Yüksek-tuzlu sudaki "sertlik" öncelikle kalsiyum (Ca²⁺), magnezyum (Mg²⁺), stronsiyum (Sr²⁺) ve baryum (Ba²⁺) gibi katyonların kireçlenmesine atıfta bulunur. Ön-işlemden arındırılmazsa bu katyonlar, sonraki yüksek-konsantrasyon işlemi sırasında kalsiyum sülfat, kalsiyum karbonat ve magnezyum silikat gibi sert tabaka katmanları oluşturacaktır. Bunlar membran gözeneklerini tıkayabilir, membran elemanlarına zarar verebilir veya evaporatörün ısı değişim borularına yapışarak ısı transfer verimliliğini önemli ölçüde azaltabilir ve temizleme sıklığını ve işletme maliyetlerini artırabilir.
Aşağıda yaygın olarak kullanılan ve son derece etkili ön işlem yumuşatma ve sertlik giderme işlemleri yer almaktadır:
1. Kimyasal Yağış Yumuşatma
Bu en klasik ve en yaygın kullanılan süreçtir. Temel prensibi, sertlik iyonlarını son derece düşük çözünürlüğe sahip bir çökeltiye dönüştürmek için kimyasallar eklemek ve daha sonra çökeltme veya filtreleme yoluyla ayrıştırmaktır.
a) Kireç-Soda Külü Prosesi: Bu, özellikle kalsiyum sertliğinin yüksek ve magnezyum sertliğinin düşük olduğu durumlarda, yüksek-sertlikteki atık suyun arıtılması için tercih edilen yöntemdir.
Reaksiyon iki-adımlı bir süreçtir:
Kireçlenmenin giderilmesi: Öncelikle sudaki kalsiyum bikarbonatın kalsiyum karbonat çökeltisine dönüştürülmesi için kireç (Ca(OH)₂) eklenir. Ca(HCO₃)₂ + Ca(OH)₂ → 2CaCO₃↓ + 2H₂O
-Karbonat olmayan sertlik: Daha sonra, sudaki-karbonat olmayan kalsiyum ve magnezyum sertliği ile reaksiyona girmesi için soda külü (Na₂CO₃) eklenir.
CaSO₄ + Na₂CO₃ → CaCO₃↓ + Na₂SO₄
MgSO₄ + Ca(OH)₂ → Mg(OH)₂↓ + CaSO₄ (elde edilen CaSO₄ daha sonra soda külü ile reaksiyona girer).
Özellikler: Kireç dekalsifikasyonu için en uygun pH genellikle 9,5-10,5'tir; Gelişmiş magnezyum giderimi için, magnezyum hidroksitin çökeltilmesi daha yüksek bir alkalilik gerektirdiğinden, pH'ın 10,5-11,0'a veya daha yükseğe yükseltilmesi gerekir. Teorik olarak kalsiyum konsantrasyonları 30-40 mg/L'ye (CaCO₃ olarak ölçülür) ve magnezyum konsantrasyonları 10 mg/L'nin altına düşürülebilir.
Avantajları: Düşük reaktif maliyetleri (kireç ve soda külü ucuzdur), olgun teknoloji ve yüksek arıtma kapasitesi.
Dezavantajları: Büyük miktarda kimyasal çamur üretir (arıtılmış su hacminin yaklaşık %1-3'ü kadar), ilave çamur susuzlaştırma üniteleri gerektirir; pH'ı yükseltmek sudaki toplam çözünmüş katıları (TDS) artırır.
b) Sodyum hidroksit-soda külü yöntemi: Bu yöntem, kireç yerine sıvı kostik soda (NaOH) kullanır ve yüksek magnezyum sertliğine sahip uygulamalar için veya ilave kalsiyum iyonlarının eklenmesinin istenmediği durumlarda uygundur.
İlke:
Mg²⁺ + 2NaOH → Mg(OH)₂↓ + 2Na⁺
Ca²⁺ + Na₂CO₃ → CaCO₃↓ + 2Na⁺
Özellikleri: Kireç yöntemine göre üretilen çamur miktarı yaklaşık %30-50 daha azdır. Hiçbir kalsiyum iyonu dahil edilmediğinden çamur esas olarak Mg(OH)₂ ve CaCO₃'dan oluşur ve bu da daha saf bir çamurla sonuçlanır.
Maliyet: NaOH'un maliyeti kirecin maliyetinden önemli ölçüde daha yüksektir, bu da daha yüksek işletme maliyetlerine neden olur. Bu yöntem genellikle küçük ila orta su hacimleri için veya yüksek çamur kalitesinin önemli olduğu yerlerde kullanılır.
Çalışma: Kireç dozajlama sistemleri için gerekli olan öğütme ve hazırlama ekipmanına gerek yoktur, bu da daha temiz bir çalışma ortamı sağlar.
c) Birlikte -çöktürme (Pıhtılaştırıcı Yardımcıların Eklenmesi)
Çöktürme verimliliğini ve atık su kalitesini iyileştirmek için, kimyasal çöktürme işlemi sırasında tipik olarak az miktarda topaklaştırıcı (PAM gibi) ve pıhtılaştırıcı yardımcısı (ferrik klorür FeCl₃ gibi) eklenir. Bu, atık su bulanıklığını 10 NTU'nun altına düşürerek sonraki filtreleme ünitelerindeki yükü azaltabilir.
2. İyon Değiştirme Yöntemi
Kimyasal çökeltme maliyet-etkin olmasına rağmen, atık suyunun kalan sertliği ters ozmoz (RO) gibi hassas membran sistemleri için hala çok yüksek olabilir. İyon değişimi, derin sertliğin giderilmesi için parlatma işlemi olarak kullanılabilir.
Güçlü asit katyon değiştirme reçineleri kullanılarak, sodyum iyonları (Na⁺) sudaki kalsiyum ve magnezyum iyonlarının yerini alır.
2R-Na + Ca²⁺ → R₂-Ca + 2Na⁺
Özellikler: Kalıcı sertliğin istikrarlı bir şekilde kontrol edildiği mükemmel atık su kalitesi<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.
Uygulama Senaryosu: Nanofiltrasyon genellikle yüksek-tuzlu atık suyun yalnızca birincil yumuşatılması için kullanılmaz çünkü ham suyun yüksek tuzluluğu (yüksek TDS), reçine üzerindeki değişim bölgeleri için sertlik iyonlarıyla rekabet eder, bu da reçine kapasitesinde keskin bir düşüşe, sık rejenerasyona ve düşük ekonomik verimliliğe neden olur. Kimyasal çökeltme ön işleminden sonra ikincil derin yumuşatma için daha uygundur.
3. Membran Nanofiltrasyon
Nanofiltrasyon, ters ozmoz ve ultrafiltrasyon arasında bir membran teknolojisidir. Eşsiz şarj ve eleme etkileri, yumuşatma alanında ona belirgin avantajlar sağlar.
Nanofiltration membranes have a high rejection rate (>iki değerlikli iyonlar (Ca⁺, Mg⁺ ve SO₄²⁻ gibi) için %95-98, tek değerlikli iyonlar (Na⁺ ve Cl⁻ gibi) için reddedilme oranı daha düşüktür (%20-80).
Özellikler: Kalsiyum sülfatın (CaSO₄) teorik uzaklaştırma oranı %99,8'e ulaşabilir ve sülfat tortusunun oluşumunu etkili bir şekilde önler. Çalışma basıncı tipik olarak 5-15 bar olup, RO membranlarından çok daha düşüktür, bu da nispeten düşük enerji tüketimine neden olur.
Avantajları: Fiziksel proses, reaktif gerektirmez, kimyasal çamur oluşmaz; aynı anda bazı organik maddeleri ve renkleri giderebilir.
Dezavantajları: Membran kirlenmesini önlemek için iyi bir ön işleme (ultrafiltrasyon (UF) gibi) dayanmalıdır; daha yüksek sertliğe sahip, daha sonra arıtma gerektiren konsantre bir çözelti (çalı suyu) üretir; ve yatırım maliyeti yüksektir.
Uygulamalar: Yüksek sülfat sertliğine ve yüksek organik içeriğe sahip yüksek-tuzlu suyun- ön arıtımı için özellikle uygundur.
4. Borulu Mikrofiltrasyon (TMF)
Sertlik iyonlarını çözünmeyen çökeltilere (CaCO₃ ve Mg(OH)₂ gibi) dönüştürmek için kimyasal bir çökeltme reaksiyonu (kireç-soda işlemi gibi) kullanır. Bununla birlikte, sonraki çamur-su ayırma adımı artık yer çekimiyle çökeltme işlemine dayanmamakta, bunun yerine boru şeklindeki mikrofiltrasyon membranının yüksek-verimli filtrelemesi yoluyla gerçekleştirilir.
Kimyasal Reaksiyon Ünitesi: Atık su, bir reaksiyon tankında veya reaktörde iyice karıştırılır ve yumuşatıcı maddelerle (kireç, soda külü ve NaOH gibi) reaksiyona sokularak mikron- ve hatta nanometre-boyutunda çökelti parçacıkları oluşturulur.
Membran Ayırma Ünitesi: Çökelti-zengin reaksiyon çıkış suyu doğrudan boru şeklindeki mikrofiltrasyon membran sistemine girer. Membran duvarındaki mikro gözenekler (tipik olarak 0,1-0,2 μm) yalnızca suyun ve çözünmüş tuzların geçişine izin verirken çöken tüm parçacıkları, askıda kalan maddeleri, kolloidleri ve çoğu bakteri ve virüsü tamamen yakalayarak çamurlu suyun anında ve etkili bir şekilde ayrılmasını sağlar.
Membran Modülü: Genellikle 5-12 mm çapında, dahili bir destek ve yüzeyde bir filtre katmanı bulunan çok sayıda paralel boru şeklinde membrandan oluşur. Bu geniş çaplı tasarım, kirlenmeye ve aşınmaya karşı olağanüstü direnç sağlar.
Sirkülasyon Pompası: Membran boyunca çapraz-akış hızı sağlar (tipik olarak 3-4,5 m/s). Bu yüksek akış hızı, membran yüzeyini güçlü bir şekilde temizleyerek kirlenmeyi ve tıkanmayı etkili bir şekilde önler.
Çalışma Modu: Yüksek katı konsantrasyonunu (%1-3'e kadar) korumak için konsantrenin sürekli olarak reaktöre geri döndürüldüğü, dolaşımlı bir filtreleme sistemi kullanılır. Süzüntü (ürün suyu) sürekli olarak boşaltılır. Reaktördeki çamur konsantrasyonu belirli bir seviyeye (örneğin %2,5-3) ulaştığında, konsantre çamurun bir kısmı otomatik olarak deşarj edilir.
Avantajları: Sürekli olarak düşük bulanıklık ile mükemmel ve istikrarlı atık su kalitesi<0.2 NTU and an SDI15 value of <3 (typically <1).
Minimum hacimde yüksek çamur konsantrasyonu: TMF sistemi, çamuru %2,5 - %3,5 (ağırlıkça) konsantrasyonunda tahliye eder. Çamur hacmindeki %60'ın üzerindeki bu azalma, sonraki çamur susuzlaştırma ünitelerinin yükünü ve maliyetini önemli ölçüde azaltır (örneğin, santrifüjler ve plaka ve çerçeve filtre presleri için kimyasal ve güç tüketimi).
Kompakt ayak izi ve modüler tasarım, büyük sedimantasyon tanklarına ve multimedya filtrelerine olan ihtiyacı ortadan kaldırır; böylece ayak izini %50-%70 oranında azaltabilen son derece entegre bir sistem elde edilir.
Dezavantajları: Yüksek çapraz-akış hızları sağlamak için bir sirkülasyon pompası gerektirir, bu da nispeten yüksek sistem güç tüketimine neden olur (ancak bu, çamur arıtma maliyetlerinin azalmasıyla kısmen dengelenir). Membran elemanları, inorganik tortuyu gidermek için tipik olarak asitle yıkama (örn. sitrik asit) ve organik kirleticileri çıkarmak için alkalin yıkama (örn. NaOH) ile düzenli kimyasal temizleme (CIP) gerektirir. Yüksek-kaliteli boru şeklindeki membranlar, uygun şekilde bakımı yapıldığında 5-7 yıl dayanabilir.