Системи за нулеви отпадъчни води в индустрията

В и КСп. Инженеринг ревю - брой 8/2018 • 29.11.2018

Системи за нулеви отпадъчни води в индустрията
Системи за нулеви отпадъчни води в индустрията

Недостигът на прясна вода, едно от най-значимите съвременни предизвикателства, представлява сериозна заплаха за разрастването на икономиката и състоянието на екосистемите.

Проблемът се усложнява още от климатичните изменения и натиска от икономическото развитие и индустриализацията. Общественият и промишленият сектор консумират съществени количества прясна вода, като същевременно генерират и огромни обеми отпадъчни води. В случай че не се третират по подходящ начин, те могат да доведат до силно замърсяване на околната среда и да окажат негативно въздействие върху водните екосистеми и човешкото здраве.

Възстановяването и рециклирането на отпадъчни води е нарастваща тенденция през последното десетилетие поради повишаващото се търсене на вода. Повторната употреба на отпадъчни води не само свежда до минимум обема и екологичния риск на изпусканите потоци, но и ограничава натиска върху екосистемите, свързан с водочерпенето.

Благодарение на повторната употреба отпадъчните води вече не се считат просто за отпадък, който вреди на околната среда, а за допълнителен ресурс, който може да бъде оползотворен за постигане на висока водна ефективност и устойчивост.

Концепцията за нулеви отпадъчни води (zero liquid discharge, ZLD) е амбициозна стратегия, при която течните отпадъчни потоци, изпускани от промишлените предприятия, се елиминират посредством възстановяване с цел повторна употреба. Чрез ZLD се избягва рискът от замърсяване, свързан с изпускането на отпадъчните води, и максимално се повишава водната ефективност, като се постига баланс между използването на водни ресурси и опазването на водните екосистеми.

Внедряването на ZLD обаче е свързано с голямо енергопотребление и високи разходи. Поради това в продължение на много години концепцията се счита за нежизнеспособна и се прилага в ограничен брой случаи.

В последните години обаче недостигът на прясна вода и замърсяването на околната среда отново събуждат глобалния интерес към ZLD. По-строгите нормативни изисквания, увеличаващите се разходи за пречистване на отпадъчни води и повишаващата се стойност на прясната вода ще превърнат концепцията в целесъобразна и дори необходима опция за управление на отпадъчни води. Според пазарни проучвания годишните инвестиции в ZLD ще достигнат 100-200 млн. щатски долара.

Ранните системи за нулеви отпадъчни води са базирани на термични процеси, при които отпадъчните води се изпаряват в концентратор, а отделените соли се подават в кристализатор или изпарителен басейн. Кондензиралият воден дестилат в ZLD системите се събира за повторна употреба, а солите или се изпращат на депо, или се възстановяват като ценни странични продукти. Подобни системи, успешно използвани в продължение на над 40 години, изискват значителни количества енергия и капиталови разходи.

Обратната осмоза, мембранна технология широко използвана при обезсоляване, е внедрена в ZLD системите с цел повишаване на енергийната и икономическата им ефективност. Въпреки че е с много по-добра енергийна ефективност отколкото изпарението, обратната осмоза може да се прилага само за отпадъчни води с определен диапазон на соленост. Поради това активно се работи по алтернативни технологии за концентриране на соли като електродиализа, осмоза и мембранна дестилация.

Макар ZLD концепцията да обещава редуциране на замърсяването на водите и подобряване на водната ефективност, жизнеспособността й се определя от баланса между ползите от прилагането й, енергопотреблението и капиталовите/експлоатационните разходи. Затова е важно да се разберат добре факторите и предимствата, които превръщат ZLD в реалистична опция. Внедряването на нови технологии дава възможност за намаляване на консумацията на енергия и разходите и позволява разширяване на приложимостта на ZLD системите.

Конвенционални системи
За изпарение на водата в солните концентратори обикновено се използва механично сгъстена пара. Отпадъчните води се подгряват предварително с полезната топлинна енергия на получения дестилат, след което се смесват с рециркулиращата солна суспензия. От горния край на концентратора тя преминава в група топлообменни тръби и се стича надолу.

В резултат на това солният разтвор образува тънък филм по вътрешната тръбна повърхност, където се осъществява изпарението на водата. Получената водна пара се подава към парния компресор, който осигурява сгъстената пара за външната повърхност на топлообменните тръби. Свръхнагрятата пара кондензира, предавайки латентната си топлинна енергия за изпарението на стичащата се солна суспензия. Кондензатът се стича по топлообменните тръби и се събира като дестилат, служещ за предварителното подгряване на постъпващите отпадъчни води.

Формирането на тънък филм подобрява топлопреноса, намалявайки енергопотреблението на компресора. Използването на устройства за възстановяване на енергията също може да допринесе в това направление. Дори така обаче концентраторите с механично сгъстена пара потребяват големи количества енергия – обикновено между 20 и 25 kWh/m3 отпадъчна вода.

Получените от тези съоръжения концентрирани солни разтвори се подават към кристализатори, където остатъчните количества вода се възстановяват. Подобно на концентраторите и тук се използват парни компресори за осигуряване на необходимата за изпарението на водата топлинна енергия.

Вискозните солни разтвори се изпомпват през потопени топлообменни тръби под налягане, което предотвратява кипенето и последващото образуване на отлагания по вътрешността на тръбите. Енергоконсумацията на кристализаторите достига 52-66 kWh/m3 третирана вода, което се равнява на почти три пъти енергопотреблението на концентраторите с механично сгъстена пара. Това покачване на консумацията на енергия е неизбежно, тъй като в кристализаторите се преработват разтвори с много по-високи соленост и вискозитет.

Изпарителните басейни могат да бъдат използвани като конкурентна алтернатива на кристализаторите за солни разтвори. Те оползотворяват естествената слънчева енергия и следователно се отличават с по-ниски експлоатационни разходи. Изпарителните езера обаче са подходящи за третиране само на малки обеми вода и то в региони с високи скорости на изпарение и ниска цена на земята. Широкото им приложение се възпрепятства и от високите капиталови разходи и екологичния риск от изтичане на опасни вещества в околната среда.

Въпреки ограниченията им кристализаторите и изпарителните басейни са незаменими за ZLD системите. Затова фокусът на научноизследователската дейност в областта е насочен към намаляване на обема концентрирани солни разтвори, постъпващи в кристализаторите или изпарителните езера.

За разлика от термичните процеси при използването на обратна осмоза не е необходимо получената вода да претърпи фазов преход, за да се постигне разделяне, като по този начин се елиминират необратимите загуби, свързани с изпарението и кондензацията. В допълнение, модулният характер на мембранните технологии осигурява гъвкавост по отношение на адаптирането на обратната осмоза за съоръжения за пречистване на води. Благодарение на това процесът може да се използва за предварително концентриране на отпадъчните води преди енергоемките термични процеси, което увеличава енергийната и разходната ефективност на ZLD системите.

Приложението на обратна осмоза за ZLD обаче се ограничава от два фактора – замърсяването на мембраната и солеността на третираните води. Замърсяването/образуването на отлагания редуцира пропускливостта и експлоатационния живот на мембраните за обратна осмоза. Затова често е необходимо предварително третиране на обработваната вода, включващо химично омекотяване, регулиране на pH и йонообменно пречистване. Тези методи изискват използване на химикали, което е свързано с генериране на допълнителни количества отпадъци и повишаване на оперативните разходи.

Нови технологии
При електродиализата разтворените йони се отстраняват с помощта на приложен електрически потенциал през йонообменна мембрана. За разлика от мембраните за обратна осмоза, които не пропускат никакви йони, йонообменните мембрани позволяват селективното преминаване на противоположно заредените йони и не пропускат йоните със същия заряд.

Катионите се движат към отрицателно заредения катод, като преминават през катион-обменните мембрани, докато анионите се движат в обратна посока през анион-обменни мембрани. В резултат на тези едновременни процеси се получават два потока – обезсолен дилуат и концентриран солен разтвор. В модифицирания вариант на електродиализата (обратима електродиализа) полярността на електродите се сменя периодично, за да се минимизира замърсяването и образуването на отлагания.

В сравнение с обратната осмоза електродиализата и обратимата електродиализа могат да се използват за концентриране на води с по-висока соленост (над 100 000 mg/l). При концентриране на такива разтвори енергопотреблението е между 7 и 15 kWh/m3 отпадъчна вода, което е по-малко, отколкото при концентраторите с механично сгъстена пара.

Общите разходи за оборудване и енергия също са по-ниски в сравнение с конвенционалните системи. В сравнение с много ниската концентрация на разтворени твърди вещества във водата, получаваща се от концентраторите или в резултат на обратна осмоза, солеността на потока води от съоръженията за електродиализа може да е много по-висока, което е индикатор за компромис между качеството на изходящата вода и общите разходи за енергопотребление и капиталови инвестиции.

За разлика от обратната осмоза, протичаща благодарение на хидравличното налягане, при осмозата преминаването на водата през полупропусклива мембрана се осъществява в резултат на разлика в осмотичното налягане. При този процес потокът се движи от отпадъчната вода към концентриран разтвор с по-високо осмотично налягане. Полученият солен разтвор се подава към кристализатор или изпарителен басейн. Тъй като тук движещата сила е осмотичното налягане, могат да бъдат третирани отпадъчни води с много по-висока соленост, отколкото при обратната осмоза.

Мембранната дестилация е термичен процес на обезсоляване, при който в резултат на частична разлика в парното налягане парата преминава през хидрофобна микропорьозна мембрана. Отпадъчната вода се подгрява и получената температурна разлика между нея и по-студения пермеат създава разлика в парното налягане, която обуславя движението на парния поток.

Едната възможност е водният пермеат да бъде в пряк контакт с мембраната, а другата – водната пара да бъде събрана върху кондензационна повърхност, отделена от мембраната.

Мембранната дестилация е по-енергоемка от обратната осмоза и електродиализата, защото за отделянето на водата е необходим фазов преход течност-пара. Процесът е подходящ за третиране на отпадъчни води с висока соленост.

Екологични въздействия
Въпреки основната си цел за намаляване на замърсяването и повишаване на водната ефективност, прилагането на ZLD концепцията води и до нежелани въздействия върху околната среда.

Един от рисковете произлиза от генерираните твърди отпадъци. Например съхраняваните в изпарителни басейни твърди отпадъци имат потенциал за причиняване на проблеми, свързани с миризми, оказване на негативни въздействия върху биоразнообразието и създаване на риск от просмукване в почвата и подземните води. Предотвратяването на тези въздействия изисква използването на непропускливи мембрани и надеждни системи за мониторинг.

Както бе споменато, системите за ZLD консумират големи количества енергия, което е свързано с отделянето на значителни емисии на парникови газове. Някои методи за предварително третиране, например ацидификация, последвана от дегазификация, водят до отделяне на въглероден диоксид от отпадъчната вода в атмосферата. Внедряването на технологии с по-висока енергийна ефективност като обратната осмоза може съществено да редуцира емисиите на парникови газове.

В допълнение, новите ZLD технологии, позволяващи оползотворяването на нискокачествена или възобновяема енергия (отпадна топлина, соларна или геотермална енергия), също могат да допринесат за редуциране на въглеродния отпечатък на системите за нулеви отпадъчни води.

Бъдещият ръст на пазара за ZLD технологии ще зависи силно от регулаторните стимули, които трябва да надделеят над икономическите недостатъци. Сериозните последствия от замърсяването на водите привличат все повече обществения интерес, което ще доведе до въвеждането на все по-строги норми за качеството на пречистените отпадъчни води. Очаква се това, от своя страна, да доведе до по-широкото приложение на ZLD технологиите сред силно замърсяващите индустриални сектори.

Top