Förbehandling av havsvatten i avsaltningsanläggningar

• 1. Algblomning i anläggningar för avsaltning av havsvatten genom omvänd osmos
  • 1.1. Fördelning av vattenansamlingar
• 2. Förbehandling av havsvatten i avsaltningsanläggningar
  • 2.1 Konventionell förbehandlingskonfiguration
  • 2.2 Inställningar för avancerad förbehandling
  • 2.3. Slutsatser om förbehandlingsinställningarna
• 3. DAF-tekniken som en viktig del av förbehandlingen i avsaltningsanläggningar
• 4. Ordlista
• 5. Referenser

1. Algblomning i anläggningar för avsaltning av havsvatten genom omvänd osmos

Vattenfördelningen på vår planet är inte jämn.

• 97 % av vattnet finns i haven.
• 3 % är sötvatten på ytan.

3 % av sötvattnet fördelar sig enligt följande:

• 69 % finns i det iskalla vattnet i glaciärerna.
• 30 % är grundvatten.
• Mindre än 1 % av vattnet finns i sjöar, träsk och floder.

På grund av den snabba befolkningsökningen och den ökande vattenförbrukningen finns det ett akut behov av att utnyttja alternativa källor för att få tillgång till färskvatten. Behandling av havsvatten genom avsaltning är en av de vanligaste lösningarna för att få fram dricksvatten och vatten för industriellt bruk.

Havsalger spelar en avgörande roll i det marina näringsnätet genom att omvandla koldioxid (CO2) till biomassa, som utgör grunden för näringskedjan.

Algblomningar är vanliga fenomen i havsområden. När dessa blomningar är skadliga kan de få allvarliga konsekvenser för de marina ekosystemen och för människans utnyttjande av havets resurser.

Blomningar av skadliga alger kan uppstå i alla kustområden och påverka avsaltningsanläggningar negativt. Det organiska material som algerna släpper ut under dessa blomningar orsakar avlagringar på membranen i omvänd osmos, vilket försvårar driften och underhållet av dessa anläggningar.

Membran för omvänd osmos är utformade för att avskilja ämnen som är upplösta i vattnet, särskilt oorganiska joner.

Omvänd osmos är den mest effektiva tekniken för avsaltning av havsvatten, men den är också känslig för föroreningar och igensättning av membranen, vilket orsakas av partikelavlagringar och tillväxt av bakterier och andra mikroorganismer som bildar en biofilm på membranets yta, vilket leder till:

• En ökning av det hydrauliska motståndet.
• En betydande ökning av transmembrantrycket.
• En betydande minskning av flödet.

Dessa negativa effekter förkortar membranets livslängd och förkortar filtreringscyklernas varaktighet, vilket påverkar prestandan negativt.

Biprodukter från alger och deras toxiner kan också tränga in i vattenledningsnätet, vilket påverkar vattenkvaliteten i nätet och orsakar allvarliga tekniska och hälsorelaterade problem.

Denna förbehandlingsprocess håller membranen i gott skick under längre tid, vilket innebär att det inte behövs rengöras lika ofta. Detta är viktigt, eftersom det är bättre att undvika frekvent kemisk rengöring.

Förekomsten av skadliga algblomningar vid avsaltning av havsvatten genom omvänd osmos medför följande utmaningar:

1. Genomför en förbehandling som säkerställer att avsaltningen genom omvänd osmos effektivt avlägsnar algtoxiner från havsvatten.
2. Att hantera de driftsmässiga utmaningar som orsakas av förekomsten av totalt suspenderat fast material och den organiska belastningen kopplad till algbiomassan i råvattnet.

1.1. Fördelning av algblomningar

Skadliga algblomningar förekommer längs hela kusten och har orsakat allvarliga problem för avsaltningsanläggningar över hela världen.

2. Förbehandling av havsvatten i avsaltningsanläggningar

Membrantekniken är den mest effektiva metoden för att avlägsna alger, bakterier, virus och andra mikroorganismer som finns i vattnet. Processen påverkas dock kraftigt av problem med avlagringar, varför en förbehandling är absolut nödvändig för att membrantekniken ska fungera effektivt.

2.1 Konventionell förbehandlingskonfiguration

Den konventionella förbehandlingsprocessen kan delas in i två kategorier: fysikalisk och kemisk.

• I den fysiska processen sker en mekanisk siktning av partiklar genom siktar och filter.
• Den kemiska processen består å sin sida av tillsats av avlagringshämmare, såsom oxidationsmedel, kemikalier för pH-justering, koaguleringsmedel, flockningsmedel och desinfektionsmedel.

De föroreningar som ska avskiljas vid förbehandlingen är:

• Partiklar och svävande ämnen.
• Mikrobiella föroreningar.
• Alger och AOM.
• Upplöst organiskt material.

Den konventionella behandlingen kan anpassas till varje projekts specifika behov genom att ändra något av de beskrivna stegen.

Desinfektion, mekanisk filtrering och pH-justering

Desinfektion med klor används för att förhindra biologisk tillväxt som leder till att filter och membran täpps igen. Det krävs en efterföljande avkloringsprocess för att undvika att det finns kvar klor i vattenströmmen.

I siktningsprocessen används galler eller nät för att fånga upp flytande föremål, växter och annat grovt avfall, vilket förhindrar att dessa tar sig in i förbehandlingsutrustningen och orsakar skador eller blockeringar. Det avfall som fastnat i gallren avlägsnas med hjälp av en mekanisk skrapa som är monterad på siktarna.

Havsvattnets pH-värde är alltid alkaliskt på grund av salterna, vilka orsakar avlagringar på membranen i omvänd osmos. Att justera pH-värdet är också fördelaktigt för att avlägsna alger och totalt organiskt kol (TOC).

Omvänd osmosmembranens prestanda är optimal vid låga pH-värden, varför det är nödvändigt att hålla vattnets pH mellan 5,5 och 6,0 genom tillsats av svavelsyra eller någon annan typ av syrablandning som optimerar flockbildningen. Det rekommenderas inte att arbeta med ett pH-värde under 5,5, eftersom cellerna då bryts ned och frigör intracellulära ämnen som kanske inte avlägsnas helt under förbehandlingsfasen.

Koagulering och flockning

Huvudsyftet med koagulerings- och flockningsprocessen är att avlägsna grumlighet och fasta partiklar. För detta ändamål tillsätts ett koaguleringsmedel i vattnet som neutraliserar de negativt laddade partiklarna. Vilken typ av koaguleringsmedel som ska användas och den optimala mängden bestäms genom att man utför ett jar-test på vattnet. De vanligaste koaguleringsmedlen är aluminiumföreningar och järnsalter, såsom järnsulfat och järnklorid. Koagulerings- och flockningsprocessen avlägsnar kolloidala föroreningar, suspenderade partiklar, alger, AOM och vissa bakterier från havsvattnet.

Algcellerna måste brytas ned fullständigt för att reningsprocessen ska uppnå maximal effektivitet. Detta uppnås genom rätt dosering av koagulerings- och flockningsmedel, i kombination med rätt pH-justering (för en given dos av koaguleringsmedel finns det ett optimalt pH-värde där algavskiljningen blir maximal).

Flotation med upplöst luft

Ett DAF-system avskiljer partiklar, algceller, olja och fett som inte kan avlägsnas genom sedimentering. Även de flockar som bildas under koagulerings- och flockningsfasen avlägsnas.

I anläggningar för avsaltning av havsvatten utsätts DAF-systemen kontinuerligt för saltfuktig luft, hög luftfuktighet och tuffa driftsförhållanden.

SIGMADAF:s system av belagt kolstål är särskilt utformade för att garantera tillförlitlighet och optimal prestanda på lång sikt under tuffa driftsförhållanden, och erbjuder utmärkt prestanda vid avskiljning av suspenderade fasta ämnen.

Utrustningens tank är tillverkad av belagt kolstål, medan övriga komponenter är tillverkade av superduplex-rostfritt stål.

Dessutom är våra DAF-enheter för havsvattenavsaltningsanläggningar behandlade med högpresterande beläggningssystem som är certifierade för marina miljöer. Innan beläggningen appliceras genomgår alla enheter en ytbehandlingsprocess, vilket garanterar optimal vidhäftning och långvarigt korrosionsskydd.

Filtrering

Denna process avlägsnar de suspenderade partiklar som inte avlägsnades under flotationen med upplöst luft.

De vanligaste filtertyperna är gravitationsfilter (sand eller sand i kombination med antracit) och pressfilter.

Gravitationsfilter används i avsaltningsanläggningar med stor och medelstor kapacitet, eftersom de ger bättre ekonomisk avkastning. Filtreringssystemet som bygger på gravitation avlägsnar lera, kolloidalt kiseldioxid, utfällda metallhydroxider, humussyror och fulvinsyror, alger och bakterier.

Tillsats av antiskalningsmedel

Nedfällning av salter och mineraler från havsvattnet på ytan av omvänd osmosmembranet kan minska dess prestanda och sänka vattenåtervinningen.

Svavelsyra som tillsätts för att justera pH-värdet kan också motverka den avlagring som orsakas av kalciumkarbonat. På senare tid har man även börjat använda vissa polymerer som antikalkmedel.

Uttalande

När klor används som desinfektionsmedel kan kvarvarande klor i matningsvattnet skada membranen i omvänd osmos. De vanligaste medlen som används för avklorering är natriumbisulfit eller aktivt kol.

2.2 Inställningar för avancerad förbehandling

Vissa avsaltningsanläggningar har använt mikrofiltreringsmembran (MF) och/eller ultrafiltreringsmembran (UF) som en fristående förbehandlingsprocess. Denna process kallas avancerad förbehandling, men har visat sig vara en ineffektiv lösning, eftersom föroreningar påverkar alla typer av membran.

Avancerad förbehandling kan ingå i den konventionella förbehandlingen, men kan inte utgöra en fristående förbehandling. Det har visat sig att en kombination av konventionell förbehandling och avancerad förbehandling kan utgöra en kostnadseffektiv lösning för produktion av färskvatten vid avsaltning av havsvatten.

En pilotanläggning i industriell skala i Barcelona genomförde en jämförelse mellan ett filter med dubbla filtermedier (DMF) och ultrafiltreringsmembran som en del av förbehandlingen efter en DAF-anläggning.

Ultrafiltreringsmembranen uppvisar utmärkt stabilitet och ger ett permeat av hög kvalitet. Kombinationen av en DAF-anläggning följd av ett UF-membran avskiljer nästan 100 % av algföroreningen och en stor del av bakteriehalten.

Detta är ett tydligt exempel på hur en kombination av konventionella och avancerade förbehandlingstekniker ger utmärkta resultat vid förbehandling av havsvatten.

2.3. Slutsatser om utformningen av förbehandlingen av havsvatten i avsaltningsanläggningar

Den största fördelen med den konventionella förbehandlingsprocessen är att den är beprövad och kan optimeras med hjälp av avancerad teknik i varje enskilt steg. Systemet avlägsnar både organiskt material och suspenderade ämnen från det behandlade havsvattnet.

Den konventionella förbehandlingen kan anpassas genom att man ändrar eller lägger till steg, till exempel filtrering med UF-/MF-membran.

På senare tid har forskningen inriktats på att göra den konventionella förbehandlingen av havsvatten mer effektiv genom följande metoder:

• Förändringar vid platserna för insamling av havsvatten.
• Införande av DAF-tekniken i flotationsprocessen.
• Dynamiska processer för backspolning/rengöring av filter eller membran
• Kemiska doseringar anpassade till systemet.

3. Flotation med upplöst luft vid förbehandlingen i avsaltningsanläggningar

Det system för förbehandling av havsvatten som har visat sig vara mest effektivt, tillförlitligt och kostnadseffektivt är följande:

• Koagulering-flockning och pH-justering.
• Peroxidation.
• Flotation med upplöst luft (DAF).
• Gravitationsfiltrering.

Denna kombination av processer avlägsnar fett, oljor, suspenderade ämnen, grumlighet, färg, vissa bakterier, alger, järn, mangan, fosfor och totalt organiskt kol.

Effektiviteten när det gäller att eliminera alger varierar mellan 99 % och 99,9 %, även vid allvarliga utbrott av skadliga alger.

Flotation med upplöst luft används för partiklar vars densitet är lägre än den vätska de befinner sig i. Under processen fäster koagulerade partiklar, såsom alger, vid de bubblor som bildas inuti DAF-systemet och flyter upp till ytan av vattenpelaren, där de avlägsnas mekaniskt eller hydrauliskt.

I avsaltningsanläggningar som producerar dricksvatten går trenden idag mot utveckling av DAF-system med täta mikrobubbelbäddar och kapacitet för stora flöden. Denna process erbjuder följande fördelar:

• Minskar utrymmesbehovet.
• Minskar driftskostnaderna.
• Minska underhållskostnaderna.
• Förbättrar reningsresultaten.

DAF-systemen som tillverkas av SIGMADAF erbjuder följande fördelar:

• Bättre kvalitet på det renade vattnet.
• Snabb igångsättning.
• Höghastighetsdrift.
• Tjockare slam (mindre slamproduktion).
• Mindre miljöpåverkan.
• Enkel att använda.
• Förmåga att skydda anläggningar för behandling av havsvatten mot skador orsakade av skadliga algblomningar.

Tabell 2.Jämförande effektivitet vid algbekämpning med olika reningssteg under optimerade förhållanden. Källa: Mouchet och Bonnelye 1998.

Tabla 3. Eficiencias de eliminación de Sigma DAF modelo FPAC-CW®. La unidad incluye ajuste de pH, sistema de coagulación-floculación más sistema DAF, que se muestra en la Figura 12 (a). La calidad del agua utilizada para esta estimación es: Tipo de afluente: agua de mar más agua de río; caudal = 10500 m3 / h dividido en tres líneas de operación de 3500 m3 / h promedio cada una; sólidos totales disueltos <40000 mg / L; pH = 8.2-8.3, temperatura = 17-39ºC; algas: 5 Mcélulas / L; sólidos suspendidos totales <200 mg / L; turbidez = 5-30 NTU; aceite y grasa <3 mg / L.

Parameter	Avfallshanteringseffektivitet
Totalt suspenderat fast material	95%
Oljor och fetter	98%
Alger	98%
Koncentration av det uppflottade slammet	> 2%

Tabla 4. Eficiencias de eliminación de Sigma DAF modelo FPHF®, que se muestran en la Figura 12 (b). El proceso instalado también incluye ajuste de pH, sistema de coagulación-floculación más sistema DAF. La calidad del agua utilizada para esta estimación es: Tipo de afluente: agua de mar; caudal = 832 m3 / h dividido en dos líneas de operación de 416 m3 / h promedio cada una; sólidos suspendidos totales <50 mg / L; pH = 8.0, temperatura = <34.6ºC; algas <100000 células / ml; aceite y grasa <3 mg / L.

Parameter	Värde i avloppsvatten
Totalt suspenderat fast material	< 10 ppm
Grumlighet	< 5 NTU
Totalt organiskt kol	< 7 ppm
Algbekämpning	> 98%
Avlägsnande av oljor och fetter	> 90%

Eftersom alger är flytande används DAF-system i allt större utsträckning vid förbehandling av havsvatten. De höga avskiljningsgraderna för alger som uppnås med ett DAF-system förhindrar att membranen för omvänd osmos blir nedsmutsade och igensatta, vilket i sin tur förhindrar att anläggningen tvingas stängas helt ned under perioder med skadlig algblomning.

Omvänd osmosmembran är mycket känsliga för föroreningar som orsakas av:

• Kolloider.
• Oorganiska avlagringar.
• Utveckling av biofilmer.
• osv.

Med en öppen havsvattenintag skulle membranen utsättas för olika typer av föroreningar: alger, utfällda metaller, organiskt material, kolväten, partiklar, grumlighet osv.

Förbehandlingen bör utformas för att klara det värsta tänkbara scenariot och ändå säkerställa en jämn vattenkvalitet till omvänd osmosanläggningarna, även vid förekomst av skadliga algblomningar. Förbehandlingen ska dessutom bidra till att minska kostnaderna för rengöring av omvänd osmosmembranen.

Den allvarliga förekomsten av skadliga algblomningar som inträffade i Omanbukten under åren 2008 och 2009 ledde till att flera avsaltningsanläggningar i regionen stängdes, vilket påskyndade sökandet efter nya lösningar för förbehandling av havsvatten, där framför allt flotation med upplöst luft utmärkte sig.

DAF-tekniken används regelbundet i nya SWRO-anläggningar i Persiska viken:

• Vid anläggningen i Al-Dur installerades en pilotanläggning utrustad med ett DAF-system i kombination med koagulering och flockning före GMF-filtermediet. Denna process lyckas eliminera mer än 99 % av algcellerna.
• Avsaltningsanläggningen i Al-Shuwaik i Kuwait är utrustad med DAF-utrustning och UF-membran som förbehandling. Anläggningen får genomgående inmatningsvatten av högsta kvalitet, även under försämrade förhållanden vid algblomning.
• Utbyggnaden av anläggningen i Fujairah innefattar DAF-teknik som en väsentlig del av förbehandlingssystemet.

För att kunna utforma en korrekt och optimal anläggning för förbehandling av havsvatten är det nödvändigt att genomföra en jar-test-analys med havsvattenprover som täcker hela det kvalitetsintervall som kan förväntas: från mindre koncentrerat havsvatten till det värsta tänkbara scenariot i form av episoder med skadlig algblomning.

På SIGMADAF utför vi både dessa analyser och konstruktion och tillverkning av DAF-system samt koagulerings- och flockuleringsenheter.

4. Ordlista

AOM:algal organic matter: organiskt material som bildas av alger

DAF:dissolved air flotation: flotation med upplöst luft

DMF:dual media filter: dubbelt filtermedium

GMF:filter med granulärt filtermedium

HAB:skadlig algblomning

MF:mikrofiltrering

RO:omvänd osmos

SWRO:omvänd osmos för havsvatten

TOC:total organiskt kol

UF:ultrafiltrering

5. Referenser

• Alshahri A., Fortunato L., Zaouri N., Chaffour N., Leiknes T. (2021) Betydelsen av upplösningsluftflotation (DAF) och flytande ferrat för att minska mängden organiskt material från alger (AOM) vid algblomningar i omvänd osmos-avsaltning. Separation and Purification Technology. 256, 117795.
• Anderson D., Boerlage S., Dixon M. (2017) Skadliga algblomningar (HAB) och avsaltning: En guide till effekter, övervakning och hantering. Manualer och guider 78, Intergovernmental Oceanographic Commission. UNESCO 2017.
• Babel S., Takizawa S. (2011) Kemisk förbehandling för att minska membranförorening orsakad av alger. Desalination. 274, 171–176,
• Bonnelye V., Sanz M.A., Durand J., Plasse L., Gueguen F., Mazounie P (2004) Omvänd osmos med öppet intag av havsvatten: strategi för förbehandling. Desalination. 167, 191–200.
• Bui T., Nam S., Han M (2015) Mikrobubbelflotation av sötvattensalger: en jämförande studie av olika former och storlekar. Separation Science and Technology.
• Caron D., Garneau M., Seubert E., Howard M., Darjany L., Schnetzer A., Cetinic I., Filteau G., Lauri P., Jones B., Trussell S. (2010) Skadliga alger och deras potentiella inverkan på avsaltningsanläggningar utanför södra Kaliforniens kust. Water Research. 44, 385–416.
• Cha G., Choi S., Lee H., Kim K., Ahn S., Hong S. (2020) Förbättrad energieffektivitet vid förbehandling för avsaltning av havsvatten under algerblomningar med hjälp av en ny filtreringsprocess med nätförsedda rör. Desalination. 486, 114477.
• Crossley I., Valade M. (2006) En översikt över den tekniska utvecklingen inom flotation med upplöst luft. Journal of Water Supply: Research and Technology – AQUA. 55(7–8), 479–491.
• Gaid K., Treal Y. (2007) Avsaltning av vatten genom omvänd osmos: Véolia Waters erfarenheter. Desalination. 203, 1–14.
• Guastalli A., Simon F.X., Penru Y., Kerchove A., Llorens J., Baig S. (2013). Jämförelse mellan DMF- och UF-förbehandlingar för avskiljning av partiklar och löst organiskt material vid avsaltning med saltvattenomvänd osmos (SWRO). Desalination. 322, 144–150.
• Haarhoff J., Edzwald J. (2013) Anpassning av flotation med upplöst luft för rening av havsvatten. Desalination. 311, 90–94.
• Hoffmann L. (1996) Geografisk utbredning av blågröna alger i sötvatten. Hydrobiologia. 336, 33–40.
• Huang W., Chu H., Dong B., Hu M., Yu Y. (2015) En kombinerad membranprocess för att hantera algblomning i vatten. Desalination. 355, 99–109.
• Kavitha J., Rajalakshmi M., Phani A.R., Padaki M. (2019) Förbehandlingsprocesser för avsaltningssystem med omvänd osmos av havsvatten – En översiktsartikel. Journal of Water Process Engineering. 32, 100926.
• Kim S.H., Min C.S., Lee S. (2011) Tillämpning av flotation med upplöst luft som förbehandling vid avsaltning av havsvatten. Desalination and Water Treatment. 33, 261–266.
• Kwon B., Park N., Cho J. (2005) Algernas inverkan på påväxt och effektiviteten hos UF-membran. Desalinering. 179, 203–214.
• Liang H., Gong W., Li G. (2008) Utvärdering av prestanda hos pilotanläggningar för vattenrening med ultrafiltrering av algrikt vatten från reservoarer. Desalination. 221, 345–350.
• Mouchet P., Bonnelye V. (1998) Att lösa algproblem: fransk expertis och globala tillämpningar. J Water SRT – Aqua. 47(3), 125–141.
• Peleka E., Matis K. (2008). Användning av flotation som förbehandlingsprocess vid avsaltning. Desalination. 222, 1–8.
• Shen Q., Zhu J., Cheng L., Zhang J., Zhang Z., Xu X. (2011) Förbättrad avlägsnande av alger vid dricksvattenrening genom klorering i kombination med koagulering. Desalination. 271, 236–240.
• Shutova Y., Karna B., Hambly A., Lau B., Henderson R., Le-Clech P. (2016) Förbättrad avskiljning av organiskt material i förbehandlingssystem för avsaltning genom användning av flotation med upplöst luft. Desalination. 283, 12–21.
• Tapia-Silva F., Hernández-Cervantes O., Vilchis-Alfaro M., Senties A., Dreckmann K. (2015) Kartläggning av algförekomsten med hjälp av interpolering av rumsliga data. The International Archives of the Photogrammetry, Remote Sensing and Spatial Information Sciences, volym XL-7/W3. 36:e internationella symposiet om fjärranalys av miljön, 11–15 maj 2015, Berlin, Tyskland.
• Villacorte L., Tabatabai S., Anderson D., Amy G., Schippers J., Kennedy M. (2015) Avsaltning av havsvatten genom omvänd osmos och (skadliga) algblomningar. Desalination. 360, 61–80.
• Zhu I., Bates B. (2012) Förbehandling av avsaltat havsvatten mot skadliga algblomningar med hjälp av flotation med upplöst luft. IDA Journal. 34–37.
• Zhu I., Bates B., Anderson D. (2014) Avskiljning av Porocentrum minimum från havsvatten med hjälp av flotation med upplöst luft. Journal of Applied Water Engineering and Research. 2(1), 47–56.