תהליכי ריכוך והסרת קשיות

ה"קשיות" במי מלח גבוהים- מתייחסת בעיקר לקטיונים מסלקים כגון סידן (Ca²⁺), מגנזיום (Mg²⁺), סטרונציום (Sr²⁺) ובריום (Ba²⁺). אם לא יוסר טיפול מקדים-, קטיונים אלה יווצרו שכבות אבנית קשות כגון סידן סולפט, סידן פחמתי ומגנזיום סיליקט במהלך תהליך הריכוז הגבוה- שלאחר מכן. אלו עלולים לסתום את נקבוביות הממברנה, לפגוע באלמנטים של הממברנה או להיצמד לצינורות חילופי החום של המאייד, להפחית משמעותית את יעילות העברת החום ולהגדיל את תדירות הניקוי ועלויות התפעול.

להלן מספר תהליכי ריכוך והסרת קשיות לטיפול מקדים בשימוש נפוץ ויעיל ביותר:

1. ריכוך משקעים כימיים

זהו התהליך הקלאסי והנפוץ ביותר. עקרון הליבה שלו הוא הוספת כימיקלים להמרת יוני קשיות למשקע בעל מסיסות נמוכה ביותר, אשר מופרד לאחר מכן על ידי שקיעה או סינון.

א) תהליך אפר ליים-: זוהי השיטה המועדפת לטיפול בשפכים בעלי קשיות- גבוהה, במיוחד כאשר קשיות הסידן גבוהה וקשיות המגנזיום נמוכה.

התגובה היא תהליך דו-שלבי:

הסרת הסתיידות: ראשית, מוסיפים סיד (Ca(OH)₂) כדי להמיר סידן ביקרבונט במים למשקע סידן פחמתי. Ca(HCO₃)₂ + Ca(OH)₂ → 2CaCO₃↓ + 2H₂O

קשיות לא-קרבונטית: לאחר מכן, מוסיפים אפר סודה (Na₂CO₃) כדי להגיב עם קשיות סידן ומגנזיום שאינה-קרבונטית במים.

CaSO4 + Na₂CO₃ → CaCO₃↓ + Na₂SO4

MgSO4 + Ca(OH)₂ → Mg(OH)₂↓ + CaSO4 (ה-CaSO4 שנוצר לאחר מכן מגיב עם אפר סודה).

מאפיינים: ה-pH האופטימלי לניקוי אבנית הוא בדרך כלל 9.5-10.5; להסרת מגנזיום מתקדמת, יש להעלות את ה-pH ל-10.5-11.0 או אפילו גבוה יותר, שכן משקעים של מגנזיום הידרוקסיד דורשים בסיסיות גבוהה יותר. תיאורטית, ניתן להפחית את ריכוזי הסידן ל-30-40 מ"ג/ליטר (נמדד כ-CaCO₃) ואת ריכוזי המגנזיום מתחת ל-10 מ"ג/ליטר.

יתרונות: עלויות ריאגנטים נמוכות (סיד וסודה זולים), טכנולוגיה בוגרת ויכולת טיפול גבוהה.

חסרונות: מייצר כמות גדולה של בוצה כימית (כ-1-3% מנפח המים המטופלים), המצריך יחידות פיזור בוצה נוספות; העלאת ה-pH מגבירה את סך המוצקים המומסים (TDS) במים.

ב) שיטת אפר סודה- סודיום הידרוקסיד: שיטה זו משתמשת בסודה קאוסטית נוזלית (NaOH) במקום סיד והיא מתאימה ליישומים עם קשיות מגנזיום גבוהה או כאשר החדרת יוני סידן נוספים אינה רצויה.

עִקָרוֹן:

Mg²⁺ + 2NaOH → Mg(OH)₂↓ + 2Na⁺

Ca²⁺ + Na₂CO₃ → CaCO₃↓ + 2Na⁺

מאפיינים: בהשוואה לשיטת הסיד, כמות הבוצה המיוצרת היא כ-30-50% פחות. מכיוון שלא מוכנסים יוני סידן, הבוצה מורכבת בעיקר מ-Mg(OH)₂ ו- CaCO₃, וכתוצאה מכך יש בוצה טהורה יותר.

עלות: העלות של NaOH גבוהה משמעותית מזו של סיד, וכתוצאה מכך עלויות תפעול גבוהות יותר. שיטה זו משמשת בדרך כלל עבור נפחי מים קטנים עד בינוניים או כאשר איכות בוצה גבוהה היא חיונית.

תפעול: ציוד הטחינה וההכנה הנדרש למערכות מינון סיד אינו נדרש, וכתוצאה מכך סביבת הפעלה נקייה יותר.

ג)-משקעים משותפים (תוספת של עזרי קרישה)

כדי לשפר את יעילות המשקעים ואיכות הקולחים, בדרך כלל מוסיפים כמות קטנה של חומר קצף (כגון PAM) וחומרי קרישה (כגון ברזל כלוריד FeCl₃) במהלך תהליך המשקעים הכימיים. זה יכול להפחית את עכירות הקולחים מתחת ל-10 NTU, ולהפחית את העומס על יחידות הסינון הבאות.

2. שיטת החלפת יונים

למרות שמשקעים כימיים הם חסכוניים-, הקשיות הנותרת של הקולחים שלו עדיין עשויה להיות גבוהה מדי עבור מערכות ממברנות רגישות כמו אוסמוזה הפוכה (RO). החלפת יונים יכולה לשמש כתהליך ליטוש להסרת קשיות עמוקה.

באמצעות שרפים חזקים לחילופי קטונים חומציים, יוני נתרן (Na⁺) מחליפים יוני סידן ומגנזיום במים.

2R-Na + Ca²⁺ → R₂-Ca + 2Na⁺

מאפיינים: איכות קולחים מעולה, עם קשיות שיורית נשלטת ביציבות ב<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.

תרחיש יישום: ננופילטרציה בדרך כלל אינה משמשת רק לריכוך ראשוני של שפכים עם מליחות- גבוהה מכיוון שהמליחות הגבוהה (TDS גבוהה) של המים הגולמיים מתחרה עם יונים קשיות על אתרי החלפה על השרף, וכתוצאה מכך ירידה חדה בקיבולת השרף, התחדשות תכופה ויעילות כלכלית ירודה. זה מתאים יותר לריכוך עמוק משני לאחר טיפול מקדים של משקעים כימיים.

3. סינון ננו של ממברנה

ננופילטרציה היא טכנולוגיית ממברנה בין אוסמוזה הפוכה לאולטרה סינון. השפעות המטען והניפוי הייחודיות שלו מעניקות לו יתרונות מובהקים בתחום הריכוך.

Nanofiltration membranes have a high rejection rate (>95-98%) ליונים דו ערכיים (כגון Ca⁺, Mg⁺ ו-SO₄²⁻), בעוד ששיעור הדחייה של יונים חד ערכיים (כגון Na⁺ ו-Cl⁻) נמוך יותר (20-80%).

מאפיינים: שיעור ההסרה התיאורטי של סידן סולפט (CaSO₄) יכול להגיע ל-99.8%, ולמעשה מונע היווצרות אבנית סולפט. לחץ ההפעלה הוא בדרך כלל 5-15 בר, נמוך בהרבה מזה של ממברנות RO, וכתוצאה מכך צריכת אנרגיה נמוכה יחסית.

יתרונות: תהליך פיזי, ללא צורך בריאגנטים, ללא בוצה כימית שנוצרת; יכול להסיר בו זמנית קצת חומר אורגני וצבע.

חסרונות: חייב להתבסס על טיפול מקדים טוב (כגון אולטרה-פילטרציה (UF)) כדי למנוע עכירות ממברנות; מייצרת תמיסה מרוכזת (מי בוש) עם קשיות גבוהה יותר, הדורשת טיפול לאחר מכן; ועלויות השקעה גבוהות.

יישומים: מתאים במיוחד ל-טיפול מקדים במים עם מליחות- גבוהה עם קשיות סולפט גבוהה ותכולה אורגנית גבוהה.

4. מיקרופילטרציה צינורית (TMF)

משתמש בתגובת משקעים כימית (כגון תהליך הסודה-סיד) כדי להמיר יוני קשיות למשקעים בלתי מסיסים (כגון CaCO₃ ו-Mg(OH)₂). עם זאת, שלב הפרדת המים של הבוצה- שלאחר מכן אינו מסתמך עוד על שקיעת כוח הכבידה, אלא מתבצע באמצעות סינון- ביעילות גבוהה של ממברנת המיקרו-פילטרציה הצינורית.

יחידת תגובה כימית: מי שפכים מעורבבים היטב ומגיבים עם חומרי ריכוך (כגון סיד, אפר סודה ו-NaOH) במיכל תגובה או בכור, ויוצרים חלקיקי משקעים בגודל מיקרון- או אפילו ננומטר-.

יחידת הפרדת ממברנה: שפכי התגובה העשירים במשקעים- נכנסים ישירות למערכת ממברנות המיקרו-סינון הצינוריות. המיקרונקבוביות (בדרך כלל 0.1-0.2 מיקרומטר) בדופן הממברנה מאפשרות רק למים ומלחים מומסים לעבור דרכם, תוך יירוט מוחלט של כל החלקיקים המשקעים, החומר המרחף, הקולואידים ורוב החיידקים והנגיפים, תוך השגת הפרדה מיידית ויעילה של מים בוציים.

מודול ממברנה: מורכב ממספר רב של ממברנות צינוריות מקבילות, בדרך כלל בקוטר של 5-12 מ"מ, עם תמיכה פנימית ושכבת סינון על פני השטח. עיצוב בקוטר גדול זה מספק עמידות יוצאת דופן בפני זיהום ובלאי.

משאבת מחזור: מספקת מהירות- זרימה צולבת על פני הממברנה (בדרך כלל 3-4.5 מ' לשנייה). קצב זרימה גבוה זה שוטף במרץ את פני הממברנה, ובכך מונע ביעילות התכלות וסתימה.

מצב תפעול: נעשה שימוש במערכת סינון במחזור, כאשר התרכיז חוזר ברציפות בחזרה לתוך הכור כדי לשמור על ריכוז מוצקים גבוה (עד 1-3%). חלל (מי מוצר) נשפך ברציפות. כאשר ריכוז הבוצה בכור מגיע לרמה מסוימת (למשל, 2.5-3%), חלק מהבוצה המרוכזת נפרק אוטומטית.

יתרונות: איכות קולחים מעולה ויציבה, עם עכירות נמוכה באופן עקבי של<0.2 NTU and an SDI15 value of <3 (typically <1).

ריכוז בוצה גבוה עם נפח מינימלי: מערכת TMF פולטת בוצה בריכוז של 2.5%-3.5% (במשקל). הפחתה זו בנפח הבוצה בלמעלה מ-60% מפחיתה באופן משמעותי את העומס והעלות של יחידות פיזור הבוצה הבאות (למשל, צריכת כימיקלים וצריכת חשמל עבור צנטריפוגות ומכבשי מסנן לוחות ומסגרת).

טביעת הרגל הקומפקטית והעיצוב המודולרי מבטלים את הצורך במיכלי שיקוע מגושמים ומסנני מדיה רב-, וכתוצאה מכך מערכת משולבת מאוד שיכולה להפחית את טביעת הרגל ב-50%-70%.

חסרונות: דורש משאבת מחזור כדי לספק מהירויות זרימה-ת גבוהות, וכתוצאה מכך צריכת חשמל גבוהה יחסית של המערכת (אם כי זה מקוזז בחלקו על ידי מופחת עלויות טיפול בבוצה). אלמנטים של ממברנה דורשים ניקוי כימי רגיל (CIP), בדרך כלל עם שטיפה חומצית (למשל, חומצת לימון) כדי להסיר אבנית אנאורגנית ושטיפה אלקלית (למשל, NaOH) כדי להסיר מזהמים אורגניים. ממברנות צינוריות באיכות-גבוהות, כשהן מתוחזקות כראוי, יכולות להחזיק מעמד 5-7 שנים.