O que é pré-tratamento?
Pré-tratamento é um termo amplo usado para descrever qualquer equipamento, produto químico ou processo usado para tratar a água industrial antes de usá-la para outra finalidade. Se você tiver uma unidade de osmose reversa (OR), talvez precise de filtros a montante para remover sólidos suspensos. Se você tiver caldeiras, contaminantes como dureza e sólidos suspensos precisarão ser removidos. A água que precisa ser descarregada de uma planta também pode exigir uma forma de pré-tratamento antes de poder ser descartada.
Por que o pré-tratamento é importante?
Infelizmente, você não pode simplesmente enviar água da cidade diretamente para uma caldeira ou descarregar águas residuais diretamente no abastecimento de água da cidade. Isso pode causar incrustação e/ou deposição de sólidos suspensos, que podem obstruir os tubos. Isso pode, por sua vez, exigir que você alimente mais produtos químicos, realize mais limpezas e substitua seu equipamento com mais frequência.
Dependendo das necessidades do seu sistema, os sistemas de pré-tratamento podem ficar muito complexos.
Fontes de água
Quando se trata de unidades de OR, há duas categorias diferentes de água a serem consideradas:
- Água salobra: menos de 15.000 sólidos dissolvidos no total
- Água do mar: mais de 15.000 sólidos dissolvidos no total
No entanto, o total de sólidos dissolvidos (TDS) não é o único fator definidor. Também é importante distinguir entre água de superfície, água subterrânea/de poço e água terciária/de reutilização.
- Água de superfície: maior concentração de bactérias, sólidos suspensos, sujeira e areia, bem como flutuações na temperatura e química com base nos padrões climáticos locais
- Água subterrânea/de poço: maior alcalinidade, dureza e potencialmente ferro, porque essa água viaja através de calcário subterrâneo
- Água terciária/de reutilização: mais alto em TDS, sólidos suspensos totais (TSS), metais dissolvidos e nutrientes bacterianos, como compostos de fosfato e nitrogênio, porque essa água provavelmente já foi usada pela própria cidade ou planta.
Cada uma dessas fontes de água exigirá diferentes tipos de pré-tratamento.
Tratamento de água de alimentação de OR
Duas das maiores preocupações ao preparar a água para alimentação para uma unidade de OR são a remoção de sólidos suspensos até um limite aceitável do índice de densidade de silte (SDI) e o tratamento da água para bactérias. A unidade de OR pode tolerar uma ampla gama de inorgânicos, mas quando os níveis de metais pesados excederem 0,05 ppm, eles precisarão ser removidos antes da OR.
A composição da água pode mudar, portanto, projetar um programa de tratamento pode representar desafios. Mesmo que você tenha uma fonte de água de poço com uma taxa de condutividade consistente, os níveis de dureza e alcalinidade podem mudar ao longo do tempo. É muito importante usar as amostras de água mais recentes, bem como mais de uma amostra durante um período de tempo, sempre que possível, ao projetar um programa de tratamento para garantir que você tenha os dados certos para tomar uma decisão. Muitas plantas negligenciam qualquer forma de teste de SDI ou bactérias ao projetar uma planta de pré-tratamento, o que pode afetar negativamente as unidades de OR.
Efeitos negativos do pré-tratamento ruim
Esta imagem ilustra os efeitos negativos do pré-tratamento ruim. Um pré-tratamento ruim pode afetar adversamente seu equipamento tanto a montante quanto a jusante.
Seis dicas para otimizar seu pré-tratamento
1. Maximize a eficiência do sal de amaciante
Os amaciantes removem a dureza e quaisquer outros íons dissolvidos com uma carga positiva maior do que o sódio, incluindo alguns tipos de potássio, ferro e metais pesados. Ele também pode atuar como filtro físico e remover um pouco de TSS, mesmo que eles não sejam normalmente projetados para fazer isso no processo de pré-tratamento. Todo o resto passa pelo amaciante.
Quando o amaciante esgota seu sódio, as esferas precisam ser recarregadas com salmoura de cloreto de sódio.
Três coisas a observar ao determinar a capacidade da resina:
- Libras de sal adicionadas por pé cúbico
- Pé cúbico de resina no vaso
- Dureza total na água que vai para o amaciador
À medida que mais sal é adicionado durante a regeneração, a capacidade aumentará.
lbs. de sal ÷ Kgr/ft3 para capacidade = eficiência do sal
O aumento na capacidade não é linear, e você verá um ponto de quebra para a quantidade de sal a ser usada e a quantidade de capacidade que você obterá com isso. A equipe da ChemTreat é bem experiente nesses cálculos e pode trabalhar ativamente com você para ajudá-lo a otimizar seus sistemas.
Esteja atento ao vazamento de sódio: quanto menos sal você usar durante a regeneração, maior a probabilidade de que a dureza vaze.
Muitas instalações definirão sua regeneração de amaciante em um temporizador, mas essa pode não ser a melhor maneira de obter economia de água e sal. É importante garantir que você esteja assumindo o controle do seu sistema para evitar o desperdício de recursos. Além disso, tenha em mente que se a sua planta tiver limitações de descarga, você pode não ser capaz de descarregar facilmente o excesso de cloretos do sal, o que torna a minimização das regenerações ainda mais crucial. É importante confiar nos dados e não regenerar o amaciante, a menos que o sódio esteja esgotado.
2. Aumentar a recuperação de OR
Você pode achar que fechar a válvula de concentrado é suficiente para operar em uma recuperação de OR mais alta. No entanto, aumentar a recuperação da OR tende a ser um pouco mais complicado.
Preste atenção ao seu SDI e certifique-se de que os alimentos químicos estejam corretos. A retrolavagem regular de seus ultrafiltros upstream ou filtros multimídia é outro fator importante a se ter em mente. Se você estiver projetando uma nova fábrica de OR, é vital considerar esses problemas ao procurar aumentar a produção de OR.
Como este diagrama ilustra, se tivermos 100 gpm entrando em uma unidade de OR e estivermos operando com 75% de recuperação, estamos criando 75 gpm de água filtrada (permeado) e 25 galões por minuto estão descendo pelo dreno. Esta é a taxa de recuperação padrão em que quase todos os sistemas de OR tradicionais foram projetados no passado.
No entanto, essa taxa de uso de água não é muito eficiente, especialmente se você estiver se concentrando na sustentabilidade em suas instalações. À medida que as práticas ambientais, sociais e de governança (ESG) em torno da conservação da água se tornam cada vez mais prevalentes na maioria dos setores, 75% de recuperação da unidade de OR não é mais uma taxa de recuperação aceitável para muitas instalações.
Muitos de nossos clientes pediram ajuda para adaptar projetos para recuperações mais altas, instalar unidades de RO de recuperação e lidar com novas tecnologias, como a osmose reversa de circuito fechado (CCRO), que pode aumentar a recuperação para mais de 90%.
Ao procurar aumentar a recuperação, é importante considerar o potencial de incrustação, carga iônica e hidráulica.
Diferença entre os custos de água para diferentes taxas de recuperação para alimentação de 100 gpm
Neste exemplo, aumentar a taxa de recuperação de 75% para 80% economiza apenas US$ 13 mil em custos de água. Embora a capacidade de cada instalação varie, isso mostra a economia de custo potencial que você pode conseguir aumentando a recuperação de OR.
No entanto, antes que essas economias possam ser obtidas, é importante avaliar a carga iônica observando sua análise de água.
Fator de concentração
Relação entre a taxa de recuperação do sistema RO e o fator de concentração da TDS
Há um fator de concentração associado a cada taxa de recuperação. O que quer que entre na OR deve se concentrar para cima e deixar a unidade no fluxo de rejeição com base no fator de concentração. À medida que a taxa aumenta, o mesmo acontece com a quantidade de TDS sendo ciclada. Se você estiver executando 3 ciclos de concentração em aproximadamente 66% de recuperação e quiser aumentar para 4 ciclos, a recuperação aumentará para 75%, um aumento de 9% em apenas 1 ciclo extra. Mas se você quiser aumentar de 4 para 5 ciclos, a taxa de recuperação só aumenta em 5% enquanto mais estresse é adicionado ao sistema. 90% de recuperação significa ir até 10 ciclos. Portanto, se houver 10 ppm de dureza chegando, 100 ppm de dureza deixarão o sistema em 90% de recuperação.
Quanto maior a taxa de recuperação, mais você precisa prestar atenção até mesmo a flutuações menores na qualidade da água de alimentação, pois elas podem causar problemas de incrustação.
Carregamento iônico
Exemplo do configurador de OR da ChemTreat, que mede os níveis de saturação de incrustação sob certas condições para fornecer recomendações de produto anti-incrustante e dosagem
Como este gráfico indica, a escala não deve se formar se a saturação do concentrado estiver abaixo de 100%. Sempre que você quiser aumentar as taxas de recuperação, uma nova projeção de incrustação deve ser realizada para garantir que o anti-incrustante possa lidar com a nova carga no pH e temperatura especificados. Isso também pode ajudá-lo a calcular a quantidade de ácido a ser alimentada para manter um novo alvo de pH, se necessário, e determinar se o custo do ácido será menor do que a economia de custo da água projetada.
Limitações hidráulicas
As limitações hidráulicas muitas vezes são negligenciadas, e não apenas quando os ROs estão sendo adaptados ou a recuperação está sendo aumentada. Nossa equipe tem visto muitos casos de sistemas de OR com um fluxo concentrado de aproximadamente 4 galões por minuto, quando o fluxo mínimo desprotegido para uma membrana de 8 polegadas é de 12 galões por minuto. Operar assim criará uma situação de incrustação que uma projeção iônica não capturaria ou preveria.
Não importa o quanto essas instalações estejam controlando suas taxas de anti-incrustação e recuperação, elas ainda estão colocando seus sistemas em risco de incrustação. Se a projeção do projeto mostrar que os limites hidráulicos estão fora de suas diretrizes de projeto, pode haver formação de escala.
Cada fabricante de membranas oferece um download gratuito de seu software para avaliação hidráulica, que aponta considerações como o fluxo de alimentação máximo para vários elementos, taxas de fluxo máximas, etc. Uma unidade de OR que usa ultrafiltração como uma etapa de pré-tratamento pode ser empurrada um pouco mais para cima do ponto de vista de fluxo, enquanto uma unidade que usa apenas um filtro multimídia pode ser mais suscetível à incrustação de sólidos suspensos e, portanto, mais limitada do ponto de vista de fluxo. Quanto melhor o pré-tratamento, melhores serão as taxas de fluxo, o que significa menos água descendo pelo dreno.
Se você está procurando aumentar a recuperação da sua unidade e economizar água, recomendamos executar uma projeção de projeto (ou pedir ao seu fornecedor de tratamento de água para fazê-lo) para entender melhor suas limitações hidráulicas além das projeções de incrustação normais normalmente executadas ao tomar essas decisões.
Reutilização da rejeição de OR para melhorar a sustentabilidade
Há várias maneiras de reutilizar a rejeição de OR em outras partes do seu sistema. Algumas instalações o adicionam às suas torres de resfriamento, especialmente em sistemas de resfriamento maiores, onde pode ser diluído juntamente com água de reposição normal da torre.
O rejeito de OR também pode ser usado como água de enxágue para certos equipamentos em sua fábrica, desde que se enquadre nos critérios.
Pode haver outras áreas onde a rejeição de OR pode ser usada. Você pode fazer um balanço hídrico do seu sistema para avaliar oportunidades potenciais.
3. Quedas de pressão de tendência (dP) em estágios individuais
A tendência das quedas de pressão nos estágios individuais do seu sistema de OR envolve a adição de medidores de pressão entre os estágios, conforme ilustrado em vermelho no diagrama abaixo.
Os estágios individuais referem-se aos vasos de pressão que compartilham a mesma água de alimentação.
A água de alimentação bruta sempre atingirá os vasos no primeiro estágio. Esses vasos filtram um pouco de água, e a água que não é empurrada através da membrana pode ser enviada para o segundo estágio para aumentar a recuperação e assim por diante.
Primeiro estágio
O primeiro estágio é o que normalmente fica sujo com matéria microbiológica, coloidal, orgânica e suspensa (incrustação física). Se o seu pré-tratamento for estressado e seu IDP estiver alto, o primeiro estágio será atingido com mais força. Isso significa que sujeira, areia, bactérias etc. vão ficar presas nesses primeiros elementos.
É frequentemente recomendado instalar manômetros interestágios para que você possa identificar onde um problema está acontecendo. Caso contrário, quando chegar a hora de solucionar problemas, você precisará limpar todo o sistema com vários produtos em vez de apenas uma parte dele.
Último estágio
O último estágio é onde a incrustação pode aparecer. Se a recuperação for aumentada ou a alimentação anti-incrustante for perdida, o potencial de incrustação aumenta. Como o último estágio tem água de alimentação com a maior condutividade, é aqui que a escala aparecerá inicialmente.
Este gráfico detalha muitas das principais questões que afetam diferentes estágios. A tendência de queda de pressão separadamente por estágio pode ajudá-lo a realizar limpezas mais eficientes em seu sistema, reduzindo o uso de produtos químicos e água e os requisitos de mão de obra.
Exemplo de tendências de quedas de pressão em diferentes estágios
Azul: 1o estágio dP
Verde: 2o estágio dP
4. Normalize seus dados
Temperatura
Muitos fatores afetam a função da sua unidade de OR, incluindo a temperatura. A água mais fria é mais densa, o que significa que ela requer pressões de bombeamento mais altas para produzir a mesma quantidade de água que as temperaturas mais quentes. O Manual Técnico de Membranas de Osmose Reversa da FilmTec (FilmeTec) declara especificamente que uma queda na temperatura da água de alimentação de 7°F4) causará uma diminuição no fluxo de permeado de aproximadamente 10% (DuPont .42022, p. 140).
Salinidade
À medida que a água fica mais fria, a qualidade do permeado pode melhorar porque os poros ficam mais apertados, reduzindo a passagem do sal. O inverso é verdadeiro à medida que a água aquece.
Coleta de dados para limpezas eficientes
Como as quedas de pressão em tendência, coletar dados de temperatura, pressão, fluxo e salinidade é importante para garantir limpezas eficientes. Se os dados forem normalizados, um problema de incrustação pode ser diferenciado de uma mudança na operação com base nas flutuações de temperatura. Isso ajudará você a economizar produtos químicos, água e mão de obra quando se trata de realizar procedimentos de limpeza no local (CIP).
Há muitas ferramentas de tendência disponíveis para normalização de dados. A ChemTreat oferece esse recurso como parte do CTVista®+, nosso software inteligente de gestão de água. O uso de software automatizado significa menos tempo gasto classificando dados brutos e análise de dados aprimorada para uma tomada de decisão eficaz e informada.
Se você observar uma alteração de 10 a 15% no fluxo normalizado do permeado, pode ser hora de uma limpeza. Esperar muito tempo antes da limpeza pode afetar a saúde das membranas de OR e até mesmo causar danos mecânicos, por isso é importante usar seus dados normalizados como ponto de referência. Seu cronograma de limpeza varia de acordo com o tipo de água que você usa e quais contaminantes estão entrando em seu sistema, portanto, usar uma abordagem de manutenção padrão ou preventiva pode fazer com que você fique para trás nas limpezas e leve à substituição prematura da membrana.
5. Melhore as práticas de limpeza
Como os poluentes variam por estágio, diferentes tipos de limpadores são necessários para os diferentes estágios.
Processo de limpeza de alto pH
Limpadores de alto pH fornecem bons resultados ao direcionar matéria suspensa, bactérias e orgânicos que tendem a aparecer na primeira etapa.
As etapas abaixo fornecem uma visão geral do processo de limpeza. No entanto, é crucial seguir atentamente as diretrizes do fabricante da membrana.
1. Prepare a solução X%* de limpador de pH alto a um pH de 11,8–12,0 e uma temperatura de 100 °F
2. Lave os primeiros 20% da solução através das membranas até o dreno
3. Circule e mergulhe a solução restante em intervalos de 15 minutos por 2–3 horas, mantendo o pH e a temperatura (o fluxo para membranas de 8 polegadas é de aproximadamente 40 gpm por recipiente de pressão)
4. Monitore os níveis de pH a cada 15 minutos e adicione cáustico se uma diminuição de pH superior a 0,5 for registrada (se você tiver alta carga orgânica, você pode querer lavar cáustico através do seu sistema antes da limpeza para limpar parte da incrustação mais pesada; a cáustica tende a ser mais barata do que os limpadores especializados e adicionar esta etapa pode economizar algum dinheiro em vez de usar dois lotes de limpadores especializados de alto pH)
5. Descarte e enxágue completamente com água de boa qualidade e sem cloro (enxágue até que o pH do permeado seja 7,5)
*A solução % dependerá do produto que você está usando e da recomendação do seu fornecedor de tratamento de água.
Processo de limpeza com pH baixo
Os limpadores de baixo pH funcionam bem para os problemas de incrustação que podem surgir no segundo estágio. Se você estiver realizando uma limpeza com pH baixo logo após uma limpeza com pH alto, é importante enxaguar o sistema primeiro para manter um pH neutro e uma condutividade de permeado inferior a 100.
O procedimento para a limpeza com pH baixo é semelhante ao de pH alto. No entanto, o calor normalmente não é adicionado porque o objetivo é remover a incrustação.
Se sua solução de limpeza ficar escura, opaca (limpeza com pH alto) ou laranja e turva (limpeza com pH baixo), ela precisa ser despejada e uma nova solução deve ser iniciada.
Por que não posso usar apenas a cáustica?
Aumentar a condutividade da sua solução CIP com um limpador especializado pode ter mais benefícios do que apenas usar surfactantes, agentes umectantes, tampões, etc. Por exemplo, se tivermos uma solução cáustica com um pH de 12, a condutividade é de aproximadamente 3.000 μs, o que se converte em aproximadamente 1.950 ppm do total de sólidos dissolvidos. Para cada 100 ppm de TDS, você tem uma pressão osmótica, então, neste cenário, temos 19,5 psi empurrando contra a pressão da bomba sendo usada para o CIP.
As pressões típicas da bomba CIP operam a aproximadamente 60 psi. Ao usar um limpador cáustico em vez de um limpador especializado, a pressão da bomba pode superar a pressão osmótica, fazendo permeado, que está potencialmente segurando muita sujeira, areia e bactérias que você está tentando eliminar em vez de aumentar o fluxo cruzado, que é o objetivo de um CIP. Adicionar um limpador especializado aumentará a condutividade para aproximadamente mais de 10.000 μs, o que aumentará a carga osmótica para mais de 60 psi e fornecerá muito fluxo cruzado turbulento para raspar os poluentes.
6. Considere a nova tecnologia de membrana RO
Membranas de baixa energia
As membranas de baixa energia produzem a mesma quantidade de fluxo de permeado a aproximadamente 150 psi em comparação com as membranas padrão, que são testadas a aproximadamente 225 psi. Isso significa que as membranas de baixa energia produzem a mesma quantidade de água, usando menos energia para isso.
Essa capacidade significa que você pode usar uma bomba de alimentação menor para economizar custos operacionais e despesas de capital. No entanto, se você projetar seu sistema em torno de membranas de baixa energia, é importante não substituir as membranas padrão, pois isso causará problemas no sistema.
Membranas de baixa energia reduzem significativamente a energia de bombeamento, o que ajudará você a economizar em custos operacionais. Eles também têm melhor desempenho em áreas com baixas temperaturas de água de alimentação, embora você possa ver uma qualidade de permeado ligeiramente menor.
Um exemplo em que a ChemTreat esteve envolvida economizou 42% em custos de energia em uma fábrica ao mudar para uma membrana de OR de baixa energia que custava apenas US$ 10 a mais do que o equivalente padrão.
Osmose reversa de circuito fechado (CCRO) e outras unidades de OR de alta recuperação
Há três fatores importantes a considerar se você está pensando em instalar um CCRO em sua instalação:
1. Recuperação volumétrica
Embora as unidades de OR tradicionais operem a uma taxa de recuperação padrão constante, os CCROs usam a recuperação volumétrica. A recuperação padrão significa que a cada minuto a unidade está funcionando, o mesmo fluxo de água está sendo filtrado e também enviado para drenagem.
Por exemplo, uma unidade de 100 gpm operando com 75% de recuperação padrão envia 75 galões de água para o tanque de água filtrado e 25 galões de água para drenar a cada minuto que a unidade estiver funcionando.
A recuperação volumétrica leva em conta o tempo. Assim, para a mesma unidade de 100 gpm operando com 75% de recuperação, a unidade está enviando 100 galões de água para o tanque de armazenamento filtrado por aproximadamente 15 minutos e, em seguida, enviando 500 galões de água para o dreno após esse tempo terminar. Essa recuperação leva o fluxo total produzido/(fluxo total produzido + fluxo para drenar) x 100 para obter sua recuperação.
No exemplo, 1.500 galões de água estão sendo produzidos com 500 galões indo para a drenagem. Isso significa que a recuperação volumétrica seria de 1.500/2.000 x 100 = 75% de recuperação. Isso é importante ao projetar esses sistemas porque o tempo de ciclo desempenha um papel importante no que as recuperações podem ser alcançadas. Se a unidade de OR não puder funcionar por mais de 15 minutos sem desligar, uma recuperação superior a 75% não poderá ser alcançada.
Ao considerar recuperações acima de 90%, onde os tempos de ciclo podem ser de 30 minutos ou mais, certifique-se de que haja armazenamento adequado de permeado para permitir que a unidade funcione por tanto tempo sem interrupção.
2. Química da água
Os sistemas de OR tradicionais levam em consideração o dimensionamento e as altas limitações hidráulicas. Para CCRO, você realmente só precisa considerar a escala. Você precisará trabalhar em estreita colaboração com seus fornecedores de produtos químicos e equipamentos para garantir que está alimentando a quantidade certa de ácido para controlar a incrustação. Verifique as informações da empresa de equipamentos com o fornecedor de tratamento de água para que ele possa selecionar o anti-incrustante correto e ajustar o pH, se necessário, para ajudar a atender à recuperação especificada.
3. Tendências automatizadas
Os CCROs e outras novas unidades de RO de alta recuperação podem ser muito digitalizados e automatizados. Diferentemente dos ROs padrão, os operadores podem ter dificuldade em monitorá-los porque não podem ir até o sistema e preencher uma folha de registro para coletar dados. Os dados de CCRO de tendência podem ser um pouco complicados, mas seu fornecedor de tratamento de água pode ajudá-lo a coletar métricas significativas do sistema.
Considerações finais: A importância da manutenção regular para o pré-tratamento
Manter seu sistema de OR é tão importante quanto seu projeto.
Recomendamos os seguintes procedimentos de manutenção para melhorar a vida útil do sistema e a qualidade da água. Consulte sempre os manuais e guias do equipamento para obter orientação adequada.
- Retrolavagem ou troca de filtros a montante com base na queda de pressão, não em um temporizador
- Realize limpezas químicas em seus filtros de pré-tratamento e/ou substitua o meio conforme necessário ao longo dos anos
- Lembre-se: a tubulação pode ficar tão suja quanto os filtros e unidades de OR, portanto, esteja atento a onde o problema está realmente acontecendo
- Inspecione os sistemas anualmente, não espere até que haja um problema!
Lembre-se sempre: muitos fatores contribuem para a eficiência de seus sistemas de pré-tratamento e OR. Assim como ocorre com todas as outras tecnologias, a diligência prévia é necessária ao determinar a viabilidade de utilizar novos métodos. Sempre consulte os manuais e guias do seu equipamento e entre em contato com nossa equipe experiente para obter assistência!
Referências
DuPont. (2022). Manual técnico de membranas de osmose reversa FilmTec. Recuperado de: https://www.dupont.com/content/dam/dupont/amer/us/en/water-solutions/public/documents/en/RO-NF-FilmTec-Manual-45-D01504-en.pdf.
