ITTO20130760A1 - Impianto di dissalazione a scarico liquido zero - Google Patents
Impianto di dissalazione a scarico liquido zeroInfo
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Description
DESCRIZIONE dell’invenzione industriale dal titolo:
“Impianto di dissalazione a scarico liquido zero”
TESTO DELLA DESCRIZIONE
Campo dell'invenzione
La presente invenzione riguarda un impianto di dissalazione destinato in particolare alla produzione di acqua potabile e di acqua di irrigazione per impieghi agricoli.
L'invenzione è stata sviluppata in particolare per il trattamento di acque di falda salmastre con salinità medio/alte, fino a 9.000/10.000 ppm e con un potenziale incrostante da durezza calcica permanente molto elevato.
Descrizione della tecnica relativa
Gli impianti utilizzati per la produzione di acqua potabile e di irrigazione partendo da acqua marina o da acqua di pozzo salmastra sono solitamente basati sulla tecnologia dell'osmosi inversa. Gli impianti di questo tipo producono un flusso di acqua a basso contenuto salino ed un flusso di salamoia con una concentrazione di sali molto maggiore di quella dell'acqua marina o dell’acqua salmastra di origine.
Lo smaltimento della salamoia prodotta dagli impianti di dissalazione crea dei gravi problemi. Questi problemi sono particolarmente aggravati in aree aride e desertiche, in cui sono pressoché assenti le piogge e quindi le acque superficiali.
In molti casi, la salamoia viene scaricata nella falda da cui è stata prelevata l’acqua da dissalare oppure viene dispersa sul terreno. In entrambi i casi, il danno ambientale è molto grave. Quando la salamoia viene dispersa sul terreno si creano vaste zone di terreno ricoperto da una crosta di sale, che non potranno più essere utilizzate per scopi agricoli. Lo scarico della salamoia nella falda di provenienza dell'acqua da dissalare crea dei depositi salini sul fondo del pozzo o della falda, che possono portare all'ostruzione del pozzo o della falda.
In generale, gli impianti di dissalazione ad osmosi inversa non permettono di raggiungere il recupero totale della fase acquosa in quanto le membrane per osmosi inversa non consentono il trattamento di fasi solide. Negli impianti di dissalazione ad osmosi inversa per ottenere lo scarico liquido zero è necessario prevedere una sezione di evaporazione. Il documento EP-A1-2374760 della stessa Richiedente descrive un impianto di dissalamento a scarico liquido zero che prevede un gruppo di dissalazione ad osmosi inversa ed un gruppo di evaporazione a vuoto nel quale il flusso di concentrato proveniente dal gruppo di dissalazione ad osmosi inversa viene sottoposto ad evaporazione. Il vapore prodotto nel gruppo di evaporazione viene condensato ed i residui solidi vengono smaltiti in conformità alle normative ambientali.
La soluzione descritta nel documento EP-A1-2374760 consente di ottenere lo scarico liquido zero ma richiede un consumo specifico di energia eccessivamente alto. Inoltre, il gruppo di evaporazione a pressione sub-atmosferica comporta delle criticità dal punto di vista della sicurezza e richiede la presenza continua di operatori specializzati.
Scopo e sintesi dell’invenzione
La presente invenzione si prefigge lo scopo di fornire un impianto di dissalazione a scarico liquido zero che consenta di superare i problemi della tecnica nota.
Secondo la presente invenzione, tale scopo viene raggiunto da un impianto di dissalazione avente le caratteristiche formati oggetto della rivendicazione 1.
Le rivendicazioni formano parte integrante dell'insegnamento somministrato in relazione all’invenzione.
Breve descrizione dei disegni
La presente invenzione verrà ora descritta dettagliatamente con riferimento ai disegni allegati, dati a puro titolo di esempio non limitativo, in cui:
- la figura 1 è una vista schematica di un impianto di dissalazione secondo la presente invenzione,
- la figura 2 è una vista schematica in pianta della parte indicata dalla freccia II nella figura 1, e
- la figura 3 è una vista schematica in elevazione laterale secondo la freccia III della figura 2.
Descrizione dettagliata dell'invenzione
Con riferimento alla figura 1, con 10 è indicato un impianto per il dissalamento di acqua salmastra di pozzo. L’impianto 10 comprende, in serie fra loro, un primo gruppo di dissalazione ad osmosi inversa 12, un gruppo di trattamento chimico 14, un secondo gruppo di dissalazione ad osmosi inversa 16 ed un gruppo di evaporazione atmosferica 18.
L'acqua da dissalare viene prelevata da una pompa 20 e viene raccolta in un serbatoio 22. Il primo gruppo di dissalazione ad osmosi inversa 12 comprende una pompa di alimentazione 24 che preleva un flusso d'acqua da dissalare dal serbatoio 22. Il flusso d'acqua da dissalare viene fatto passare attraverso due filtri 26. Il primo gruppo di dissalazione ad osmosi inversa 12 può essere dotato di un serbatoio di anticalcare 28 con relativa pompa di dosaggio e di un serbatoio di biocida 30 con relativa pompa di dosaggio, che aggiungono al flusso d'acqua da dissalare quantità dosate di un agente anticalcare e di un agente biocida. Il dosaggio di anti-incrostante viene mantenuto a valori bassissimi quali 2-3 ppm e dosato solo nel caso in cui sia presente nel flusso d'acqua da dissalare una quantità di solfati superiore a 500/600 mg/l.
Il primo gruppo di dissalazione ad osmosi inversa 12 comprende inoltre una pompa ad alta pressione 32 ed un gruppo di membrane 34. All'uscita del gruppo di membrane 34 viene prodotto un flusso di acqua dissalata 36 che viene raccolto in un serbatoio 38 ed un flusso di concentrato 40 che viene raccolto in un serbatoio di concentrato 44.
Nel primo gruppo di dissalazione ad osmosi inversa 12 viene mantenuto un fattore di recupero medio o relativamente basso, pari a circa 45-50%. Il flusso di acqua potabile 36 ottenuto a valle del primo gruppo di dissalazione ad osmosi inversa 12, pari a circa il 50% del flusso d'acqua in ingresso, ha un grado di purezza molto elevato (TDS = 40 ppm max).
Il flusso di concentrato 40 all'uscita del primo gruppo di dissalazione ad osmosi inversa, pari a circa il 50% del flusso d'acqua da dissalare, viene inviato al gruppo di trattamento chimico 14. Il flusso di concentrato 40 in uscita dal primo gruppo di dissalazione ad osmosi inversa 12 ha un elevato contenuto di solfati (fino a 3000 ppm), di fluoruri, di calcio e di magnesio, che impediscono il passaggio diretto in un successivo gruppo di dissalazione ad osmosi inversa. Il gruppo di trattamento chimico 14 è stato progettato per ottenere, a partire dal flusso di concentrato 40 all'uscita del primo gruppo di dissalazione ad osmosi inversa 12, un flusso in ingresso al secondo gruppo di dissalazione ad osmosi inversa 16 che rispetti i parametri, estremamente ristretti, richiesti dalle membrane osmotiche.
Risulta necessario qui precisare che il processo chimico dell'impianto oggetto della ns rivendicazione vuole anche ottenere il disinquinamento di falde già inquinate dagli scarichi di osmosi convenzionali trattasi di acque ormai facilmente riscontrabili nelle falde sotterranee di paesi desertici,che presentano valori di durezza pari ad oltre 200 ° F e tenori in solfati fino a 3000 mg/l.
I risultati sono stati ottenuti utilizzando reattivi chimici convenzionali, a basso costo: come vedremo nel seguito, calce idrata, carbonato di sodio, polielettroliti. Il loro dosaggio è stato studiato e sperimentato con sbilanciamenti, tra i vari agenti, di volta in volta ottimizzati.
Abbiamo così potuto ottenere un fluido chiarificato in grado di essere concentrati anche quattro volte.
Il gruppo di trattamento chimico 16 comprende una pompa 46 che invia il flusso di concentrato dal serbatoio 44 al gruppo di trattamento chimico 14. Il gruppo di trattamento chimico 14 comprende una pluralità di serbatoi, Nello specifico, il gruppo di trattamento chimico 14 comprende un serbatoio di stoccaggio di polielettroliti 48, un serbatoio di stoccaggio di carbonato di sodio 50 con miscelatore, un serbatoio di stoccaggio di idrossido di calcio 52 con miscelatore, un serbatoio di stoccaggio di agente anti-vegetativo 54 ed un serbatoio di stoccaggio di agenti biocidi 56.
Il gruppo di trattamento chimico 14 comprende due serbatoi di reazione 58, 60 che vengono attraversati in successione dal flusso di concentrato 40 proveniente dal serbatoio di concentrato 44. Il primo serbatoio di reazione 58 è un serbatoio di alcalinizzazione con miscelatore. Il secondo serbatoio di reazione 60 è un serbatoio di flocculazione con miscelatore. A valle dei due serbatoi di reazione 58, 60, il flusso di concentrato 40 viene inviato ad un chiarificatore a lamelle 62 nel quale i flocculi contenuti nel flusso di concentrato si depositano per gravità sul fondo. I flocculi di fango che si creano sul fondo del chiarificatore a lamelle 62 vengono raccolti in una sacca per i fanghi 64. Il chiarificatore a lamelle 62 può essere associato ad una pompa fanghi pneumatica 66 azionata da un compressore 68.
Il gruppo di trattamento chimico 14 comprende inoltre un serbatoio di carbonatazione 70 associato ad una bombola 72 contenente anidride carbonica pressurizzata. Il flusso di concentrato 40 all'uscita del chiarificatore 62 viene inviato al serbatoio di carbonatazione 70 nel quale viene sottoposto ad una fase di carbonatazione tramite aggiunta di anidride carbonica.
Nel serbatoio di reazione 58 viene realizzato un ambiente alcalino mediante l'aggiunta di idrossido di calcio (lime). Nel serbatoio di reazione 58 vengono anche aggiunte quantità dosate di carbonato di sodio. Durante il passaggio attraverso il serbatoio di reazione 58 il flusso di concentrato 40 viene sottoposto a: innalzamento del pH, abbattimento di elementi incrostanti, con formazione di carbonato di calcio, insolubile, conversione dei solfati di calcio in solfati solubili e carbonato di calcio insolubile e precipitazione di carbonati mediante l’aggiunta di carbonato di sodio.
Nel recipiente di reazione 60 il flusso di concentrato 40 viene sottoposto ad una fase di flocculazione mediante solubilizzazione dei solfati di calcio mediante l'aggiunta polielettroliti e formazione flocculi di carbonato di calcio e idrossido di magnesio.
A valle del serbatoio di flocculazione 60 il flusso di concentrato 40 viene fatto passare attraverso il chiarificatore a lamelle 62 nel quale avviene una separazione dei flocculi dal flusso d'acqua e la produzione di un flusso d'acqua chiarificata. A valle del chiarificatore a lamelle 62 si ottiene un flusso di acqua chiarificata con una portata pari al 99,5% della portata del flusso di concentrato 40 in ingresso al gruppo di trattamento chimico 14. Il flusso d'acqua chiarificata all'uscita del chiarificatore a lamelle 62 ha un pH elevato. Nella sezione successiva il flusso di concentrato 40 viene sottoposto ad una fase di carbonatazione tramite anidride carbonica. In questa fase si ottiene la trasformazione dell'alcalinità da carbonatica a bicarbonatica: trasformazione dei carbonati di calcio in bicarbonati. L'abbassamento del pH mediante la fase di carbonatazione 70 consente un fattore di recupero specifico superiore al 75% nel successivo gruppo di dissalazione ad osmosi inversa 16. In questo modo, il recupero complessivo di acqua dissalata nei due gruppi di dissalamento ad osmosi inversa 12, 16 è dell'ordine del 90% del flusso d'acqua da dissalare.
Nella sezione di carbonatazione 70 si abbatte direttamente l'alcalinità senza l'utilizzo di agenti acidificanti e si evitano i problemi legati all'utilizzo di acidi (acidi solforici, cloridrici). L'utilizzo di anidride carbonica non modifica i valori complessivi di alcalinità metilarancio ma la trasforma in alcalinità bicarbonica, garantendo nel contempo l'equilibrio carbonico in acqua che assicura una riduzione di pH fino a valori di sicurezza. Il tutto è reso possibile dalla quasi totale eliminazione della durezza permanente fino a 20 ppm di calcio residuo.
Il trattamento chimico permette dunque di ottenere nello stadio finale di osmosi inversa 16 un fattore di recupero altissimo, il che consente poi l'evaporazione della salamoia all'uscita del secondo gruppo di dissalamento ad osmosi inversa 16 con costi energetici trascurabili.
Dal chiarificatore 62 vengono estratti in modo intermittente fanghi idrati che vengono inviati ad un sistema di recupero dei fanghi nei quali i fanghi vengono concentrati fino al 50-60%. I fanghi sono principalmente composti da carbonato di calcio (65%), idrossido di calcio e magnesio (20%), solfati di calcio (10%), fluoruri, ecc. (5%). I fanghi possono essere ulteriormente concentrati mediante l'evaporazione solare diretta oppure possono essere trasformati in manufatti utilizzabili in vari settori edili, ad esempio come materiali di riempimento in grandi costruzioni. L'acqua di diluizione dei fanghi separata nel processo di recupero torna nella vasca di reazione. Nell'eventuale fase di essiccamento dei fanghi l'acqua evapora senza alcun impatto ambientale.
All'uscita del gruppo di trattamento chimico 14 il flusso di concentrato 40 viene inviato al secondo gruppo di dissalazione ad osmosi inversa 16. Il secondo gruppo ad osmosi inversa 16 è ottimizzato per ottenere elevati recuperi con portate ridotte, durezza trascurabile e salinità elevata. Il secondo gruppo di dissalamento ad osmosi inversa 16 comprende una pompa di rilancio 72, una batteria di filtri 74 a cartucce intercambiabili, un gruppo di pompe ad alta pressione 76 ed un gruppo di membrane 78. Le membrane utilizzate nel secondo gruppo di dissalazione ad osmosi inversa 16 sono del tipo per acqua di mare e l'osmosi viene sviluppata in due sotto-stadi, in cui il secondo stadio è alimentato dalla salamoia del primo stadio. La pressione di alimentazione delle membrane è dell'ordine di 30-35 bar. Il recupero del secondo gruppo di dissalazione 16 è dell'ordine dell'80%.
Dal gruppo di dissalazione 16 escono due flussi di acqua dissalata pari complessivamente all'80% del flusso di concentrato 40 in ingresso. Questi flussi vengono inviati al serbatoio 38 dell'acqua dissalata. All'uscita del secondo gruppo di dissalamento 16 viene prodotto un flusso di salamoia 80 con una portata pari a circa il 18-20% del flusso di concentrato 40 in ingresso. Il flusso di salamoia 80 viene raccolto in un serbatoio di salamoia 82. La salinità complessiva del flusso di salamoia 80 è dell'ordine di 15.000-20.000 ppm per impianti di medie dimensioni e di 20.000-30.000 ppm per impianti piccoli. Il flusso di salamoia 80 è caratterizzato da un contenuto molto basso di sali di calcio grazie al precedente trattamento chimico.
Il flusso di salamoia 80 proveniente dall'uscita del secondo gruppo di dissalazione 16 viene essiccato nel gruppo di evaporazione atmosferica 18. Il flusso di salamoia 80 viene inviato al gruppo di evaporazione atmosferica 18 tramite una pompa 84.
Con riferimento alle figure 2 e 3, il gruppo di evaporazione atmosferica 18 comprende un vasca aperta superiormente 86 riempita di salamoia 80 fino ad un livello 88. Il gruppo di evaporazione atmosferica 18 comprende un sistema di spruzzatura 90 che preleva la salamoia dalla vasca 86 e spruzza a pioggia la salamoia al di sopra della vasca 86. Il sistema di spruzzatura 90 comprende una pluralità di spruzzatori 92 portati da tubi 94 che si estendono orizzontalmente al di sopra della vasca 86. Gli spruzzatori 92 sono alimentati da una pompa 96 che preleva la salamoia 80 dalla vasca 86 tramite una tubazione 98 ed invia la salamoia pressurizzata ai tubi 94 tramite un tubo 99. Nelle figure 2 e 3 sono indicati con 100 i coni di pioggia generati dai vari spruzzatori 92. Gli spruzzatori 92 sono disposti in modo da coprire con i coni di pioggia 100 l’intera superficie della vasca 86. Il gruppo di evaporazione atmosferica 18 comprende un sistema di ventilazione 102 che genera un flusso d'aria diretto orizzontalmente che investe trasversalmente i coni di pioggia 100 nello spazio compreso fra gli spruzzatori 92 ed il bordo superiore della vasca 86. Il gruppo di ventilazione 102 comprende una pluralità di ventole assiali 104 montate su pareti verticali 106 che si estendono verso l'alto oltre il bordo superiore della vasca 106. La vasca 86 è esposta al sole in modo che la salamoia venga riscaldata dell'energia solare. Nel caso in cui la salamoia contenuta nella vasca 86 abbia una temperatura inferiore ad una soglia prestabilita viene attivato un riscaldatore 108 che riscalda il bagno di salamoia. Il riscaldatore 108 può essere ad esempio costituito da una caldaia a gas attraverso cui viene fatto ricircolare il bagno di salamoia mediante tubazioni 110. La salamoia 80 prodotta dal secondo gruppo di dissalamento 16 viene inviata nella vasca 86 tramite una tubazione 112.
Quando la temperatura della salamoia 80 nella vasca 86 è superiore a circa 25-30° viene avviata la pompa di ricircolo della salamoia 96. Nelle aree aride desertiche nei mesi di dicembre, gennaio e febbraio la temperatura della salamoia viene portata a 25-30° mediante il riscaldatore 108 prima dell'avviamento della pompa di ricircolo 96. Nei periodi estivi la temperatura di funzionamento viene mantenuta automaticamente. Il sistema di evaporazione atmosferica viene avviato con una temperatura della salamoia in vasca superiore di circa 3-4° alla temperatura dell'aria al bulbo secco. La pioggia di salamoia viene attraversata da un flusso d'aria secca. Il contenuto liquido della salamoia evapora progressivamente. La salamoia contenuta nella vasca 86 si concentra e si stratifica progressivamente. Il flusso di salamoia ha un contenuto molto basso di sali incrostanti. Ad intervalli prestabiliti viene estratta dal fondo della vasca 86 la salamoia concentrata, che potrà essere essiccata al sole ottenendo un prodotto in polvere perfettamente anidro. I sali estratti dalla vasca 86 sono composti principalmente da NaCl, NaSO4, MgSO4, KSO4. NaCl e NaSO4costituiscono circa l'80% del totale. Il sistema secondo la presente invenzione consente di ottenere acqua dissalata per l'irrigazione e per consumo umano a scarico liquido zero e con trascurabili consumi di energia per l'evaporazione della salamoia. Il recupero complessivo di acqua dissalata è dell'ordine del 90%, anche con acque salmastre inquinate da durezza fino a 400°F, fino a 3,5 kg/m<3>di solfati e salinità totale fino a 12 kg/m<3>. Uno degli aspetti essenziali del processo è il trattamento chimico che consente di "pulire" il flusso di concentrato all'uscita del primo gruppo di dissalazione ad osmosi inversa permettendo al secondo gruppo di dissalazione ad osmosi inversa di concentrare circa quattro volte il flusso in ingresso.
Il principio base dell'invenzione consiste nella realizzazione di un sistema dinamico di polverizzazione della salamoia ottenendo gocce finissime che, sulla base delle correlazioni di Sauter presentano un diametro infinitesimo (80 micron) e, dunque una superficie di contatto molto grande; trattasi di un ordine di grandezza di 100 000 000 di gocce al m3.
Il flusso d'aria trasversale a contatto con la salamoia polverizzata, trasferisce all'aria il calore per convezione e l'acqua restituisce all'aria, in un differenziale di tempo breve (pari al tempo di contatto) il calore latente di saturazione dell'aria stessa.
Con i due precedenti passi del procedimento secondo l’invenzione si ottiene un flusso di salamoia privo di sali incrostanti che può essere fatto evaporare sfruttando l'energia solare trasferita dal sole all'aria, cioè praticamente senza consumo di energia.
La portata di ricircolo di salamoia viene determinata in modo tale da consentire l'evaporazione della salamoia mantenendo condizioni di temperatura il più possibile isoterme. Infatti, un'evaporazione eccessivamente elevata, a causa di una portata troppo bassa provocherebbe un abbassamento della temperatura elevato, con fluttuazioni nel processo di evaporazione. Nello stesso tempo, una portata troppo elevata richiederebbe un'energia termica eccessiva e dunque portate d'aria e conseguenti dimensioni e potenze di ventilazione onerose.
Le caratteristiche degli ugelli spruzzatori e la pressione di alimentazione sono determinate in modo da realizzare il grado richiesto di nebulizzazione (cioè il numero e le dimensioni delle gocce).
Un'eccessiva pressione di alimentazione, pur favorendo la polverizzazione (diminuzione del diametro della goccia, ed aumento del numero delle gocce), richiederebbe un'energia di pompaggio eccessiva, non congruente con l’obiettivo di riduzione al minimo il consumo di energia non proveniente da fonti rinnovabili.
Le dimensioni dell'area di contatto, la portata e la direzione del flusso d’aria sono determinate in modo da creare il corretto tempo di sollevamento delle gocce ed il loro moto relativo rispetto all'aria per ottenere il "drop Reynold number" riferito all’aria e l’ottenimento di "mass transfer units number" per garantire l'evaporazione.
Per raggiungere gli obiettivi di cui sopra è stato realizzato un deflusso aria-acqua misto, cioè cross-flow e conterflow.
I valori del coefficiente di scambio per convezione ed i valori del coefficiente di evaporazione (diffusione di massa) sono stati verificati sperimentalmente.
Naturalmente, fermo restando il principio dell'invenzione, i particolari di costruzione e le forme di realizzazione potranno essere ampiamente variati rispetto a quanto descritto ed illustrato senza per questo uscire dall'ambito dell'invenzione così come definito dalle rivendicazioni che seguono.
Claims (5)
- RIVENDICAZIONI 1. Impianto di dissalazione a scarico liquido zero, comprendente: - un primo gruppo di dissalazione ad osmosi inversa (12) che produce un flusso di acqua dissalata (36) ed un flusso di concentrato (40), - un gruppo di trattamento chimico (14) nel quale detto flusso di concentrato (40) è sottoposto a: una fase di alcalinizzazione e di solubilizzazione dei solfati di calcio, una fase di flocculazione, una fase di chiarificazione per la separazione dei flocculi, ed una fase di carbonatazione tramite aggiunta di anidride carbonica, - un secondo gruppo di dissalazione ad osmosi inversa (16) che riceve il flusso di concentrato (40) trattato chimicamente e che produce un secondo flusso di acqua dissalata ed un flusso di salamoia (80), e - un gruppo di evaporazione atmosferica (18) che riceve detto flusso di salamoia (80), il gruppo di evaporazione atmosferica (18) comprendendo: - una vasca aperta superiormente (86) contenente un bagno di salamoia, - un sistema di spruzzatura (90) che preleva la salamoia dalla vasca (86) e produce una pioggia di salamoia polverizzata al di sopra di detta vasca (86), e - un sistema di ventilazione (102) che genera un flusso d'aria che investe trasversalmente detta pioggia di salamoia.
- 2. Impianto secondo la rivendicazione 1, in cui detto impianto di spruzzatura (90) comprende una pluralità di spruzzatori (92) portati da tubazioni orizzontali (94) situate al di sopra del bordo superiore della vasca (86), dette tubazioni (94) essendo alimentate da un flusso di salamoia mediante una pompa (96) che preleva la salamoia dalla vasca (86).
- 3. Impianto secondo la rivendicazione 1, in cui detto sistema di ventilazione (102) comprende una pluralità di ventole assiali (104) portate da pareti verticali (106) che si estendono verso l'alto dal bordo superiore di detta vasca (86).
- 4. Impianto secondo la rivendicazione 1, in cui detto gruppo di evaporazione atmosferica (18) comprende un riscaldatore (108) per il riscaldamento in ricircolo del bagno di salamoia contenuto in detta vasca (86).
- 5. Impianto secondo la rivendicazione 1, in cui detto gruppo di trattamento chimico (14) comprende un serbatoio di alcalinizzazione (58), un serbatoio di flocculazione (60), un chiarificatore a lamelle (62) ed un serbatoio di carbonatazione (70) disposti in serie fra loro ed attraversati in successione da detto flusso di concentrato (40).
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| IT000760A ITTO20130760A1 (it) | 2013-09-20 | 2013-09-20 | Impianto di dissalazione a scarico liquido zero |
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2014
- 2014-09-19 WO PCT/IB2014/064656 patent/WO2015040576A1/en active Application Filing
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| WO2015040576A1 (en) | 2015-03-26 |
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