Scarico Liquido Zero - ZLD

• Spurgo delle torri di raffreddamento nell'industria pesante e nelle centrali elettriche
• Flussi rigenerativi a scambio ionico in particolare nella lavorazione di alimenti e bevande
• Desolforazione dei gas di combustione, flusso di acque reflue umide
• Sistemi idrici potabili comunali, flussi di acque reflue
• Riutilizzo delle acque di processo da flussi agricoli, industriali e comunali
• Vari flussi di acque reflue industriali provenienti dall'industria tessile, dal carbone alla chimica, alimentare e lattiero-casearia o dalle batterie

Più in particolare, possiamo fare riferimento alle seguenti applicazioni (Tabella 2),

Tabella 2, Applicazioni del flusso di acque reflue ZLD

The discharge sources can be further categorized according to volume and complexity. A ZLD solution must take the latter into consideration along with the location of the waste stream.

4. ZLD Determining Factors

The most important factors that determine the ZLD design depend on,

1. The specific contaminants in the discharge stream
2. The volume of the dissolved material
3. The required design flow rate

I contaminanti di interesse sono presentati nella Tabella 3,

Tabella 3, Costituenti chimici tipici di interesse

Questi parametri devono essere misurati accuratamente prima di richiedere un preventivo, in modo da ottenere una stima precisa del costo del sistema. Se l'alimentazione è soggetta a cambiamenti nel flusso e nella concentrazione dei contaminanti, i serbatoi di tamponamento in ingresso regolano i picchi.

5. Costi operativi

Ogni tecnologia che compone la catena ZLD ha un certo costo di acquisto, ma un parametro importante per calcolare i costi e, infine, il periodo di ammortamento sono i costi operativi. L'OPEX può cambiare drasticamente in base al processo selezionato, in particolare per gli impianti di generazione di energia elettrica e vapore. Per un investimento a lungo termine, i vantaggi e gli svantaggi di ogni scelta devono essere soppesati, nonché ciò che funziona meglio per ogni azienda e il suo personale. Ciò contribuirà a ottenere un investimento iniziale rispetto a un investimento a lungo termine.

Table 4, Specific Energy Consumptions (SECs) of Brine Treatment Technologies, Multistage Flash (MSF), Multi-Effect Distillation (MED), Mechanical Vapor Compression (MVC), Electrodialysis (ED/EDR), Forward Osmosis (FO), Membrane Distillation. The energy consumption values are the average of 13 comparative studies on ZLD technologies ranging from 2002 -2017. Clarifications are needed for ED/EDR, FO and MD. 1) ED/EDR SEC depends on the salinity of the feed as higher salinities require higher SECs, 2) FO SEC depends on the Draw Solution and the Regeneration Method. Most papers assume the use of thermolytic salts and their regeneration at a 60^oC temperature. 90% of the thermal energy needed can be acquired by waste heat if it’s available, 3) MD SEC depends on the configuration. Most common MD configuration in the studies is Direct Contact MD (DCMD) due to its simplicity. 90% of the thermal energy needed can be acquired by waste heat if it’s available and finally 4) the total electrical equivalent was taken using the following, Total El. Equivalent = El. Energy + 0.45 x Thermal Energy due to modern power plant efficiency (according to relevant paper).

Fig.1 Brine Treatment Technologies SECs graph comparison (see clarifications in the description of table 4)

In ultima analisi, per un'analisi costi-benefici, devi sempre prendere in considerazione fattori come,

• Tasse o commissioni di acquisto aggiuntive
• Possibili costi di utenza nell'area di installazione
• Tasse o permessi normativi ambientali
• Test di conformità regolari

6. Progettazione ZLD di base - Blocchi ZLD

Nonostante le fonti variabili di un flusso di acque reflue, un sistema ZLD è generalmente composto da due fasi rappresentate nella Figura 1.

Fig.2, Blocchi base ZLD

1. Pre-concentrazione; La pre-concentrazione della salamoia viene solitamente ottenuta con concentratori di salamoia a membrana o elettrodialisi (ED). Queste tecnologie concentrano il flusso a un'elevata salinità e sono in grado di recuperare fino al 60-80% dell'acqua.
2. Evaporazione/cristallizzazione; Il passaggio successivo con processi termici o evaporazione, evapora tutta l'acqua residua, la raccoglie e la spinge per il riutilizzo. I rifiuti che rimangono vanno quindi a un cristallizzatore che fa bollire tutta l'acqua fino a quando tutte le impurità cristallizzano e vengono filtrate come un solido.

6.1. Pre-concentrazione 

La pre-concentrazione del flusso di rifiuti liquidi è una fase molto importante perché riduce il volume dei rifiuti e ridimensiona significativamente la fase di evaporazione/cristallizzazione molto costosa. Solitamente si ottiene con elettrodialisi (ED) o processi a membrana che consistono in osmosi diretta (FO) e distillazione a membrana (MD) (Figura 3).

Fig.3, Tecnologie di trattamento della salamoia, (a) Elettrodialisi, (b) Osmosi diretta, (c) Distillazione a membrana

ED, FO e MD possono funzionare in modo efficiente con un contenuto di salinità molto più elevato rispetto all'RO (rispettivamente 150.000 ppm, 200.000 ppm, 250.000 ppm e 70.000 ppm).

6.1.1. Elettrodialisi/inversione dell'elettrodialisi

L'elettrodialisi è un processo a membrana che utilizza elettrodi per creare un campo elettrico che spinge ioni negativi e positivi attraverso membrane semipermeabili con specie caricate positivamente o negativamente rispettivamente. L'ED viene utilizzata in più fasi per concentrare la salamoia a livelli di saturazione. Viene spesso utilizzata insieme all'RO per un recupero di acqua molto elevato. ED differisce da RO perché rimuove gli ioni e non l'acqua e viceversa per RO. Per questo motivo, la silice e le sostanze organiche disciolte non vengono rimosse con ED, il che è importante se il flusso pulito deve essere riutilizzato. ED richiede solidi, così come RO, rimozione di solidi e sostanze organiche dall'alimentazione.

Inversione dell'elettrodialisi (EDR)

In EDR la polarità degli elettrodi viene invertita più volte all'ora e l'acqua dolce e le acque reflue concentrate vengono scambiate all'interno della pila di membrane per rimuovere incrostazioni e incrostazioni.

6.1.2.

FO è un processo a membrana osmotica con una membrana semipermeabile che, a differenza dell'RO, non utilizza la pressione applicata per ottenere la separazione dell'acqua dai soluti disciolti come ioni, molecole e particelle più grandi. Ciò significa molta meno energia per il processo rispetto all'RO. In generale, l'FO utilizza energia termica ed elettrica. L'energia termica può essere sostituita con calore di scarto di bassa qualità che può essere trovato ovunque nella maggior parte delle aree industriali o vicine.

6.1.3. Distillazione a membrana

MD è un processo di trasporto guidato termicamente che utilizza membrane idrofobiche. La forza trainante del metodo è la differenza di pressione del vapore tra i due lati dei pori della membrana, che consente il trasferimento di massa e calore dei componenti volatili della soluzione (ad esempio acqua). La semplicità di MD insieme al fatto che può utilizzare calore di scarto e/o fonti di energia alternative, come l'energia solare e geotermica, consente di combinare MD con altri processi in sistemi integrati, rendendolo una promettente tecnica di separazione.

6.1.4 L'importanza della pre-concentrazione in un processo ZLD

Le tecnologie di pre-concentrazione hanno recuperi molto elevati, ma solitamente non abbastanza come le tipiche tecnologie di evaporazione termica per portare la salamoia a livelli di concentrazione di saturazione. Quindi perché sono così importanti? Il motivo è il CAPEX/OPEX degli evaporatori/cristallizzatori. 1) A causa della natura corrosiva della salamoia, ci vogliono sempre più leghe metalliche resistenti per resistere alla corrosione man mano che la concentrazione aumenta. Ciò significa che più grande è il modulo di evaporazione/cristallizzazione, maggiore sarà il CAPEX richiesto (che può essere il 60-70% dell'intero processo). 2) Elevata richiesta di energia dovuta all'aumento del punto di ebollizione della salamoia man mano che la concentrazione aumenta. Entrambi i punti saranno spiegati in modo più analitico nelle pagine web di Lenntech dedicate all'evaporazione/cristallizzazione.

Cerchiamo di formulare un esempio visivo della situazione. Supponiamo di avere 100 m³/giorno di salamoia e di volerla trattare con una combinazione MD-MVC-Crystallizer. Supponiamo di avere (approcci approssimativi tratti da valori disponibili in documenti correlati),

• Combinazione MD (recupero al 75%)/calore di scarto disponibile → Il 90% dell'energia termica può essere sostituito dal calore di scarto → Il consumo energetico passerà da 47,41 a 6,57 KWh/m³
• MVC con recupero al 90% → Media di 14,86 KWh/m³
• Cristallizzatore con recupero al 50% → Media di 50 KWh/m³

Quindi, dati tutti gli ultimi valori, vediamo come si svolgerà il processo di salamoia.

Salamoia da 100 m³ → MD (-75%) → 25m³ Salamoia → MVC (-90%) → 2,5 m³ Salamoia → Cristallizzatore (-50%) → 1,25 m³ Salamoia → Azionato da centrifuga o pressa a nastro

Ciò si traduce in 100 m³ x 6,57 KWh/m³ + 25 m³ x 14,86 KWh/m³ + 2,5 m³ x 50 KWh/m³ = 657 KWh + 371,5 KWh + 125 KWh = 1.153,5 KWh/100 m³ Salamoia

Se non avessimo una fase di pre-concentrazione e avessimo condotto la salamoia direttamente a un evaporatore, la richiesta di energia sarebbe,

100 m³ x 14,86 KWh/m³ + 10 m³ x 50 KWh/m³ = 1.486 KWh + 500 KWh = 1.986 KWh/ 100 m³ Salamoia

1.986 KWh (cristallizzatore MVC)/ 1.153,5 KWh (cristallizzatore MD-MVC) = 1,72 o 172% di aumento del consumo energetico del trattamento della salamoia senza una fase di pre-concentrazione!

Tabella 5, Recuperi di acqua relativi (%) di ciascuna combinazione (con e senza pre-concentrazione) insieme alle SEC per ciascuna tecnologia

La visualizzazione grafica della Tabella 5 ci fornisce la Figura 4,

Fig.4, Recuperi di acqua relativi (%) di ciascuna combinazione (con e senza pre-concentrazione) insieme ai SEC per ciascuna tecnologia

Quindi la fase di pre-concentrazione non solo ha ridotto i costi energetici a meno della metà, ma ha anche aumentato la disponibilità di recupero del sistema. Per non parlare del possibile ridimensionamento dell'MVC da 100 a 25 m³ e del Cristallizzatore da 10 a 2,5 m³ , il che significa enormi risparmi in CAPEX/OPEX.

Qui è importante iniziare a parlare del concetto di scarico minimo di liquidi (MLD). L'MLD è un sistema ad alto recupero senza arrivare fino allo ZLD a causa dei costi e della complessità correlati a quest'ultimo. L'MLD è discusso più in dettaglio in una pagina web separata di Lenntech.

6.2 Evaporazione e cristallizzazione

Dopo la pre-concentrazione del flusso di rifiuti, il passaggio successivo è quello di utilizzare processi termici o evaporazione per generare solidi e riutilizzare l'acqua evaporata. L'evaporazione è essenzialmente il trasferimento di calore a un liquido bollente con l'intento di concentrare un soluto non volatile da un solvente, che di solito è acqua, facendo bollire il solvente. Il processo di evaporazione normalmente si interrompe appena prima che il soluto inizi a precipitare, altrimenti viene considerato cristallizzazione.

L'evaporazione a film discendente è un metodo di evaporazione efficiente dal punto di vista energetico che concentra l'acqua fino al punto di cristallizzazione iniziale (saturazione eccessiva). L'aggiunta di acido neutralizzerà la soluzione in modo tale, quando la si riscalda, da impedire la formazione di incrostazioni e danni agli scambiatori di calore. La deaerazione viene spesso utilizzata anche per rilasciare ossigeno disciolto, anidride carbonica e altri gas non condensabili.

La salamoia in uscita dall'evaporatore entra in un cristallizzatore a circolazione forzata in cui l'acqua viene concentrata oltre la solubilità dei contaminanti e dei cristalli formati. Il prodotto risultante viene disidratato da una filtropressa o da una centrifuga e il concentrato (liquore madre) viene riportato al cristallizzatore.

La condensa raccolta (acqua) dai tre passaggi ritorna al processo, eliminando lo scarico di liquidi nel sistema. Se sono presenti sostanze organiche, potrebbe essere necessaria la lucidatura della condensa prima di riutilizzarla. L'acqua del prodotto viene quindi convogliata in un serbatoio di stoccaggio.

A questo punto, i rifiuti solidi andranno in discarica o per essere riutilizzati.

Fig.5, fase di evaporazione/cristallizzazione ZLD