Membránové procesy při úpravě vod

Datum: 13.3.2014
Membránové separační procesy v úpravě vody jsou technologie, kdy upravovaná voda je přivedena na semipermeabilní membránu, která vodě vytváří selektivní bariéru. Přivedený proud vody je na membráně rozdělen na koncentrát (odpad) obohacený o složky, které membrána nepropustí a permeát (produkt), který je těchto složek zbaven.

Selektivita membrány je definována hlavně velikostí pórů. Hnací sílou každého membránového procesu je transmembránový tlak, jeho velikost odpovídá odporu membrány vůči průchodu permeátu. Čím menší je velikost pórů membrány, tím je potřeba většího tlaku k zajištění požadovaného průtoku přes membránu. Z hlediska velikosti póru a aplikovaného tlaku dělíme membránové procesy v úpravě vody na mikrofiltraci (MF), ultrafiltraci (UF), nanofiltraci (NF) a reverzní osmózu (RO).

Srovnání membránových procesů z hlediska účinnosti separace nežádoucích látek a potřebného tlaku

Membránové technologie pomáhají naplnit stále zvyšující se požadavky na kvalitu a množství upravené vody. Tyto technologie umožňují efektivně upravovat vodu pro pitné či průmyslové účely i z předtím nepoužitelných zdrojů. Filtrace na ultrafiltračních membránách je poměrně mladá, ale celosvětově velmi rychle se rozvíjející technologie v produkci pitné vody.   

K zvýšenému zájmu o membránovou filtraci v úpravě pitných vod velkou mírou přispělo neštěstí z roku 1993 v americkém Milwaukee, kde se v rozvodu pitné vody objevili nebezpečné parazitující prvoky Cryptosporidium, což mělo za následek 400 000 nakažených a 50 mrtvých.

Dělení membránových procesů z hlediska účinnosti a velikosti pórů

Jak se později ukázalo cryptosporidium se do vody dostali průnikem přes pískovou filtraci, která není pro parazitující prvoky z důvodu vysoké pórovitosti (20µm) selektivní. Na rozdíl od tradičné pískové filtrace, poskytuje dnešní ultrafiltrace s velikosti póru 0,02 µm spolehlivou, efektivní a stabilní ochranu před všemi bakteriemi a viry i v případě kolísání kvality surové vody, například v důsledku klimatických jevů.

Ultrafiltrace

Ultrafiltrace je tlakem poháněný membránový separační proces, který se z hlediska velikosti pórů nachází mezi nanofiltrací a mikrofiltrací.  Velikost póru ultrafiltrační membrány se pohybuje od 50 do 1 nm. Ultrafiltrace se nejčastěji používá k separaci makromolekulárních a koloidních látek, velikost póru membrány brání taky průniku patogenních mikroorganizmů, jako jsou bakterie a viry. Tlak potřebný k filtraci přes ultrafiltrační  membránu se pohybuje mezi 0,4 – 1,5 bar.

Realizovaná ultrafiltrace v Singapuru

Použití ultrafiltrace

Ultrafiltrace z konvenčních metod nahrazuje čiření, respektive pískovou filtraci. Nachází uplatnění převážně při odstraňování zákalu tvořeného nerozpuštěnými a koloidními látkami organického i anorganického původu.

Účinnost ultrafiltrace úspěšně zvyšují konvenční metody jako precipitace, koagulace, sedimentace, flotace, … Jejich vzájemná kombinace závisí na koncentraci a typu nerozpuštěného, koloidního, případně rozpuštěného znečištění ve vodě.

Kombinace procesů při úpravě povrchových a podzemních vod

Při nízké koncentraci nerozpuštěných látek je možné použít ultrafiltraci bez před-sedimentace a před-koagulace, při vyšších koncentracích a větších rozměrech částic je použití předřazené sedimentace doporučeno.

Dávkování koagulantu před ultrafiltraci je doporučeno při:
-         odstraňování koloidních a nerozpuštěných látek,
-         odstraňování rozpuštěných organických látek, hlavně humínové látky,
-         odstraňování anorganických kovů a fosfátů.

Koagulanty, stejně jako v tradičních metodách úpravy vody, se nejčastěji používají běžné trojmocné soli železa nebo hliníku. Koagulace a následná flokulace má za následek slučování malých částic do větších vloček, které jsou mnohem efektivněji separované na ultrafiltrační  membráně a kromě toho snižují náchylnost membrány k zanášení. V porovnání s konvenční filtrací nemusí být dávka koagulantu precizně optimalizovaná s ohledem na následnou separaci, jelikož na malých pórech ultrafiltrační membrány dochází k oddělení již malých vloček.

Výhody ultrafiltrace v porovnání s tradičními způsoby úpravy vody:

-         ultrafiltrace představuje dokonalou mechanickou bariéru proti mikroorganizmům (bakterie a viry) a nerozpuštěným látkám,
-         kvalita filtrátu není závislá od kvality surové vody a to ani v případě výrazného kolísání její kvality např. vlivem klimatických jevů,
-         ultrafiltrace je schopna odstranit na chlor rezistentní patogenní organizmy,
-         nižší spotřeba chemikálií,
-         výrazně nižší produkce kalu, koncentrát většinou obsahuje pouze znečištění původně obsažené v surové vodě, nižší spotřeba chemikálií,
-         kompaktní konstrukce a menší zastavěný prostor, díky tomu nižší investice do budov a potřebných prostor,
-         jednoduché řízení a automatizace,
-         vyšší produktivita následných technologií (nanofiltrace, reverzní osmóza, EDI, iontová výměna…), jelikož většina znečištění způsobující zanášení je odstraněno na ultrafiltraci,
-         nižší investiční a provozní náklady následných technologií (nanofiltrace, reverzní osmóza...), jelikož sytém může být provozován s vyšším zatížením a s nižšími nároky na čištění.

Konstrukce a materiály UF modulu

Ultrafiltrační moduly jsou na trhu dostupné v různém konstrukčním provedení jako deskové, rámové, spirálově vinuté, trubicové. Každá z konstrukcí je vhodná pro různé procesy. Pro ultra čisté vody se obecně používají spirálově vinuté moduly, které jsou lépe sanitovatelné. V ostatních separačních aplikacích záleží především na druhu a koncentraci znečištění. Pro roztoky s vysokou koncentrací jsou obecně vhodné otevřené rámové moduly, naopak v úpravě pitných vod se nejčastěji používají trubicové moduly.         

Samotná membrána, z které je modul sestaven má tvar dutého vlákna v případě rámových trubicových modulů, nebo ploché membrány u spirálově vinutých a deskových modulů. 

Komerční ultrafiltrační membrány je možno vyrobit z celé škály materiálu, ale z hlediska provozních vlastností jako je mechanická odolnost, náchylnost k zanášení, chemická odolnost, životnost a cena se nejvíc osvědčili PES (polysulfone), PAN (Polyakrylnitril) a PVDF (polyvinylidenfluorid). 

Z hlediska provozu jsou ultrafiltrační moduly konstruovány jako ponorné nejčastěji deskové a rámové moduly, naopak trubicové a spirálově vinuté moduly jsou určeny převážně pro tlakovou filtraci. Při tlakové filtraci můžou být moduly provozovány v režimu „dead end“ anebo „cross flow“. V „dead end“ režimu veškerá vody protéká skrz membránu a nečistoty jsou zachyceny na jejím povrchu. Při „cross flow“ režimu protéká surová voda podél membrány a jenom permeát se tlačí skrz membránu, zatímco koncentrát unáší nečistoty do odpadu. Všeobecně lze říct, že „dead end“ proces je výhodný u méně znečištěných vod při rostoucím znečištění je vhodné přejít na „cross flow“ režim. „Dead end“ filtrace je ovšem výhodnější z hlediska provozních nákladů, jelikož se čerpá méně vody a výtěžnost systému bývá podstatně vyšší.  

Technické specifikace trubicového ultrafiltrační modul

Pracovní fáze ultrafiltrace

Cílem optimálního návrhu ultrafiltrace je dosažení co nejvyššího zatížení membrány, fluxu, který udává množství permeátu za jednotku času na jednotku plochy membrány (l/m2h) při stanoveném tlaku. Obvykle se pohybuje v rozmezí 40 l/m2h pro silně znečistěné vody až po 100 l/m2h pro čisté vody. Částice znečištění zachycené na povrchu membrány vytváří depozit a způsobují zanášení póru membrány, čímž roste její odpor, snižuje se její propustnost a její zatížení - klesá flux. V zájmu stabilní hodnoty fluxu musí být vrstva nečistot z povrchu membrány odstraňována v pravidelných časových intervalech (10 min.). K tomuto čištění membrány dochází zpětným proplachem membrány upravenou vodou. Na krátkou dobu (30s) dojde k obrácenému proudění upravené vody přes stranu permeátu do odpadu, tím dojde k intenzívnímu obtékání povrchu membrány a unášení zachycených nečistot do odpadu. Účinek zpětného proplachu upravenou vodou bývá umocněn vzduchem, který způsobí rozkmitání membrány a lepší uvolnění zachycené vrstvy nečistot.

I přes dodržení intervalu mezi zpětnými proplachy dochází po určitém čase k nevratnému zanesení membrány, což má za následek snížení zatížení membrány při konstantním tlaku. Toto zanesení je možné odstranit pouze chemickým čištěním membrány, kdy dochází k cirkulaci připraveného chemického roztoku přes membránu ve směru filtrace. K odstranění anorganického znečištění a inkrustům solí se používají kyselé roztoky. K odstranění organického a biologického znečištění z membrán se používají alkalické roztoky. Četnost chemických proplachů závisí na kvalitě upravované vody.      

Závěr

Membránové procesy si již našli uplatnění ve vodárenství zejména v zemích, kde je pitné vody méně. Běžné jsou již RO pro zpracování mořské vody, ale v poslední době je vidět, že si cestu najdou i v zemích, kde je prozatím dostatek zdrojů pitné vody. A to zejména v podobě druhého separačního stupně, jako alternativa pískové filtrace. Nutné bude ovšem zohlednit celý technologický systém tak, aby výhody v podobě spolehlivosti a úspornosti v podobě menších nároku na desinfekci a prostorového řešení, vynikly.

Ing. Andrej Slávik, MANN+HUMMEL Service s.r.o.,
Ing. Milan Uher, ASIO, spol. s r.o.

Tento článek byl již v plném znění publikován ve sborníku k seminářům ASIO, spol. s r.o. „Pitná voda – novinky a souvislosti … aneb What's NEW? N-nutrients; E-energy; W-water“.

 

Kontakty

ASIO, spol. s r.o.
Kšírova 552/45
619 00 Brno
ID datové schránky: 9nwzka6

ASIO NEW, spol. s r.o.
Kšírova 552/45
619 00 Brno
ID datové schránky: z9g8vaw

tel.: 548 428 111
e-mail: asio@asio.cz