mg/l.
Solanka jest również wytwarzana podczas wielu procesów wydobywczych, takich jak wydobycie ropy naftowej i gazu ziemnego. W procesach wydobywczych, w celu wydobycia minerałów, pompuje się duże ilości wody do gruntu. Na przykład, według szacunków Amerykańskiego Instytutu Naftowego, w górnictwie ropy naftowej, na każdą baryłkę ropy naftowej podczas typowego wydobycia uzyskuje się dziewięć baryłek wody. Solanka górnicza zawiera wysokie stężenie soli i niebezpieczne substancje chemiczne, które mogą być bardzo niebezpieczne dla organizmów morskich, a jej składowanie jest jednym z największych wyzwań środowiskowych. Do utylizacji nadmiaru solanki stosuje się głębokie studnie wtryskowe i powierzchniowe magazynowanie w stawach, co jest uważane za główne źródło zanieczyszczenia wód gruntowych. Solanka kopalniana odprowadzana do morza okazała się szkodliwa dla organizmów morskich.
Gatunki powodujące osadzanie się kamienia w instalacjach odwróconej osmozy (RO) to głównie węglan wapnia (CaCO3), siarczan wapnia (CaSO4) i siarczan baru (BaSO4). Mogą również występować osady z fosforanu wapnia (Ca3(PO4)2), krzemianów lub metali. W celu kontroli osadzania się kamienia stosuje się obróbkę kwasem i dozowanie środka antyskalantowego. W odwróconej osmozy (RO) najczęściej stosowano kwas siarkowy, ale stosowanie środków antyskalantowych, takich jak polifosforany, fosfoniany lub kwasy poliwęglanowe, stało się bardzo powszechne ze względu na negatywne skutki obróbki kwasami nieorganicznymi.
table 1. Właściwości fizyczne i chemiczne solanki pochodzącej z odsalania wody morskiej oraz potencjalny wpływ na środowisko/ekologię jej składowania.
| Instalacje odwróconej osmozy (RO) | Instalacje Lekarzy bez Granic (MSF) |
Wpływ na środowisko/ekologię |
|
|---|---|---|---|
|
Właściwości fizyczne |
|||
| Zasolenie i temperatura | 65-85 g/l w temperaturze otoczenia SWoC |
≈ 50 000 mg/l ± 5-15 oC od SW ToC |
↓ witalność i bioróżnorodność przy wyższych wartościach nieszkodliwe po odpowiednim rozcieńczeniu |
| Gęstość ścieków | > gęstość wody | zależy od procesu | ↓ bioróżnorodność |
| Tlen rozpuszczony (DO) |
ujęcia studni → zazwyczaj < SW DO ujęcia otwarte → ≈ SW DO w temperaturze otoczenia SW ToC |
może być/ | |
|
Dodatki i produkty uboczne do kontroli biofoulingu |
|||
| Chlor | neutralizowany przed membranami, aby zapobiec ich utlenianiu | ok. 10-25% dawki paszy, jeśli nie zostanie zneutralizowana |
↑↑ toksyczny dla wielu organizmów szybko się rozkłada |
| Holowane związki organiczne | zwykle < szkodliwe poziomy |
zmienny skład i stężenia zazwyczaj trihalometany |
działanie rakotwórcze rozproszenie przy bieżącym i całkowitym parowaniu |
|
Dodatki do kontroli kamienia |
|||
| Antyskalanty |
słaba/umiarkowana degradowalność + wysokie ładunki całkowite → kumulacja, skutki przewlekłe, nieznane skutki uboczne |
||
|
Dodatki przeciwpieniące |
|||
| Środki przeciwpieniące (np. poliglikol) | Brak (leczenie nie jest wymagane) | < szkodliwy poziom |
nietoksyczny dobra biodegradowalność |
|
Zanieczyszczenia powstałe w wyniku korozji |
|||
| Metale ciężkie | ↑stężenia żelaza, chromu, niklu i molibdenu, jeśli zastosowano ↓ wysokiej jakości stal nierdzewną | ↑stężenia miedzi i niklu, jeśli ↓ Do wymienników ciepła użyto materiałów wysokiej jakości |
Miedź – MSF (15–100 mg/l) – toksyczność dla większości gatunków; (bio)akumulacja i skutki długoterminowe śladowe ilości metali – brak skutków toksycznych i długoterminowych (z wyjątkiem niklu w MSF) |
Pięć konwencjonalnych metod utylizacji solanki w Stanach Zjednoczonych jest stosowanych w następujących obszarach (table 2 i Rys. 3):
- zrzut wody powierzchniowej (45%)
- utylizacja ścieków (27%)
- wtrysk do studni głębinowych (13%)
- aplikacja do gruntu (8%)
- stawy odparowujące (4%)
table 2. Najpopularniejsze metody utylizacji solanki w Stanach Zjednoczonych
|
Metoda utylizacji solanki |
Zasada i opis |
% całkowitej wydajności |
| Wtłaczanie do studni głębinowej | Solanka jest wstrzykiwana do porowatych formacji skalnych pod powierzchnią | 13 |
| Zastosowanie na gruntach | Solanka jest używana do nawadniania upraw i traw odpornych na sól | 8 |
| Stawy odparowujące | Solanka paruje w stawach, podczas gdy pozostałe sole gromadzą się na dnie stawu | 4 |
| Zrzut ścieków | Zrzut solanki do istniejącego systemu kanalizacyjnego. Niski koszt i zużycie energii | 27 |
| Zrzut wody morskiej; Powierzchnia | Solanka jest odprowadzana na powierzchnię wody morskiej. Najpopularniejsza metoda dla wszystkich dużych zakładów odsalania wody na świecie | 45 |
| Zrzut wody morskiej; zanurzony | Solanka jest odprowadzana z brzegu przez dyfuzory wielopunktowe zainstalowane na dnie morza |
Rys. 3. Najpopularniejsze metody utylizacji solanki w USA
Zrzut wody powierzchniowej jest najczęstszą alternatywą, ponieważ można go stosować w zakładach odsalania wody dowolnej wielkości. Utylizacja ścieków jest najczęściej stosowaną metodą zrzutu wody z małych zakładów odsalania wody. Wtrysk do głębokich studni jest najbardziej odpowiedni dla średnich i dużych instalacji śródlądowych BW. Zastosowanie na lądzie i stawy odparowujące są zazwyczaj stosowane w przypadku małych i średnich instalacji, gdzie klimat i warunki glebowe zapewniają wysokie tempo parowania oraz całoroczny wzrost i zbiór roślinności halofitycznej.
Główne zalety i wady najpopularniejszych metod zarządzania solanką przedstawiono w tabeli 4.
table 4, Porównanie metod zarządzania solanką
|
Metoda zarządzania solanką |
Zalety |
Wady |
|
Zrzut wód powierzchniowych |
|
|
|
Odpływ ścieków |
|
|
|
Wtłaczanie do studni głębinowej
|
|
|
|
Stawy odparowujące
|
|
|
|
Zastosowanie gruntowe |
|
|
table 6 przedstawia koszty budowy instalacji odsalania BWRO i SWRO o wydajności 40 000 m3/dzień, odpowiednio przy odzysku 80% – 10 000 m3/dzień solanki i 45% – 48 900 m3/dzień solanki.
table 6. Koszty budowy metod utylizacji solanki w teoretycznej instalacji odsalania o wydajności 40 000 m3/dzień
|
Metoda zarządzania solanką |
BWRO ($ mm) |
SWRO ($ mm) |
|
Wypływ wód powierzchniowych |
2-10 | 6.5-30 |
|
Wypływ ścieków |
0.5-2 | 1.5-6 |
|
Wtrysk do studni głębinowej |
4-8 | 15-25 |
|
Staw parowy |
30-50 | 140-180 |
|
Nawadnianie zraszające |
8-10 |
30-40 |
Rys. 4. Graficzne przedstawienie przybliżonego podejścia do nakładów inwestycyjnych (CAPEX) konwencjonalnego procesu utylizacji solanki w zależności od natężenia przepływu solanki
Zwykle odprowadzanie solanki do kanalizacji (ograniczone do niewielkich przepływów solanki) lub do wód powierzchniowych (morza, oceanu lub rzeki) jest lepiej ujęte w przepisach ze względu na ich powszechne zastosowanie. Wyłożone stawy odparowujące z systemem monitorowania wycieków zazwyczaj łatwiej uzyskać pozwolenie niż zastosowanie na lądzie (utylizacja metodą RIB i nawadnianie zraszające), ponieważ lepiej chronią lokalne warstwy wodonośne.
Czas budowy niektórych systemów odprowadzania solanki, takich jak na przykład długie odpływy oceaniczne ze złożonymi konstrukcjami dyfuzorów, jest często taki sam, jak czas budowy samej instalacji odsalania i wymaga długotrwałych badań środowiskowych oraz przeglądu regulacyjnego. Również RIB i głębokie studnie wtryskowe wymagają szczegółowych, często trwających od sześciu miesięcy do roku, badań przydatności i ograniczeń lokalizacji. Zrzut do kanalizacji sanitarnej jest zazwyczaj najłatwiejszym sposobem wdrożenia alternatywnego sposobu gospodarowania koncentratem.
Najmniejsze miejsce zazwyczaj znajduje się przy odprowadzaniu ścieków, a stawy odparowujące mają zazwyczaj największe wymagania dotyczące lokalizacji.
5.6. Ograniczenia niezawodności i eksploatacji
Głębokie studnie iniekcyjne nie nadają się do stosowania w strefach sejsmicznych i wymagają dostępności głębokich i silnie zasolonych warstw wodonośnych. Studnie iniekcyjne będą wymagały okresowych przeglądów i konserwacji, co wymaga albo alternatywnego systemu utylizacji, albo instalacji studni zapasowych.
Płytkie studnie plażowe nie nadają się do stosowania w miejscach o dużej erozji plaży.
Opcje zarządzania solanką, takie jak stawy odparowujące lub zastosowanie na lądzie, mogą mieć charakter sezonowy i w takim przypadku konieczne jest zastosowanie alternatywnego systemu, aby poprawić ich niezawodność.
Dodatkowe informacje