3.1 – La possibilità di aumentare la resa energetica dell’impianto RO
Con l’aumento della popolazione e quindi della domanda di acqua per usi domestici, agricoli e industriali l’impiego dell’acqua di mare per la produzione di acqua dolce attira sempre più l’attenzione mondiale tanto che è possibile affermare che la dissalazione dell’acqua marina rappresenta senza dubbio il futuro della produzione di acqua potabile soprattutto nelle zone aride e semiaride che, allo stesso tempo, hanno un facile accesso al mare. [34], [35], [36].
Nei capitoli precedenti sono stati descritti una serie di processi per la depurazione dell’acqua di mare che possono efficacemente ridurre la concentrazione dei sali disciolti fino a livelli appropriati e conformi alle specifiche di qualità per l’acqua potabile. Tali processi sono già ampiamente utilizzati in paesi come Stati Uniti, Cina, Australia e per le regioni del Medio Oriente rappresentano, praticamente, l’unica fonte sicura di accesso all’acqua potabile (Arabia Saudita ed Emirati Arabi Uniti sono i principali produttori)2.
I sistemi di dissalazione necessitano di un unico feed che è appunto l’acqua salata; è proprio in questo aspetto che risiede la forza trainante dell’intero processo: il mare ricopre circa il 97% della superficie terrestre quindi teoricamente si potrebbe avere una fornitura illimitata di acqua di alimentazione che permetterebbe di ampliare in modo esponenziale la disponibilità di questa risorsa fondamentale.
Oltre all’osmosi inversa gli altri trattamenti di dissalazione usati sono quelli di tipo termico, anche questi ultimi sono efficaci per la rimozione di particelle indesiderate ma hanno rese di acqua dissalata inferiori all’osmosi inversa: a parità di volume di acqua prodotta richiedono una quantità di feed che è maggiore di quasi tre volte [36].
Anche sotto il profilo energetico tra le tecnologie sviluppate la più efficiente è sicuramente l’osmosi inversa dell’acqua di mare (Sea Water Reverse Osmosis, SWRO) con una stima del fabbisogno energetico tra 2 e 4 kWh/m3. Se confrontata con le altre tecnologie (MED, MSF, ED) la SWRO dimostra la capacità di trattare un’ampia gamma di acqua di mare a differente salinità con tassi di recupero dell’acqua trattata (% Recupero) relativamente elevati rispetto ai processi termici [35], quindi i maggiori impianti di dissalazione costruiti recentemente si basano proprio su questa tecnologia. Nel corso degli anni sono stati sviluppati nuovi metodi e/o tecnologie per ridurre ulteriormente il consumo di energia. Il consumo specifico di energia (Specific Energy Consumption, SEC) del processo SWRO è
2 Si veda paragrafo 1.10
56 diminuito da 20 kWh/m3 nel 1970 a 2.5 kWh/m3 del 2010 grazie a particolari accorgimenti come l’uso di pompe a migliore efficienza energetica, lo sviluppo di membrane ad alte prestazioni, la progettazione di moduli a membrana per ottenere minori cadute di pressione nel canale della membrana e, soprattutto, l’introduzione di dispositivi di recupero energetico (ERD) [34].
Nonostante questi miglioramenti, si è visto che vi è la possibilità di aumentare ulteriormente la resa energetica degli impianti RO. Quindi sono stati avviati molti progetti di ricerca con tale scopo e sono state individuate quattro strade percorribili:
- miglioramento e sviluppo delle membrane impiegate nella RO;
- riduzione del consumo energetico aggiuntivo tramite la riduzione delle incrostazioni che interessano la membrana;
- miglioramento dell’efficienza energetica di tutte le apparecchiature che compongono un tipico impianto RO;
- introduzione di nuove configurazioni e/o utilizzo di processi ibridi per migliorare l’efficienza energetica [34].
Tra tutte, la soluzione che ha suscitato maggior interesse è l’ultima descritta. Infatti, si è pensato all’implementazione del processo integrato di osmosi inversa (RO) e di osmosi ritardata da pressione (PRO). Nel paragrafo 2.10 si è visto che l’utilizzo di un impianto PRO stand-alone (singolo) come quello utilizzato da Statkraft ha mostrato diversi limiti dovuti soprattutto alla combinazione acqua di mare-acqua di fiume usate rispettivamente come soluzioni draw e feed che si traducevano in un basso valore dell’energia specifica netta estraibile [34].
È proprio in questo panorama che si è collocata l’idea di combinare i processi di SWRO e PRO. Operando in questo modo, si ha la possibilità di aumentare la resa energetica degli impianti RO usando due correnti: l’acqua salata (che rappresenta il feed della sezione RO) e l’acqua dolce che ha un ruolo chiave nel processo PRO. Come fonte di acqua dolce si possono usare l’acqua di un fiume o quella piovana. Tuttavia, in zone aride come il Medio Oriente la presenza di acqua di fiume o piovana è praticamente nulla, quindi è necessario pensare a una fonte alternativa come l’acqua reflua trattata da un impianto di depurazione urbano (che è necessariamente presente in ogni zona urbanizzata)3.
3 Tale aspetto verrà analizzato nel paragrafo 3.2 (figure 37-38)
57 Il sistema PRO per funzionare ha bisogno di una corrente concentrata (soluzione draw), il processo integrato SWRO-PRO permette di riutilizzare la salamoia in uscita dal modulo RO (che nell’osmosi inversa rappresenta uno scarto) come soluzione concentrata nel modulo di PRO dove viene diluita grazie al passaggio della soluzione feed attraverso la membrana.
Questo è innegabilmente un altro vantaggio: se si pensa che nel 2013 la capacità globale degli impianti di RO era di 52 milioni di m3 acqua/giorno che corrisponde a una produzione di salamoia di 31 milioni m3/giorno assumendo %Recupero 40% [37] si capisce subito che si ha a disposizione una grande quantità di brine per l’impiego nel modulo PRO.
Complessivamente l’integrazione dei due processi presenta un duplice beneficio:
- si riduce il consumo energetico dell’impianto di osmosi inversa grazie al recupero di energia nel modulo PRO;
- si riutilizza quello che rappresenta uno scarto del processo RO (che quindi dovrebbe subire anche adeguati post-trattamenti per impattare il meno possibile sull’ambiente) che diventa una risorsa nel sistema ibrido e, allo stesso tempo, grazie alla diluizione della salamoia nel modulo PRO si mitigano gli effetti ambientali poiché si scarica in mare una corrente con salinità pari a quella del mare.
Il funzionamento del processo integrato SWRO-PRO verrà discusso e analizzato più nel dettaglio nel prossimo paragrafo.
3.2 – Schema di processo RO-PRO
Figura 36: Schema di processo integrato RO-PRO
58 In figura 36 è riportato lo schema a blocchi del processo integrato di un impianto di dissalazione ad osmosi inversa e uno di osmosi ritardata da pressione (SWRO-PRO).
Dal punto di vista complessivo nel processo ci sono due correnti in entrata e due in uscita. I feed sono l’acqua di mare pretrattata PSW (secondo uno dei metodi descritti nel paragrafo 2.7) e l’acqua depurata PW che viene utilizzata nella sola sezione PRO mentre le correnti in uscita sono il prodotto finale dell’osmosi inversa cioè acqua dissalata (FW) e l’acqua salmastra (LP/BW) che rappresenta lo scarico finale dell’intero processo.
Il tipico modulo di RO è composto da una membrana semipermeabile che permette alle sole molecole di acqua di permeare, bloccando i sali da un lato della membrana4. Per far avvenire la dissalazione è necessario applicare una pressione idraulica superiore a quella osmotica dell’acqua di mare (con TDS tra 35000-45000 mg/l si ha π variabile tra 25-35 bar) e, quindi, si ricorre all’utilizzo di una pompa ad alta pressione (HP) che pressurizza la corrente di acqua in entrata fino alla pressione di esercizio del modulo RO (nella normale prassi industriale si comprime l’acqua di mare fino a 65-70 bar per ottenere una velocità di produzione industrialmente interessante [38]). Dal sistema di osmosi inversa si ottiene l’acqua dolce e la salamoia (brine) concentrata che solitamente rappresenta la corrente di scarto. Tuttavia, la salamoia in uscita è ad una pressione prossima a quella di esercizio nella sezione RO.
Per migliorare l’efficienza energetica del processo si è pensato di recuperare l’energia di pressione della corrente concentrata ed impiegarla per pressurizzare parte dell’acqua di mare in ingresso come feed nell’osmosi inversa così da diminuire il carico della pompa ad alta pressione (HP). Per fare ciò, l’acqua di mare in entrata (PSW) è suddivisa in due correnti PSW1, PSW2, delle quali solo la prima (PSW1), che costituisce una parte minima della quantità totale, è pressurizzata in modo “tradizionale” con l’impiego della pompa HP mentre la seconda corrente di acqua (PSW2) viene mandata nello scambiatore di pressione (PX2) dove arriva anche l’acqua salmastra ad alta pressione in uscita dal modulo PRO (HP/BW).
La sezione PRO vede come feed la salamoia depressurizzata (LP/BR) in uscita dal PX1 (che rappresenta la soluzione draw) e l’acqua depurata PW (che è il feed)5. Qui, l’acqua depurata PW permea attraverso la membrana verso il lato in cui è presente la soluzione draw, che è contemporaneamente sottoposta a un ΔP (inferiore alla pressione osmotica), diluendola. In uscita dal processo PRO si ha la corrente d’acqua salmastra (HP/BW) che si trova ad una
4 Si veda il paragrafo 2.4
5 Si veda il paragrafo 2.10
59 pressione medio-alta, quindi viene inviata nel secondo scambiatore di pressione (PX2). In PX2 (assimilabile ad uno scambiatore di calore in cui non vi è contatto tra i fluidi) si recupera l’energia di pressione di HP/BW per pressurizzare la corrente di acqua di mare PSW2. PSW2, una volta uscita dallo scambiatore di pressione (PX2), viene divisa in due correnti:
PSW2-1 che viene mandata allo scambiatore di pressione PX1 in una quantità pari a quella della salamoia in uscita dal modulo RO (HP/BR) e PSW2-2 ,che costituisce la parte restante (PSW2-2 = PSW2 – PSW2-1) ,che viene inviata al sistema di osmosi inversa tramite la pompa booster BP3 (che dovrà portarla fino al valore della pressione di esercizio di RO). Dall’altro lato in uscita da PX2 si avrà acqua salmastra a bassa pressione (LP/BW) che viene scaricata in mare.
L’impiego dello scambiatore d pressione PX1 permette di recuperare l’energia di pressione della corrente HB/BR (che uscirà depressurizzata come LP/BR) che è usata per pressurizzare PSW2-1 (già parzialmente pressurizzata grazie al PX2) e che sarà mandata nella sezione di osmosi inversa grazie alla pompa BP1.
Il tipico ciclo che subisce l’acqua potabile in uscita dall’impianto di dissalazione è rappresentato in figura 37: l’acqua esce come acqua pura dall’impianto SWRO, entra nella rete idrica comunale dove viene impiegata in vari modi a seguito dei quali arriva nell’impianto di depurazione delle acque reflue urbane da cui uscirà come acqua depurata che viene scaricata nel corpo idrico recettore.
Figura 37: Ciclo dell'acqua potabile dall'impianto di dissalazione a quello di depurazione
Per poter funzionare il processo PRO necessita di una corrente di acqua pura ma, data la situazione critica che vivono alcuni paesi per il rifornimento di acqua descritta precedentemente, si è escluso l’impiego di acqua potabile per il funzionamento del processo.
Le fonti alternative di acqua pura consistono nell’acqua piovana, nell’acqua di fiume o nel riutilizzo dell’acqua depurata dall’impianto di depurazione delle acque reflue urbane che è necessariamente presente in ogni zona urbanizzata. Pensando di collocare il processo in figura 36 in una regione arida come quella degli UAE, in cui il tasso di piovosità annuo è
60 molto basso così come la presenza di fiumi, si è deciso di utilizzare come feed per PRO l’acqua depurata (PW), immaginando che all’impianto di dissalazione arrivi PW in una quantità pari all’85% dell’acqua dissalata (FW) al netto delle perdite nella rete idrica municipale e nel sistema di piping per portare l’acqua dall’impianto di depurazione a quello di dissalazione. In questo modo, si riesce a chiudere il ciclo rappresentato in figura 37 secondo lo schema proposto in figura 38.
Figura 38: Ciclo dell'acqua potabile dall'impianto di dissalazione a quello di depurazione con integrazione del processo PRO
3.3 – Bilanci di materia
In questo paragrafo si prende in considerazione lo schema di processo riportato in figura 36 con riferimento a una portata di alimentazione pari a 1000 collocato nella regione degli Emirati Arabi Uniti.
La salinità dell’acqua di mare, come riportato nella tabella sottostante, è influenzata dalla regione geografica di riferimento: gli UAE sono a cavallo tra il Golfo di Oman e il Golfo Persico quindi si considera un valore medio di TDS = 43000 mg/l pari a una salinità del 4.3% e una temperatura media di 30 °C che rimane pressoché costante durante il processo.
Tabella 4: Salinità di alcuni bacini idrici [39]
61 In generale, per i calcoli che saranno eseguiti, è necessario conoscere la pressione osmotica (π) dell’acqua di mare in funzione della salinità e tale dato, non potendo usare l’equazione di Van’t Hoff 6, si ricaverà da dati sperimentali disponibili riportati in tabella 5 [40].
Tabella 5: Variazione della pressione osmotica dell'acqua di mare in funzione della salinità, T=30°C [40]
Da cui è stato ricavato il grafico sottostante che ha permesso di trovare l’equazione che descrive l’andamento della pressione osmotica (π) in funzione della salinità (xs):
𝜋 = 0.2268𝑥𝑠2+ 6.264𝑥𝑠+ 1.2575 (20)
Figura 39: Andamento della pressione osmotica in funzione della salinità, T=30°C
6 Che come si è visto nel paragrafo 2.1 vale solo per soluzioni diluite
π [Mpa] π [bar] salinità, xs [g/kg] salinità %
0.728 7.28 10 1
1.473 14.73 20 2
2.238 22.38 30 3
3.030 30.3 40 4
3.853 38.53 50 5
4.712 47.12 60 6
5.613 56.13 70 7
6.561 65.61 80 8
7.564 75.64 90 9
8.626 86.26 100 10
9.755 97.55 110 11
10.958 109.58 120 12
62 Con riferimento all’impianto in figura 36 considerando la sola sezione di osmosi inversa si riportano i parametri di esercizio:
- fattore di concentrazione CF = QPSW/QHP/BR=1.65;
- pressione di esercizio P = 70 bar;
- si assume a priori un valore massimo di salinità dell’acqua dissalata prodotta (FW) pari a xS-FW = 0.02%.
Inoltre, questa vede come unico feed la corrente totale di acqua di mare PSW. Procedendo con un bilancio di energia si ottengono i risultati riportati nella tabella sottostante:
Tabella 6: Risultati bilanci di materia sezione RO
Il fattore di recupero del sistema ad osmosi inversa è:
%Recupero = QFW/QPSW= 40%, valore che rientra negli standard di recupero degli impianti RO.
Va sottolineato che la salamoia in uscita dalla sezione RO si trova ad una pressione pari a quella di esercizio (70 bar) e verrà utilizzata nella sezione successiva.
Per la sezione PRO si hanno due feed: la salamoia depressurizzata (LP/BR) e l’acqua depurata proveniente dall’impianto di depurazione (PW); passando ai bilanci di materia si ottiene:
Tabella 7: Risultati bilanci di materia sezione PRO
Dove si è considerato il valore della portata della corrente PW proveniente dall’impianto di depurazione pari all’85% dell’acqua pura prodotta (FW).
I valori delle pressioni osmotiche sono stati riportati per le sole correnti di interesse.
Acqua di mare
63 In riferimento al processo integrato RO-PRO si possono specificare e caratterizzare tutte le correnti in ingresso (IN) e in uscita (OUT):
Tabella 8: Correnti e parametri noti del processo RO-PRO
Per massimizzare lo scambio di pressione negli scambiatori PX1 e PX2 si fa in modo di mantenere un flusso bilanciato al loro interno (come riportato in letteratura [41]) mandando la stessa quantità di fluidi come descritto nella tabella sottostante:
Tabella 9: Portata dei fluidi all'interno dei due scambiatori di pressione
Le considerazioni energetiche sul processo integrato RO-PRO sono rimandate al capitolo 4.
3.4 – Analisi dei risultati e vantaggi del processo integrato
La dissalazione tramite osmosi inversa è di innegabile importanza per il rifornimento di acqua in zone in cui il suo approvvigionamento naturale è scarso ma comporta anche inevitabili impatti ambientali che variano a seconda dell’acqua di alimentazione, delle tecnologie impiegate e della gestione della salamoia di scarto. Gli impatti ambientali per i processi di dissalazione a membrana sono riconducibili a cinque fattori: (i) l’approvvigionamento dell’acqua di alimentazione, (ii) il pretrattamento dell’alimentazione, (iii) il processo di dissalazione, (iv) lo scarico di salamoia e (v) il fabbisogno energetico. Tra
IN Acqua di mare
pretrattata PSW 1 30 4.3 1000
IN Acqua depurata PW 1 30 0 330
OUT Acqua dissalata FW 1 30 0.02 390
OUT Acqua salmastra a
64 tutti, ad avere maggiori ripercussioni sull’ambiente è lo scarico in mare della salamoia. La brine, infatti, rappresenta lo scarto principale di un impianto di dissalazione sia dal punto di vista qualitativo che quantitativo: il rapporto tra il flusso di salamoia e quello d’acqua pura prodotta varia tra 1 e 2 per valori di %Recupero compresi tra 35-50% (l’intervallo tipico di recupero negli impianti SWRO). Parametri come il pH o la temperatura della brine prodotta dal processo RO, dal punto di vista qualitativo, influiscono minimamente in quanto la temperatura della corrente di scarico è prossima a quella dell’acqua di mare (con una differenza massima di 2°C dovuta a dissipazioni di calore nelle pompe HP o all’attrito nei canali della membrana) mentre per la regolazione del pH si effettua un trattamento di neutralizzazione prima dello scarico a cui si aggiunge anche il potere tamponante dell’acqua di mare. Il parametro che caratterizza l’impatto ambientale della salamoia è la sua salinità che generalmente è superiore a quella dell’acqua di mare in un rapporto variabile tra 1.5-2 volte (con %Recupero tra 35-50%) con valori compresi tra 65 e 85 g/l [42].
Prendendo in considerazione i risultati ottenuti dai bilanci di materia, appare evidente che un vantaggio chiave del sistema integrato risiede proprio nella salinità della corrente che si scarica in mare.
Se si scaricasse la salamoia prodotta dal modulo SWRO, questa avrebbe una salinità del 7%
pari a 1.6 volte quella del mare (4.3%) ma, grazie all’accoppiamento del processo PRO, la salamoia viene diluita. Ricorrendo al processo ibrido SWRO-PRO si scarica in mare acqua salmastra caratterizzata da una salinità del 4.5% (valore praticamente uguale alla salinità del mare). In questo modo l’impatto del processo nel mare del Golfo Arabico è praticamente nullo: preleviamo acqua di mare e come scarto otteniamo nuovamente acqua di mare.
Inoltre, la salamoia che arriva al modulo PRO, essendo già stata pretrattata per l’osmosi inversa, è sostanzialmente priva di agenti sporcanti quindi si evita la spesa energetica per i pretrattamenti necessari per il processo PRO singolo.
Con il tipo di configurazione utilizzata un altro aspetto chiave sta nella scelta della soluzione pura impiegata come feed nella sezione PRO. Infatti, come è stato precedentemente descritto7, si è scelto di usare acqua depurata proveniente dall’impianto di depurazione urbano.
Se si considera che uno scarico eccessivo di acque reflue trattate può causare problemi ambientali, appare evidente il potenziale che ha il riutilizzo di queste acque negli impianti PRO come soluzione al problema [43].
7 Si veda il paragrafo 3.2
65 Naturalmente, le acque reflue e l’acqua dissalata prodotta dalla sottosezione di osmosi inversa fanno parte di due circuiti separati quindi non vi è contatto tra i fluidi. Anche in questo caso le acque reflue sono state precedentemente trattate nell’impianto di depurazione quindi l’investimento da affrontare consiste nella realizzazione di un sistema di tubazioni per il trasporto dell’acqua depurata fino all’impianto di dissalazione.
I vantaggi del processo SWRO-PRO sotto il profilo energetico saranno analizzati nel prossimo capitolo.
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