"Hårdheten" i högt-saltvatten syftar i första hand på avlagringskatjoner som kalcium (Ca²⁺), magnesium (Mg²⁺), strontium (Sr²⁺) och barium (Ba²⁺). Om den inte avlägsnas för-förbehandling, kommer dessa katjoner att bilda hårda skallager såsom kalciumsulfat, kalciumkarbonat och magnesiumsilikat under den efterföljande hög-koncentrationsprocessen. Dessa kan täppa till membranporer, skada membranelement eller fästa vid förångarens värmeväxlarrör, vilket avsevärt minskar värmeöverföringseffektiviteten och ökar rengöringsfrekvensen och driftskostnaderna.
Följande är flera vanliga och mycket effektiva förbehandlingsmjuknings- och hårdhetsborttagningsprocesser:
1. Kemisk utfällningsmjukning
Detta är den mest klassiska och mest använda processen. Dess kärnprincip är att tillsätta kemikalier för att omvandla hårdhetsjoner till en fällning med extremt låg löslighet, som sedan separeras genom sedimentering eller filtrering.
a) Kalk-Sodaprocess: Detta är den föredragna metoden för att behandla avloppsvatten med hög-hårdhet, särskilt när kalciumhårdheten är hög och magnesiumhårdheten är låg.
Reaktionen är en process i två-steg:
Borttagning av förkalkning: Först tillsätts kalk (Ca(OH)₂) för att omvandla kalciumbikarbonat i vattnet till kalciumkarbonatfällning. Ca(HCO₃)₂ + Ca(OH)₂ → 2CaCO₃↓ + 2H₂O
Icke-karbonathårdhet: Sedan tillsätts soda (Na₂CO₃) för att reagera med icke-karbonatkalcium och magnesiumhårdhet i vattnet.
CaSO4 + Na2CO3 → CaCO3↓ + Na2SO4
MgS04 + Ca(OH)2 → Mg(OH)2↓ + CaSO4 (den resulterande CaS04 reagerar sedan med soda).
Funktioner: Det optimala pH-värdet för kalkavkalkning är i allmänhet 9,5-10,5; för avancerad borttagning av magnesium måste pH-värdet höjas till 10,5-11,0 eller ännu högre, eftersom utfällningen av magnesiumhydroxid kräver en högre alkalinitet. Teoretiskt kan kalciumkoncentrationer reduceras till 30-40 mg/L (mätt som CaCO3) och magnesiumkoncentrationer till under 10 mg/L.
Fördelar: Låga reagenskostnader (kalk och soda är billiga), mogen teknologi och hög behandlingskapacitet.
Nackdelar: Genererar en stor mängd kemiskt slam (cirka 1-3% av den behandlade vattenvolymen), vilket kräver ytterligare slamavvattningsenheter; höjer pH-värdet ökar den totala mängden lösta fasta ämnen (TDS) i vattnet.
b) Natriumhydroxid-sodametoden: Denna metod använder flytande kaustiksoda (NaOH) istället för kalk och är lämplig för applikationer med hög magnesiumhårdhet eller när införandet av ytterligare kalciumjoner är oönskat.
Princip:
Mg²⁺ + 2NaOH → Mg(OH)₂↓ + 2Na⁺
Ca²⁺ + Na₂CO₃ → CaCO₃↓ + 2Na⁺
Egenskaper: Jämfört med kalkmetoden är mängden producerat slam cirka 30-50 % mindre. Eftersom inga kalciumjoner införs, är slammet primärt sammansatt av Mg(OH)2 och CaCO3, vilket resulterar i ett renare slam.
Kostnad: Kostnaden för NaOH är betydligt högre än för kalk, vilket resulterar i högre driftskostnader. Denna metod används ofta för små till medelstora vattenvolymer eller där hög slamkvalitet är avgörande.
Drift: Den malnings- och beredningsutrustning som krävs för kalkdoseringssystem krävs inte, vilket resulterar i en renare driftsmiljö.
c) Sam-utfällning (tillsats av koaguleringshjälpmedel)
För att förbättra utfällningseffektiviteten och avloppskvaliteten tillsätts vanligtvis en liten mängd flockningsmedel (såsom PAM) och koaguleringsmedel (såsom järnklorid FeCl3) under den kemiska utfällningsprocessen. Detta kan minska grumligheten i avloppsvattnet till under 10 NTU, vilket minskar belastningen på efterföljande filtreringsenheter.
2. Jonbytesmetod
Även om kemisk utfällning är kostnadseffektivt-kan den kvarvarande hårdheten hos dess avlopp fortfarande vara för hög för känsliga membransystem som omvänd osmos (RO). Jonbyte kan användas som en poleringsprocess för avlägsnande av djup hårdhet.
Genom att använda starka sura katjonbytarhartser ersätter natriumjoner (Na⁺) kalcium- och magnesiumjoner i vattnet.
2R-Na + Ca²⁺ → R₂-Ca + 2Na⁺
Funktioner: Utmärkt avloppskvalitet, med kvarvarande hårdhet stabilt kontrollerad vid<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.
Applikationsscenario: Nanofiltrering används i allmänhet inte enbart för primär uppmjukning av avloppsvatten med hög-salthalt eftersom råvattnets höga salthalt (höga TDS) konkurrerar med hårdhetsjoner om utbytesplatser på hartset, vilket resulterar i en kraftig minskning av hartskapaciteten, frekvent regenerering och dålig ekonomisk effektivitet. Den är mer lämplig för sekundär djupmjukning efter förbehandling av kemisk utfällning.
3. Membran nanofiltrering
Nanofiltrering är en membranteknologi mellan omvänd osmos och ultrafiltrering. Dess unika laddnings- och siktningseffekter ger den tydliga fördelar inom mjukgöringsområdet.
Nanofiltration membranes have a high rejection rate (>95-98 %) för tvåvärda joner (såsom Ca+, Mg+ och SO4²), medan avvisningshastigheten för envärda joner (såsom Na+ och Cl⁻) är lägre (20-80 %).
Funktioner: Den teoretiska avlägsningshastigheten för kalciumsulfat (CaSO₄) kan nå 99,8%, vilket effektivt förhindrar bildandet av sulfatskala. Driftstrycket är vanligtvis 5-15 bar, mycket lägre än för RO-membran, vilket resulterar i relativt låg energiförbrukning.
Fördelar: Fysisk process, inga reagenser krävs, inget kemiskt slam genereras; kan samtidigt ta bort en del organiskt material och färg.
Nackdelar: Måste baseras på god förbehandling (som ultrafiltrering (UF)) för att förhindra nedsmutsning av membranet; producerar en koncentrerad lösning (buskvatten) med högre hårdhet, som kräver efterföljande behandling; och har höga investeringskostnader.
Användning: Särskilt lämplig för att för-behandla vatten med hög-salthalt med hög sulfathårdhet och högt organiskt innehåll.
4. Tubulär mikrofiltrering (TMF)
Använder en kemisk utfällningsreaktion (som kalk-sodaprocessen) för att omvandla hårdhetsjoner till olösliga fällningar (som CaCO₃ och Mg(OH)₂). Det efterföljande slam-vattenseparationssteget är emellertid inte längre beroende av gravitationssedimentering, utan åstadkoms istället genom den hög-effektiva filtreringen av det rörformiga mikrofiltreringsmembranet.
Kemisk reaktionsenhet: Avloppsvatten blandas noggrant och reagerar med mjukgörare (som kalk, soda och NaOH) i en reaktionstank eller reaktor och bildar mikron- eller till och med nanometer-utfällningspartiklar.
Membranseparationsenhet: Det fällningsrika-reaktionsutflödet kommer direkt in i det rörformiga mikrofiltreringsmembransystemet. Mikroporerna (typiskt 0,1-0,2 μm) i membranväggen tillåter endast vatten och lösta salter att passera igenom, samtidigt som de fullständigt fångar upp alla utfällda partiklar, suspenderat material, kolloider och de flesta bakterier och virus, vilket uppnår omedelbar och effektiv separation av lerigt vatten.
Membranmodul: Består av flera parallella rörformiga membran, vanligtvis 5-12 mm i diameter, med ett inre stöd och ett filterskikt på ytan. Denna design med stor diameter ger exceptionell motståndskraft mot kontaminering och slitage.
Cirkulationspump: Ger tvärflödeshastighet- över membranet (vanligtvis 3-4,5 m/s). Denna höga flödeshastighet spolar kraftigt membranytan, vilket effektivt förhindrar nedsmutsning och igensättning.
Driftläge: Ett cirkulerande filtreringssystem används, där koncentratet kontinuerligt recirkuleras tillbaka in i reaktorn för att bibehålla en hög fastämneskoncentration (upp till 1-3%). Permeat (produktvatten) släpps kontinuerligt ut. När slamkoncentrationen i reaktorn når en viss nivå (t.ex. 2,5-3%) släpps en del av det koncentrerade slammet automatiskt ut.
Fördelar: Utmärkt och stabil avloppskvalitet, med en genomgående låg grumlighet på<0.2 NTU and an SDI15 value of <3 (typically <1).
Hög slamkoncentration med minimal volym: TMF-systemet släpper ut slam i en koncentration på 2,5 %-3,5 % (i vikt). Denna minskning av slamvolymen med över 60 % minskar avsevärt belastningen och kostnaderna för efterföljande slamavvattningsenheter (t.ex. kemikalie- och energiförbrukning för centrifuger och platt- och ramfilterpressar).
Det kompakta fotavtrycket och den modulära designen eliminerar behovet av skrymmande sedimenteringstankar och multi-mediafilter, vilket resulterar i ett mycket integrerat system som kan minska fotavtrycket med 50 %–70 %.
Nackdelar: Kräver en cirkulationspump för att ge höga tvärflödeshastigheter-, vilket resulterar i relativt hög systemströmförbrukning (även om detta delvis kompenseras av minskade kostnader för slambehandling). Membranelement kräver regelbunden kemisk rengöring (CIP), typiskt med en sur tvätt (t.ex. citronsyra) för att avlägsna oorganisk beläggning och en alkalisk tvätt (t.ex. NaOH) för att avlägsna organiska föroreningar. Rörmembran av hög-kvalitet kan, när de underhålls på rätt sätt, hålla i 5-7 år.