Articolo Tecnico
Trattamento VSEP di Rigetto Osmosi Inversa da Pozzo di
Acqua Salmastra
Un Confronto dei Metodi di Trattamento Convenzionali
e VSEP, un Sistema di Filtrazione a Membrana Vibrante.
Greg Johnsona, Larry Stowell a, Michele Monroea
a
New Logic Research, Inc.
1295 67th Street, Emeryville, CA 94608
Presentata: 2006 El Paso Desalination Conference, El Paso Texas March 15 th - 17th, 2006
Parole Chiavi: Membrana, Sporcamento, Incrostazioni Minerarie, Limiti di Solubilità, Osmosi Inversa, Filtrazione
Astratto
Convenzionali sistemi a membrana ad avvolgimento a spirale mediante membrane ad osmosi inversa o nanofiltrazione sono sempre più utilizzati per il trattamento di acqua di pozzo da fonti sotterranee per integrare locali
approvvigionamento di acqua potabile. Molte delle restanti fonti d'acqua sotterranee sono sorgenti di acqua
“salmastra” in cui i solidi disciolti possono essere 5.000 mg/L o anche di più. Uno degli aspetti tecnici più
complicati della tecnologia convenzionale a membrana ad avvolgimento a spirale è il trattamento del sale
concentrato residuo lasciato alla fine del processo. New Logic Research, in Emeryville California, ha sviluppato
e prodotto un nuovo sistema di filtrazione a membrana vibrante che non è ostacolato dalla solubilità dei sali
poco solubili ed è capace di ottenere un recupero estremamente elevato dall’acqua trattata. L'utilizzo di un
meccanismo a membrana vibrante per evitare incrostazioni della membrana è nuovo ed è il necessario
miglioramento per aumentare la produzione di acqua filtrata da pozzo di acqua salmastra.
La tecnologia VSEP, Vibratory Shear Enhanced Process, è stata installata in altre aree per il trattamento delle
acque superficiali per ottenere acqua ultra pura ed è stata utilizzata anche in impianti di produzione per trattare
rigetto di acque reflue da altri sistemi a membrana per aiutare a raggiungere Zero-Scarico. Recenti studi sono
stati condotti adoperando la tecnologia VSEP per esaminare il suo utilizzo nella filtrazione di acque di pozzo
salmastre e per ridurre il volume di rigettato da altri sistemi a membrana ad avvolgimento a spirale. Questo
approccio estenderà l'uso della tecnologia VSEP al mercato di acqua potabile municipale in aggiunta al
trattamento chimico e ai mercati di produzione dove la tecnologia è stata utilizzata per molti anni. Questo
articolo discuterà i risultati del recente studio e seguiranno confronti tra l'uso di VSEP e altri metodi di
smaltimento per il rigettato salmastro attualmente utilizzati o considerati.
Trattamento del Rigetto RO Salmastro usando la Tecnologia VSEP
1
Background Approvvigionamento Idrico
Con le popolazioni in aumento e le fonti d'acqua sempre più limitate, maggiore attenzione viene rivolta su come
l'acqua viene usata e riusata. L’industria, l’agricoltura e gli utenti di acqua domestica sono tutti in competizione
per questa preziosa risorsa naturale. Molti del Sud-Ovest degli Stati Uniti stanno vedendo drammatici tassi di
crescita della popolazione, mentre i livelli di popolazione del Nord e Nord-Est rimangono abbastanza stabili. Il
problema è che le popolazioni sono in aumento in zone del paese con risorse idriche limitate. Ad esempio, l'US
Census Bureau [7] stima che la popolazione dell’Arizona raddoppierà entro i prossimi 25 anni.
L'Ufficio di Acqua EPA ha recentemente stimato il capitale necessario per i prossimi 20 anni sia per l'acqua che
per le acque reflue ed è quasi di 500 miliardi di dollari (EPA, Analisi di Acqua Pulita e Potabile, 2002), stima
che non tiene conto dell'inflazione. EPA attribuisce tali costi di adeguamento agli impianti di trattamento e
infrastrutture che sono obsolete, standard più rigorosi di acqua potabile e reflua, spese in aumento e polemiche
associate ai progetti di miglioramento del capitale.
Durante gli anni 1970 e 1980, EPA ha fornito più di 60 miliardi di dollari per la costruzione di progetti pubblici
di trattamento delle acque reflue attraverso il Programma di sovvenzionamento Construction Grants. [1] Clean
Water Act (CWA) del 1987 ha cambiato il Programma Construction Grants e attraverso una modifica del CWA,
il programma di sovvenzione è stato terminato nel 1990. Secondo la nuova procedura, EPA ha avviato il State
Revolving Fund (SRF), attraverso il quale si fornisce capitale di avviamento capitalizzato allo stato, che a sua
volta offre prestiti a basso interesse alle comunità locali per progetti comunali. L'effetto netto è che, sebbene i
distretti municipali locali ricevono prestiti a basso costo, questi devono ora pagare per il 100% dei progetti di
miglioramento del capitale. Nell'ambito del Programma Construction Grants, EPA ha pagato direttamente circa
la metà di questi costi.
Ora che le società di servizi d’acqua locali sono
responsabili al 100% del costo di capitale dei
progetti, la costruzione di grandi progetti come
dighe e acquedotti sarà notevolmente ridotta. Di
fronte all'invecchiamento delle infrastrutture e alla
limitata capacità, distretti idrici comunali stanno
lavorando sui modi per ottimizzare i sistemi
esistenti e integrare le fonti convenzionali di acqua
potabile
mediante
progetti
d'investimento
relativamente piccoli. [3] Acqua di pozzo viene
sempre più usata come fonte di acqua grezza per la
distribuzione sul mercato di acqua municipale.
Questi progetti d'investimento relativamente piccoli
possono essere implementati rapidamente per
integrare risorse idriche e il loro costo è in linea
con quanto i distretti idrici locali sono in grado di
gestire.
Impianti di Desalinazione in Texas
Ci sono attualmente circa 100 impianti di desalinizzazione d'acqua salmastra in Texas. La maggior parte utilizza
acqua di pozzo salmastra, ma circa un sesto utilizza acqua salmastra superficiale. Non ci sono impianti di
desalinizzazione di acqua di mare attualmente in Texas. Il corrente output di acqua trattata in questi impianti
ammonta a circa 6246 m3/ora (39,6 MGD). Da qui, un flusso di rifiuti di 1656 m3/ora (10,5 MGD) prodotto
deve essere smaltito. Anche se è una grande quantità, questa è molto più piccola della quantità totale di acqua
prodotta da perforazione petrolifera smaltita ogni giorno in Texas. [10]
Trattamento del Rigetto RO Salmastro usando la Tecnologia VSEP
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Trattamento Acqua di Pozzo
La maggior parte delle acque di pozzo e di superficie contengono quantità variabile di solidi sospesi, tra cui
limo, argilla, batteri, virus e in aggiunta possono presentare solidi dissolti nocivi quali arsenico. È necessario
rimuovere questi contaminanti prima della distribuzione al consumatore domestico o industriale. I solidi sospesi
non interferiscono solo sull'accettabilità estetica dell’acqua, ma anche con il processo convenzionale di
disinfezione mediante cloro. I principali processi di trattamento adoperati per la rimozione dei solidi sospesi
sono sedimentazione e filtrazione. Nel caso di acque salmastre contenenti grandi quantità di solidi disciolti, la
filtrazione a membrana deve essere utilizzata. In molti impianti che trattano acque superficiali o di pozzo, c'è un
serbatoio di pre-sedimentazione in vista delle unità di trattamento. Il serbatoio permette alle particelle più grandi
di sedimentarsi nonché fornisce un buffer di volume contro variazioni della qualità dell'acqua.
Filtri a sabbia rapido o medio misto sono usati come pretrattamento invece dei sistemi convenzionali a
membrana a spirale. Questi possono rimuovere solidi sospesi più grandi, ma non quantità apprezzabili di
particelle colloidali o di dimensioni sub-micron senza pretrattamento chimico. A seguito della filtrazione media,
qualche pretrattamento chimico viene generalmente eseguito per ottimizzare il sistema a membrana a spirale.
Infine, un sistema a membrana ad osmosi inversa viene utilizzata per filtrare l'acqua e fornire acqua pulita
potabile. Spesso, quest’acqua viene miscelata con altre fonti d'acqua dolce per ottenere un gusto accettabile.
Standard dell’Acqua
L'acqua potabile viene monitorata per conformarsi a livelli
accettabili di molte sostanze chimiche dannose e organismi. La
fissazione degli standard è un processo continuo quanto più si
apprende sui potenziali effetti nocivi dei vari costituenti. Oltre
al monitoraggio dei rischi per la salute, la qualità dell'acqua è
controllata per scopi estetici e operativi. Ad esempio, acqua
con alti livelli di solfato, non è tossica ma può avere effetto
lassativo. I recenti incidenti mortali che coinvolgono
microrganismi tossici hanno rinnovato una revisione degli
standard quando si tratta di monitoraggio e trattamento per
evitare che i batteri nocivi entrino nella rete di distribuzione. Il
seguente elenco riassume alcuni degli ingredienti indesiderati
per l'acqua potabile.
Arsenico - L'Arsenico è presente a livelli molto bassi in tutte le
acque superficiali. Si tratta di una sostanza chimica naturale
che si trova in giacimenti minerari e procede attraverso un
processo di dissoluzione naturale versandosi in corsi d'acqua.
L'Arsenico è cancerogeno e deve essere controllato nelle fonti
di acqua potabile.
Standard EPA per la Salute
Carbonio Organico Totale
5.0 mg/L
Arsenico
0.010 mg/L
Bario
2.0 mg/L
Cadmio
0.005 mg/L
Cromo
0.1 mg/L
Cianuro
0.2 mg/L
Fluoruro
2.0 mg/L
Piombo
0.015 mg/L
Mercurio
0.001 mg/L
Selenio
0.05 mg/L
Uranio
0.1 mg/L
Cloruro di Vinile
0.002 mg/L
Cromo – Il Cromo Trivalente è lo stato naturale del Cromo e non è considerato tossico. Tuttavia, il Cromo in
natura può essere ossidato in acqua grezza per formare il Cromo Esavalente più tossico. Altre fonti di Cromo
Esavalente sono le acque reflue da vernice e rivestimento che possono contaminare i corsi d'acqua.
Cianuro - Il corpo umano tollera piccole quantità di Cianuro. Effetti tossici letali si possono verificare se i livelli
sono al di sopra di certi limiti. La clorazione è normalmente sufficiente per ossidare il Cianuro e ridurlo a livelli
più bassi.
Trattamento del Rigetto RO Salmastro usando la Tecnologia VSEP
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Selenio - Il selenio è un oligoelemento essenziale per l’organismo umano. Gli effetti tossici non sono noti e la
sua interazione nel corpo umano è molto complessa. Al fine di fornire un fattore di sicurezza, i livelli di Selenio
sono controllati in acqua potabile per evitare il verificarsi di un esposizione eccessiva al Selenio.
Uranio - La forma naturale di Uranio è lo Ione Uranile UO2++. L’Uranio, può essere radioattivo, ed è una tossina
del rene che a livelli elevati può causare danni permanenti.
Filtrazione a Membrana di Acqua Potabile
Il primo filtro a sabbia impiegato per chiarire l'acqua potabile è stato installato a Paisley in Scozia nel 1804. Da
allora alcuni progressi sono stati fatti nella progettazione di questo filtro e nell'uso della coagulazione prima
della filtrazione. Tuttavia, il concetto di base è rimasto lo stesso per quasi 200 anni. Vi è stata una tendenza negli
ultimi anni verso l'utilizzo di membrane polimeriche per il trattamento di acqua potabile per uso domestico ed
industriale. Ci sono stati progressi significativi nella chimica dei polimeri negli ultimi 20 anni e il loro uso è
sempre maggiore. Nuove tecnologie appaiono in continuazione e i sistemi a membrna costituiscono attualmente
un efficace metodo di trattamento e opzione competitiva.
Ci sono quattro tipi fondamentali di membrane in base alla
dimensione dei pori o alle caratteristiche di rigetto.
Microfiltrazione (MF) ha dimensioni dei pori più grandi,
da 0,1 micron di valore. Ultrafiltrazione (UF) ha
membrane com pori di dimensioni variabile da 0,005
micron a 0,1 micron. Queste sono in genere valutate in base
alla dimensione molecolare di peso nominale minimo che la
membrana rifiuterà. Il range per membrane UF è da 2.000
MWCO (molecular weight cut off) a 250.000 MWCO. Le
membrane a Nanofiltrazione (NF) e Osmosi Inversa (RO)
non hanno pori in quanto filtrano per diffusione. Carica
ionica e dimensione giocano un ruolo significativo nella
permeazione attraverso la membrana. Ioni monovalenti
passeranno più liberamente degli ioni bivalenti o
polivalenti. Membrane a NF sono progettate per colpire ioni
polivalenti mentre quelle a RO rimuovono ioni monovalenti.
Membrane MF Teflon 0.1 µm
Per la filtrazione di acqua non salmastra, la Microfiltrazione è generalmente sufficiente. Esiste una correlazione
tra la dimensione dei pori e il risultato finale, a un poro di dimensione maggiore generalmente corrisponde una
maggiore portata. Dal momento che la filtrazione di acqua salmastra richiede la rimozione del limo, particelle in
sospensione, batteri e altri microrganismi, un Microfiltro viene normalmente utilizzato. Questo tipo di filtro
fornirà la massima produttività e migliore economia per una data portata. Se la fonte di acqua è particolarmente
colorata o torbida o se il sapore è un problema, l’Ultrafiltrazione può essere utilizzata, in quanto più restrittiva
della Microfiltrazione. Membrane a UF sono in grado di rimuovere materia organica molto piccola, sostanze
umiche e persino virus, inoltre possono migliorare il colore, il sapore e l'odore dell'acqua potabile. [6]
Nel caso di acqua in bottiglia commerciale o filtrazione di acqua salmastra, strette membrane come
Nanofiltrazione e Osmosi Inversa vengono utilizzate. Nel caso di acqua salmastra, MF o UF non ridurrebbe gli
alti livelli di solidi disciolti e potrebbe non fornire filtrato che soddisfi i principali standard relativi all'acqua
potabile. Acqua salmastra è un termine che copre una gamma molto ampia di qualità d'acqua, che può avere da
1.000 ppm a 10.000 ppm di TDS. Mentre, per valori superiori a 10.000 ppm è considerata Acqua Salina. La
membrana più appropriata per acqua salmastra dipende dalla concentrazione di TDS. Per le acque leggermente
salmastre, (da 1.000 a 3.000 ppm), la Nanofiltrazione probabilmente riesce ad ottenere una qualità di acqua
accettabile. Per acqua salmastra di livello elevato, (> 3000 ppm), l’Osmosi Inversa è probabilmente necessaria
come nel caso di dissalazione.
Trattamento del Rigetto RO Salmastro usando la Tecnologia VSEP
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Tecnologia della Membrana
Il trattamento avanzato che utilizza membrane per acqua potabile sta diventando sempre più popolare grazie ai
continui miglioramenti, anche se il loro utilizzo in questo settore ha una lunga storia. Le membrane sono
unicamente capaci di eseguire un controllo preciso dei livelli di contaminanti. NF e RO possono essere
impiegate per rimuovere vari gradi di solidi disciolti per soddisfare le rigide linee guida di acqua potabile.
La maggior parte delle membrane usate oggi sono fatte di materiali polimerici, tra cui: poliammide, polisolfone,
cellulosa rigenerata, Kynar (PVDF) e Teflon® (PTFE). I pori della maggior parte delle membrane polimeriche
sono così piccoli che non possono essere visti anche con un microscopio elettronico a scansione. Le dimensioni
dei pori sono determinate dalla loro capacità di respingere particelle di dimensione nota. La membrana consente
all'acqua di passare attraverso i pori fisici o attraverso la matrice del polimero e vieta alle molecole più grandi o
solidi sospesi di attraversarla. La selezione della membrana dipende quindi dalla separazione richiesta. [5]
Limitazioni delle Membrane Convenzionali
Lo sporcamento della membrana e la deossidazione possono influire significativamente sul costo del sistema e
ridurre la sua affidabilità. Come conseguenza dello sporcamento, il pre-trattamento è effettuato prima della
maggior parte dei sistemi a membrane. I limite di solubilità dei vari costituenti viene monitorato affinchè non sia
superato provocando la precipitazione di materiali colloidali e minerali nel sistema. L'effetto netto è che la % di
recupero di acqua filtrata sarà limitata dalla solubilità dei sali poco solubili e silice. Diversi approcci sono stati
usati per cercare di minimizzare gli effetti dello sporcamento e tra questi possiamo trovare i polimeri chimici,
l’alterazione del potenziale zeta o la quantità di carica ionica della superficie della membrane. Un altro metodo
consiste nell’alterazione del potenziale termodinamico della superficie della membrana mediante materiali a
bassa energia superficiale, questi materiali riducono il libero scambio di energia chimica per l’assorbimento dei
depositi.
Altri sviluppi si sono concentrati sulla volontà di offrire ai potenziali depositi un sito alternativo per l'attrazione
chimica o limitare il loro tasso di precipitazione. Esempi di questi metodi sono gli "antincrostanti" che possono
essere composti organici con solfonato, fosfonato o gruppi funzionali di acido carbossilico. Le sostanze chelanti
sono anche utilizzate, in quanto isolano e neutralizzano particolari depositi, soprattutto i metalli. Carbonio,
allume e zeoliti possono essere utilizzati come additivi. Questi offrono enormi superfici caricate con siti di
nucleazione adatti per l'assorbimento o la cristallizzazione che si verificano spontaneamente a livelli
relativamente bassi di solubilità.
Molto spesso, il sistema a membrana ottimale impiegerà diverse di queste tecniche al fine di combattere o
evitare incrostazioni. Ad esempio, i sistemi a membrana crossflow utilizzeranno pre-trattamento dell'alimento
mediante un filtro a sacchetto di 5.0μm seguito da un filtro a cartuccia di 1.0μm. Quindi il sistema userà
membrane a "basso sporcamento" con chimica di superficie vantaggiosa. Un antincrostante sarà aggiunto
nell’alimento per isolare i potenziali depositi e, infine, un aggressivo crossflow verrà utilizzato per mantenere la
membrana pulita. Questo è un processo di trattamento adatto fino a quando l'acqua di alimentazione è all'interno
di specifici parametri tra cui: Indice di Saturazione Langelier (Langolier Saturation Index-LSI), Indice di
Densità Colloidale (Density Index Silt-SDI), concentrazioni di sali poco solubili e altri colloidi sospesi. [6]
Sali Poco Solubili
Anche con l’utilizzo di tutti questi strumenti, il recupero ottenibile può risultare basso. Ciò si traduce in un
grande volume di acqua salmastra rigettata che necessita di essere ulteriormente trattata o smaltita. Minerali che
precipitano e inquinano sistemi a membrana convenzionali sono in prevalenza composti di ioni metallici
bivalenti. Metalli monovalenti come Sodio e Potassio sono quasi completamente solubili, mentre, in presenza di
Solfato, Fosfato o Carbonato, ioni bivalenti come Calcio, Ferro, Magnesio, Bario, Stronzio, Radium, Berillio,
Piombo e Silicon sono quasi insolubili . [8]
Trattamento del Rigetto RO Salmastro usando la Tecnologia VSEP
5
Quando la pressione viene applicata e la filtrazione ad
osmosi inversa si verifica, l'acqua quasi pura viene
forzata ad attraversare la membrana, modificando così
l'equilibrio e di conseguenza la concentrazione del soluto
a solvente. Se questo processo continua fino a quando il
soluto raggiunge il suo limite di solubilità, è probabile
che si verifichi la precipitazione. Una volta iniziata la
precipitazione presso i siti di nucleazione appropriati, più
acqua viene rimossa più materiali precipitati si
presentano. Questo continuerà, finchè il sistema riuscirà
a mantenere la concentrazione dei soluti pari o inferiore
al limite di solubilità. Se l'acqua viene rimossa mediante
filtrazione, ma non in quantità sufficiente a raggiungere
il limite di solubilità dei soluti, non si verificherà alcuna
precipitazione. Un metodo utilizzato durante la
Cristalli di Carbonato di Calcio
filtrazione a membrana convenzionale è quello di
recuperare acqua dal sistema al punto in cui il limite di
solubilità non viene raggiunto. Il secondo metodo è di utilizzare antincrostanti che inibiscono lo sviluppo di
cristalli o isolano i reagenti e quindi riducono la concentrazione disponibile. I programmi software sono stati
creati per calcolare i limiti di solubilità in base ai valori di alimentazione noti. Una volta immessi i valori
dell’alimento, il programma calcolerà la solubilità e quindi informerà l'utente sul massimo valore di recupero
accettabile per il funzionamento del sistema.
Forme Comuni di Scale Minerali
Carbonato di Calcio
Fosfato di Calcio
Solfato di Stronzio
Biossido di Silicio (Silice)
Solfato di Calcio
Solfato di Bario
Idrossido di Ferro
Calcolo della % di Recupero & Limiti di Solubilità
Sistemi a membrana convenzionali hanno severe linee guida per la composizione dell'acqua in entrata. La
ragione di questo è di minimizzare il potenziale problema di precipitazione di ioni poco solubili. Materiali
precipitati insolubili come la scala minerale può inquinare o istruire rapidamente la membrane e per questo
devono essere controllati per il corretto funzionamento del sistema. I livelli dei reagenti sono misurati per
assicurare che essi rimangano solubili durante il processo di filtrazione. Tali limiti possono essere superati se gli
antincrostanti vengono utilizzati per consumare reagenti o inibire e bloccare la crescita dell’incrostazione.
Ad esempio:
Acqua di pozzo può essere trattata con membrane per la purificazione. L'acqua contiene 30 ppm di Silice
disciolto (SiO2). Il limite di solubilità del Silice può essere di 120 ppm a seconda del pH e temperatura. Per
calcolare quanta acqua pura può essere estratta mediante filtrazione prima che il limite di solubilità del silice è
raggiunto, possono essere usate le seguenti equazioni:
120 ppm (Ksp) ÷ 30 ppm = 4
Il Silice può essere ridotto di volume di un fattore 4 prima che il limite di solubilità viene raggiunto.
100% ÷ 4 = 25%
Trattamento del Rigetto RO Salmastro usando la Tecnologia VSEP
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Il volume di liquido può essere ridotto del 75% in modo che un volume concentrato del 25% è lasciato quando il
limite di solubilità è stato raggiunto. Questo è anche noto come un recupero del 75%. In prossimità del limite di
solubilità, vi è una regione metastabile dove la precipitazione può verificarsi prima del limite di solubilità, in
questo caso qualche fattore di sicurezza deve essere utilizzato. Piccole variazioni di temperatura, pressione e pH
possono spostare il punto di solubilità e causare incrostazioni inaspettate. Per questo motivo, i sistemi a
membrana convenzionali non sono eseguiti al limite di solubilità, piuttosto funzionano a valori
significativamente inferiori o antincrostanti sono utilizzati per assicurare un adeguato fattore di sicurezza.
Nell'esempio precedente, con 30 ppm di Silice, un funzionamento sicuro per sistemi a membrana convenzionali
avrebbe il 50% di recupero senza pretrattamento o il 75% di recupero con l'aggiunta di antincrostante. Se il
contenuto di Silice in acqua grezza è 100 ppm, l'acqua non è quasi trattabile mediante solo membrane
convenzionali. L’ addolcimento dell'acqua deve essere utilizzata per ridurre la durezza e contenuto di minerali a
livelli sufficientemente bassi prima dell'ingresso nel sistema a membrana.
Quando si manifesta la cristallizzazione e deposizione dei minerali in un sistema a membrana, colloidi di sali
minerali insolubili sono formati. Mentre alcuni depositi si possono presentare sulla membrana stessa, la maggior
parte si verificano in altri luoghi più efficienti e quindi diventeranno colloidi sospesi, che agiranno come
qualsiasi altro solido sospeso durante il processo di filtrazione. Membrane convenzionali sono soggette a
incrostazioni di sostanze colloidali, come sostanze in sospensione possono diventare polari sulla superficie della
membrana e ostacolare la filtrazione. Crossflow è usato per ridurre gli effetti della polarizzazione di
concentrazione. Il problema principale per i sistemi a membrana è che il processo presenta una grande quantità
di depositi potenziali nel sistema, che può ridurre il flusso. Proprio come membrane convenzionali hanno dei
limiti su TDS a causa dei limiti di solubilità dei diversi componenti, hanno anche limiti su TSS, come
incrostazione colloidale che si verifica se tali livelli sono troppo elevati.
Vantaggi VSEP
VSEP impiega vibrazioni torsionali della superficie della membrana, che generano alta energia trasversale sulla
superficie della stessa. Il risultato è una notevole riduzione dell’incrostazione colloidale e polarizzazione della
membrana a causa della concentrazione dei materiali rigettati. Poiché l’intasamento colloidale viene evitato
grazie alla vibrazione, l'uso di pretrattamento per prevenire la formazione di incrostazioni, non è necessario.
Inoltre, le prestazioni di VSEP sono 5-15 volte più alte in termini LMH (litri per metro quadro ad ora) rispetto
ad altri sistemi a membrana. Le onde sinusoidali trasversali che si propagano dalla superficie della membrana
agiscono per trattenere le particelle sospese al di sopra della superficie libera della membrana consentono il
fluire dei liquidi attraverso la stessa. [9]
Confronto Fluido Dinamico tra VSEP e la Filtrazione Crossflow Convenzionale
Trattamento del Rigetto RO Salmastro usando la Tecnologia VSEP
7
Il sistema a membrana VSEP è un tipo di costruzione a modulo piano verticale in cui centinaia di fogli di
membrana sono impilati uno sopra l'altro. Il risultato di questo è un ingombro orizzontale del gruppo molto
piccolo, 185 metri quadrati di membrana (2000 square feet) sono contenuti in un modulo delle sole dimensioni
di 1,2x1,2 metri (4'x4').
VSEP impiega oscillazioni torsionali a una frequenza
di 50 Hz sulla superficie della membrana per inibire
la polarizzazione di colloidi sospesi. Le onde
trasversali generate sulla superficie della membrane
consentono la repulsione di particelle in arrivo.
L’effetto è che i solidi sono mantenuti in sospensione
sopra la membrana come uno strato parallelo dove
possono essere lavati via dal gentile flusso
tangenziale.
Questo processo di lavaggio avviene all'equilibrio.
L’effetto è che i solidi vengono mantenuti in
sospensione, come uno strato parallelo, sopra la
membrana dove possono essere lavati via dal un
flusso tangenziale. La pressione e il tasso di
filtrazione determinerà lo spessore e la massa dello
strato sospeso. Particelle di colloidi sospesi verranno
lavate via dal flusso tangenziale e al tempo stesso
nuove particelle arriveranno. La percentuale rimossa
e in arrivo sarà diversa fino al raggiungimento di uno
stato di equilibrio con lo strato di diffusione. (Anche
noto come strato limite). Tale strato è permeabile e
non attaccato alla membrana, ma sospeso al di sopra.
In VSEP, questo strato funge da sito di nucleazione e
permette all’acqua libero accesso alla superficie della membrana.
I depositi minerali agiranno allo stesso modo di qualsiasi altro colloide che arriva. Colloidi in eccesso verranno
rimossi per mantenere l'equilibrio dello strato di diffusione. Come documentato da altri studi, al contrario dei
sistemi convenzionali, VSEP non è limitato in presenza di concentrazioni di TSS. Sistemi a membrana
convenzionali potrebbero sviluppare torte di colloidi in grado di crescere abbastanza da coprire completamente
la membrana. In VSEP, non importa quanti colloidi sono in arrivo, un ugual numero vengono rimossi in quanto
lo strato di diffusione è limitato nelle dimensioni e non può crescere abbastanza da coprire il sistema. Infatti
VSEP è in grado di filtrare numerose soluzioni liquide finché rimangono allo stato liquido. Il limite di
concentrazione di VSEP si ha quando, alla rimozione di acqua o solvente, la soluzione raggiunge il punto di gel.
Nel sistema a membrana VSEP, l’incrostazione si presenterà nel liquido diventando solamente un altro colloide
sospeso. Un altro vantaggio significativo è che la vibrazione e l’oscillazione della superficie della membrana
inibisce la formazione dei cristalli. Lo spostamento laterale della membrana consente di abbassare l'energia
superficiale disponibile per la nucleazione. Con il movimento della membrana avanti e indietro ad una frequenza
di 50 Hz, valli, picchi, creste o altre imperfezioni micro diventano più uniformi e meno rilevanti. In assenza di
altri siti di nucleazione, si avrebbe una super-soluzione satura. In realtà, ciò che accade è che la nucleazione si
verifica prima e soprattutto in altri siti di nucleazione, lontani dalla membrana, che presentano condizioni molto
più favorevoli.
Cristalli e depositi richiedono anche tempo per formarsi. Il movimento della superficie della membrana non
concede tempo sufficiente per la germinazione e lo sviluppo. I solidi nel fluido presentano un sito di nucleazione
Trattamento del Rigetto RO Salmastro usando la Tecnologia VSEP
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molto più favorevole. Al contrario, con le tradizionali membrane statiche la formazione di incrostazioni sulla
membrana è possibile in quanto vi è tempo sufficiente per svilupparsi e crescere. Un'altra caratteristica di VSEP
è la velocità di filtrazione per metro quadro notevolmente superiore rispetto alle membrane convenzionali grazie
alla sospensione dei colloidi al di sopra della stessa. Studi hanno dimostrato un miglioramento 15 volte in flusso
per area, quindi un 1/15 della superficie della membrana è necessario per lo stesso lavoro di una membrana
crossflow convenzionale.
Il risultato è una filtrazione rapida e il percorso dell’alimento sulla superficie della membrana è ridotto fino a 15
volte. Ciò significa che vi è molto meno tempo per la deposizione e formazione di cristalli all'interno del
sistema. La formazione di cristalli è in funzione del tempo, specialmente per quanto riguarda il silice, che cresce
molto lentamente. Se l’incrostazione deve avvenire all'interno del sistema, è più probabile il suo verificarsi nei
punti di nucleazione ad alta energia e non sulla membrana. In aggiunta a ciò, la velocità di filtrazione elevata è
in grado di generare una eccellente soluzione satura, che può non avere il tempo sufficiente di permanenza per
reagire nel sistema ed essere eliminata per completare il processo di equilibrio.
Poiché VSEP non è limitata dalla solubilità di minerali o dalla presenza di colloidi in sospensione, può
effettivamente essere utilizzata come cristallizzatore o concentratore di sali e capace di ottenere un alto recupero
di filtrato. L'unica limitazione di VSEP è la pressione osmotica una volta che gli ioni disciolti raggiungono
livelli molto alti. La pressione osmotica è ciò che determinerà il possibile recupero con un sistema VSEP.
Test di Validazione
New Logic ha testato diversi progetti pilota in cui l'obiettivo era quello di ridurre il volume di rigettato da un
sistema a membrana a spirale ad osmosi inversa. Questa sezione illustrerà le prestazioni di test pilota condotti di
recente, tutti nel campo di concentrazione di sali ad alti livelli di TDS.
Il primo esempio non è un caso di rifiuto a spirale, ma piuttosto del trattamento mediante VSEP di acqua salina
nota come acqua prodotta da una produzione di petrolio. Questo caso illustrà le capacità di un sistema VSEP.
New Logic ha condotto in loco esperimenti pilota per diversi mesi in un sito di produzione di petrolio nella
California Centrale. L'obiettivo è stato quello di trattare acqua di pozzo di produzione di olio attraverso osmosi
inversa per poi essere ri-iniettata in falde acquifere di acqua potabile per la stabilizzazione della pressione.
I risultati con l'obiettivo primario di generare permeato di qualità tale da permettere la re-iniezioni in falde
acquifere sono stati raggiunti. L'acqua trattata presentava elevati livelli di Cloruri e a causa dei limiti molto bassi
di scarico, due stadi di filtrazione RO sono stati necessari. In questo caso, RO di VSEP è stato usato come fase
primaria con il filtrato di RO lucidato in una seconda fase utilizzando un convenzionale sistema RO a spirale. La
seguente tabella mostra i risultati analitici di questo lavoro di prova.
Componenti:
Cloruro
Solfato
Nitrato
TDS
Boro
Sodio
Alimento Iniziale
Permeato VSEP
Permeato Spirale
3285 mg/L
628 mg/L
11 mg/L
304 mg/L
25 mg/L
0 mg/L
4 mg/L
0 mg/L
0 mg/L
7314 mg/L
1617 mg/L
51 mg/L
23.4 mg/L
5.4 mg/L
0.39 mg/L
2900 mg/L
614 mg/L
25 mg/L
Limiti di Scarico
127 mg/L
127 mg/L
4.3 mg/L
510 mg/L
0.64 mg/L
85 mg/L
Questo test dimostra la capacità di VSEP di trattare acqua con elevati valori di TDS e conponenti di formazione
di incrostazione. Infatti, in questo caso, Silice, Carbonati e Solfati erano a saturazione rispetto alla solubilità.
Trattamento del Rigetto RO Salmastro usando la Tecnologia VSEP
9
VSEP per Rigetto di Acqua Salmastra da un Sistema a Spirale Esistente
New Logic ha condotto recenti esperimenti pilota su scarichi da un sistema a membrana esistente installato nel
Sud della California. L'obiettivo primario è stato quello di trattare acqua di scarto per ridurre al minimo l’olio
rigettato. L’effetto ottenuto è una notevole riduzione dei costi di smaltimento e maggiore resa di acqua pulita.
Gli obiettivi principali erano di rispettare i limiti di Colore, TOC e altre sostanze organiche correlate al sapore. Il
cliente aveva precedentemente testato altri sistemi di ultrafiltrazione a membrana per il trattamento di questo
rigettato, ma con risultati insoddisfacenti per quanto riguarda velocità di flusso e recupero. Lo scopo del test è
stato quello di valutare VSEP rispetto ai sistemi convenzionali a membrane UF.
Poiché VSEP non è limitato dalla solubilità e dal
soddisfacimento gli standard di Acqua Potabile, una
membrane a Nanofiltrazione stretta è stata utilizzata in
modo vantaggioso. Il filtrato dell’impianto esistente e
il sistema VSEP nella seconda fase sono stati connessi,
raggiungendo migliore qualità e maggiore flessibilità.
Dopo l’analisi di diverse membrane a NF, una
membrana a NF con rigetto di NaCl al 90% è stata
scelta per ulteriori studi. Studi di concentrazione e
flusso in funzione del tempo sono stati completati e i
risultati sono stati eccellenti. Durante lo studio di
concentrazione, il sistema è stato avviato prima in
Prove Pilota mediante VSEP in California
modalità "Ricircolo" e anche impostato alla Pressione
Ottimale e alla temperatura di processo prevista. Il
sistema è stato eseguito per alcune ore per verificare che il flusso era stabile e il sistema aveva raggiunto
l'equilibrio. Successivamente, il permeato è stato deviato in un contenitore separato in modo che il sistema fosse
in modalità "Batch". La portata del permeato è stata misurata a intervalli di tempo per determinare la velocità di
flusso prodotta dal sistema a vari livelli di concentrazione. La tabella seguente mostra le performance durante lo
"Studio di Concentrazione":
Flusso Disp Flusso Iniziale
110,84 LMH 245,65 LMH
(65.2 gfd)
(144.5 gfd)
Flusso Finale Pressione Solidi Iniziali Solidi Finali
19,50
31 bar
0.30 %
11.80 %
(11.47 gfd)
(450 psi)
% Recupero
98.80 %
Sulla base dei dati, la membrana a NF è risultata adatta grazie ad un elevato, stabile flusso e senza solidi o
colore nel permeato. Ha inoltre incontrato gli obiettivi del processo di % di recupero e dimostrato buone
prestazioni nel tempo. In questo caso, la massima % di recupero ottenuta è stata del 98,8%, che ha prodotto un
flusso medio di 110,84 LMH (65.2 GFD).
La tabella che segue evidenzia i risultati finali del test:
Membrana
Flusso Iniziale
Permeato Finale
Concentrato Finale
% Total Solidi
0.3 %
Conducibilità
1,570 µS
pH
8.68
Volume
100 %
0.0 %
145.4 µS
8.98
98.8 %
11.8 %
44,900 µS
9.35
1.2 %
I risultati hanno superato le aspettative di come VSEP è stata in grado di produrre un recupero superiore al 98%
di acqua trattata. Inoltre, il cliente aveva precedentemente testato altri sistemi a membrana UF con tassi di flusso
di circa 34 LMD (20 GFD). VSEP, utilizzando una membrana molto più stretta a NF, è stata capace di
raggiungere una velocità di flusso molto elevata di 110,5 LMH (65 GFD).
Trattamento del Rigetto RO Salmastro usando la Tecnologia VSEP
10
La seguente tabella mostra i risultati completi di analisi effettuati su campioni raccolti durante i test. Lo scopo
del test era quello di confermare la conformità agli standard di acqua potabile Primaria e Secondaria EPA legati
ai problemi di salute e considerazioni estetiche.
Risultati Analitici di VSEP da RO Rigetto
Limite di EPA
Analizzato
(mg/L)
Alluminio
Al
0,050
Arsenio
As
0,010
Bario
Ba
2,000
Cadmio
Cd
0,005
Calcio
Ca
nessuno
Cromo
Cr
0,100
Rame
Cu
1,000
Ferro
Fe
0,300
Piombo
Pb
0,015
Magnesio
Mg
nessuno
Selenio
Se
0,050
Argento
Ag
0,100
Zinco
Zn
5,000
Cianuro
CN
0,200
Silice
SiO2
nessuno
Cloruro
Cl
250
Fluoro
F
2,000
Solfato
SO4
250
Solidi Disciolti Totali
TDS
500
Colore
15 unità colore
VSEP
Alimento
(mg/L)
0,600
0,008
0,120
ND
45,00
0,038
0,029
2,300
ND
3,200
0,008
ND
0,180
ND
23,00
50,00
1,500
120,0
2.340
13.000
VSEP
Permeato
(mg/L)
ND
ND
ND
ND
ND
ND
ND
ND
ND
ND
ND
ND
ND
ND
5,30
8,00
0,20
1,80
82,00
ND
VSEP
Rigetto
(mg/L)
27,550
0,253
5,706
2.235,0
1,557
1,107
112,55
147,75
0,302
8,510
890,3
2.093,3
65,20
5.911,8
112,982
-
Report
Limite
0,100
0,005
0,010
0,005
0,500
0,010
0,010
0,100
0,003
0,500
0,005
0,005
0,020
0,010
1,000
0,200
0,100
0,500
10,0
5,0
Utilizzando VSEP per trattare la corrente di rigetto da sistema installato a NF, il cliente sarà ora in grado di
raggiungere il 99% di recupero di acqua trattata, lasciando solo 1% del volume per essere smaltita come rifiuto.
La seguente figura illustra lo schema di processo del sistema finale.
Trattamento del Rigetto RO Salmastro usando la Tecnologia VSEP
11
Altre Installazioni VSEP
VSEP per il Trattamento di Acqua di Fiume
New Logic ha installato il suo Vibratory Shear Enhanced Processing (VSEP) nel luglio del 1997 ad un
importante impianto di produzione di dischi elettronici a Hokkaido Island nel Nord del Giappone. Il sistema
VSEP viene utilizzato per il trattamento delle acque fluviali per la produzione di acqua ultra-pura in questa
struttura. Esso adopera un modulo a membrana ad ultrafiltrazione ed è in grado di trattare acqua di fiume al fine
di eliminare o ridurre le sostanze umiche, colore, torbidità, consumo di permanganato e di ferro totale al di sotto
dei limiti richiesti. L'applicazione della tecnologia a membrana VSEP per il trattamento delle acque fluviali per
la produzione di acqua ultra-pura presso l’impianto di produzione di dischi elettronici è risultato essere una
valida alternativa economica alla tecnologia convenzionale di filtrazione a sabbia. La concentrazione di TSS in
acqua non trattata varia da 5 a 10 mg/L, mentre nel permeato da VSEP ha valori inferiore a 1 mg/L. VSEP ha
anche ridotto il colore da 67 a <1 unità colore, la torbidità da 2 a <0.1 NTU e il ferro totale da 0,1 a <0,05 mg/L.
Caso Studio di Acqua Potabile Commerciale
New Logic ha installato un sistema di filtrazione dell’acqua che tratta quasi 3785 m3 al giorno (1 milione di
gallon al giorno) per un importante azienda di imbottigliamento. Il filtrato da questo sistema viene purificato e
disinfettato con una membrana ad ultrafiltrazione e quindi inviato al processo di imbottigliamento in cui diventa
un prodotto di consumo. In questo caso, il miglioramento estetico è l’obiettivo a causa di un gran numero di
reclami di sapore e quindi si è proceduto alla riduzione di TOC attraverso una membrana a UF di 30.000mwco.
Un altro vantaggio della filtrazione è l'eliminazione quasi completa di tutti i batteri e organismi. Normalmente,
la microfiltrazione potrebbe essere utilizzata con una maggiore produttività per metro quadrato di membrana,
ma in questo caso la riduzione TOC richiede l'uso di una membrana a UF. La progettazione del sistema
precedente era costituito da un filtro Multi-Media alimentando filtro a carbone attivo. Il normale funzionamento
prevedeva frequenti ricariche o eliminazione di carbonio e la qualità dell'acqua presentava disturbi di gusto.
L'aggiunta di VSEP al processo migliora il sapore, riduce il TOC e permette ai filtri a carbone di funzionare
senza problemi. New Logic ha realizzato diversi impianti per la produzione di acqua ultra-pura e risultati hanno
dimostrato molti vantaggi di questa tecnologia a membrana rispetto ai metodi di trattamento convenzionale.
Comparazione dei Metodi di Trattamento dell’Acqua Salata
Ci sono molti metodi di trattamento attualmente in uso per lo smaltimento del rigetto di acqua salmastra da RO.
Alcuni di questi metodi includono:






Vasca di Evaporazione
Iniezione in Pozzo Profondo
Smaltimento in Mare
Rigenerazione per uso Industriale o Irrigazione
Combinazione con Scarico POTW
Metodo Avanzato di Evaporazione Termica
Il metodo di trattamento scelto varierà a seconda delle condizioni del sito. Per esempio, la soluzione più
semplice sarebbe quella di affidare l’acqua di scarto a parti che ne potrebbero beneficiare, tuttavia recettori
disposti a fare ciò sono difficili da trovare. Smaltimento in mare sarebbe possibile solo se in prossimità della
costa. Questa opzione non è accetabile in posti come El Paso. Anche se lo smaltimento in mare è stato
considerato, alcuni limiti di scarico non possono essere raggiunti senza ulteriori trattamenti. Nessun metodo di
trattamento si adatta a tutti gli scenari, tuttavia, più che la riduzione del volume del rifiuto, migliori scelte
potrebbero essere prese in considerazione per lo smaltimento finale. Le principali opzioni sono riportate di
seguito.
Trattamento del Rigetto RO Salmastro usando la Tecnologia VSEP
12
Vasche di Evaporazione – l’uso di Vasche di Evaporazione o Solar
Pond è limitato in aree dove il tasso di evaporazione supera le
precipitazioni annuali. Impianti di desalinizzazione situati in zone
aride, come il sud-ovest degli Stati Uniti potrebbero prendere in
considerazione metodi di trattamento del genere. Il design della vasca
di evaporazione dovrebbe includere liner (membrana di contenimento
applicata sul fondo della vasca), monitoraggio delle perdite e accurati
calcoli di dimensionamento. Il dimensionamento può essere
complicato in quanto diversi fattori devono essere valutati incluso il
tasso di afflusso, precipitazioni annue e velocità di evaporazione. Sufficiente capacità di sicurezza deve essere
fornita. Il costo di costruzione può variare a seconda del terreno e condizioni del sito. Una volta installato, i costi
operativi effettivi sono relativamente piccoli, eppure, un costo spesso trascurato è la chiusura dello stagno al
termine della vita utile.
Iniezione in Pozzo Profondo – L’iniezione in pozzo profondo viene utilizzata
per casi di flussi reflui difficili da trattare. Tuttavia, tale opzione è limitata
dalla geologia sottostante. Qualsiasi scarico in pozzo profondo deve essere
protetto da forniture acquifere di acqua potabile. Il processo di autorizzazione
può essere lungo e arduo. Di solito l’iniezione in pozzo profondo è l'ultima
risorsa dal momento che è più difficile e richiede tempo rispetto ad altri metodi
di smaltimento.
I costi associate ai pozzi di smaltimento, come quello mostrato a destra, sono
per lo più relativi a permissioni, perforazione e logistica. Spesso, tali pozzi non
sono collocati negli stessi punti in cui le acque sono generate. Ciò significa che
acque salate effluenti dovrebbero essere pompate e convogliate in luoghi
adatti, decine di chilometri distanti, che presentano formazioni rocciose
porose. [13] Un altro aspetto è l’impoverimento dei pozzi di petrolio in molte
aree degli Stati Uniti. Tali pozzi sono candidati per divenatre pozzi di
smaltimento. Ci sono alcuni costi di conversione, ma in generale vi sono
risparmi se i pozzi esistenti possono essere utilizzati per questo scopo. [10]
Metodi Avanzati di Evaporazione Termica- Metodi di Evaporazione Termica includono Concentratori di Sale
e Cristallizzatori. Concentratori di Sale sono ampiamente utilizzati per applicazioni di acque reflue e l’impiego
di evaporatori a film cadente (dall’inglese: falling film evaporator) con ricompressione di vapore. Una volta
avviato, i costi operativi sono gestibili. La ricompressione di vapore fornisce gran parte dell'energia termica
necessaria. Il sistema deve essere protetto contro la disossidazione e la formazione di incrostazioni delle
superfici di scambio termico. Questi sistemi sono in grado di raggiungere fino al 15% di solidi totali nello scarto
finale salmastro. I Cristallizzatori dipendono dall’ evaporazione termica di solidi disciolti. Quando l'acqua viene
rilasciata, i solidi inizieranno a cristallizzarsi nell'unità e successivamente eliminati per lo smaltimento.
Membrane Vibranti come Opzione per il Trattamento di Acqua Salata
Con i nuovi regolamenti da parte del Clean Water Act e con l'avvento di nuove tecnologie per affrontare questo
problema, molte strutture comunali stanno rivalutando i loro metodi esistenti. Uno dei nuovi sviluppi comprende
il nuovo canale aperto dei sistemi di filtrazione a membrane a modulo piano di tipo polimerico. Ci sono diversi
tipi tra cui VSEP (Vibratory Shear Enhanced Process) realizzato da New Logic Research in Emeryville,
California. La concorrenza e i progressi scientifici hanno notevolmente ridotto il costo dei sistemi a membrana
che li rende più attraenti per il trattamento di un ampia varietà di acque reflue.
L’Osmosi Inversa non era inizialmente adeguata a causa dei limiti di solubilità. Ora, con questi vincoli rimossi, i
moduli a membrana come VSEP, membrane RO offrono un'eccellente alternativa per aumentare il rendimento
Trattamento del Rigetto RO Salmastro usando la Tecnologia VSEP
13
complessivo di acqua potabile e ridurre il volume di rifiuto da gestire. Le membrane RO di VSEP possono
essere adoperate in parallelo e in serie per trattare qualsiasi flusso e ottenere ogni qualità di acqua richiesta.
Il sistema di filtrazione VSEP è dotato di un design modulare e compatto. Poiché il disegno di base è verticale
anziché orizzontale, la superficie necessaria per unità è intrinsecamente inferiore rispetto agli altri sistemi di
disidratazione. VSEP richiede un’altezza del soffitto fino a 5,1 metri (17'), ma nella maggior parte delle
applicazioni industriali lo spazio verticale è ampio, al contrario di quello orizzontale che risulta limitato.
I Vantaggi del Design Compatto di VSEP:
1] Aggiunte facili al sistema esistente per migliorare le prestazioni
2] Può essere installato in zone con poco spazio
3] E’ facilmente trasportabile da un impianto all’altro
4] Può essere installato come sistema a più stadi o a singolo stadio
5] Può essere “concatenato” a qualsiasi numero per ogni esigenza di flusso di
processo.
Molto spesso lo spazio è limitato o il sistema progettato è così grande da
richiedere la costruzione di una struttura separata per accoglierlo. In questi
casi, il fatto che le unità VSEP sono verticali e compatte, in grado di inserirsi
in aree esistenti dell'edificio, ridurrà i costi di costruzione richiedendo meno
spazio. Costi di costruzione da 80 a 120 $ per piede quadrato (0,3 metro
quadro) per nuovi impianti industriali possono essere aggiunti ed è una
considerazione al momento della valutazione del costo di un sistema
completo. Oltre allo spazio limitato richiesto per i componenti meccanici,
l'area del filtro effettiva è stato progettata in modo da essere estremamente
compatta ed efficiente. Nel modello più grande, il "Blocco dei Filtri" (Filter
Pack) contiene 185,8 metri quadrati (2000 square feet) di membrana installati
in un blocco con volume di solo 0,4 m3 (15 cubic feet).
Modulo VSEP
Nel caso del trattamento di Rigetto Salmastro mediante RO, i vantaggi
principali sono l’aumento di acqua trattata e la riduzione del volume di rifiuto da smaltire. Nel test mostrato
prima, solo 0,67m3/ora (3gpm) di rigetto rimarebbe dall’iniziale 136m3/ora (600gpm) flusso di alimentazione
all'impianto di trattamento. Il volume di rigetto sarebbe di 34m3/hora (150gpm), senza VSEP. Poiché il costo di
Zero Scarico dipenderà dall’eliminazione finale del sale, la riduzione del volume di rifiuto è fondamentale.
Condizioni di Processo VSEP
Uno schema di processo per il progetto proposto in relazione al test mostato sopra è nella pagina seguente.
Quando un sistema VSEP viene aggiunto come seconda fase, l’acqua di pozzo viene alimentata attraverso il
filtro multi-media, segue il regolamento del pH dell’acqua e l’aggiunta di antincrostanti. L'acqua viene quindi
alimentata ad un sistema a membrana a spirale a 136m3/ora (600gpm). Il sistema a spirale produce 102m3/ora
(450gpm) di acqua trattata e 34m3/ora (150gpm) di rigetto salato. Questo rigetto verrebbe quindi inviato al
sistema di trattamento VSEP ad una velocità di 34m3/ora (150gpm) e una pressione di 31 bar (450psig). Unità
VSEP a scala industriale, che utilizzano membrane a Nano-filtrazione, vengono installate per trattare flusso di
scarto a spirale. Il flusso di scarto finale dopo VSEP di 0,67m3/ora (3gpm) andrebbe smaltito mediante vasca di
evaporazione o con altro metodo. VSEP genera un flusso permeato di circa 33,7m3/ora (147gpm), che si fonde
con la fase 1 di filtrato da RO. Il permeato contiene approssimativamente 1 mg/L di solidi sospesi totali (TSS) e
un livello basso di solidi disciolti totali (TDS), ben sotto gli standard di acqua potabile. La selezione della
membrana si basa sulla compatibilità dei materiali, capacità e requisiti di qualità del permeato. In questo
esempio, la riduzione di TSS è superiore al 99%. La qualità del permeato può essere controllata attraverso
selezione di laboratorio tra più di 200 materiali disponibili per soddisfare i parametri dell’applicazione.
Trattamento del Rigetto RO Salmastro usando la Tecnologia VSEP
14
Schema di Processo VSEP per Applicazione di Rigetto RO Recentemente Testata
Valore Economico
Il sistema VSEP di New Logic fornisce un approccio alternativo per le applicazioni di trattamento di rigetto
salato RO. In un solo passaggio, VSEP fornirà acqua ultra-pura e ridurrà TOC, TSS, TDS e colore per offrire
un'altissima qualità di filtrato privo di microrganismi nocivi. La giustificazione per l'impiego di VSEP nel vostro
processo è determinato dall'analisi dei costi di sistema e vantaggi tra cui:





Non è richiesto un grande terreno come nel caso di vasche di evaporazione
Semplice sistema di trattamento automatizzato che richiede un intervento minimo dell'operatore
Sistema di ingombro ridotto
No pre-trattamento chimico richiesto
Processo No-Termico con bassi costi di esercizio
Comparazione Costi
Operativi
Rapporto Costo Capitale
Concentratore
Membrana VSEP
1.00
Concentratore
Sale Termico
7.43
Smaltimento
Iniezione Pozzo
11.25
Smaltimento
Vasca di Evapor.
3.93 [13]
Consumo Energetico
$0.21/1000 gal
$4.44/1000 gal
---
---
Consumo Chimico
$0.02/1000 gal
$0.18/1000 gal
---
---
Ricambio Membrana
$0.21/1000 gal
---
---
---
Operazione & Manutenz.
$0.18/1000 gal
$1.59/1000 gal
---
---
Costi Operativi Totali
$0.45/1000 gal
$6.21/1000 gal [12] $1.13/1000 gal [11] $0.91/1000 gal [13]
Trattamento del Rigetto RO Salmastro usando la Tecnologia VSEP
15
Il costo capitale e di esercizio VSEP sopra riportati corrispondono al caso recentemente testato e descritto prima.
I risultati di VSEP possono variare a seconda della composizione dell’alimento di acqua salata. Il test pilota
dovrebbe essere fatto per verificare la produttività del sistema e relativi costi di capitale e operativi.
Grazie alla mancanza di necessità di pre-trattamento, la tecnologia VSEP ha dimostrato di essere competitiva
con i sistemi a membrana convenzionale a spirale e potrebbe sostituire completamente tali sistemi raggiungendo
fino al 98% di recupero di acqua trattata. Un impianto di dissalazione composto interamente da VSEP sarebbe
un'alternativa molto conveniente rispetto agli esistenti impianti convenzionali a membrana. Tuttavia, nei casi in
cui vi è un sistema a membrana a spirale in funzione, ma si desidera ampliare il trattamento di acqua, VSEP può
essere utilizzata come tecnologia complementare. Rispetto a tutti gli altri metodi di smaltimento dell’acqua
salata, VSEP è molto meno costosa da possedere e gestire.
Conclusione
Regioni aride degli Stati Uniti come gli stati a Sud-Ovest della California, Arizona, New Mexico e Texas
presentano una rapida crescita della popolazione. I servizi idrici locali lottano per raggiungere fonti economiche
di acqua potabile. Si sono sviluppate numerose ricerche su questo tema e questa prospettiva pone una sfida per
gli ingegneri che lavorano su tale progetto. Grazie alla concorrenza e ai progressi scientifici, le membrane
stanno diventando un metodo molto più economico di fornire acqua potabile da qualsiasi fonte.
New Logic è stata contattata da molti ingegneri nel sud-ovest e sta attualmente lavorando a diversi progetti di
ricerca per misurare l'idoneità della tecnologia VSEP per il trattamento del rigetto salato da impianti di
desalinizzazione delle acque salmastre. I primi risultati sono molto promettenti e meritano ulteriori riflessioni.
VSEP è stata usata per più di un decennio nell'industria di trasformazione chimica. Questa opportunità unica per
il trattamento di rigetto RO da impianti di desalinizzazione arriva in un momento in cui la tecnologia VSEP è
matura, provata e molto conveniente rispetto ad altri metodi concorrenti.
L'aggiunta di un sistema concentratore a membrana VSEP ridurrebbe significativamente il volume di rigetto
salato che deve essere smaltito. La riduzione del volume semplifica notevolmente le scelte per lo smaltimento
finale. Nel caso del test descritto in precedenza, una vasca di evaporazione avrebbe bisogno di essere solo del
2% delle dimensioni che dovrebbe avere senza il concentratore di sale VSEP. Ridurre la dimensione della vasca
di evaporazione non solo riduce i costi, ma ha anche benefici estetici e politici. Oltre ad aiutare a risolvere il
problema dello smaltimento del sale, aggiungere il sistema VSEP ad un impianto di dissalazione esistente
aumenta la resa di acqua trattata ad un alto valore del 98%, come nel caso descritto sopra.
Trattamento del Rigetto RO Salmastro usando la Tecnologia VSEP
16
Autori:
Greg Johnson è Ingegnere Chimico e attualmente CEO di New Logic Research (NLR). Responsabile dello
sviluppo della tecnologia VSEP dal 1992. Responsabile dell’area di R&S, produzione e ingegneria. Istruzione:
Ingegneria Chimica, Università della California a Berkeley.
Pubblicazioni:
Chemical Processing Magazine, March 2003, Industrial Strength Membrane Filtration - VSEP® Vibrating Membrane
System Proves Membranes Aren't Just for Water Anymore
Filtration Separation Magazine, Jan/Feb 2003, Vibratory Shear Guards Against Mineral Scale Fouling
Articoli Tecnici:
Kinetics of Mineral Scale Membrane Fouling - A Comparison of Conventional Crossflow Membranes and VSEP, a
Vibratory Membrane System, Nov 2002
Vari Articoli Tecnici Presenti su: http://www.vsep.com/downloads
0 Filtrazione a Membrana di Oli Usati
1 Caso Studio - Filtrazione a Membrana di Letame di Maiale
2 Sommario Tecnico - Filtrazione a Membrana di Fertilizzanti Fosforici
3 Caso Studio - Filtrazione a Membrana di Silice Colloidale, 2001
4 Caso Studio - Filtrazione a Membrana di Drenaggio Acido di Miniera
5 VSEP per Diafiltrazione and Dissalazione di Polimero
6 Filtrazione VSEP di Effluente Desalter
7 Filtrazione a Membrana di Refluo da Placcatura in Metallo
8 Filtrazione VSEP per Recupero di Glicole
9 Filtrazione a Membrana e Recupero Metalli Preziosi
10 VSEP per Trattamento di Acqua Prodotta
11 Filtrazione a Membrana di Acqua Potabile Commerciale
Larry Stowell è Manager delle Vendite degli Stati Uniti orientali. Responsabile del marketing e sviluppo della
tecnologia VSEP negli Stati Uniti orientali dal 1994. Gestore dei distributori e rappresentanti per New Logic
Research.
Michele Monroe, ingegnere chimico senior, è Manager delle Vendite Internazionali di New Logic Research.
Responsabile del marketing e sviluppo della tecnologia VSEP in tutto il mondo dal 1994. Gestore dei
distributori internazionali e rappresentanti di New Logic Research. Istruzione: Ingegneria Chimica, Università
della California a Davis.
Pubblicazioni:
Chemical Engineering Progress, January 1998, Solve Membrane Filtration Problems with High-Shear Filtration
Articoli Tecnici:
Vari Articoli Tecnici Presenti su: http://www.vsep.com/downloads
 Filtrazione a Membrana di Percolato di Discarica
 VSEP per Filtrazione di Refluo Oleoso da Trasportatore
 Concentrazione di Nero di Carbone usando Filtrazione a Membrana
 Esame dell’uso della Tecnologia VSEP per Sostituire Cold, Warm, and Hot Lime Softening
Contatta: Greg Johnson, Larry Stowell o Michele Monroe a New Logic Research Inc, 1295 67th Street, Emeryville, CA
94608, USA. Tel: 1-510 655 7305; Fax: +1-510 655 7307; E-mail: [email protected];
Website: www.vsep.com
Trattamento del Rigetto RO Salmastro usando la Tecnologia VSEP
17
Riferimenti
1] EPA – Guidelines for Water Reuse – EPA/625/R-04/108/ - September 2004
2]EPA - Water and Wastewater Pricing – EPA 832-F-03-027 – December 2003
3] AWWA – Dawn of the Replacement Era – May 2001
4] U.S. Census Bureau – Interim Projections of the Total Population for the United States – April 2005
5] Douglas M Ruthven, Separation Technology, Wiley-Interscience 1997
6] J. Mallevialle, I.H. Suffet, Influence and Removal of Oraganics in Drinking Water, Lewis Publishers 1992
7] I. Bremere, M. Kennedy, P Michel, R. Emmerick, G. Witkamp, J. Schippers, Desalinatiuon (1999) 51-62
8] R. J. Bowell, Sulfate and Salt Minerals, Mining Environmental Management May 2000
9] R. Brian, K. Yammamoto, Y. Watanabe, Desalination Publications, ISBN 0-86689-060-2, Oct 2000
10] Jean-Philippe Nicot, Ali Chowdhury, Disposal of Brackish Water concentrate into depleted oil & gas fields
11] Robin Foldager, Economics of Desalination Concentrate Disposal Methods - Fall 2003
12] Charles H. Fritz, Black & Veatch, An Economical Zero Liquid Discharge Approach, December 10-12 2002
13] Edmund Archuleta, Desalination of Brackish Groundwater in El Paso Texas
Trattamento del Rigetto RO Salmastro usando la Tecnologia VSEP
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Glossario:
Concentrazione Batch: Configurazione della macchina in cui una quantità fissa di alimento è progressivamente
concentrata mediante rimozione del permeato dal sistema. Il concentrato dal sistema viene restituito al serbatoio
di alimentazione
Concentrato: Parte della soluzione fluida, che non viene permeata attraverso la membrana. Chiamato anche
Rigetto.
Alimento: E' la soluzione cruda da filtrare. E’ in genere composta da solidi sospesi, batteri o molecole, che
devono essere separate da un filtrato limpido e ridotte a soluzione concentrata.
Blocco dei Filtri: Modulo di filtraggio, che contiene membrane, strati ed è rivestito di un involucro in
vetroresina.
Sporcamento: L'accumulo di materiale sulla superficie della membrana o struttura, che si traduce in una
diminuzione nel flusso.
Flusso: Il flusso è una misura del volume di fluido che passa attraverso la membrana durante un certo intervallo
di tempo per una zona definita di membrana, cioè GFD, LMH.
Microfiltrazione: Filtrazione di particelle sospese in soluzione, che sono ≥ 0,1 micron o 500.000 dalton in
termini di dimensioni o peso.
Micron: Unità di misura. 1 Micron è uguale a un milionesimo di metro (10-6). 1 Micron è uguale a 12.000
maglie o 0,0000394". Il limite di visibilità umana è di 40 micron.
Peso Molecolare: Il numero che esprime la massa media delle molecole di un composto è la massa di un atomo
di carbonio 12 ad un valore esatto di 12.
Nanofiltrazione: Filtrazione di particelle sospese in soluzione che sono ≥ 0,01 micron o 1000 dalton di
dimensioni o peso.
Percentuale di Recupero: Rapporto tra permeato e flusso di alimentazione
Permeato: Anche chiamato filtrato. È la parte della soluzione in grado di attraversare la membrana. La
dimensione dei solidi sospesi è determinata dalla dimensione dei pori della membrana utilizzata.
Osmosi Inversa: Filtrazione di particelle sospese in soluzione, che sono ≥ 0.001 micron o 100 dalton di
dimensioni o peso.
Ultrafiltrazione: Filtrazione di particelle sospese in soluzione, che sono da 0,01 a 0,1 micron o da 1000 a
500.000 dalton in termini di dimensioni o peso.
Trattamento del Rigetto RO Salmastro usando la Tecnologia VSEP
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