PROCESY MEMBRANOWE stosowane w uzdatnianiu wody

Procesy membranowe - techniki pozwalające na separację zanieczyszczeń na poziomie molekularnym i jonowym.

W uzdatnianiu wody procesy te stosowane są najczęściej w odsalaniu wody, w zmiękczaniu, rzadziej stosowane są do usuwania zanieczyszczeń organicznych.

Do procesów tych nie stosuje się żadnych chemikaliów oraz nie powodują one zmian właściwości wody uzdatnionej, dlatego są coraz częściej i chętniej stosowane. Dodatkowymi zaletami tych procesów są:

- małe zużycie energii

- urządzenia wykorzystywane posiadają mniejsze rozmiary niż do procesów tradycyjnych

- duża elastyczność w zakresie wydajności instalacji

Czynnikiem decydującym o efektywności procesu jest rodzaj wybranej membrany.

Membrana - cienka przegroda, pozwalająca na selektywny transport masy; może być ona pochodzenia organicznego lub nieorganicznego

Aby membrana właściwie spełniała swoją funkcję, powinna charakteryzować się dużą wydajnością hydrauliczną, dobrymi właściwościami separacyjnymi oraz odpornością na działanie czynników: mechanicznych, chemicznych i termicznych.

W celu zapewnienia pełnej efektywności pracy membrany, uzdatniana woda powinna być wstępnie podczyszczona z zanieczyszczeń mogących spowodować dezaktywację membrany.

W procesie uzdatniania wody, stosujemy zespoły membran, zwane modułami.

Proces odwróconej osmozy

Przenikanie rozpuszczalnika lub roztworu o stężeniu mniejszym do naczynia, w którym znajduje się roztwór o większym stężeniu; proces ten będzie trwał do wyrównania stężeń po obu stronach membrany.

Gdy na roztwór o większym stężeniu zadziałamy ciśnieniem, które spowoduje zrównoważenie ciśnienia osmotycznego, to zahamujemy proces przepływu roztworu rozcieńczonego do stężonego;

Jeżeli ciśnienie zewnętrzne nadal będziemy zwiększać, to spowodujemy odwrócenie procesu i w takim układzie, rozpuszczalnik z roztworu stężonego, będzie przepływał przez membranę do roztworu o mniejszym stężeniu, natomiast zanieczyszczenia zawarte w roztworze stężonym, będą zatrzymywały się na membranie.

Nanofiltracja - proces membranowy, w którym dochodzi do zatrzymywania zanieczyszczeń o masie molowej powyżej 200 g/mol. Nazwa nanofiltracji pochodzi od wielkości tych cząstek - posiadają one wymiary 1 nm.

W odróżnieniu od membrany do odwróconej osmozy, membrana nanofiltracyjna posiada zdolność przepuszczania jonów, ale charakteryzuje się pewną jonoselktywnością. Łatwość przechodzenia przez membranę, uzależniona jest od wartościowości jonu. Jony jednowartościowe przechodzą w granicach od 30 do 60%, natomiast jony dwuwartościowe: od 5 do 15%.

Dodatkowo, ponieważ jony jednowartościowe wpływają na ciśnienie osmotyczne, w trakcie ich przechodzenia prze membranę, zmniejsza się ciśnienie osmotyczne, jakie należy pokonać, dlatego zmniejsza się zapotrzebowanie na energię.

W procesach nanofiltracji uzyskujemy częściowe odsolenie wody ze znaczną redukcją twardości, usunięcie związków organicznych. Jest ona polecana do uzdatniania wody o wysokiej twardości przy jednoczesnym wysokim stężeniu siarczanów.

Ultrafiltracja i mikrofiltracja

Procesy te można umieścić pod względem zdolności usuwania zanieczyszczeń pomiędzy filtracją tradycyjną a nanofiltracją. Stosuje się tu ciśnienie rzędu: 0,3 - 1MPa w przypadku ultrafiltracji; 0,1 - 0,3MPa w przypadku mikrofiltracji. Jeżeli chodzi o membrany, to stosuje się tu takie średnice mikropor rzędu od 0,005 do 0,1 μm (ultrafiltracja) i 0,05 do 1 μm (mikrofiltracja).

Oba te procesy nakładają się na siebie, dlatego wyznaczenie granicy pomiędzy ultra- a mikrofiltracją jest tylko teoretyczne.

Przyjmuje się, że mikrofiltrację stosujemy do usuwania z wody zawiesin, a ultrafiltracją do oddzielenia nisko cząsteczkowych substancji rozpuszczonych od makrocząsteczek.

Zarówno ultra- jak i mikrofiltracja mogą być prowadzone w sposób statyczny lub dynamiczny.

Układ statyczny

Uzdatniana woda prostopadła do membrany.

Układ dynamiczny

Makrocząsteczki zatrzymują się na membranie, mikrocząsteczki przenikają przez nią. Uzdatniana woda jest równoległa do membrany, co powoduje okresowe odrywanie warstwy nagromadzonych zanieczyszczeń z powierzchni membrany. Układ dynamiczny pracuje na zasadzie równowagi pomiędzy odkładaniem a odrywaniem zanieczyszczeń z powierzchni membrany.

Membrany do tych procesów są membranami porowatymi, o ich efektywności pracy oprócz warunków prowadzenia procesu decyduje wielkość i struktura cząsteczek zanieczyszczeń w odniesieniu do rozmiarów i struktury por membrany.

Mikrofiltracja nie zmienia właściwości jakościowych wody, dodatkowo posiada zdolność zatrzymywania bakterii. Dlatego może być polecana m.in. do uzdatniania wody wszędzie tam, gdzie wymagana jest jej sterylizacja (np. dla przemysłu farmaceutycznego).

Ultrafiltracja może być wykorzystywana do wydzielania oleju, np. z mieszaniny wodno-olejowej lub może być stosowana do uzdatniania wody w obiegach zamkniętych, np. uzdatnianie wody w lakierniach proszkowych.

Elektrodializa

Kationy mają zdolność pokonywania membran kationowymiennych (aniony nie będą mogły przez nie przechodzić). Uzyskujemy w ten sposób oddzielenie jonów o przeciwnych znakach, co umożliwia odprowadzenie zatężonej solanki oraz rozpuszczalnika.

Jeżeli chodzi o membrany jonowymienne stosowane w elektrodializie, to posiadają one zdolność zatrzymywania jonów w zakresie: 40-60%.

Dlatego dla pełnej elektrodializy stosuje się najczęściej dwuetapowe. Dodatkowo woda przed procesem elektrodializy powinna być pozbawiona Fe, Al i Mn, a ponieważ membrany te są podatne na proces utleniania, to stężenie chloru w uzdatnionej wodzie, nie może przekraczać 0,1 mg/l. Wada membran jest odkładanie się na ich powierzchni kamienia membranowego oraz zatrzymywanie zanieczyszczeń koloidalnych. Powoduje to kolmatację membrany, co prowadzi do wzrostu kosztów procesu. Membrany takie musza być okresowo czyszczone w celu stałej efektywności procesu.

CHARAKTERYSTYKA ŚCIEKÓW

Ściekami przyjęto nazywać wszystkie wody zużyte oraz wody opadowe, odprowadzane za pomocą kanalizy z poszczególnych budynków, osiedli, miast i zakładów przemysłowych.

Ścieki w porównaniu z wodami naturalnymi, charakteryzują się dużą zawartością związków organicznych, mineralnych, niekiedy związków trujących i chorobotwórczych.

W zależności od pochodzenia, ścieki dzielimy na:

- bytowo-gospodarcze

- miejskie

- przemysłowe

- opadowe

- infiltracyjne

Ścieki bytowo-gospodarcze

Stanowią wody zużyte, pochodzące głównie z domów mieszkalnych i gospodarczych. Składają się z wód z kuchni, toalet oraz łazienek, a także pochodzące z mycia pomieszczeń. Zanieczyszczenia zawarte w tych ściekach są pochodzenia organicznego i mineralnego, mogą występować w postaci rozpuszczonej lub nierozpuszczonej, cząsteczkowej lub jonowej.

Ścieki miejskie

Ich skład jest uzależniony od charakterystyki miasta. Jeśli jest to miasto z małą ilością przemysłu lub całkowicie go pozbawione to ich skład odpowiada charakterystyce ścieków bytowo-gospodarczych. W miastach uprzemysłowionych ścieki te są mieszaniną ścieków bytowo-gospodarczych oraz ścieków przemysłowych, podczyszczonych w różnym stopniu. Zawierają one zanieczyszczenia organiczne lub nieorganiczne pochodzące z różnych gałęzi przemysłu, charakteryzujące się różną rozkładalnością biologiczną.

Ścieki przemysłowe

Są to wody zużyte na terenie zakładu przemysłowego, które są wykorzystywane do otrzymywania i uszlachetniania surowców pochodzenia mineralnego, roślinnego lub zwierzęcego oraz przy wytwarzaniu z nich gotowych produktów. W zależności od miejsca powstania mogą zawierać substancje nierozpuszczalne lub trudno rozpuszczalne. Mogą na terenie zakładu powstawać w przypadku: otrzymywania ciepła i energii, wszystkich procesach mokrych (w których wykorzystywana jest woda), przy moczeniu i usuwaniu zanieczyszczeń z surowców, przy procesach takich jak: destylacja oraz przy myciu urządzeń i pomieszczeń produkcyjnych. Ścieki te różnią się pomiędzy sobą składem, ścieki przemysłowe powstające na terenie zakładu mogą być zróżnicowane nawet w zakładach tego samego typu. Wynika to z różnic w zastosowanej technologii produkcji.

Ścieki opadowe

Są to wody zanieczyszczone, powstające w trakcie opadów atmosferycznych lub w trakcie topnienia śniegu. Ścieki te zawierają zanieczyszczenia zmywane z powierzchni dachów, jak i powierzchni ulic i placów. Są one odprowadzane za pomocą systemu kanalizacji (gdy jest system kanalizacji ogólnospławny, to ścieki te w całej swojej objętości, trafiają do oczyszczalni, powodując w ten sposób rozcieńczanie ścieków i zwiększanie obciążenia hydraulicznego oczyszczalni).

Wody infiltracyjne (drenażowe)

Są to wody przypadkowe, powstające w czasie odwadniania terenów lub dostające się do kanalizacji przez nieszczelności. W przypadku ich występowania, może dochodzić do rozcieńczania ścieków i niepotrzebnego wzrostu obciążenia na terenie oczyszczalni.

ZANIECZYSZCZENIA WYSTĘPUJĄCE W ŚCIEKACH

Ze względu na właściwości fizyczne, chemiczne i biologiczne, zanieczyszczenia podzielono na trzy grupy:

1. Zanieczyszczenia mechaniczne - mogą występować w postaci organicznej lub mineralnej, są to ciała stałe nierozpuszczalne w wodzie, pływające po jej powierzchni, zawieszone lub koloidalne; wykazują one różny stopień pozostawania w wodzie w stanie zawieszonym, w zależności od:

- ciężaru właściwego

- stopnia rozdrobnienia

- kształtu cząsteczki

- prędkości przepływu ścieków

a) ciała wleczone, takie jak: piasek, glina, rudy i żużle - przeważnie ciała pochodzenia mineralnego;

b) ciała pływające posiadają ciężar właściwy mniejszy od wody lub przynajmniej równy;

c) substancje, które posiadają ciężar właściwy większy od wody, lecz kształt i wymiary takie, że przy odpowiedniej prędkości przepływu ścieków, pozostają w nich w stanie zawieszonym, przy zmniejszonej prędkości przepływu ulegają opadaniu

Zanieczyszczenia mechaniczne nadają ściekom mętność, mogą wywoływać barwę, w przypadku przedostania się do wód odbiornika mogą pozostawać na powierzchni wody w zbiorniku lub osiadać na dnie. Ilość ścieków mechanicznych zależy od rodzaju ścieków.

II. Zanieczyszczenia chemiczne - mogą występować w ściekach w postaci związków organicznych lub nieorganicznych, rozpuszczonych lub nierozpuszczonych, zjonizowanych lub niezjonizowanych. Skład chemiczny ścieków ulega zmianie w cyklu dobowym. W celu określenia zawartości związków chemicznych w ściekach, stosuje się umowne, uogólniające wskaźniki oznaczeń, takich jak ChZt lub BZT (lub oba), a także OWO (ogólny węgiel organiczny). W przypadku ścieków przemysłowych, oznaczane są zanieczyszczenia specyficzne, jeżeli jest to konieczne.

Zanieczyszczenia chemiczne:

a) rozpuszczone substancje organiczne

białko: 40-60%,

węglowodany: 25-50%,

oleje i tłuszcze: ok. 10%

jeżeli są to zanieczyszczenia ze ścieków bytowo-gospodarczych, to w większości przypadków są one rozkładane przez mikroorganizmy do substancji prostych

b) rozpuszczone substancje mineralne

siarczany

chlorki

węglany

azotany i fosforany

rozpuszczone gazy

szczególną uwagę poświęca się w tej grupie związkom biogennym (są to zanieczyszczenia pochodzenia mineralnego, niezbędne do rozwoju mikroorganizmów; do podstawowych biogenów zaliczamy związki azotu i fosforu);

związki biogenne występują w ściekach surowych, ale także po biologicznym oczyszczaniu; niesie to zagrożenie przedostania się biogenów do wód odbiornika, powodując w nim zaburzenie gospodarki tlenowej lub wywołanie procesu eutrofizacji

c) zanieczyszczenia refrakcyjne

nie podlegają lub podlegają w niewielkim stopniu rozkładowi biologicznemu za pośrednictwem mikroorganizmów, są więc one w minimalnym stopniu usuwane w tradycyjnych procesach oczyszczania ścieków stosowanych na terenie oczyszczalni miejskich; zaliczamy do nich substancje mineralne, takie jak metale ciężkie, niektóre substancje powierzchniowo czynne lub niektóre pestycydy;

szczególną grupę zanieczyszczeń refrakcyjnych stanowią związki toksyczne (są to pierwiastki, związki chemiczne lub substancje wywołujące w organizmach roślinnych, zwierzęcych i u człowieka zmiany fizjologiczne, uszkodzenia, a przy wysokich dawkach nawet śmierć);

- metale ciężkie np. ołów, kadm, rtęć

- WWA

- nitrozoaminy

- polichlorowane difenole

- dioksyny

- substancje promieniotwórcze

posiadają przynajmniej jedną z właściwości: rakotwórcze, mutagenne, teratogenne, dodatkowo posiadają zdolność kumulacji w łańcuchu pokarmowym zwierząt i ludzi. Większość zanieczyszczeń toksycznych nie jest usuwana w oczyszczalniach miejskich i może przedostawać się do wód powierzchniowych. Mogą one także zaburzać proces biologicznego oczyszczania ścieków, dlatego powinny być usuwane ze ścieków w miejscu ich powstawania. Odbywa się to na drodze podczyszczania ścieków przemysłowych.

III. Zanieczyszczenia biologiczne - stanowią żywe bakterie oraz ich formy przetrwalnikowe i organizmy wyższe; dostają się one do ścieków wraz z wydalinami oraz z odpadami przemysłowymi, w korzystnych warunkach ulegają dalszemu namnażaniu, ich liczba uzależniona jest od charakteru ścieków, zawartości substancji organicznych, temperatury oraz odczynu pH. Większość organizmów należy do typowych heterotrofów żyjących w przewodzie pokarmowym człowieka i zwierząt. Wśród tych organizmów występują także gatunki chorobotwórcze powodujące m.in. dur brzuszny, żółtaczkę oraz gruźlicę. Zanieczyszczenia te eliminowane są w trakcie oczyszczania ścieków, dodatkowo ścieki przed odprowadzeniem do wód odbiornika mogą być poddawane procesom dezynfekcji, jeżeli jest to konieczne. Mikroorganizmy przechodzące do osadów ściekowych, niszczone są w trakcie higienizacji i kompostowania.

---