سیستم CCRO(اسمز معکوس مدار بسته:Closed Circuit Reverse Osmosis) یک تکنولوژی جدید برای رفع محدودیت ها و مشکلات سیستم های اسمز معکوس سنتی است. این روش برای اولین بار توسط شرکت Desalitec در سال 2013 برای بالا بردن بازدهی سیستم های RO معرفی شد. همانطور که می دانیم غشاهای به کار رفته در سیستم های RO از جنس های مختلفی همچون پلی آمید(PA) و سلولز استات هستند که قابلیت فیلتراسیون آبهای شور و لب شور تا میزان %98 را دارند. اما به طور عملی هر سیستم اسمز معکوس قابلیت استفاده کامل از ظرفیت غشاها را ندارد. میزان قابلیت یک سیستم در تولید آب پرمیت از مقدار مشخصی از آب خام در اصلاح ریکاوری سیستم اسمز معکوس نامیده شده و با درصد بیان می شود. ریکاوری یکی از مهمترین پارامترهای سیستم های RO است. میزان ریکاوری در سیستم های اسمز معکوس CCRO بسیار بالاتر از اسمز معکوس سنتی است. به طور معمول ریکاوری یک سیستم اسمز معکوس سنتی در حدود %55 می باشد. این بدین معنی است که بعد از اولین فیلتراسیون آب خام ورودی بخشی زیادی از آب به همراه غلظت بالایی از نمک هدر رفته و دفع می شود. دلیل هدر رفت زیاد آب، فشار بالای اسمز معکوس بر اثر غلظت زیاد نمک در مراحل پایانی فیلتراسیون بوده که برای غلبه بر آن نیاز به انرژی عملیاتی زیادی است. این انرژی بالا علاوه بر اینکه هزینه بر بوده، سیستم را نیز تحت فشار زیادی قرار می دهد. برخی از واحدهای تصفیه برای افزایش راندمان سیستم از مرحله دیگری برای فیلتراسیون آب دفع شده بعد از مرحله اول استفاده می کنند. به این ترتیب که آب دفعی از مرحله اول وارد یک سیستم جداگانه شده و مجددا توسط غشا فیلتر می شود. این مرحله می تواند میزان ریکاوری سیستم را به %75 برساند.
مجددا برای بالا بردن بیشتر ریکاوری می توان مرحله سومی را نیز اضافه کرد و میزان ریکاوری را به %87 رساند. درست است که با استفاده از این روش می توان تا حدی بر چالش پایین بودن ریکاوری مقابله کرد اما از طرف دیگر این متد خود مشکلات دیگری ایجاد می کند. در درجه اول، کنترل هیدرولیکی سه سیستم اسمز معکوس با خصوصیات اسمزی متفاوت بسیار پیچیده و دشوار است. در هر نوبت فیلتراسیون آب، میزان غلظت نمک در آب ورودی به مرحله بعدی بیشتر می شود و این موضوع نه تنها میزان انرژی مورد نیاز برای غلبه بر فشار اسمزی را در هر مرحله افزایش می دهد، بلکه مشکلات گرفتگی منافذ غشاها و هزینه های شستشو و نگهداری را به طور چشمگیری بالا میبرد. تمام این عوامل باعث می شوند که سیستم به طور مرتب دچار مشکل شده و نیاز به خاموشی داشته باشد.
سیستم CCRO طوری طراحی شده که نه تنها میزلن ریکاوری سیستم را تا %98 بالا می برد بلکه نسبت به سیستم های اسمز معکوس سنتی، رسوبات و بیوفیلم بسیار کمتری در اطراف منافذ غشاهای آن تجمع کرده و نیاز کمتری به شستشوهای دوره ای دارد. از آنجایی که اسمز معکوس مدار بسته میزان انرژی را در هر مرحله فیلتراسیون با توجه به مقدار فشار اسمزی تغییر میدهد، هزینه های مربوط به انرژی را کاهش داده و سیستم تحت فشار کمتری قرار گرفته و در نتیجه طول عمر بالاتری خواهد داشت. برای آشنایی با نحوه عملکرد سیستم اسمز معکوس مدار بسته، فیلم زیر را مشاهده کنید:
ساختار و نحوه عملکرد سیستم اسمز معکوس مدار بسته (CCRO)
برای فهم بهتر چگونگی افزایش قابل توجه ریکاوری در سیستم های اسمز معکوس مدار بسته ابتدا بایستی با قسمت های مختلف این سیستم و نقش آنها در فرآیند فیلتراسیون آشنا شویم. اساس کار اسمز معکوس مدار بسته، برگرداندن چندین باره آب دفعی از سیستم و ترکیب آن با آب تغذیه و فیلتراسیون مجدد آن برای بالا بردن ریکاوری است. این کار تا به آنجا ادامه پیدا می کند که میزان آب تولیدی از آب تغذیه به حدود %98 درصد رسیده و نتیجه دلخواه حاصل می شود. این سیستم سنسورهایی دارد که در هر لحظه میزان فشار اسمزی را بر اساس هدایت الکتریکی آب اندازه گرفته و انرژی اعمال شده با توجه به آن به طور اتوماتیک تغییر می کند. به این ترتیب مصرف انرژی به طور چشمگیری کاهش یافته و فشار کمتری به سیستم وارد می شود. شکل زیر فرایند فیلتراسیون در سیستم اسمز معکوس مدار بسته(CCRO) و قسمت های مختلف آن را نشان می دهد:
همانطور که از شکل مشخص است در سیستم های CCRO، آب خام توسط یک پمپ فشار قوی وارد سیستم می شود. معمولا از پمپ های سانتریفیوژی یا جابه جایی مثبت برای این منظور استفاده می کنند. سپس آب خام وارد ماژول های RO می شود. تعداد ماژول های موجود در سیستم اسمز معکوس مدار بسته با توجه به کیفیت آب خام ورودی، مقیاس واحد تصفیه، کیفیت مورد نیاز آب پرمیت می تواند بین 2 تا 12 عدد متغیر باشد. اصولا جهت مصارف صنعتی 4 - 2 ماژول، نمک زدایی آب شور 12 - 6 عدد و تصفیه آب های شهری 8 - 12 عدد ماژول نیاز است. جهت بهره وری حداکثری، این ماژول ها به صورت موازی و سری در کنار یکدیگر قرار می گیرند. ماژول هایی که به صورت موازی در کنار هم قرار می گیرند به بالا بردن جریان در سیستم کمک می کنند و هنگامی که دسته هایی از ماژول های موازی به صورت سری در کنار هم نصب میشوند، ریکاوری سیستم افزایش یافته و کیفیت آب پرمیت بهبود می یابد.
نوع جریان فیلتراسیون متقاطع بوده که دلیل انتخاب این جریان جلوگیری از ایجاد رسوبات در منافذ است. میزان غلظت نمک در مراحل آخر فیلتراسیون بسیار بالا خواهد بود و جریان متقاطع به شستشو و عدم ایجاد رسوبات و پلاریزاسیون در اطراف منافذ ممبران ها کمک می کند. از طرف دیگر، جریان متقاطع نسبت به سایر روش ها مانند جریان بسته(dead end) راندمان بالاتری دارد.
بعد از فیلتراسیون اولیه آب ورودی جهت افزایش ریکاوری سیستم، پساب شور دفعی که مقدار آب زیادی دارد از طریق یک پمپ چرخشی به اول سیستم برگردانده می شود که به این نوع جریان در سیستم، جریان CC(مدار بسته:Closed Circuit) گفته می شود. این آب برگشتی با مقداری از آب خام ورودی ترکیب شده و مجددا عمل فیلتراسیون صورت می گیرد. در این مرحله، با توجه به ترکیب پساب شور با آب تغذیه فشار اسمزی بالا تا حد زیادی کنترل شده و به مقدار کمی افزایش می یابد و سنسورهای به کار رفته در سیستم این افزایش فشار را تشخیص داده و برای غلبه بر آن انرژی بیشتری را اعمال می کنند. به این ترتیب افزایش انرژی تنها در مرحله ای صورت می گیرد که به آن نیاز باشد. این برگشت پساب و فیلتراسیون تا به آنجا صورت می گیرد که ریکاوری به مقدار دلخواه برسد. از لحاظ تئوری حداکثر میزان ریکاوری در سیستم های CCRO در حدود %98 میباشد اما در عمل این مقدار در حدود %93 درصد بوده که باز هم رقم بسیار قابل قبولی است. در نهایت پساب سیستم دارای غلظت بسیار بالای نمک بوده و میزان آب آن به مقدار زیادی کاهش یافته و سیستم وارد فاز آخر عملیاتی به نام PF(جریان پلاگ: Plug Flow) می شود. در این فاز جریان شیر مربوط به برگرداندن پساب بسته شده و شیر پلاگین برای دفع پساب باز می شود. کل مراحل تصفیه آب توسط سیستم اسمز معکوس مدار بسته در حدود 40 - 30 دقیقه طول می کشد. تصویر زیر سه فاز عملیاتی در سیستم های اسمز معکوس مدار بسته(CCRO) را نشان می دهد:
فیلتراسیون جریان اول
فازCC( جریان مدار بسته:Closed Circuit)
فاز PF(جریان پلاگ: Plug Flow)
مزایای استفاده از سیستم اسمز معکوس مدار بسته(CCRO)
بزرگترین عوامل محدود کننده در سیستم های اسمز معکوس سنتی برای داشتن ریکاوری بالا، کنترل پارامترهای هیدرولیکی و رسوب زایی در غشاها می باشد. این محدودیت ها به شکل قابل توجهی در سیستم های اسمز معکوس مدار بسته از بین رفته است. از آنجایی که تمام مراحل تصفیه آب تنها در یک مرحله و توسط یک سیستم صورت می گیرد، کنترل پارامترهای هیدرولیکی مختلف بسیار راحت تر میباشد. در هر مرحله که آب دفعی از سیستم جهت فیلتراسیون مجددا بازیابی می شود، با مقداری از آب تغذیه ترکیب شده و به این ترتیب جریان آب می تواند بدون افزایش قابل توجه فشار اسمزی بارها فیلتر شده و در عین حال ریکاوری و تولید آب پرمیت افزایش یابد. با افزایش ریکاوری، میزان هدررفت آب بین %80 - %50 کاهش یافته و راندمان سیستم بالا می رود.
میزان اعمال انرژی در سیستم اسمز معکوس CCRO دینامیکی است. بدین معنی که در هر نوبت از فیلتراسیون، انرژی وارد شده با توجه به فشار اسمزی و کیفیت آب تغییر می کند که این موضوع خود در استفاده بهینه و کاهش مصرف انرژی تاثیر بسزایی دارد. به طور کلی میزان مصرف انرژی در سیستم اسمز معکوس مدار بسته در حدود %40 کمتر از روش سنتی است. شکل زیر تغییرات انرژی در مراحل مختلف تصفیه آب توسط سیستم CCRO را نشان می دهد:
نمودار تغییرات فشار در سیستم CCRO
از آنجایی که ریکاوری بالای سیستم CCRO در طول زمان و از طریق بازیابی چندین باره آب صورت می گیرد، المان های سری به تعداد کمتری نیاز بوده و طول پروشسل ها می تواند نسبت به سیستم های اسمز معکوس سنتی کوتاه تر باشد. این امر به کنترل و بالانس هیدرولیکی کل سیستم کمک بسیاری کرده و از آنجایی که میزان جریان آب در ابتدا وانتهای فرآیند اختلاف چندانی ندارد، طول عمر کلی دستگاه افزایش می یابد.
انعطاف سیستم های اسمز معکوس مدار بسته بسیار بالاست که دلیل آن بهره گیری از نرم افزار مخصوص جهت کنترل مداوم پارامترهای مختلف در طول فرآیندها و اعمال تغییرات به صورت اتوماتیک یا دستی می باشد. پارامترهایی که باعث ایجاد تغییرات در بخش های مختلف عملیات می شوند شامل تغییرات فشار اسمزی، فشار آب ورودی به سیستم، میزان هدایت الکتریکی، کیفیت آب خام ورودی و کیفیت آب در هر مرحله بازیابی است. در هر مرحله از تصفیه آب و با توجه به تغییرات کیفیت آب در فصول مختلف، نحوه عملکرد و میزان مصرف انرژی در سیستم متفاوت بوده و با توجه به پارامترهای هیدرولیکی و خصوصیات شیمیایی آب خواهد بود.
از طرف دیگر، تنظیم مداوم انرژی و تعداد زیاد بازیابی و چرخش آب به جلوگیری از تجمع رسوبات به دور منافذ غشاها کمک زیادی می کند. رسوباتی مانند سیلیکا جهت تجمع و ایجاد رسوب به دور منافذ به حدود نیم تا یک ساعت زمان نیاز دارند که با توجه به چرخش مداوم آب اصلا همچین فرصتی به نمک ها جهت ایجاد رسوب داده نمی شود. همانطور که اشاره شد نوع جریان آب در غشاهای این سیستم متقاطع(عرضی) بوده و همچنین طریقه شستشوی غشاها در این سیستم عملکرد بسیار بهتری نسبت به اسمز معکوس سنتی داشته و در کل میزان تجمع رسوبات در روش CCRO بسیار کم می باشد. نمودار زیر تغییرات غلظت عوامل رسوب زا بر پایه سیلیکا در طول فازهای مختلف اسمز معکوس مدار بسته را نشان می دهد:
نمودار تغییرات غلظت سیلیکا در سیستم CCRO
به طور کلی مزایای استفاده از سیستم های اسمز معکوس مدار بسته(CCRO) را می توان در موارد زیر خلاصه کرد:
● انعطاف پذیری بالای سیستم
● کاهش هزینه های انرژی و نگهداری
● مقاوم در برابر رسوبات معدنی و بیوفیلم
● مصرف بهینه و دینامیکی انرژی
● ریکاوری و راندمان بالای سیستم
● کاهش %80 هدررفت آب
● نیاز به المان سری شده کمتر
● انعطاف پذیری بالای تنظیمات و وجود سنسورهای کارآمد
● بازه طولانی CIP و شستشوی مناسب غشاها در هر نوبت
کاربرد سیستم اسمز معکوس مدار بسته(CCRO)
سیستم های اسمز معکوس مدار بسته دارای تکنولوژی نوین و پیشرفته ای می باشند که بسیاری از محدودیت های هیدرولیکی و مشکلات ناشی از رسوبات در اسمز معکوس سنتی را رفع کرده اند و با کمک سیستم انعطاف پذیر و دینامیکی خود قادر خواهند بود که با توجه به شرایط به صورت اتوماتیک عملکرد خود را تغییر دهند. به همین جهت از تکنولوژی CCRO در مواردی که کیفیت آب ورودی با توجه به زمان دچار تغییرات شده یا پتانسیل ایجاد رسوب بالایی دارند، این سیستم ها می توانند به راحتی و با راندمان بالایی تولید آب با کیفیت کنند. به همین جهت می توان از آنها در طیف وسیعی از واحد های تصفیه شهری و صنعتی استفاده کرد که برخی از آنها شامل موارد زیر می باشد:
● شیرین سازی آبهای بسیار شور مانند آب دریاها
● تصفیه پساب کارخانه های صنعتی با بار آلودگی بالا
● تصفیه آب تولیدی حاصل از استخراج نفت و گاز
● تولید آب مورد نیاز در صنایع غذایی و نوشیدنی
● تولید آب درجه خلوص بالا در صنایع حساس مانند صنایع دارویی و اتمی
● تصفیه پساب معادن
● بازیابی پساب دیگ های بخار نیروگاهها با پتانسیل بالای ایجاد رسوبات
● تصفیه آبهای لب شور مانند آبهای زیرزمینی
● بازیابی و استفاده دوباره آب در صنایع جهت کاهش مصرف آب
ویژگی های منحصر بفرد سیستم های CCRO مسیر مدیریت آب و تولید آب با کیفیت در صنایع و واحدهای تصفیه را دگرگون کرده و آن را از بسیاری جهات نسبت به روش های اسمز معکوس سنتی برتری داده است. این تکنولوژی نوین با راندمان بالا، مصرف بهینه انرژی و عدم ایجاد رسوب در سیستم به میزان قابل توجهی از هدررفت آب جلوگیری کرده و به بهره وری هر چه بیشتر واحدهای تصفیه شهری و صنعتی کمک شایانی می کند.