Membranowe Oczyszczalnie w Rzeszowie: Zasada Działania i Zastosowanie
- Szczegóły
Techniki membranowe zyskały na popularności w latach 90. dzięki postępowi w dziedzinie uzdatniania wody i oczyszczania ścieków.
Zasada Działania Membranowych Oczyszczalni
W najbardziej ogólnym ujęciu, membrana syntetyczna jest to przegroda między dwoma roztworami (mieszaninami) ciekłymi lub gazowymi, ograniczająca transport substancji w taki sposób, że substancje te mogą być wymieniane między fazami z szybkością zależną od własności membrany oraz charakterystyki faz.
Transport składników mieszaniny przez membranę zachodzi pod wpływem określonej siły napędowej. W procesach separacji membranowej siłą napędową może być różnica: ciśnienia, stężenia i potencjału elektrycznego.
Można stwierdzić, że w technikach membranowych transport cząsteczek zostaje wywołany różnicą ich potencjałów chemicznych po obu stronach membrany, a separacja zachodzi dzięki różnicy szybkości transportu różnych substancji.
Transport masy przez membrany odbywa się dzięki odpowiedniej sile napędowej, do której zalicza się różnicę ciśnień hydraulicznych, ciśnień cząstkowych składników separowanych, ich stężeń po obu stronach membrany czy też różnicy potencjału elektrycznego.
Przeczytaj także: Zwięczyca: nowoczesna oczyszczalnia ścieków w Rzeszowie
Rodzaje Membran
Uwzględniając stan skupienia oraz rodzaj materiału, z którego membrana jest wytworzona, rozróżniamy membrany stałe i ciekłe oraz membrany organiczne (polimerowe) i nieorganiczne.
Biorąc natomiast pod uwagę strukturę oraz morfologię membran, można je podzielić na porowate i lite (nieporowate), symetryczne i asymetryczne oraz kompozytowe, które uważa się za odmianę membran asymetrycznych.
Konfiguracja Membran
Membrany w urządzeniach technicznych konfiguruje się w pięciu zasadniczych rodzajach jako moduły płytowo-ramowe, spiralne, rurowe oraz kapilarne i z włókien kanalikowych.
Zastosowanie Procesów Membranowych w Oczyszczaniu Wody i Ścieków
Występujące w środowisku zanieczyszczenia, zarówno naturalnego pochodzenia jak i antropogenicznego można podzielić na dwie zasadnicze grupy: substancje nieorganiczne oraz substancje organiczne.
W zależności, na usuwanie których zanieczyszczeń są skierowane nasze potrzeby w oczyszczaniu, to stosowane są odpowiednie, najkorzystniejsze procesy membranowe.
Przeczytaj także: Starostwo Rzeszowskie: dotacje na oczyszczalnie
W związku z tym należy w przypadku odsalania wody proponować odwróconą osmozę, natomiast do zmiękczania, usuwania mętności i mikroorganizmów oraz usuwania NOM (naturalnej materii organicznej) zastosować nanofiltrację, w celu usunięcia zawiesin i koloidów odpowiednia jest mikro i ultrafiltracja.
Każdy przypadek oczyszczania/rozdziału/ zatężania wymaga doboru skutecznego i ekonomicznego procesu.
Do metod membranowych zaliczamy takie procesy, jak: odwrócona osmoza (RO) oraz elektrodializa (ED).
Przykładem bezpośredniego wykorzystania MF do usuwania mętności i mikroorganizmów z wody powierzchniowej jest stacja uzdatniania wody do picia w Suchej Beskidzkiej pobierająca wodę z rzeki Stryszawka. Filtracyjny system membranowy PALL AriaTM składa się z 40 membranowych modułów filtracyjnych (typu USV- 6203).
Podobne rozwiązania zostały również wdrożone w ZUW Jarosław, gdzie przepustowość stacji wynosi 470 m³/h oraz SUW Biała Dolina 6,5 - m³/h.
Przeczytaj także: Opinie o nawilżaczach powietrza - Rzeszów
Na rys 8. Kolejnym obiektem, gdzie wdrożono taki sposób uzdatniania to ZUW w Jarosławiu (uruchomienie nastąpiło w październiku 2009 r.) o wydajności 470 m³/h.
Zainstalowany system membranowy przygotowuje wodę do picia o jakości spełniającej wszystkie wymagania stawiane przez obowiązujące Rozporządzenie Ministra Zdrowia z dnia 13 listopada 2015 r. [18] w sprawie jakości wody przeznaczonej do spożycia przez ludzi.
Zastosowanie odwróconej osmozy /i lub nanofiltarcji w oczyszczaniu wody do picia oraz do celów przemysłowych, sprawdza się również jako układ skojarzony.
Przykładem systemu skojarzonego jest proces koagulacja/strącanie-MF. Szczególnie przydatny do usuwania fluoru oraz metali ciężkich (As, Sb,Hg itd.) ze środowiska wodnego.
Zastosowanie systemu skojarzonego polegającego na adsorpcji-MF, opiera się na stosowaniu żywicy jonowymiennej o niskiej granulacji: MIEX o uziarnieniu 150 μm (F, NO3 -, As(V), Cr(VI)) oraz Dowex i Amberlite o uziarnieniu 20 μm (szczególnie przydatny do adsorpcji boru (B). Używa się też węgiel aktywny do adsorpcji metali ciężkich.
Kolejną propozycją jest system skojarzony, opisany punktem (C), w którym proces UF/MF wspomagany jest polimerami (PEUF). Proces polega na wiązaniu jonów metali i anionów rozpuszczalnym w wodzie polimerem w związki kompleksowe, których rozmiar jest większy od porów membrany UF/MF. Stosuje się polimery kompleksujące i polielektrolity.
Można również wprowadzać do procesu UF/MF wspomaganie surfaktantami (MEUF), opisane punktem (D), w celu skutecznego usunięcia zanieczyszczeń, takich jak: NO3 -, ClO4 -, Cr(III), As, metale.
W takim systemie hybrydowym, do wody zawierającej któryś z wymienionych jonów, dodawany jest roztwór surfaktantu o stężeniu przekraczającym krytyczne stężenie tworzenia miceli (CMC), w którego micelach wiązane są jony.
Nadmierna zawiesina występująca w wodzie może być skutecznie obniżona do wartości normatywnych (norma dla wody do picia = 1 NTU) przy wykorzystaniu technik mikrofiltracyjnych/ultrafiltracyjnych. Ponadto usuwane są mikroorganizmy, bakterie, zanieczyszczenia w formie koloidalnej.
Powodem podstawowym, dla którego zdecydowano o modernizacji zakładu SUW w Suchej Beskidzkiej było skażenie bakteriologiczne wody powierzchniowej pobieranej z rzeki Stryszawki. Zastosowane są tam membrany firmy PALL Aria AP6 w systemie modułowym przedstawionym na rys.7. Odzysk filtratu jest do 99%, w zależności od właściwości wody zasilającej, z wydajnością 130 m3/h, tj. 1135680 m3/ rok [20,21].
Odsalanie/Demineralizacja Wody
Kolejnym przykładem odsalania/ demineralizacji wody jest uruchomiona instalacja w Elektrowni Kozienice. Instalacja składa się z: układu RO - wymiany jonowej. Koszty procesowe dla wód miernie zasolonych (tzn. do 4 g/dm3) wynosiły ok. 0,5 USD/m3 w latach 80. oraz 0,2-0,35 USD/m3 w chwili obecnej. Natomiast dla wód morskich (35-42 g/dm3) ponad 1 USD/m3 w latach 80. i na początku lat 90.
Łączenie odwróconej osmozy z metodami termicznymi w systemy skojarzone jest korzystne, gdyż: niektóre elementy metod są wspólne np. ujęcie wody surowej i jej wstępne oczyszczanie, oczyszczanie końcowe, mieszanie permeatu z destylatem, unieszkodliwianie koncentratów itp.
Dodatkowe korzyści wynikające z stosowania systemów skojarzonych to: efektywne wykorzystanie energii elektrycznej i wody odsolonej.
Kojarzenie RO i metody termicznej w sposób następczy RO - metoda termiczna - krystalizacja NaCl, stosuje się do zatężania retentatu RO metodą termiczną z równoczesnym odzyskiem wody odsolonej i selektywną krystalizacją NaCl.
Proponowany sposób stosuje się w przypadku śródlądowych wód wysoce zasolonych, a więc głównym celem odsalania takich wód jest wyeliminowanie z nich soli, najkorzystniej w postaci produktów handlowych. Przykładem takiego podejścia do odsalania wód kopalnianych była uruchomiona w 1995 r. instalacja w Dębieńsku.
Jedną z propozycji jest, żeby: permeat z NF poddać odsalaniu, co pozwala uniknąć ryzyka krystalizacji siarczanu wapnia oraz osiągnąć duży uzysk wody (do 150 g/l soli w retentacie).
Istotne jest wstępne przygotowanie wody przed RO (często koagulacjaflokulacja- sedymentacja).
Układ korzystny przy wyższym zasoleniu wody surowej, tj.
Nanofiltracja
Wg przepisów, woda do picia powinna mieć twardość 60-500 mg CaCO3/l. Normowany jest również Mg: 30 mg/l. Nadmierna twardość wody w wodzie do picia jest szkodliwa dla zdrowia.
Nanofiltracja wydaje się być odpowiednim i ekonomicznym procesem równoczesnego usuwania twardości i naturalnej materii organicznej (NOM), co wykazują wyniki w tabeli 4 w badaniach przeprowadzonych w 2002 r.
Praktyczne zastosowanie nanofiltracyjnego uzdatniania z wykorzystaniem - membrany nanofiltracyjnej ma miejsce w SUW Zawada k.Dębicy - skierowane jest głównie do usuwania twardości (500 mg CaCO3/l).
Technologie Membranowe w Przemyśle
Dzisiejsze działania zarówno naukowe, jak i przemysłowe koncentrują się na opracowywaniu tzw. „zielonych technologii”, tj. procesów przyjaznych środowisku naturalnemu. Szczególną uwagę zwracają rozwiązania minimalizujące zużycie surowców naturalnych oraz pozwalające na odzysk i ponowne wykorzystanie cennych składników i surowców.
Technologia membranowego oczyszczania ścieków znalazła już swoje miejsce w realizacjach polskich. Szczególnie istotny jest fakt, gdy ładunek zanieczyszczeń jest nierównomierny w trakcie roku. Przy aplikacji rozwiązań membranowych ten fakt nie ma znaczenia. Na zdjęciu 1 (rys 11) przedstawiono zrealizowaną inwestycję w miejscowości wczasowej, gdzie dopływające duże ładunki występują latem.
Przykładem zastosowania w przemyśle chemicznym klasycznego, ciśnieniowego membranowego procesu rozdziału jest technologia odzysku ze ścieków glikolu etylenowego, oparta na procesie nanofiltracji (NF) i odwróconej osmozie (RO).
Została ona opracowana i opatentowana przez Instytut Chemii Przemysłowej w Warszawie, a wdrożona w PKN Orlen SA w Płocku.
W procesie syntezy tlenku etylenu i glikolu etylenowego powstają ścieki, zanieczyszczone przede wszystkim glikolem etylenowym w ilości do 1% mas oraz węglanowymi solami sodowymi w ilości do 1,5 % mas.
Przed wdrożeniem technologii membranowej, strumień ścieków kierowano do zakładowej oczyszczalni ścieków. Odzysk glikolu ze ścieków na drodze destylacji uniemożliwiały obecne w nich sole nieorganiczne, które w trakcie zatężania wypadały z roztworu, osadzając się na warnikach kolumn destylacyjnych.
Wprowadzona membranowa technologia oczyszczania ścieków glikolowych jest oparta na trójstopniowym procesie nanofiltracji z wykorzystaniem membran spiralnych typu DK firmy GE Water.
Zastosowana w procesie membrana charakteryzuje się małą przepuszczalnością soli węglanowych i dużą odzyskiwanego glikolu etylenowego.
Przerabiane ścieki glikolowe, po wstępnym oczyszczeniu w procesie mikrofiltracji są kierowane na pierwszy stopień nanofiltracji, gdzie następuje ich rozdział na permeat I i retentat I. Oba uzyskane strumienie są poddawane dalszemu przerobowi: permeat na II stopniu doczyszczającym, retentat zaś w węźle końcowego zatężania III. Wszystkie trzy stopnie nanofiltracji są identyczne i zawierają po cztery, szeregowo połączone moduły NF. Produktami procesu NF są permeat stanowiący ponad 90 % wejściowego strumienia i retentat.
Permeat w całości jest zawracany do procesu odzysku glikolu metodą osmozy odwróconej. Uzyskany koncentrat glikolowy jest zawracany i wykorzystany w przerobie, pozostały po procesie RO permeat uzupełnia natomiast obieg wody procesowej.
Zastosowanie procesu nanofiltracji przyczyniło się do obniżenia o ponad 90%: strat glikolu etylenowego, ilości produkowanych ścieków i wartości ChZT (chemicznego zapotrzebowania tlenu) w ściekach odprowadzanych do oczyszczalni biologicznej.
Fouling Membran
Trudności ich powszechnego zastosowania wiążą się z zanieczyszczeniem i blokowaniem membrany (ang. Fouling).
W celu prawidłowej eksploatacji procesy membranowe wymagają ściśle zdefiniowanych oraz właściwych sposobów kontroli i minimalizowania foulingu.
Fouling bezpośrednio warunkuje nie tylko maksymalną wydajność, a w efekcie zainstalowaną powierzchnię membrany, ale również wpływa na warunki jej regeneracji, które decydują o żywotności membrany.
Właściwym sposobem kontroli foulingu, zwłaszcza nieodwracalnego, jest wstępne oczyszczanie wody surowej przed wprowadzeniem na membranę.
tags: #rzeszów #membrana #oczyszczalnia #zasada #działania
