Oczyszczanie solankÄ… - 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
SolankÄ™ można zidentyfikować jako strumieÅ„ cieczy o zwiÄ™kszonym zasoleniu, wytwarzany w wielu procesach przemysÅ‚owych i przez dÅ‚ugi czas uważany jedynie za strumieÅ„ odpadowy. Temperatura strumienia solanki może siÄ™ znacznie różnić w zależnoÅ›ci od źródÅ‚a.
ŹródÅ‚a solanki obejmujÄ…:
- Odsalanie
- Procesy górnicze
W procesie odsalania mamy strumieÅ„ produktu i strumieÅ„ produktów ubocznych. Produkt, zwany permeatem, to czysta woda z pewnÄ… iloÅ›ciÄ… rozpuszczonych substancji staÅ‚ych, które przechodzÄ… przez proces i razem tworzÄ… Å›wieżą wodÄ™. Solanka odsalania to strumieÅ„ ciekÅ‚ego produktu ubocznego o wyższym stężeniu wiÄ™kszoÅ›ci rozpuszczonych substancji staÅ‚ych wsadu, niektórych dodatków do wstÄ™pnego oczyszczania (resztkowych iloÅ›ci koagulantów, flokulantów i antyskalantów), substancji organicznych, zanieczyszczeÅ„ mikrobiologicznych oraz wszelkich czÄ…stek staÅ‚ych odrzucanych przez membrany odwróconej osmozy (RO).
W ciÄ…gu ostatniej dekady wzrosÅ‚o zapotrzebowanie na wodÄ™ pitnÄ… i przemysÅ‚owÄ… dobrej jakoÅ›ci. Wraz ze spadkiem zasobów sÅ‚odkiej wody, wzrostem populacji i nowymi postÄ™pami w technologii odsalania, dostawcy wody zaczÄ™li uzdatniać wodÄ™ sÅ‚onawÄ… (BW) i morskÄ… (SW), aby sprostać tym potrzebom.
Do 2007 roku caÅ‚kowita ilość wody produkowanej na Å›wiecie w procesach odsalania wzrosÅ‚a 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% zakÅ‚adów odsalania wody po 2000 r. wykorzystywaÅ‚o 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 wodÄ… morskÄ… (SWRO) może zwiÄ™kszyć stężenie soli nawet dwukrotnie, a MSF nawet 1,5-krotnie. Solanka wytwarzana w tych procesach, zwana również koncentratem lub odpadem, skÅ‚ada siÄ™ gÅ‚ównie z chlorku sodu (NaCl) w wysokim stężeniu oraz różnych innych rozpuszczonych soli, w zależnoÅ›ci od skÅ‚adu wody zasilajÄ…cej i wstÄ™pnego oczyszczania procesu (wapÅ„, magnez, wodorowÄ™glany itp.).
Rys. 1. Branża odsalania wedÅ‚ug technologii, użytkowników i skÅ‚adników kosztów (koszty zakÅ‚adajÄ… koszt energii elektrycznej na poziomie 0,05 USD/kWh i cenÄ™ 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 pojÄ™cie w branży wodnej. Zgodnie z powszechnym ograniczeniem odpornoÅ›ci membran RO na ciÅ›nienie, RO może zagęścić strumieÅ„ soli do okoÅ‚o 70 000 ppm (mg/l) caÅ‚kowitej zawartoÅ›ci substancji rozpuszczonych (TDS) i nie można go dalej uzdatnić. W tym tekÅ›cie za solankÄ™ bÄ™dziemy uważać wszystkie strumienie soli o stężeniu 65 000–85 000 ppm, których nie można dalej zagęścić za pomocÄ… SWRO.
Utylizacja solanki może okazać się dość problematyczna, ponieważ
- zwiÄ™ksza 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 pochodzÄ…ce 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.
SolankÄ™ albo bezpoÅ›rednio usuwa siÄ™, albo minimalizuje przed utylizacjÄ…, ale ze wzglÄ™du na coraz bardziej rygorystyczne przepisy rzÄ…dowe, konwencjonalne metody gospodarowania solankÄ…, takie jak zrzut wód powierzchniowych/gÅ‚Ä™bokich, wtrysk do gÅ‚Ä™bokich studni lub zrzut do oczyszczalni Å›cieków, mogÄ… nie być realnym wyborem w najbliższej przyszÅ‚oÅ›ci.
Ilość solanki zależy od wydajnoÅ›ci produkcyjnej zakÅ‚adu odsalania i jego wspóÅ‚czynnika odzysku. Odzysk jest wyrażony jako procent (%) przepÅ‚ywu wyprodukowanej wody sÅ‚odkiej do caÅ‚kowitego przepÅ‚ywu zasilajÄ…cego system. Odzysk BWRO wynosi od 50 do 90%, a SWRO zazwyczaj od 30 do 55%. Wyższy odzysk skutkuje mniejszÄ… objÄ™toÅ›ciÄ… koncentratu (wyższym zasoleniem) i odwrotnie. ObjÄ™tość solanki produkowanej przez zakÅ‚ad odsalania można obliczyć jako:
Vb = Vp x (1-R)/R ... p; (1)
gdzie,
- Vp = objętość permeatu
- Vb = objętość solanki
- R = wspóÅ‚czynnik odzysku systemu (%)
Jakość solanki zależy od:
- składu i zasolenia wsadu
- odrzutu soli przez membrany odsalajÄ…ce
- całkowitego odzysku
WspóÅ‚czynnik stężenia BWRO wynosi zazwyczaj od 4 do 10, podczas gdy SWRO wynosi zazwyczaj od 1,5 do 2,0. TDS solanki (TDSb) zależy od stężeÅ„ TDS w surowcu zasilajÄ…cym 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)
JeÅ›li znany jest pasaż solny bÅ‚ony 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 gÅ‚ównie przez rosnÄ…ce ciÅ›nienie 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 wspóÅ‚czynnik CF waha siÄ™ w zakresie od 1,5 do 1,8. Dla porównania, instalacje BWRO zazwyczaj charakteryzujÄ… siÄ™ odzyskiem na poziomie 70 do 90% i wspóÅ‚czynnikiem zagÄ™szczenia 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) odrzucajÄ… metale ciężkie w podobnym stosunku jak wapÅ„ 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)
JeÅ›li w procesie odsalania uwzglÄ™dniono wstÄ™pne oczyszczanie, woda zasilajÄ…ca RO bÄ™dzie miaÅ‚a obniżony poziom niektórych skÅ‚adników, takich jak rozpuszczone metale, mikroorganizmy i czÄ…stki, ale także nieznacznie zwiÄ™kszone stężenie jonów nieorganicznych, takich jak siarczany, chlorki i żelazo, jeÅ›li stosowane sÄ… koagulanty. Solanka może również zawierać pozostaÅ‚oÅ›ci substancji organicznych z uzdatniania wody źródlanej za pomocÄ… polimerów i antyskalantów.
Wytworzona solanka charakteryzuje siÄ™ niskÄ… mÄ™tnoÅ›ciÄ… (zwykle < 2 NTU), niskÄ… zawartoÅ›ciÄ… zawiesiny ogólnej (TSS) i biochemicznym zapotrzebowaniem na tlen (BZT) (zwykle < 5 mg/l), ponieważ wiÄ™kszość czÄ…stek staÅ‚ych jest w niej usuwana z procesu wstÄ™pnego oczyszczania.
JeÅ›li jednak strumienie boczne procesu wstÄ™pnego oczyszczania zostanÄ… zmieszane i odprowadzone z solankÄ…, mieszanina może mieć zwiÄ™kszonÄ… mÄ™tność, TSS, a czasami BZT. Kwasy i inhibitory kamienia dodawane do wody zasilajÄ…cej sÄ… odrzucane przez membranÄ™ SWRO i również wpÅ‚ywajÄ… na zawartość mineraÅ‚ów i jakość solanki. Poziomy inhibitorów kamienia w koncentracie wynoszÄ… 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 mineraÅ‚ów, pompuje siÄ™ duże iloÅ›ci wody do gruntu. Na przykÅ‚ad, wedÅ‚ug szacunków AmerykaÅ„skiego Instytutu Naftowego, w górnictwie ropy naftowej, na każdÄ… baryÅ‚kÄ™ ropy naftowej podczas typowego wydobycia uzyskuje siÄ™ dziewięć baryÅ‚ek wody. Solanka górnicza zawiera wysokie stężenie soli i niebezpieczne substancje chemiczne, które mogÄ… być bardzo niebezpieczne dla organizmów morskich, a jej skÅ‚adowanie jest jednym z najwiÄ™kszych wyzwaÅ„ Å›rodowiskowych. Do utylizacji nadmiaru solanki stosuje siÄ™ gÅ‚Ä™bokie studnie wtryskowe i powierzchniowe magazynowanie w stawach, co jest uważane za gÅ‚ówne źródÅ‚o zanieczyszczenia wód gruntowych. Solanka kopalniana odprowadzana do morza okazaÅ‚a siÄ™ szkodliwa dla organizmów morskich.
Gatunki powodujÄ…ce osadzanie siÄ™ kamienia w instalacjach odwróconej osmozy (RO) to gÅ‚ównie wÄ™glan wapnia (CaCO3), siarczan wapnia (CaSO4) i siarczan baru (BaSO4). MogÄ… również wystÄ™pować osady z fosforanu wapnia (Ca3(PO4)2), krzemianów lub metali. W celu kontroli osadzania siÄ™ kamienia stosuje siÄ™ obróbkÄ™ kwasem i dozowanie Å›rodka antyskalantowego. W odwróconej osmozy (RO) najczęściej stosowano kwas siarkowy, ale stosowanie Å›rodków antyskalantowych, takich jak polifosforany, fosfoniany lub kwasy poliwÄ™glanowe, staÅ‚o siÄ™ bardzo powszechne ze wzglÄ™du 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 wartoÅ›ciach nieszkodliwe po odpowiednim rozcieÅ„czeniu |
| GÄ™stość Å›cieków | > gÄ™stość wody | zależy od procesu | ↓ bioróżnorodność |
| Tlen rozpuszczony (DO) |
ujÄ™cia studni → zazwyczaj < SW DO ujÄ™cia 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 siÄ™ rozkÅ‚ada |
| Holowane zwiÄ…zki organiczne | zwykle < szkodliwe poziomy |
zmienny skład i stężenia zazwyczaj trihalometany |
dziaÅ‚anie rakotwórcze rozproszenie przy bieżącym i caÅ‚kowitym parowaniu |
|
Dodatki do kontroli kamienia |
|||
| Antyskalanty |
sÅ‚aba/umiarkowana degradowalność + wysokie Å‚adunki caÅ‚kowite → kumulacja, skutki przewlekÅ‚e, nieznane skutki uboczne |
||
|
Dodatki przeciwpieniÄ…ce |
|||
| Åšrodki przeciwpieniÄ…ce (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, jeÅ›li zastosowano ↓ wysokiej jakoÅ›ci stal nierdzewnÄ… | ↑stężenia miedzi i niklu, jeÅ›li ↓ Do wymienników ciepÅ‚a użyto materiaÅ‚ów wysokiej jakoÅ›ci |
Miedź – MSF (15–100 mg/l) – toksyczność dla wiÄ™kszoÅ›ci gatunków; (bio)akumulacja i skutki dÅ‚ugoterminowe Å›ladowe iloÅ›ci metali – brak skutków toksycznych i dÅ‚ugoterminowych (z wyjÄ…tkiem 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 Å›cieków (27%)
- wtrysk do studni głębinowych (13%)
- aplikacja do gruntu (8%)
- stawy odparowujÄ…ce (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 Å›cieków | Zrzut solanki do istniejÄ…cego systemu kanalizacyjnego. Niski koszt i zużycie energii | 27 |
| Zrzut wody morskiej; Powierzchnia | Solanka jest odprowadzana na powierzchniÄ™ wody morskiej. Najpopularniejsza metoda dla wszystkich dużych zakÅ‚adów odsalania wody na Å›wiecie | 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 najczÄ™stszÄ… alternatywÄ…, ponieważ można go stosować w zakÅ‚adach odsalania wody dowolnej wielkoÅ›ci. Utylizacja Å›cieków jest najczęściej stosowanÄ… metodÄ… zrzutu wody z maÅ‚ych zakÅ‚adów odsalania wody. Wtrysk do gÅ‚Ä™bokich studni jest najbardziej odpowiedni dla Å›rednich i dużych instalacji Å›ródlÄ…dowych BW. Zastosowanie na lÄ…dzie i stawy odparowujÄ…ce sÄ… zazwyczaj stosowane w przypadku maÅ‚ych i Å›rednich instalacji, gdzie klimat i warunki glebowe zapewniajÄ… wysokie tempo parowania oraz caÅ‚oroczny wzrost i zbiór roÅ›linnoÅ›ci halofitycznej.
GÅ‚ówne zalety i wady najpopularniejszych metod zarzÄ…dzania solankÄ… przedstawiono w tabeli 4.
table 4, Porównanie metod zarzÄ…dzania solankÄ…
|
Metoda zarzÄ…dzania solankÄ… |
Zalety |
Wady |
|
Zrzut wód powierzchniowych |
|
|
|
OdpÅ‚yw Å›cieków |
|
|
|
Wtłaczanie do studni głębinowej
|
|
|
|
Stawy odparowujÄ…ce
|
|
|
|
Zastosowanie gruntowe |
|
|
table 6 przedstawia koszty budowy instalacji odsalania BWRO i SWRO o wydajnoÅ›ci 40 000 m3/dzieÅ„, odpowiednio przy odzysku 80% – 10 000 m3/dzieÅ„ solanki i 45% – 48 900 m3/dzieÅ„ solanki.
table 6. Koszty budowy metod utylizacji solanki w teoretycznej instalacji odsalania o wydajności 40 000 m3/dzień
|
Metoda zarzÄ…dzania solankÄ… |
BWRO ($ mm) |
SWRO ($ mm) |
|
WypÅ‚yw wód powierzchniowych |
2-10 | 6.5-30 |
|
WypÅ‚yw Å›cieków |
0.5-2 | 1.5-6 |
|
Wtrysk do studni głębinowej |
4-8 | 15-25 |
|
Staw parowy |
30-50 | 140-180 |
|
Nawadnianie zraszajÄ…ce |
8-10 |
30-40 |
Rys. 4. Graficzne przedstawienie przybliżonego podejÅ›cia do nakÅ‚adów inwestycyjnych (CAPEX) konwencjonalnego procesu utylizacji solanki w zależnoÅ›ci od natężenia przepÅ‚ywu solanki
Zwykle odprowadzanie solanki do kanalizacji (ograniczone do niewielkich przepÅ‚ywów solanki) lub do wód powierzchniowych (morza, oceanu lub rzeki) jest lepiej ujÄ™te w przepisach ze wzglÄ™du na ich powszechne zastosowanie. WyÅ‚ożone stawy odparowujÄ…ce z systemem monitorowania wycieków zazwyczaj Å‚atwiej uzyskać pozwolenie niż zastosowanie na lÄ…dzie (utylizacja metodÄ… RIB i nawadnianie zraszajÄ…ce), ponieważ lepiej chroniÄ… lokalne warstwy wodonoÅ›ne.
Czas budowy niektórych systemów odprowadzania solanki, takich jak na przykÅ‚ad dÅ‚ugie odpÅ‚ywy oceaniczne ze zÅ‚ożonymi konstrukcjami dyfuzorów, jest czÄ™sto taki sam, jak czas budowy samej instalacji odsalania i wymaga dÅ‚ugotrwaÅ‚ych badaÅ„ Å›rodowiskowych oraz przeglÄ…du regulacyjnego. Również RIB i gÅ‚Ä™bokie studnie wtryskowe wymagajÄ… szczegóÅ‚owych, czÄ™sto trwajÄ…cych od szeÅ›ciu miesiÄ™cy do roku, badaÅ„ przydatnoÅ›ci i ograniczeÅ„ lokalizacji. Zrzut do kanalizacji sanitarnej jest zazwyczaj najÅ‚atwiejszym sposobem wdrożenia alternatywnego sposobu gospodarowania koncentratem.
Najmniejsze miejsce zazwyczaj znajduje siÄ™ przy odprowadzaniu Å›cieków, a stawy odparowujÄ…ce majÄ… zazwyczaj najwiÄ™ksze wymagania dotyczÄ…ce lokalizacji.
5.6. Ograniczenia niezawodności i eksploatacji
GÅ‚Ä™bokie studnie iniekcyjne nie nadajÄ… siÄ™ do stosowania w strefach sejsmicznych i wymagajÄ… dostÄ™pnoÅ›ci gÅ‚Ä™bokich i silnie zasolonych warstw wodonoÅ›nych. Studnie iniekcyjne bÄ™dÄ… wymagaÅ‚y okresowych przeglÄ…dów 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