Membránové procesy pro úpravu pitné vody

26. 2. 2012

Klíčová slova:
Membránové procesy, reverzní osmóza (RO), nanofiltrace (NF), ultrafiltrace (UF), mikrofiltrace (MF) a elektrodialýza / obrácená elektrodialýza (ED/EDR).

ÚVOD, PŘEHLED
V poslední době sílí v evropských státech trend minimalizovat při výrobě pitné vody spotřebu chemikálií, energie a množství odpadních vod. Standardní metody úpravy pitné vody, jako jsou koagulace, sedimentace, písková filtrace ad. jsou již časem prověřené a spolehlivé, nedokáží však reagovat na změněnou kvalitu surové vody (např. přítomnost pesticidů, farmaceutik apod., se kterými se původně při návrhu úpravny nemohlo počítat, a které je standardními metodami možné odstranit jen zčásti či vůbec). V tomto stále více nacházejí uplatnění membránové procesy, zejména mikrofiltrace a ultrafiltrace.

Obrázek 1. – Roční instalovaná kapacita MF/UF/RO

CHARAKTERISTIKA MEMBRÁNOVÝCH PROCESŮ
Membránové systémy umožňují fyzikální desinfekci vody na základě sítové filtrace organismů, které jsou větší než je velikost pórů membrán. Menší částice prochází membránou do čisté vody nebo permeátu. Je tak možná desinfekce bez použití chemických činidel. Určení velikosti pórů a jejich rozložení na povrchu membrány je důležitým faktorem pro účinnost odstranění mikroorganismů. Protože primárním účelem UF je zadržení makromolekul, je velikost pórů membrány často charakterizována pomocí údaje MWCO (Molecular Weight Cut-Off) s jednotkou Dalton (Da; g/mol). Tento parametr vyjadřuje molární hmotnost nejmenší složky, která je alespoň z 90% zadržena. MWCO není možné jednoduše převést na délkový rozměr, je však s ním v dobré korelaci. UF, pohybující se ve filtračním rozmezí 0,1 – 0,01 µm, zadržuje viry, které obvykle mají velikost 10 – 100 nm. Bakterie s průměrnou velikostí 1 – 10 µm jsou na membráně také bez problému zadrženy.
Mikrofiltrace s velikostí pórů 0,2 - 1 μm je schopna zachytit malé bakterie jako je Pseudomonas diminuta, viry ale propouští. Klasifikace MF a UF procesů se z hlediska velikosti pórů často překrývá a liší se podle jednotlivých výrobců. Při výběru membrán je tak nutné dbát opatrnosti a velikost pórů membrán znát dostatečně přesně s ohledem na použití technologie.

Obrázek 2. – Rozdělení membránových procesů podle stupně separace

Velikost částic [µm]
Řasy > 10
Giardia 5 -15
Cryptosporidium 3 – 5
Koliformní bakterie 0,1 – 10
Viry 0,02 – 0,03

Transmembránový tlak, který je hnací silou v UF a MF, se pohybuje v rozmezí -0,5 bar až 3,5 bar. Negativní tlak (podtlak nebo vakuum) je aplikován v ponorných systémech, ve kterých jsou membrány ponořeny v nádrži s vodou a čerpadlo vytvářející podtlak umístěno na straně permeátu. Tato konfigurace je běžná v aplikacích s vysokým obsahem nerozpuštěných látek, které v nádrži mohou sedimentovat a nezatěžují proto tolik membrány, jako např. membránové bioreaktory pro čištění odpadních vod nebo povrchové vody s vysokým zákalem.
V zásadě platí, že tlak v membránové filtraci se zvyšuje se snižujicí se velikostí pórů membrán, kvůli vyššímu odporu membrán při dané filtrační rychlosti (tzv. flux). Flux je množství permeátu protékající za jednotku času jednotkou povrchu membrány ve směru transportu, a v UF se pohybuje v rozmezí od 50 L/m2.h až k 1000 L/m2.h. Zatímco vysoký flux umožňuje snížit investiční náklady na membrány z důvodu nižší potřebné filtrační plochy, fouling a následné čištění zvyšují provozní náklady. K určení vhodného fluxu a optimální metody předčištění je proto vhodné provést poloprovozní zkoušky s reprezentativním vzorkem surové vody.

Parametr	Zdroj surové vody
	Mořská voda	Podzemní voda	Silně zabarvená voda	Středně zabarvená voda	Bakterie, koloidní látky
Proces	odsolení	změkčení	odstranění zabarvení	desinfekce, odstranění nerozpuštěných látek
Provozní tlak	50 – 60 bar	10 – 20 bar	4 – 8 bar	2 – 5 bar	0,5 – 2 bar
Velikost pórů membrán	< 0,5 nm	0,5 – 1 nm	1 – 2 nm	2 – 5 nm	5 – 200 nm
Membránový proces	RO	RO, NF	NF	NF, UF	UF, MF
Účinnost odstranění:
- zabarvení	> 96 %	> 96 %	90 – 95 %	80 – 90 %	10 – 80 %
- nerozpuštěné látky	> 99 %	> 99 %	> 99 %	> 99 %	90 – 99 %
- rozpuštěné látky	> 99 %	> 99 %	30 %	< 20 %	< 5 %
- bakterie	100 %	100 %	100 %	100 %	100 %
- viry	100 %	100 %	100 %	100 %	10 – 100 %

Použití UF a MF v dnešní době nachází uplatnění zejména:
1. Úprava pitné vody – membrány samotné či v kombinaci s koagulanty, chemikáliemi na úpravu pH či práškovým aktivním uhlím jsou schopné zbavit vodu mikrobiologického oživení, anorganických kontaminantů (Fe, Mn, As) a NOM
2. Úprava vody před jejím dočištěním na NF či RO membránách – používá se k minimalizaci foulingu a provozních nákladů na chemikálie a čištění
3. Čištění odpadní vody a recyklace. Schopnost membrán separovat nečistoty z kapalin je činí ideálním řešením pro zpětné využití odpadní vody. Podobně jako odsolení mořské vody, i zde membránová technologie upravuje zdroj vody, který byl dříve pro lidské účely nepoužitelný, na čistou vodu, vhodnou pro mnoho aplikací, jako jsou např. doplnění zvodní podzemních vod, zavlažování, nebo příprava napájecí vody pro parní kotle. Kromě recyklace odpadní vody je možné takto čistit i oplachové vody z různých výrobních závodů, a dosáhnout tak významných finančních úspor. Výhodou je i malá zastavěná plocha membránové technologie v porovnání s konvenčními metodami.

MEMBRÁNOVÁ FILTRACE V ÚPRAVĚ VODY
Od počátku 90. let minulého století rapidně roste počet instalací nových nízkotlakých membránových technologií pro úpravu pitné vody – mikrofiltrace a ultrafiltrace. V polovině první dekády tohoto století přesáhla instalovaná kapacita úpraven vod s mikrofiltračními a ultrafiltračními membránami 4 miliony m3 za den celosvětově. Tento rozmach souvisí se sílícími požadavky na kvalitu pitné vody, zejména s ohledem na snížení zákalu, eliminaci vedlejších produktů desinfekce, a odstranění bakterií a virů, jako jsou Giardia a Cryptosporidium.

Na rozdíl od konvenčních procesů nevyžadují MF a UF pro požadovanou úroveň odstranění nákladné fyzikálně-chemické předčištění (koagulace, sedimentace aj.). Velkou výhodou těchto procesů je rovněž uniformní velikost pórů membrán, díky čemuž je dosaženo téměř absolutního odstranění kontaminantů.
Téměř výhradně jsou v MF a UF procesech pro úpravu pitné vody použity membrány s dutými vlákny, které díky velkému poměru plochy membrán k jejich objemu, a schopnosti filtrace v obou směrech („inside-out“ a „outside-in“) umožňují zpětný proplach vodou, vzduchem, či kombinací obou. K odstranění nánosů, které nejsou vymyty během zpětného proplachu vzduchem či vodou se v pravidelných intervalech provádí chemické čištění (slabá kyselina, louh,
chlornan sodný apod.). Výtěžnost membránové filtrace se pak i se započítáním spotřeby části filtrátu na zpětný proplach a chemické čištění pohybuje mezi 95–99%.

Vedlejší produkty desinfekce
- asimilovatelný či biodegradibilní uhlík (AOC/BDOC), vznikající rozkladem přírodních organických látek (NOM) použitím oxidačních činidel
- tvoří zdroj energie pro mikroorganismy, což zvyšuje potenciál růstu mikrobiálního oživení
V úpravě pitných vod mají membránové procesy nezastupitelnou roli v eliminaci látek, které při oxidaci standardními činidly – chlor, ozon – vznikají jako produkt štěpení organických molekul, a které pak tvoří tzv. sekundární biologické oživení vodovodních řadů a rozvodných sítí. Těmto látkám říkáme prekurzory vedlejších produktů desinfekce a kromě technologických problémů s tvorbou mikrobiálních nánosů představují i zdravotní riziko.

	Podzemní voda	Povrchová voda	Odtok z ČOV
	Hluboké vrty	Vysoký obsah Fe & Mn	Vysoký obsah As	Nízké TOC nebo zákal	Vysoké TOC nebo zákal
Kontaminant	Zákal & mikrobiální patogeny	Fe & Mn	As	Zákal & mikrobiální patogeny	Zákal & mikrobiální patogeny	Nerozpuštěné látky a patogeny
Předúprava	žádná	Oxidace a precipitace	Oxidace, koagulace a úprava pH	Mechanický filtr (100 – 400 µm)	Mechanický filtr (100 – 400 µm), oxidace, koagulace	Desinfekce a mechanický filtr (100 – 400 µm)
Kvalita filtrátu	Zákal < 0,1 NTU Mikrobiálně nezávadná	Zákal < 0,1 NTU Fe & Mn < 0,05 mg/l	As < 2 µg/l	Zákal < 0,1 NTU Mikrobiálně nezávadná	Zákal < 0,1 NTU Redukce TOC až o 60% Mikrobiálně nezávadná	SDI < 3 Zákal < 0,05 NTU

Ve srovnání s konvenčními technologiemi, zejména s pískovou filtrací, jsou patrné výhody membránové filtrace – konstantní kvalita filtrátu, odstranění koloidních látek, suspendovaných látek, patogenních látek a mikrobiálního oživení s účinností danou velikostí pórů membrán, nižší spotřeba proplachové vody a nižší prostorové nároky. To v době, kdy rostou náklady na přípravu pitné vody a snižuje se kvalita a počet zdrojů pitné vody, činí z membránové filtrace perspektivní technologii pro třetí tísíciletí. Vodárenské společnosti jsou v dnešní době tlačeny stále se zpřísňující legislativou k produkci čisté vody bez obsahu látek, charakteristických pro životní styl přelomu 20./21. století (pesticidy, antibiotika, léky apod.). Tento požadavek je sice splnitelný i za pomoci stávajících technologií, ovšem s nutností jejich rozšíření o další prvky (aktivní uhlí, ozonizace ad.), čímž roste zastavěnost i komplikovanost procesu úpravy. Tyto nevýhody lze elegantně obejít použitím membránových technologií, a dosáhnout tak při zjednodušení procesu a nižší zastavěné ploše produkce čisté vody o perfektní kvalitě.

Výhody membránové filtrace filtry ASIO:
- automatický provoz, snadná obsluha,
- kvalita filtrátu je stabilní i při kolísání kvality vstupní vody,
- minimální provozní náklady,
- vynikající účinnost procesu,
- flexibilita: možnost on-line předúprav vstupní vody podle typu a kvality zdroje vody k odstranění některých typů kontaminantů (např. Fe, Mn, As),
- nízká spotřeba chemikálií – šetrné k životnímu prostředí,
- menší instalační rozměry zařízení, modulární uspořádání,
- nemění chemické složení vody,
- materiál membrán PVDF – vysoká chemická a mechanická odolnost.

Zatímco ve světě je použití membrán pro úpravu pitné vody již mezi standardními metodami, česká legislativa (konkrétně vyhláška MZd. č. 409/2005 Sb. O hygienických požadavcích na výrobky přicházející do přímého styku s vodou a na úpravu vody) zatím neuvádí membránové technologie jako povolené k úpravě pitné vody. Je proto nutné při každé aplikaci žádat o souhlas příslušného státního orgánu. Rozšířenost membránových procesů, jejich klesající investiční i provozní náklady a schopnost dosahovat výborné kvality pitné vody při minimální produkci odpadní vody a spotřebě chemikálií však dávají naději, že i v naší republice dojde v nejbližší době k jejich aplikaci ve větším měřítku.