اسمز معکوس مدار بسته راهی برای به حداقل رساندن دور‌‌ریز شور آب: (مطالعه موردی در دو تصفیه‌خانه‌ آب نیروگاه)

نوع مقاله : مطالعه موردی

نویسنده

استادیار، گروه مهندسی آب و محیط‌زیست، پژوهشکده حوضه آبی دریای خزر، دانشگاه گیلان، رشت، ایران

چکیده

امروزه که چالش کمبود منابع آب، به یک بحران جدی در بسیاری از مناطق جهان به ویژه کشورمان ایران تبدیل شده است، اهمیت کاهش هر چه بیشتر دور‌ریز آب بیش از پیش احساس می‌شود. سیستم‌های‌ اسمز معکوس پیوسته به‌عنوان پرکاربردترین فرایند نمک‌زدایی از آب، بخش قابل‌توجهی از آب خام ورودی را به‌صورت تلخاب بسیار شور هدر می‌دهند. پارامترهای هیدرولیکی و رسوب‌گذاری نمک‌ها بر روی غشا‌ها، مهم‌ترین عوامل محدودکننده درصد بازیابی در سیستم‌های RO هستند. تکنولوژی RO مدار بسته با تغییر فرایند پیوسته ROهای متداول به فرایندی نیمه پیوسته و چرخه‌ای، محدودیت‌های درصد بازیابی این سیستم‌ها را کاهش داده و می‌تواند میزان دور‌ریز آب را تا 90 درصد کاهش دهد. با توجه به دانش و تجربه بسیار کم در خصوص سیستم‌های CCRO در ایران، هدف اصلی این پژوهش ارزیابی عملکرد و کارایی سیستم‌های CCRO در تصفیه‌خانه‌های آب ایران بود. در همین راستا، دو سیستم RO پیوسته موجود در تصفیه‌خانه‌های آب مستقر در مرکز و شما‌‌‌ل‌غرب ایران انتخاب شدند. برای اولین بار، بر ‌اساس آنالیز شیمیایی آبهای خام این تصفیه‌خانه‌ها، حداکثر درصد بازیابی با فرض تغییر سیستم‌های RO موجود به سیستم CCRO، بررسی شد. نتایج این پژوهش نشان داد که با استفاده از سیستم CCRO به‌جای سیستم RO پیوسته به‌ازای کاهش قابل‌توجه حجم تلخاب تولیدی 74 تا 89 درصد مصرف انرژی الکتریکی سیستم به میزان قابل‌قبولی (8 تا 36 درصد) بیشتر می‌شود. در سیستم CCRO با آب‌ ورودی شورتر (تصفیه‌خانه اول)، حداکثر درصد بازیابی قابل‌دسترس برابر با 7/88 بود که عامل محدودکننده برای دستیابی به درصد بازیابی بیشتر، حداکثر فشار قابل‌تحمل غشاها  bar4/41 بود. در مورد سیستم با خوراک حاوی شوری کمتر (تصفیه‌خانه دوم)، حداکثر شدت جریان مجاز تراوش‌یافته m3h-158/1، درصد بازیابی سیستم را در 6/96 محدود ‌کرد. البته در این شرایط با توجه به غلظت زیاد سیلیس و سولفات در آب ورودی به این سیستم، درصد اشباع سیلیس و نمک‌های سولفات بسیار بیشتر از حدود مجاز بود که به‌منظور کنترل رسوب‌گذاری این نمک‌ها لازم بود ماده ضدرسوب مناسب و احجام زیادی اسید سولفوریک به آب ورودی تزریق شود. به هر ‌حال با کاهش درصد بازیابی سیستم‌ CCRO احجام مصرف اسید و ماده ضدرسوب کاهش یافت.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

Closed Circuit Reverse Osmosis a Way to Minimize Brine Waste: (Two Case Studies in Power Plant Water Treatment Units)

نویسنده [English]

  • Shahram Niazi
Assist. Prof., Dept. of Water Engineering and Environment, The Caspian Sea Basin Research Center, University of Guilan, Rasht, Iran
چکیده [English]

Nowadays, lack of water resources has become a crisis in many countries around the world including our country, Iran. In the current situation, minimizing the waste of water is vital. Continuous reverse osmosis system, the most widespread technology for water desalination, wastes large amounts of fresh feed water as high salinity brines. Hydraulic parameters and deposition of salts on the membranes are the most important factors limiting the maximum achievable recovery rates in RO systems. Closed circuit RO technology by modifying the operational mode of continuous RO system to a cyclic semi-batch process, reduces limitations of the maximum possible recovery and can decrease the amount of water waste by 90%. Due to the lack of experience and knowledge about CCRO technology in Iran, the main goal of the present study is the performance evaluation of CCRO systems in Iran's water desalination plants. For this purpose, two industrial RO systems, located in central and northwestern Iran, were selected as case studies. For the first time, according to the real feed water matrix, the maximum achievable recovery of systems was investigated by changing continuous RO to CCRO systems. The results revealed that implementing CCRO systems could significantly decrease brine production rate 74 to 89%. However, the electrical energy consumption of the systems increased reasonably 8 to 36%. For high salinity feed water (1st case study), the maximum allowable operating pressure of membrane 41.4 bar limited the recovery of CCRO system to 88.7%. For the system with low salinity feed 2nd case study, the recovery was limited to 96.6% due to restriction in the maximum permeate flowrate per element (1.58 m3h-1). In this case, the saturation levels of silica and sulfate salts were much higher than the permissible levels. Therefore, dosing a suitable antiscalant and high volumes of sulfuric acid were necessary to control the scaling. However, acid and antiscalant demands were reduced by a decrease in CCRO recovery rate.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Continuous RO
  • Closed Circuit RO
  • Water Desalination
  • Recovery Rate
  • Minimum Water Waste

مراجع

Afrasiabi, N. & Shahbazali, E. 2012. RO brine treatment and disposal methods. Desalination and Water Treatment, 35, 39-53.
Antony, A., Low, J. H., Gray, S., Childress, A. E., Le-Clech, P. & Leslie, G. 2011. Scale formation and control in high pressure membrane water treatment systems: a review. Journal of Membrane Science, 383, 1-16.
Crittenden, J. C., Trussell, R. R., Hand, D. W., Howe, K. J. & Tchobanoglous, G. 2012. MWH’s Water Treatment: Principles and Design. 3rdEdition. NJ John Wiley & Sons. Hoboken, New Jersey, Canada.
Dhakal, N., Salinas Rodriguez, S. G., Schippers, J. C. & Kennedy, M. D. 2014. Induction time measurements in two brackish water reverse osmosis plants for calcium carbonate precipitation. Desalination and Water Treatment, 53, 285-293.
DuPont 2022a. Introduction to WAVE. DuPont Water Solutions Pub., California, USA.
DuPont 2022b. Water Solutions: FilmTec™ Reverse Osmosis Membranes Technical Manual Form No. 45-D01504-en. DuPont Water Solutions Pub., California, USA.
Efraty, A. 2009. Apparatus for continuous closed circuit desalination under variable pressure with a single container. Desalitech Pub., California, USA.
Efraty, A. 2010. Continuous closed-circuit desalination apparatus without containers. Desalitech Pub., California, USA.
Efraty, A. 2016. CCD series no-16: opened vs. closed circuit SWRO batch desalination for volume reduction of silica containing effluents under super-saturation conditions. Desalination and Water Treatment, 57, 9569-9584.
Efraty, A., Barak, R. N. & Gal, Z. 2012. Closed circuit desalination — a new low energy high recovery technology without energy recovery. Desalination and Water Treatment, 31, 95-101.
Ferguson, R. J., Ferguson, B. R. & Stancavage, R. F. 2011. Modeling scale formation and optimizing scale-inhibitor dosages. IDA Journal of Desalination and Water Reuse, 3, 30-39.
Feria-Díaz, J. J., Correa-Mahecha, F., López-Méndez, M. C., Rodríguez-Miranda, J. P. & Barrera-Rojas, J. 2021. Recent desalination technologies by hybridization and integration with reverse osmosis: a review. Water, 13, 1369.
Futterlieb, M., Elsherbiny, I. M. A., Tuczinski, M., Lipnizki, J. & Panglisch, S. 2021. Limits of high recovery inland desalination: closed‐circuit reverse osmosis – a viable option? Chemie Ingenieur Technik, 93, 1359-1368.
Gal, Z., Septon, J., Efraty, A. & Lee, A. M. 2016. CCD series no-20: high-flux low-energy upgrade of municipal water supplies with 96% recovery for boiler-feed and related applications. Desalination and Water Treatment, 57, 20219-20227.
Gosling, S. N. & Arnell, N. W. 2016. A global assessment of the impact of climate change on water scarcity. Climatic Change, 134, 371-385.
Greenlee, L. F., Lawler, D. F., Freeman, B. D., Marrot, B. & Moulin, P. 2009. Reverse osmosis desalination: water sources, technology, and today's challenges. Water Research, 43, 2317-2348.
Hydraunatics, 2017. Chemical Pretreatment for RO and NF. Nitto Group Company. California, USA.
Ilias, S., Hargrove, S. C. & Talbert, M. E. 2002. Method for improving the permeate flux of a cross-flow membrane filter. U.S. Patents. 6, 168-714.
Li, S., Duran, K., Delagah, S., Mouawad, J., Jia, X. & Sharbatmaleki, M. 2020. Energy efficiency of staged reverse osmosis (RO) and closed-circuit reverse osmosis (CCRO) desalination: a model-based comparison. Water Supply, 20, 3096-3106.
Lin, S. & Elimelech, M. 2015. Staged reverse osmosis operation: configurations, energy efficiency, and application potential. Desalination, 366, 9-14.
Madani, K. 2014. Water management in Iran: what is causing the looming crisis? Journal of Environmental Studies and Sciences, 4, 315-328.
Mansell, B., Nikonova, T., Ackman, P., Langpap, B., Tang, C., Tremblay, R., et al. 2014. Evaluation of RO concentrate treatment and disposal options for the Santa Clarita Valley. Proceedings of the 29th Annual Wate Reuse Symposium, Dallas, Texas, USA.
Morillo, J., Usero, J., Rosado, D., El Bakouri, H., Riaza, A. & Bernaola, F. J. 2014. Comparative study of brine management technologies for desalination plants. Desalination, 336, 32-49.
Panagopoulos, A., Haralambous, K. J. & Loizidou, M. 2019. Desalination brine disposal methods and treatment technologies - a review. Science of The Total Environment, 693, 133545.
Qasim, M., Badrelzaman, M., Darwish, N. N., Darwish, N. A. & Hilal, N. 2019. Reverse osmosis desalination: a state-of-the-art review. Desalination, 459, 59-104.
Salman, M., Safar, M. & Al-Nuwaibit, G. 2015. The effect of magnetic treatment on retarding scaling deposition. Tojsat, 5, 62-77.
Stover, R. L. 2013. Industrial and brackish water treatment with closed circuit reverse osmosis. Desalination and Water Treatment, 51, 1124-1130.
Stover, R. L. 2016. High recovery, low fouling, and low energy reverse osmosis. Desalination and Water Treatment, 57, 26501-26506.
Tarquin, A. & Delgado, G. 2012. Concentrate enhanced recovery reverse osmosis: a new process for RO concentrate and brackish water treatment. Proc. American Institute of Chemical Engineers Meet., Pittsburg, PA, USA, 272277.
Van De Lisdonk, C. A. C., Rietman, B. M., Heijman, S. G. J., Sterk, G. R. & Schippers, J. C. 2001. Prediction of supersaturation and monitoring of scaling in reverse osmosis and nanofiltration membrane systems. Desalination, 138, 259-270.
Voutchkov, N. 2018. Energy use for membrane seawater desalination – current status and trends. Desalination, 431, 2-14.
Warsinger, D. M., Swaminathan, J., Guillen-Burrieza, E., Arafat, H. A. & Lienhard V, J. H. 2015. Scaling and fouling in membrane distillation for desalination applications: a review. Desalination, 356, 294-313.
Warsinger, D. M., Tow, E. W., Maswadeh, L. A., Connors, G. B., Swaminathan, J. & Lienhard, V. J. 2018. Inorganic fouling mitigation by salinity cycling in batch reverse osmosis. Water Reserach, 137, 384-394.
Warsinger, D. M., Tow, E. W., Nayar, K. G. & Maswadeh, L. A. 2016. Energy efficiency of batch and semi-batch (CCRO) reverse osmosis desalination. Water Research, 106, 272-282.
Werber, J. R., Deshmukh, A. & Elimelech, M. 2017. Can batch or semi-batch processes save energy in reverse-osmosis desalination? Desalination, 402, 109-122.
مجله آب و فاضلاب
دوره 34، شماره 1 - شماره پیاپی 144
فروردین و اردیبهشت 1402
صفحه 138-151

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار