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L'ozono può ridurre il consumo di acqua ed energia delle torri di raffreddamento
Le torri di raffreddamento sono un settore relativamente nuovo per il trattamento con ozono. Pertanto, i vantaggi di questa tecnologia sono ancora in fase di scoperta da parte degli utenti di questo settore. I principali vantaggi del trattamento dell'acqua con ozono rispetto al tradizionale trattamento chimico dell'acqua risiedono nel risparmio idrico ed energetico che è possibile ottenere. La riduzione, e la possibile eliminazione, dell'uso di sostanze chimiche comporta anche vantaggi in termini di costi per l'utente.
Il primo problema che devono affrontare le torri di raffreddamento ad acqua è l'accumulo di crescita biologica e minerali, o incrostazioni. Questi problemi inibiscono l'efficienza di trasferimento del calore delle torri di raffreddamento. In passato questo problema è stato risolto attraverso l'uso di agenti chimici come il cloro e gli agenti chelanti. Sebbene questa sia una soluzione adeguata al problema originale, le sostanze chimiche recano altri problemi. A causa dell'evaporazione dell'acqua nella torre, l'acqua rimanente raggiunge un alto livello di concentrazione di sostanze chimiche e contaminanti. Per regolare questo fenomeno, l'acqua viene scaricata dal sistema e sostituita con acqua fresca di "reintegro". Lo scarico dell'acqua che può essere problematico da smaltire, con costi aggiuntivi per lo smaltimento delle acque reflue.
Il trattamento a base di ozono risolve il problema iniziale riducendo notevolmente i costi e gli effetti o fattori collaterali. Oltre ad essere un potente biocida, in grado di uccidere virus e batteri infettivi, l'ozono ha dimostrato di avere un effetto positivo contro il calcare. Inoltre, riduce considerevolmente il livello di perdita d'acqua, nonché il costo unitario dello smaltimento grazie alla sua natura ecologica. A ciò si aggiungono i risparmi derivanti dalla riduzione dei costi di stoccaggio e dall'uso di sostanze chimiche, poiché l'ozono viene prodotto in loco. Questo fatto semplifica ampiamente la conformità normativa.
Perché utilizzare il trattamento con ozono?
Alcuni vantaggi dell'utilizzo dell'ozono per le torri di raffreddamento:
- Maggiore efficienza del funzionamento di raffreddamento (che riduce il consumo energetico).
- Riduzione della quantità di spurgo (riduzione dei costi legati all'acqua di reintegro e allo smaltimento dei rifiuti chimici).
- Riduzione dei costi di manutenzione. I costi di manodopera per la manutenzione dei sistemi di trattamento con ozono sono minimi.
- Irrilevante quantità di disinfettante o dei relativi sottoprodotti
- Disinfettante molto efficace
- Grazie alla produzione in loco, non è necessaria la gestione di sostanze chimiche pericolose.
- Bassa Corrosione
- Trattamento ecologico, che facilita la conformità alle normative
Ulteriori vantaggi per i siti che gestiscono propri impianti di trattamento delle acque delle acque reflue:
- Riduzione della potenza di pompaggio necessaria per l’estrazione e il trasferimento dell’acqua dal serbatoio all’impianto di trattamento, grazie al minor fabbisogno di acqua di reintegro.
- Riduzione dei costi relativi a prodotti chimici, filtrazione e manutenzione
- Riduzione della potenza di pompaggio richiesta per il convogliamento degli scarichi verso l’impianto di trattamento delle acque reflue.
- Riduzione della potenza di pompaggio per il trasporto dell’acqua trattata dall’impianto all’utenza finale.
- Riduzione dei costi autorizzativi associati allo scarico dell’acqua trattata nell’ambiente.
Potenziale di trattamento con ozono
Citando l'avviso tecnologico federale del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti sul trattamento con ozono:
In un sistema correttamente installato e funzionante, la carica batterica viene ridotta, con conseguente minimizzazione dell'accumulo di biofilm sulle superfici degli scambiatori di calore. La riduzione del fabbisogno energetico, l'aumento dell'efficienza operativa e la riduzione degli interventi di manutenzione consentono di ottenere risparmi sui costi, vantaggi ambientali e una migliore conformità normativa per quanto riguarda lo scarico delle acque reflue provenienti dallo spurgo.
Il meccanismo dell´ozono
L'ozono inattiva e uccide efficacemente i microrganismi ossidando i loro costituenti organici e rompendo le pareti cellulari. Si tratta di un processo biocida al quale i microbi non possono sviluppare immunità. Ad esempio, una concentrazione di 0,4 mg/L provoca la morte del 100% dei batteri Pseudomonas fluorescens, produttori di biofilm, in 2-3 minuti. Una concentrazione di 0,1 mg/L rimuove circa l'80% del biofilm in 3 ore. , produttori di biofilm, in 2-3 minuti. Una concentrazione di 0,1 mg/L rimuove circa l'80% del biofilm in 3 ore.
La tecnologia dell'ozonizzazione ha anche effetti benefici sul trattamento del calcare. Rimuovendo il biofilm a cui aderisce il calcare, è possibile ridurre significativamente gli effetti del calcare in presenza di biofilm.
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Ridotti effetti corrosivi
Gli effetti corrosivi sono una preoccupazione comune quando si utilizza l'ozono. Tuttavia, poiché è necessaria una concentrazione molto bassa e l'emivita è breve, gli effetti corrosivi dell'ozono sono bassi (o addirittura la metà di quelli derivanti dal trattamento con cloro). Inoltre, l'efficacia come biocida riduce al minimo gli effetti corrosivi significativi indotti dall'attività microbiologica. Inoltre, è stato dimostrato che il trattamento con ozono aumenta la protezione dalla corrosione formando una pellicola passiva che ricopre e protegge la superficie esposta.
Dati dei casi di studio
I casi di studio dimostrano che i costi tipici chiavi in mano per i sistemi di ozonizzazione necessari per trattare 1000 tonnellate (3,5 MW) variano da 40.000 a 50.000 dollari. In un caso di studio (condotto dal Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti) nel 1994 presso uno stabilimento della Lockheed Martin in Florida, il sistema di ozonizzazione è stato installato in un solo giorno, con una conseguente riduzione del 90% dei rifiuti di spurgo e un rapporto di risparmio sull'investimento (SIR) del 31,2. Inoltre, è stato dimostrato che il temuto effetto di corrosione derivante dall'uso dell'ozono era solo la metà di quello risultante dal trattamento con cloro. Il confronto dei costi operativi annuali per lo stabilimento Lockheed Martin è riportato nella tabella seguente.
Parametri importanti da considerare quando si utilizza il trattamento con ozono
- Per massimizzare la durata e la capacità del generatore di ozono è necessario fornire oxygen feed e concentrato.
- Dosaggio e capacità adeguati del generatore di ozono
- Raffreddamento efficiente del generatore di ozono. Anche questo è fondamentale per garantire una lunga durata e capacità del generatore.
- Più difficile da utilizzare in presenza di elevati livelli di COD nell'acqua provenienti dall'acqua di reintegro o dalle condizioni atmosferiche locali. Ciò consuma la maggior parte dell'ozono. Ad esempio, questo è il motivo per cui il trattamento con ozono è più difficile in alcuni impianti chimici e petrolchimici in cui il materiale organico viene introdotto nel sistema dall'aria.
- Una qualità dell'acqua di reintegro con durezza calcarea superiore a 150 ppm può richiedere un filtro a flusso laterale. Una durezza calcarea (CaCO3) superiore a 500 ppm o solfati superiori a 100 ppm non devono essere presi in considerazione per il trattamento con ozono.
- Temperatura dell'acqua. La temperatura dell'acqua di raffreddamento non dovrebbe superare i 45 ⁰C per un trattamento con ozono efficiente. Ciò è dovuto principalmente alla bassa solubilità dell'ozono a temperature più elevate.
- Sistemi di tubazioni lunghi. A causa della breve emivita di circa 10-15 minuti, potrebbero essere necessari più punti di iniezione nelle torri di raffreddamento di dimensioni superiori a circa 400 m3.
- Utilizzare materiali compatibili con l'ozono e monitorare la corrosione (ad esempio utilizzando coupon di corrosione).
Principali effetti contaminanti
Come già evidenziato, durante la circolazione dell’acqua nelle torri di raffreddamento si manifestano quattro problematiche principali: corrosione, formazione di incrostazioni, biofouling (bioincrostazione) e proliferazione di agenti patogeni.
I quattro principali effetti contaminanti e i rispettivi trattamenti sono descritti brevemente nella tabella seguente
Trattamento biologico - biocidi
La funzione biocida è molto importante nel sistema delle torri di raffreddamento, poiché queste sono continuamente esposte a materiale organico e organismi presenti nell'aria. I biocidi per il controllo della crescita microbiologica (per prevenire sia il biofouling che gli agenti patogeni) possono essere suddivisi in due tipi: biocidi ossidanti e non ossidanti.
Biocidi ossidanti
In generale, i biocidi ossidanti si dimostrano disinfettanti efficaci che ossidano e quindi uccidono rapidamente i microrganismi a basse dosi. Gli svantaggi generali di alcuni di questi composti includono: riduzione del livello di pH, aumento della corrosione e sensibilità alle alterazioni del pH. L’ozono agisce come biocida ossidante e, se correttamente maneggiato, non comporta impatti negativi significativi.
Biocidi non ossidanti
I biocidi non ossidanti agiscono inducendo stress nei microrganismi e interferendo con i loro processi metabolici, fino a determinarne l’inattivazione. Tuttavia, alcuni microrganismi possono sviluppare resistenza a questi agenti, con conseguente sostituzione di una specie microbica con un’altra. Per questo motivo, i biocidi non ossidanti vengono generalmente impiegati in combinazione tra loro o in associazione con biocidi ossidanti. In genere, i biocidi non ossidanti richiedono dosaggi più elevati e tempi di contatto più lunghi e presentano costi relativamente elevati. Il loro principale vantaggio risiede nella capacità di agire in modo selettivo su specifiche tipologie di microrganismi, oltre a presentare caratteristiche non corrosive.
Esempi di biocidi
Indice di saturazione di Langelier (LSI)
L'LSI utilizza la concentrazione di calcio, l'alcalinità, la conduttività (in TDS) e la temperatura dell'acqua per determinare il pH massimo di stabilizzazione del calcio. Il trattamento chimico viene quindi utilizzato per aumentare la solubilità del carbonato di calcio e poter raggiungere cicli più elevati. In questo modo, utilizzando un programma di trattamento chimico, è possibile raggiungere un LSI di circa +3 senza incrostazioni significative e l'LSI viene quindi controllato dalla quantità di spurgo/scarico del sistema.
Indice pratico di incrostazione dell'ozono (POSI)
Per monitorare e controllare le incrostazioni quando si utilizza il trattamento con ozono, nel 1993 Pryor e Fischer hanno sviluppato l'indice POSI. Esso fornisce la conduttività operativa massima per la torre di raffreddamento al fine di evitare incrostazioni e tiene conto della quantità ridotta di calcio disciolto (grazie all'ozonizzazione).
Esempio POSI
Il che dà:
In altre parole, quando si applica il trattamento con ozono a quest'acqua di reintegro, la conduttività massima può raggiungere un valore appena inferiore a 3000 µS per evitare la formazione di incrostazioni. Ciò consente al processo di funzionare a quasi 23 cicli. Un programma chimico per la stessa qualità dell'acqua di reintegro consentirebbe al processo di funzionare a circa 10 cicli.
Dosaggio dell'ozono e progettazione del processo
Nella sezione seguente vengono presentate alcune relazioni matematiche semplificate per la stima della progettazione dell'apparecchiatura di ozonizzazione. La quantità di ozono richiesta si basa sulla velocità di ricircolo dell'acqua della torre di raffreddamento. La velocità di ricircolo può essere ottenuta dal volume del sistema e dal periodo di ricambio.
Concentrazioni di ozono
Ozonizzazione
L'ozonizzazione di circa 0,2 ppm viene solitamente fornita a un flusso laterale del flusso principale. L'apparecchiatura di contatto consente un'efficienza di dissoluzione dell'ozono generato pari a circa il 90%. Tuttavia, è possibile utilizzare un'efficienza di dissoluzione dell'80% per un margine aggiuntivo. Inoltre, la capacità del generatore di ozono diminuisce nel tempo.
Pertanto, è possibile utilizzare una diminuzione della capacità del 10% nel corso di due anni (anche in questo caso per un margine aggiuntivo). Per stimare la capacità di produzione di ozono richiesta, "ṁO3", del generatore è possibile utilizzare la seguente formula.
Pertanto, ad esempio, un volume di sistema di 500 m3 e un periodo di ricambio di 30 min richiedono un sistema di ozonizzazione con una capacità di circa 280 g/h. Si noti che i requisiti di dosaggio devono essere adeguati in base a fattori importanti come, ad esempio, la temperatura e la qualità dell'acqua per un'efficienza ottimale. Inoltre, il dosaggio di ozono non deve superare i 10 g/m3 di acqua di reintegro.
Misurazione e regolazione della domanda di ozono
Le misurazioni ORP devono essere effettuate in modo continuo per garantire un dosaggio adeguato di ozono al sistema. Si noti che le sonde ORP sono soggette a incrostazioni, ad esempio a causa dei livelli di carbonato di calcio. Tuttavia, la pulizia è semplice, sebbene essenziale. In questo modo, si ottiene una generazione eccessiva di ozono che comporta un risparmio energetico e l'eliminazione degli effetti corrosivi dell'ozono in eccesso.
Materiali compatibili con l'ozono
Prodotti chimici compatibili con l'ozono
A seconda della qualità dell'acqua e del tipo di processo, in alcuni casi potrebbe essere utile utilizzare prodotti chimici insieme all'ozono in una certa misura. È tuttavia importante non interferire con l'integrità del programma di trattamento e utilizzare solo prodotti chimici che mantengono la loro funzione e stabilità in combinazione con l'ozono. Di seguito sono elencati alcuni esempi di prodotti chimici che hanno dimostrato di essere compatibili con l'ozono:
- PBTC, inibitore di incrostazioni e corrosione.
- Molibdato, inibitore di corrosione per acqua dolce.
- Silicato, inibitore di corrosione a concentrazioni di calcio <200 ppm.
- TTA/BTA, protezione delle leghe di rame e ottone.
- Prodotti chimici a base di zinco, inibitori di corrosione.
