Σχεδιασμός και λειτουργία μονάδων αφαλάτωσης νερού με αντίστροφη ώσμωση: μελέτες περιπτώσεων

Abstract

In the present thesis, case studies are presented regarding the design and the operation of two seawater desalination units with reverse osmosis installed at 2007 in Milos island and Corinth Oil Refineries with capacity 2.400 and 1.120 m3/ day correspondingly, as well as one pilot 425 m3/ day Ultrafiltration – Reverse Osmosis unit for the reclamation and reuse of municipal wastewater in the Chersonissos Waste Water Treatment Plant in Crete during 2008. In the framework of this research Milos and Corinth desalination plants have been systematically monitored for 2 years and especially their main operational parameters as the specific energy consumption, the normalized membrane flux, the normalized membrane salt rejection, membrane differential pressure, product water quality and factors contributing negatively in unit reliability. Especially for the membrane performance evaluation the following variables have been recorded systematically: seawater temperature and ionic concentration (through conductivity measurement), membrane high pressure water inlet, membrane high pressure water outlet, product flow, rejection flow, product water salt concentration (through conductivity measurement) and membrane backpressure (if existent). The above mentioned recording were processed in a spreadsheet according to the ASTM D4516 standard in order to evaluate membrane actual performance compared to initial reference (which is considered as the best due to fouling absence). Study of Milos and Corinth cases provided important conclusions: It has been verified that under proper design we can achieve specific energy consumption less than 2.5 KWh/ m3 for small size R/O trains with a capacity of 500 – 2.400 m3/day. Estimating electricity cost in Greece ca 0,08 € / KWh this results to a cost of energy less than 0.2 € / m3.Specific energy consumption as it was expected is strongly influenced by seawater temperature variation and less from the other operational parameters. The choice of positive displacement high pressure pumps and pressure exchanger in the unit design had as a consequence that despite the membrane high pressure inlet increase (for steady production flow and recovery) the specific energy consumption had significantly lower proportional increase. The membrane high pressure inlet increase is confirmed by the membrane normalized flux decline. Especially for the desalination units in Corinth a repeated annual seasonal variation in normalized flux was observed, attributed to the seasonal micro organism growth causing membrane biofouling. According to this the lowest and the highest normalized flux are observed in September and March correspondingly. In all seawater desalination installations studied we had interesting variations in the normalized flux even in systems with common seawater pretreatment. This phenomenon is more intense comparing Milos to Corinth desalination plant which have exactly the same main desalination process design. From membrane normalization flux study we have noticed that in large membrane actual flux reduction, normalization of the recordings does not correctly present membrane fouling. So it is recommended to always compare normalized flux to actual. According to membrane manufacturers recommendations; membrane performance deterioration as normalised flux decline is generally considered 5% annually for the first 3 years of operation. As verified by our research this annual decrease of permeability can be as high as 7- 10% as also reported in bibliography. From the comparison of the normalized membrane salt rejection of Milos and Corinth cases, we have measured significant deviation resulting to permeate conductivity. These deviations are attributed to the special operational parameters of each installation as they are not justified by their design. Recording of the above deviation is important for the evaluation of membrane performance program projections where desalination unit design is based. In the UF-RO unit for wastewater reclamation and reuse case study we have systematically monitored its pilot operation. The most important operational parameters were the reverse osmosis membrane normalized flux due to the increased risk of their uncontrolled fouling and the quality of produced water. As in the other case studies there was a systematic record keeping of the same variables processed in a spreadsheet based on the ASTM D4516 for the calculation of normalized membrane flux, salt rejection and differential pressure. The technologically advanced pretreatment of wastewater effluent with Ultrafiltration membranes allowed desalination unit operation without the need of chemical cleaning for a period of operation exceeding two months, as it was observed by the stability of reverse osmosis membrane normalization flux during pilot operation. It should be also noticed that the reverse osmosis membranes were operating at higher flux per membrane surface unit compared to manufacturers’ guidelines. From the study of the reverse osmosis membrane normalized salt rejection as well as water analyses results it was verified that the water produced had the basic physicochemical characteristics of potable water. Municipal waste water reclamation and recycle UF-RO technology provides significant environmental benefits and as confirmed by the pilot unit installation and operational cost is a very interesting in both technical and financial terms investment proposal for Water and Wastewater Authorities as well as in large hotel complexes and golf courses. Knowledge and experience gained from the present research have been used to design and operate a new reverse osmosis desalination installation at Motor Oil Hellas Refineries, having as overall capacity 6.800 cubic meters per day. Especially for the seawater pretreatment of the above installation a 10.000 m3/ day Ultrafiltration system was designed based on the relevant UF case study. It should be noticed that based in our knowledge so far this is the largest installation of reverse osmosis desalination and the first with Ultrafiltration pretreatment in Greece.

Στην παρούσα διδακτορική διατριβή παρουσιάζονται ο σχεδιασμός και η λειτουργία δύο μονάδων αφαλάτωσης θαλασσινού νερού με αντίστροφη ώσμωση που εγκαταστάθηκαν το 2007 στη νήσο Μήλο και στα Διυλιστήρια Κορίνθου με αρχική δυναμικότητα 2.400 και 1.120 m3/ημέρα αντίστοιχα, καθώς και μίας πιλοτικής μονάδας υπερδιήθησης – αφαλάτωσης υφάλμυρου νερού δυναμικότητας 425 m3/ ημέρα για ανάκτηση και ανακύκλωση αστικών λυμάτων στη Δημοτική Επιχείρηση Ύδρευσης-Αποχέτευσης (ΔΕΥΑ) Χερσονήσου το 2008 στη Κρήτη. Για το σκοπό αυτό έγινε συστηματική παρακολούθηση για δύο χρόνια των αφαλατώσεων θαλασσινού νερού Μήλου και Κορίνθου και εμβάθυνση στις κύριες λειτουργικές τους παραμέτρους, όπως η ανηγμένη ενεργειακή κατανάλωση, η κανονικοποιημένη ροή των μεμβρανών, η κανονικοποιημένη απόρριψη άλατος των μεμβρανών, η διαφορική πίεση των μεμβρανών, η ποιότητα του παραγόμενου νερού καθώς και παράγοντες που λειτουργούν αρνητικά στην αξιοπιστία των μονάδων.Για την απόδοση των μεμβρανών έγινε η συστηματική καταγραφή πλήθους μεταβλητών: όπως η θερμοκρασία και η ιοντική συγκέντρωση του θαλασσινού νερού, (μέσω μέτρησης της αγωγιμότητας), η πίεση εισόδου στις μεμβράνες, η πίεση εξόδου του συμπυκνώματος από τις μεμβράνες, η παροχή παραγόμενου νερού, η παροχή απορριπτόμενου νερού, η συγκέντρωση του παραγόμενου νερού σε άλατα (μέσω μέτρησης της αγωγιμότητάς του) και η πίεση αντίθλιψης στην έξοδο των μεμβρανών (εφόσον υπάρχει). Οι παραπάνω καταγραφές μεταφέρθηκαν σε φύλλο υπολογισμών με βάση το πρότυπο ASTM D4516 ώστε να αξιολογηθεί η απόδοση των μεμβρανών ως προς την αρχική τους κατάσταση αναφοράς (μέγιστο απόδοσης λόγω απουσίας έμφραξης). Από τις μελέτες περιπτώσεων Μήλου και Κορίνθου τεκμηριώθηκε ότι με κατάλληλο σχεδιασμό είναι εφικτή η παραγωγή πόσιμου νερού από θαλασσινό με ανηγμένη ενεργειακή κατανάλωση μικρότερη των 2,5 KWh / m3 παραγόμενου νερού για μονάδες αφαλάτωσης με αντίστροφη ώσμωση δυναμικότητας των 500 - 2.400 m3 ανά ημέρα. Δεχόμενοι μέση τιμή ηλεκτρικής ενέργειας τα 0,08 € / KWh προκύπτει ανηγμένο ενεργειακό κόστος παραγωγής νερού 0,2 € / m3. Η διακύμανση της ενεργειακής κατανάλωσης όπως ήταν αναμενόμενο επηρεάζεται σημαντικά από τη διακύμανση της θερμοκρασίας της θάλασσας και λιγότερο από τις υπόλοιπες παραμέτρους λειτουργίας.Ειδικά για τις συστοιχίες αφαλάτωσης στην Κόρινθο διαπιστώθηκε ότι υπάρχει μία επαναλαμβανόμενη ετήσια εποχική διακύμανση στην κανονικοποιημένη ροή, που αποδίδεται στην εποχική διακύμανση του ρυθμού ανάπτυξης έμφραξης των μεμβρανών από μικροοργανισμούς (βιολογική ρύπανση -biofouling). Βάσει αυτής παρατηρείται η χαμηλότερη κανονικοποιημένη ροή το Σεπτέμβριο και η ανώτερη το Μάρτιο. Γενικά στις εγκαταστάσεις αφαλάτωσης θαλασσινού νερού που μελετήθηκαν παρατηρήθηκαν αξιοσημείωτες διαφοροποιήσεις στην κανονικοποιημένη ροή ακόμα και σε όμοια συστήματα (συστοιχίες) που έχουν κοινό στάδιο προκατεργασίας. Το φαινόμενο είναι περισσότερο έντονο στη σύγκριση της αφαλάτωσης της Μήλου με της Κορίνθου που έχουν ακριβώς ίδιο σχεδιασμό στην κυρία διεργασία αφαλάτωσης. Από την εξέταση της κανονικοποιημένης ροής των μεμβρανών, προέκυψε ότι σε μεγάλη μείωση της πραγματικής ροής των μεμβρανών η κανονικοποίηση των αποτελεσμάτων δεν απεικονίζει σωστά την υποβάθμιση των μεμβρανών. Συνεπώς συνιστάται να γίνεται αντιπαραβολή της κανονικοποιημένης ροής με την πραγματική. Η υποβάθμιση της απόδοσης των μεμβρανών ως μείωση της κανονικοποιημένης ροής τους συνήθως υπολογίζεται βάσει των υποδείξεων των κατασκευαστών των μεμβρανών σε 5% ετησίως για τα 3 πρώτα έτη λειτουργίας. Όμως από την έρευνα μας προέκυψε ότι η ετήσια υποβάθμιση μπορεί να φτάσει από 7 έως 10%, μέγεθος που βρίσκεται σε συμφωνία με τη βιβλιογραφία. Από τη σύγκριση της κανονικοποιημένης απόρριψης άλατος των μεμβρανών των αφαλατώσεων Μήλου και Κορίνθου, διαπιστώθηκαν σημαντικές αποκλίσεις που είχαν ως αποτέλεσμα αντίστοιχη απόκλιση στην αγωγιμότητα του αφαλατωμένου νερού. Αυτές οι αποκλίσεις δεν δικαιολογούνται από το σχεδιασμό και πρέπει να αποδοθούν στις ιδιαιτερότητες λειτουργίας της κάθε εγκατάστασης. Η καταγραφή των παραπάνω αποκλίσεων είναι σημαντική για την αξιολόγηση των προβλέψεων που παρέχουν τα προγράμματα υπολογισμού απόδοσης των μεμβρανών και στα οποία βασίζεται ο σχεδιασμός των μονάδων αφαλάτωσης.Στη μελέτη περίπτωσης της μονάδας υπερδιήθησης - αφαλάτωσης με αντίστροφη ώσμωση για την ανάκτηση και ανακύκλωση αστικών λυμάτων έγινε συστηματική παρακολούθηση της πιλοτικής της λειτουργίας. Οι σημαντικότερες παράμετροι λειτουργίας είναι η κανονικοποιημένη ροή των μεμβρανών αντίστροφης ώσμωσης λόγω του αυξημένου κινδύνου ανεξέλεγκτης έμφραξης τους καθώς και η ποιότητα του παραγόμενου νερού. Όπως και στις υπόλοιπες μελέτες περιπτώσεων καταγράφηκαν συστηματικά οι ίδιες μεταβλητές σε φύλλο υπολογισμών με βάση το πρότυπο ASTM D4516 για την αξιολόγηση της κανονικοποιημένης ροής, της απόρριψης άλατος των μεμβρανών καθώς και της διαφορικής πίεσης. Η εξελιγμένη τεχνολογικά προκατεργασία της εκροής βιολογικού καθαρισμού με μεμβράνες υπερδιήθησης επέτρεψε τη λειτουργία της αφαλάτωσης χωρίς την ανάγκη χημικού καθαρισμού για διάστημα λειτουργίας μεγαλύτερο των δύο μηνών, όπως διαπιστώθηκε από τη σταθερότητα της κανονικοποιημένης ροής των μεμβρανών αντίστροφης ώσμωσης κατά την πιλοτική λειτουργία. Πρέπει να σημειωθεί ότι οι μεμβράνες αντίστροφης ώσμωσης λειτούργησαν σε αυξημένη ροή παραγόμενου νερού ανά μονάδα επιφάνειας μεμβράνης σε σχέση με τις προδιαγραφές του κατασκευαστή. Από τη μελέτη της κανονικοποιημένης απόρριψης άλατος των μεμβρανών αντίστροφης ώσμωσης και των αποτελεσμάτων αναλύσεων προέκυψε επίσης ότι το παραγόμενο νερό είχε τα βασικά φυσικοχημικά χαρακτηριστικά πόσιμου νερού. Η τεχνολογία ανάκτησης και ανακύκλωσης των αστικών λυμάτων με υπερδιήθηση και αφαλάτωση προσφέρει σημαντικό περιβαλλοντικό όφελος και όπως επιβεβαιώθηκε από το κόστος εγκατάστασης και λειτουργίας της πιλοτικής μονάδας είναι μία εξαιρετικά ενδιαφέρουσα τεχνοοικονομικά επενδυτική πρόταση για Δημόσιες Επιχειρήσεις Ύδρευσης Αποχέτευσης, με εφαρμογή σε μεγάλες ξενοδοχειακές μονάδες και γήπεδα γκόλφ κ.α. Η γνώση και η εμπειρία που αποκτήθηκαν από την παρούσα έρευνα αξιοποιήθηκαν στη συνέχεια στο σχεδιασμό και λειτουργία νέας εγκατάστασης αφαλάτωσης αντίστροφης ώσμωσης στα Διυλιστήρια της Μοτορ Οϊλ Ελλάς, με συνολική δυναμικότητα 6.800 m3 / ημέρα. Για την προκατεργασία θαλασσινού νερού της εγκατάστασης αυτής σχεδιάστηκε και τέθηκε σε λειτουργία σύστημα υπερδιήθησης δυναμικότητας 10.000 m3 / ημέρα βάσει του αντίστοιχου σχεδιασμού της μελέτης περίπτωσης στην Κρήτη. Ας σημειωθεί ότι βάσει της πληροφόρησης μας είναι η μεγαλύτερη εγκατάσταση αφαλάτωσης με αντίστροφη ώσμωση στην Ελλάδα και η πρώτη στην οποία χρησιμοποιήθηκε η υπερδιήθηση ως προκατεργασία.