„Tvrdosť“ vo vysoko-slanej vode sa primárne vzťahuje na katióny vodného kameňa, ako je vápnik (Ca²⁺), horčík (Mg²⁺), stroncium (Sr²⁺) a bárium (Ba²⁺). Ak sa neodstráni pred-úprava, tieto katióny vytvoria počas následného procesu vysokej-koncentrácie vrstvy tvrdého kameňa, ako je síran vápenatý, uhličitan vápenatý a kremičitan horečnatý. Tie môžu upchať póry membrány, poškodiť membránové prvky alebo priľnúť k teplovýmenným rúrkam výparníka, čím sa výrazne zníži účinnosť prenosu tepla a zvýši sa frekvencia čistenia a prevádzkové náklady.
Nasleduje niekoľko bežne používaných a vysoko účinných procesov zmäkčovania a odstraňovania tvrdosti predúpravy:
1. Chemické zmäkčovanie
Toto je najklasickejší a najpoužívanejší proces. Jeho základným princípom je pridanie chemikálií na premenu tvrdých iónov na zrazeninu s extrémne nízkou rozpustnosťou, ktorá sa potom oddelí sedimentáciou alebo filtráciou.
a) Proces vápna-sódy: Toto je preferovaný spôsob čistenia odpadových vôd s vysokou-tvrdosťou, najmä ak je tvrdosť vápnika vysoká a tvrdosť horčíka je nízka.
Reakcia pozostáva z dvoch{0}}krokov:
Odstránenie kalcifikácie: Najprv sa pridá vápno (Ca(OH)₂), aby sa hydrogénuhličitan vápenatý vo vode premenil na zrazeninu uhličitanu vápenatého. Ca(HCO₃)₂ + Ca(OH)₂ → 2CaCO₃↓ + 2H₂O
Ne-uhličitanová tvrdosť: Potom sa pridá sóda (Na₂CO₃), aby reagovala s ne-uhličitanovou tvrdosťou vápnika a horčíka vo vode.
CaSO₄ + Na₂CO3 → CaCO₃↓ + Na₂SO₄
MgSO4 + Ca(OH)₂ → Mg(OH)₂↓ + CaSO4 (výsledný CaSO4 potom reaguje so sódou).
Vlastnosti: Optimálne pH na odvápnenie je všeobecne 9,5-10,5; na pokročilé odstraňovanie horčíka je potrebné zvýšiť pH na 10,5-11,0 alebo dokonca vyššie, pretože zrážanie hydroxidu horečnatého vyžaduje vyššiu alkalitu. Teoreticky môžu byť koncentrácie vápnika znížené na 30-40 mg/l (merané ako CaCO3) a koncentrácie horčíka pod 10 mg/l.
Výhody: Nízke náklady na činidlá (vápno a sóda sú lacné), vyspelá technológia a vysoká kapacita spracovania.
Nevýhody: Vytvára veľké množstvo chemického kalu (približne 1-3 % objemu upravovanej vody), čo si vyžaduje ďalšie jednotky na odvodňovanie kalu; zvýšenie pH zvyšuje celkové množstvo rozpustených pevných látok (TDS) vo vode.
b) Metóda hydroxidu sodného-sodného popolčeka: Táto metóda používa namiesto vápna tekutý lúh sodný (NaOH) a je vhodná pre aplikácie s vysokou tvrdosťou horčíka alebo keď je nežiaduce zavádzanie ďalších vápenatých iónov.
Princíp:
Mg²⁺ + 2NaOH → Mg(OH)₂↓ + 2Na⁺
Ca²⁺ + Na₂CO₃ → CaCO₃↓ + 2Na⁺
Vlastnosti: V porovnaní s vápennou metódou je množstvo produkovaného kalu približne o 30-50% menšie. Pretože sa neprivádzajú žiadne vápenaté ióny, kal je primárne zložený z Mg(OH)2 a CaC03, čo vedie k čistejšiemu kalu.
Náklady: Cena NaOH je výrazne vyššia ako cena vápna, čo má za následok vyššie prevádzkové náklady. Táto metóda sa bežne používa pre malé až stredné objemy vody alebo tam, kde je rozhodujúca vysoká kvalita kalu.
Prevádzka: Zariadenie na mletie a prípravu potrebné pre systémy dávkovania vápna nie je potrebné, výsledkom čoho je čistejšie prevádzkové prostredie.
c) Súbežné zrážanie (pridanie koagulačných pomocných látok)
Na zlepšenie účinnosti zrážania a kvality odtoku sa počas procesu chemického zrážania typicky pridáva malé množstvo flokulantu (ako je PAM) a koagulačného činidla (ako je chlorid železitý FeCl3). To môže znížiť zákal odpadovej vody pod 10 NTU, čím sa zníži zaťaženie nasledujúcich filtračných jednotiek.
2. Metóda iónovej výmeny
Hoci chemické zrážanie je nákladovo{0}}efektívne, zvyšková tvrdosť jeho odpadovej vody môže byť stále príliš vysoká pre citlivé membránové systémy, ako je reverzná osmóza (RO). Iónová výmena sa môže použiť ako proces leštenia na hlboké odstránenie tvrdosti.
Použitím silne kyslých katexových živíc nahradia ióny sodíka (Na⁺) vo vode ióny vápnika a horčíka.
2R-Na + Ca²⁺ → R₂-Ca + 2Na⁺
Vlastnosti: Vynikajúca kvalita odpadovej vody so stabilne kontrolovanou zvyškovou tvrdosťou<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.
Aplikačný scenár: Nanofiltrácia sa vo všeobecnosti nepoužíva iba na primárne zmäkčenie vysoko{0}}slanej odpadovej vody, pretože vysoká slanosť (vysoká TDS) surovej vody súťaží s iónmi tvrdosti o výmenné miesta na živici, čo vedie k prudkému poklesu kapacity živice, častej regenerácii a nízkej ekonomickej efektívnosti. Je vhodnejší na sekundárne hĺbkové zmäkčenie po chemickej predúprave zrážaním.
3. Membránová nanofiltrácia
Nanofiltrácia je membránová technológia medzi reverznou osmózou a ultrafiltráciou. Jeho jedinečný náboj a sitový efekt mu dávajú výrazné výhody v oblasti zmäkčovania.
Nanofiltration membranes have a high rejection rate (>95-98 %) pre dvojmocné ióny (ako je Ca+, Mg+ a SO42-), zatiaľ čo miera odmietnutia pre jednomocné ióny (ako je Na+ a Cl-) je nižšia (20-80 %).
Vlastnosti: Teoretická rýchlosť odstraňovania síranu vápenatého (CaSO₄) môže dosiahnuť 99,8%, čo účinne zabraňuje tvorbe síranového kameňa. Prevádzkový tlak je zvyčajne 5-15 bar, oveľa nižší ako u RO membrán, čo vedie k relatívne nízkej spotrebe energie.
Výhody: Fyzikálny proces, nie sú potrebné žiadne činidlá, nevzniká žiadny chemický kal; môže súčasne odstrániť niektoré organické látky a farby.
Nevýhody: Musí byť založené na dobrej predbežnej úprave (ako je ultrafiltrácia (UF)), aby sa zabránilo znečisteniu membrány; vytvára koncentrovaný roztok (voda z kríkov) s vyššou tvrdosťou, ktorá si vyžaduje následnú úpravu; a má vysoké investičné náklady.
Aplikácie: Zvlášť vhodné na predúpravu-vysoko{1}}slanej vody s vysokou síranovou tvrdosťou a vysokým obsahom organických látok.
4. Tubulárna mikrofiltrácia (TMF)
Používa chemickú zrážaciu reakciu (ako je vápenný-proces sódy) na premenu tvrdých iónov na nerozpustné zrazeniny (ako je CaCO₃ a Mg(OH)₂). Následný krok{2}}oddeľovania kalovej vody sa však už nespolieha na gravitačné usadzovanie, ale namiesto toho sa uskutočňuje pomocou vysokoúčinnej filtrácie-tubulárnej mikrofiltračnej membrány.
Jednotka chemickej reakcie: Odpadová voda sa dôkladne premieša a nechá reagovať so zmäkčovacími činidlami (ako je vápno, sóda a NaOH) v reakčnej nádrži alebo reaktore, pričom sa vytvoria častice zrazeniny s veľkosťou mikrón{0}} alebo dokonca nanometrov{1}}.
Membránová separačná jednotka: Reakcia bohatá na zrazeniny- vstupuje priamo do tubulárneho mikrofiltračného membránového systému. Mikropóry (zvyčajne 0,1-0,2 μm) v stene membrány prepúšťajú iba vodu a rozpustené soli, pričom úplne zachytia všetky vyzrážané častice, suspendované látky, koloidy a väčšinu baktérií a vírusov, čím sa dosiahne okamžitá a účinná separácia kalnej vody.
Membránový modul: Pozostáva z viacerých paralelných tubulárnych membrán, typicky s priemerom 5-12 mm, s vnútornou podperou a filtračnou vrstvou na povrchu. Tento dizajn s veľkým priemerom poskytuje výnimočnú odolnosť voči kontaminácii a opotrebovaniu.
Cirkulačné čerpadlo: Poskytuje krížovú{0}}rýchlosť prúdenia cez membránu (zvyčajne 3 – 4,5 m/s). Tento vysoký prietok energicky preplachuje povrch membrány, čím účinne zabraňuje znečisteniu a upchávaniu.
Prevádzkový režim: Používa sa cirkulačný filtračný systém, pričom koncentrát kontinuálne recirkuluje späť do reaktora, aby sa udržala vysoká koncentrácia pevných látok (až 1-3 %). Permeát (produktová voda) sa nepretržite vypúšťa. Keď koncentrácia kalu v reaktore dosiahne určitú úroveň (napr. 2,5-3 %), časť koncentrovaného kalu sa automaticky vypustí.
Výhody: Vynikajúca a stabilná kvalita odpadovej vody s trvalo nízkym zákalom<0.2 NTU and an SDI15 value of <3 (typically <1).
Vysoká koncentrácia kalu s minimálnym objemom: Systém TMF vypúšťa kal v koncentrácii 2,5 % - 3,5 % (hmotnostne). Toto zníženie objemu kalu o viac ako 60% výrazne znižuje zaťaženie a náklady na následné jednotky na odvodňovanie kalu (napr. spotreba chemikálií a energie pre odstredivky a doskové a rámové filtračné lisy).
Kompaktný pôdorys a modulárny dizajn eliminujú potrebu objemných sedimentačných nádrží a multi{0}}mediálnych filtrov, čo vedie k vysoko integrovanému systému, ktorý dokáže znížiť pôdorys o 50 % až 70 %.
Nevýhody: Vyžaduje obehové čerpadlo, ktoré poskytuje vysoké priečne{0}}rýchlosti prúdenia, čo vedie k relatívne vysokej spotrebe energie systému (hoci je to čiastočne kompenzované zníženými nákladmi na spracovanie kalu). Membránové prvky vyžadujú pravidelné chemické čistenie (CIP), typicky s kyslým umývaním (napr. kyselinou citrónovou) na odstránenie anorganického vodného kameňa a alkalickým umývaním (napr. NaOH) na odstránenie organických nečistôt. Vysokokvalitné-tubulárne membrány môžu pri správnej údržbe vydržať 5 až 7 rokov.