Modelli per il recupero dell acqua osmotizzata negli impianti idrici destinati alla produzione di acqua per dialisi.

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1 37 CONGRESSO NAZIONALE ANMDO 20: Modelli per il recupero dell acqua osmotizzata negli impianti idrici destinati alla produzione di acqua per dialisi. PROGETTO ANMDO AMBIENTE Dott. Ing. Daniele Nepa INDICE. Premessa 2. La situazione dei centri di dialisi in Italia 3. L impianto per la produzione dell acqua di dialisi 4. Dati tecnici e situazione attuale dell impianto toscano 5. Le azioni correttive Modello e schema Modello e schema 2 6. Conclusioni Bibliografia

2 .Premessa Le risorse naturali ed in particolare l acqua e le risorse energetiche sono diventate negli ultimi 0 anni oggetto di discussione sia in ambito privata che nelle strutture pubbliche tra cui anche quelle ospedaliere. Causa l enorme importanza che il processo dialitico riveste, quasi spesso non ci si sofferma a riflettere sul fatto che il processo di dialisi è un divoratore di acqua e di energia. Si stima che un paziente dialitico venga a contatto ogni settimana con circa litri di acqua (circa lt ogni anno) attraverso il bagno di dialisi contro i circa litri di un individuo sano e si è stimato un consumo di energia elettrica di circa 6KWh per paziente. 2.La situazione dei centri di dialisi in Italia. Da una serie di sopralluoghi svolti con una ditta che installa, gestisce e manutentiene impianti per la produzione di acqua per trattamenti dialitici ci si è reso conto che solo pochi impianti di ultima generazione o che hanno subito interventi negli ultimi anni hanno nella loro struttura impiantistica sistemi per economizzare o recuperare l acqua osmotizzata. Necessità quindi sarà di agire concretamente sugli impianti già esistenti per apportare le dovute modifiche per evitare uno sperpero ingente di acqua. Di seguito saranno proposti diversi metodi per il recupero dell acqua di rigetto del processo di osmosi (acqua con un valore economico maggiore della semplice acqua di rete) di un centro dialitico satellite situato in Toscana che a oggi non presenta nessuna forma di recupero. 3.L impianto per la produzione dell acqua di dialisi Un classico e tipico impianto per la produzione dell acqua destinata a uso dialitico si compone in più blocchi come mostrato in figura. Figura : schema impianto trattamento acqua per dialisi I gruppi funzionali della linea del pre-trattamento sono: Stoccaggio e rilancio dell acqua grezza - ll gruppo di accumulo e rilancio è un dispositivo necessario ogni volta che non vi siano garanzie sulla continua disponibilità di acqua grezza in termini di portata oraria e di pressione. Il volume va dimensionato tenendo conto dell autonomia che si richiede e dal numero di apparecchiature da alimentare. 2

3 Le funzioni positive del gruppo di accumulo sono essenzialmente tre:. Aumenta il tempo di contatto acqua-cloro migliorandone l azione ossidante e disinfettante. 2. Permette la decantazione delle eventuali sostanze in sospensione 3. Regola la pressione dell acqua grezza all ingresso della linea di trattamento al valore ottimale. Si consiglia per l accumulo di seguire le seguenti regole in fase di progettazione:. Utilizzare una sonda per la rilevazione del livello dell acqua collegata a un elettrovalvola che sarà normalmente chiusa ma che si aprirà, facendo fluire nell accumulo acqua fresca, qualora il livello scenda sotto soglia. 2. Prevedere valvola di scarico totale del serbatoio per svuotamento e lavaggio periodico. 3. Prevedere il gruppo di rilancio possibilmente a inverter - sottobattente ma ad un altezza superiore dello spurgo. Pre-trattamento Il sistema di pre-trattamento permette di eseguire una preparazione dell acqua grezza, prima di inviarla al dissalatore. Questa preparazione permette di sfruttare al meglio le membrane dell osmosi inversa, aumentandone l efficienza e riducendone il grado di usura nel tempo. Il pre-trattamento è composto di una serie di elementi variabili e componibili tra loro:. La filtrazione o pre-filtrazione, ha la funzione principale di eliminare le impurità fisiche presenti nell'acqua di rete nonché la torbidità ed i sedimenti dovuti a sali di ferro e manganese o di natura argillosa. In caso di elevato grado di inquinamento, la filtrazione viene realizzata mediante filtri a sabbia dotati di valvola temporizzata che ne comanda automaticamente il lavaggio e l inserimento in servizio. Negli altri casi, in luogo del filtro automatico, sono previsti filtri da micron a cartuccia intercambiabile, che costituiscono una valida barriera contro le impurità fisiche accidentali (frammenti di incrostazioni, particelle macroscopiche ecc.). 2. La clorazione è attuata normalmente mediante il dosaggio preciso di ipoclorito di sodio, nelle varie forme commerciali, ed ha lo scopo di sanitizzare l'acqua grezza o quanto meno di inibire le crescite microbiologiche negli stadi successivi dell impianto di trattamento. Questo processo avviene in modo automatico direttamente sulla tubazione di ingresso impianto o nel serbatoio di accumulo mediante pompe dosatrici a dosaggio fisso o proporzionale. Compito dell operatore sarà di verificare la corretta concentrazione di cloro in linea. 3

4 3. L addolcimento è un procedimento chimico-fisico in virtù del quale gli ioni calcio e magnesio (durezza) dell acqua grezza, sono sostituiti da ioni sodio tramite l'azione svolta da resine scambiatrici di ioni. Gli ioni sottratti all'acqua da queste resine sono periodicamente inviati allo scarico durante la rigenerazione che avviene mediante il lavaggio delle resine con una soluzione di cloruro di sodio. Dopo la rigenerazione le resine sono pronte ad affrontare un nuovo ciclo di lavoro. 4. La declorazione, sfruttando le peculiarità' di speciali carboni vegetali attivati, consente di rimuovere dall acqua le tracce del cloro che, se raggiungessero le membrane osmotiche, ne pregiudicherebbero la durata. Oltre al cloro residuo ed a tutti i clorocomposti, in questa fase vengono eliminati vari composti tossici spesso presenti nelle nostre acque quali pesticidi, disinfestanti ed altri microinquinanti organici. La declorazione avviene automaticamente mediante due filtri automatici a carbone attivo posti in parallelo o in serie. 5. La microfiltrazione è normalmente attuata con una batteria di filtri a cartuccia intercambiabile da 5 e/o micron ed ha la funzione di proteggere le pompe e le membrane osmotiche dei dissalatori da corpuscoli e frammenti vari. Al momento, come si vede in foto, si ha una sola linea di microfiltrazione che non garantisce un affidabilità elevata. 4

5 6. L Osmosi/Biosmosi inversa - introdotta nel trattamento dell'acqua per la dialisi nei primi anni '70, l'osmosi inversa ha subito diverse evoluzioni nel tempo, seguendo di pari passo il miglioramento qualitativo delle membrane osmotiche, delle pompe ad alta pressione e di tutti i componenti in genere, ed ha raggiunto in questi ultimi anni una affidabilità ed una efficienza pressoché totali. Come è noto, da molti anni l'osmosi inversa è il trattamento che si è maggiormente evoluto ed affermato nel settore emodialitico sia per la qualità dei risultati che per la semplicità della gestione. La dissalazione ad osmosi inversa è la fase più significativa di una linea depurativa in quanto ne condiziona maggiormente il risultato finale: è giusto considerarla il cuore del trattamento ma è anche la fase in cui viene dissipata più acqua nel processo. In pratica, sfruttando le proprietà di speciali membrane sintetiche semipermeabili e attraverso l applicazione di un elevata pressione operativa (9-5 bar) tramite pompe si lasciano attraversare in sostanza solo da molecole di acqua pura, l'osmosi inversa rappresenta ancora la tecnologia più sofisticata e più efficace per la rimozione dei sali e delle altre sostanze presenti nelle acque. Ma il progresso più importante si è attuato realizzando la cosiddetta bi-osmosi, ponendo in serie due dissalatori singoli. Con la configurazione in bi-osmosi detta anche di osmosi + osmosi in serie di prodotto, i due dissalatori comunemente presenti in ogni linea di trattamento, anziché essere disposti in parallelo con funzionamento alternato, sono collegati idraulicamente ed elettricamente in modo di poter operare sia in parallelo che in serie. In bi-osmosi l'acqua prodotta dal primo dissalatore (che assume il ruolo di I stadio) va ad alimentare il secondo (II stadio) consentendo l'ottenimento di elevatissime purezze chimiche, fisiche e biologiche. Un tipico esempio di collegamento è il seguente: 5

6 Funzionamento mono osmosi Funzionamento mono osmosi 2 Funzionamento bi-osmosi OUT OUT OUT IN IN IN Figura 2: schema modalità funzionamento osmosi inversa 2 = stadio di filtrazione = 2 stadio di filtrazione = percorso acqua 4.Dati tecnici e situazione attuale dell impianto toscano. L impianto della struttura di dialisi, seppure efficiente dal punto di vista della filtrazione dell acqua, si presenta senza alcuna forma di recupero dell acqua come nello schema seguente: Dal pre trattamento Figura 3: schema semplificato osmosi inversa La struttura lavora dal lunedì a venerdì dalle ore 8:00 alle ore 9:00 (orario di apertura ai pazienti per il trattamento dialitico) ma l intero impianto viene messo in funzione in genere 2 ore prima dell inizio dell attività clinica e spento 2 ore dopo la fine dell attività terapeutica. 6

7 Questo vuol dire che normalmente ogni giorno l impianto, non avendo alcun tipo di recupero dell acqua, manderà allo scarico un quantitativo (non indifferente) di acqua di rigetto non associato ad alcuna attività clinica. Per dare un ordine di grandezza sui volumi di acqua in gioco nell impianto di osmosi possiamo schematizzarla attraverso il diagramma di Sankey. 500 lt/h 000 lt/h I stadio 600 lt/h II stadio 00 lt/h 400 lt/h Figura 4:diagramma Sankey per impianto di dialisi. Da diagramma emerge che:. La produzione di acqua da mandare all anello è di 500 lt/h in condizioni standard. 2. Per ottenere 500 lt/h da mandare nell anello devo fornire all impianto 000 lt di acqua/h in ingresso. 3. Nel primo stadio ho un rigetto (che non recupero) maggiore del 2 stadio. 4. Per ogni ora di funzionamento mando nello scarico 500 lt di acqua. Chiaramente i valori riportati nel diagramma possono variare in funzione della qualità di acqua in ingresso. In questo caso abbiamo considerato una resa globale dell impianto pari al 50%. Considerando i tempi di funzionamento dell impianto sopra indicati è possibile avere una stima del volume di acqua e relativo valore economico. Valore Rigetto totale (I+II stadio) 500 lt/h N ore funzionamento impianto 5 h/gg N gg di funzionamento a settimana impianto 6 gg N tot. ore/anno funzionamento impianto =5*6*52 = 4680 h/anno Tot. lt/anno H 2O non recuperata =4680*500= m 3 Costo euro/m 3 H 2O -,35 Costo sostenuto per mancato recupero di acqua euro Se consideriamo che l acqua che arriva nelle membrane del trattamento osmotico, ha subito tutte le fasi del trattamento e che quindi ha accresciuto il suo valore il costo è sicuramente superiore. 5.Le azioni correttive Come posiamo agire sull impianto per porre rimedio alla perdita di 500 lt/h di acqua? Sicuramente possiamo e dobbiamo agire sulla struttura dell impianto e in particolare sul I e II stadio di osmosi, ma in che modo? 7

8 Il punto fermo dei diversi scenari è che essendo l acqua di alimento del II stadio già pura poiché trattata dal I stadio (conducibilità di circa 5-0 µs/cm) il proprio rigetto l andremo a re-immettere nel serbatoio di accumulo per miscelarla con l acqua di rete ( circa µs/cm) nel lungo termine questo meccanismo di re-immissione porterà benefici a tutta la linea del pretrattamento in particolare al gruppo degli addolcitori. Possiamo ipotizzare diversi scenari che portano a differenti soluzioni impiantistiche, in altre parole:. Utilizzare il rigetto del I stadio per uso industriale e civile mentre il rigetto del II per alimentare il serbatoio di accumulo 2. Utilizzare il rigetto del I stadio per alimentare una membrana esterna per riprocessare il rigetto per essere re-immesso nel serbatoio, mentre il rigetto del II stadio direttamente nel serbatoio. CASO : schema e caratteristiche 2 0 Alle utenze Al circuito di dialisi Figura 5: schema per recupero acqua di rigetto del I e II stadio Legenda: =ingresso acqua di rete 2= pompa dosatrice cloro 3=serbatoio di accumulo impianto 4= pre filtro 5= addolcitori 6= filtro a carboni 7= microfiltrazione 8= I stadio osmosi inversa 9= II stadio osmosi inversa 0= serbatoio accumulo secondario per rigetto del I stadio = torre evaporativa Con questa soluzione impiantistica avremmo i seguenti vantaggi:. Tutta l acqua del II stadio è recuperata e re-immessa nel serbatoio di accumulo (il motivo di questa scelta sarà chiarito nel caso 2 ed è una scelta di lungo termine). 8

9 V rec = 00 lt/h * 5h/gg * 6gg/sett * 52 sett = 468 m 3 /anno 2. Tutta l acqua del I stadio viene accumulata in un serbatoio come acqua di reintegro per alimentare una torre di raffreddamento durante il periodo estivo (maggio-settembre). L acqua inviata alla torre presenta tutte le caratteristiche per essere utilizzata come tale ma presenta lo svantaggio della stagionalità legata al funzionamento della torre stessa e quindi l acqua che recupereremo, sarebbe limitata ai mesi estivi. Per questo motivo si potrebbe pensare, durante gli altri mesi (ottobre-aprile), di utilizzare il rigetto del I stadio per alimentare: Le cassette dei WC dei servizi igienici Cisterna dell antincendio Lavaggio del parco macchine. Irrigazione del verde della struttura Per il periodo MAGGIO-SETTEMBRE: V rec = 400 lt/h * 5h/gg= 6 m 3 V rec = 400 lt/h * 5h/gg * 6gg/sett * 20 sett = 720 m 3 Ipotizzando che la torre di raffreddamento abbia bisogno di tutta l acqua recuperata dal I stadio (situazione reale) e ipotizzando che l impianto di refrigerazione sia in funzione normalmente ore al giorno si ha che il volume d acqua necessaria alla refrigerazione degli ambienti è di: V( H 20) refr. = 400 lt/h * 24 h/gg= 9,6 m 3 Questo vuol dire che riuscirò a coprire solo il 62,5 % del fabbisogno delle torri mentre per la restante parte si dovrà ricorrere all acqua di rete. La torre di raffreddamento, però, ha un utilizzo stagionale (MAG-SETT) di conseguenza nelle rimanenti 32 settimane (periodo OTTOBRE-APRILE) tutta l acqua recuperata dal I stadio sarebbe destinata ad essere utilizzata per le rimanenti applicazioni. Da un indagine sui volumi di acqua si è visto che la struttura sanitaria ha un consumo medio giornaliero di circa 2 m 3 /giorno per le attività non riguardano la dialisi Facendo un analisi sui volumi di acqua potrei recuperare giornalmente e nell arco delle 32 settimane le seguenti quantità: V rec = 400 lt/h * 5h/gg= 6 m 3 /gg V rec = 400 lt/h * 5h/gg * 6gg/sett * 32 sett = 52 m 3 /gg che mi garantisce un recupero del 50%. In conclusione questa proposta necessità di importanti cambiamenti impiantistici e non risulta essere una soluzione ottimizzata per la struttura in esame. 9

10 CASO 2: schema e caratteristiche Stadio I-bis Al circuito di dialisi Figura 6: schema 2 per recupero acqua rigetto del I e II stadio Legenda: = ingresso acqua di rete 2= pompa dosatrice cloro 3=serbatoio di accumulo impianto 4= pre filtro 5= addolcitori 6= filtro a carboni 7= microfiltrazione 8= I stadio osmosi inversa 9= II stadio osmosi inversa 0= membrana stadio bis al circuito di osmosi inversa (economizzatore) = Rigetto economizzatore Principio di funzionamento: In questo secondo caso introduco nell impianto un ulteriore membrana osmotica attraverso il quale faccio passare tutto il rigetto del primo stadio facendo in modo che il prodotto che ottengo sia acqua pura idonea per essere rimessa nel serbatoio di accumulo in ingresso al circuito di trattamento insieme con il rigetto del II stadio, come nello schema precedente. Il rigetto dello stadio -bis può essere impiegato per usi industriali in precedenza descritti. Allo stesso modo faccio con il rigetto del II stadio che, come nello schema precedente, sarà inviato nel serbatoio di accumulo. L acqua che esce dallo stadio -bis, come anche del resto quella del rigetto del II stadio è un acqua pura che in genere ha una conduttività tra i 5 e 20 µs/cm e assenza durezza. 0

11 Questo meccanismo mi permette di ricorrere all acqua di rete solo per il fabbisogno delle apparecchiature per dialisi eventualmente accese e per il minimo rigetto dello stadio bis. Avere nel serbatoio acqua con un grado di purezza molto elevata permette di avere i seguenti impatti su tutta la linea del pretrattamento:. Minor consumo di sale per addolcitori e conseguentemente minor spesa in sale. 2. Diminuzione dei lavaggi a carbone attivo. 3. Minor consumo di cloro 4. Diminuzione dei cicli di rigenerazione degli addolcitori. Il maggior impatto di questa nuova architettura impiantistica sulla linea di pretrattamento sta nel fatto che, allo stato attuale delle cose gli addolcitori necessitano di rigenerare le resine ogni notte e questo si traduce in un consumo di acqua pari a: V rig. = lt /gg * 6gg/sett = lt /sett ovvero circa m 3 all anno di acqua che scarico in fogna. Con questo nuovo sistema si è visto che le resine possono essere rigenerate a giorni alterni. Questo vuol dire poter risparmiare circa lt/ settimana (50% di acqua risparmiata). Facendo un bilancio di volumi di acqua per questo secondo caso avrò che in uscita del mio impianto ho: 500 l/h H 2O destinati ad uso dialistico 400 l/h H 2O dal rigetto del primo stadio Totale = 900 l/h H 2O In recupero(= acqua che posso recuperare per essere utilizzata/riprocessata) sull impianto avrò: 300l/h derivanti dello stadio ad osmosi inversa I -bis (acqua pura) 250 l/h derivanti dall anello di dialisi (5 monitor * 50 l/h*monitor). 00 l/h derivanti dal recupero del rigetto del II stadio (fisso) Totale = 650 l/h H 2O Inoltre, recupero anche un volume di circa 00 l/h (rigetto dello stadio I -bis) che posso utilizzare ad uso civile (cisterne per l anticendio, irrigazione dell aree verdi, alimentazione delle cassette di scarico dei WC, ecc...). 6.Conclusioni Dai valori ottenuti nei due diversi modelli presentati si è visto come è possibile recuperare o razionalizzare l uso dell acqua anche nel campo della dialisi. In particolare si evince che, con la sola installazione di una terza osmosi inversa a supporto del primo stadio, è possibile avere recuperi di acqua di circa il 72% con dei benefici che poi si ripercuoto sull intera linea di trattamento (in particolare su addolcitori, filtri a carboni attivi e clorazione). Inoltre, è possibile integrare questi modelli di razionalizzazione dell acqua con sistemi di produzione di energia elettrica derivante da fonti rinnovabili. Infatti, attraverso un analisi specifica sui consumi, è possibile alimentare le apparecchiature elettriche attraverso pannelli fotovoltaici (ma senza togliere il supporto della rete fissa ) andando ad incidere, almeno per il periodo estivo, sul carico elettrico della rete e sui relativi costi associati.

12 Si precisa infine, che i valori mostrati nel progetto non sono valori puntuali ma ricalcano quelli reali d impianto. Bibliografia: Linee guida SIN per acqua e soluzioni per dialisi, American Dialysis Conference, Phoenix 20 Materiale tecnico di settore. 2