Praktyczne zastosowanie ciśnieniowych technik membranowych w gospodarce wodno-ściekowej (cz. 2)

W poprzednich artykułach [13, 14] opisano ciśnieniowe techniki membranowe i czynniki wpływające na wydajność procesów membranowych, a także podano przykłady instalacji odsalania i demineralizacji stosowane do otrzymywania wody do picia i do celów przemysłowych w polskiej energetyce i kopalnictwie.

Poniżej opisano przykładowe instalacje wykorzystujące ciśnieniowe techniki membranowe do zmiękczania wody, usuwania żelaza i manganu oraz mętności i mikroorganizmów z wód uzdatnianych do celów przemysłowych i do picia.

Zmiękczanie wody

Twardość wód naturalnych (suma zawartości jonów wapnia i magnezu) waha się od kilku do kilkuset mg CaCO₃/l. Wody powierzchniowe charakteryzują się mniejszą twardością (szczególnie węglanową) w porównaniu z wodami podziemnymi. Największy udział na ogół przypada związkom wapnia (stosunek stężeń jonów Ca²⁺ do Mg²⁺ wynosi od 4:1 do 2:1), których stężenie może dochodzić nawet do kilkuset mg/l.

Wapń i magnez są niezbędne dla prawidłowego funkcjonowania organizmu człowieka, z drugiej jednak strony nadmierna twardość wody jest szkodliwa dla zdrowia. Według przepisów woda do picia powinna mieć twardość 60–500 mg CaCO₃/l, a zawartość magnezu 30 mg/l [1].

Nanofiltrację do uzdatniania wód głębinowych stosuje się w praktyce w Stacji Uzdatniania Wody „Zawada” k. Dębicy, głównie do zmniejszania twardości (500 mg CaCO3/l). System w ciągu technologicznym oczyszczającym wodę przedstawia się następu­jąco [3]:

Woda głębinowa → Usuwanie Fe i Mn → Filtr węglowy → Nanofiltracja → Uzdatnianie końcowe → Woda do picia

Parametry urządzenia to [3]:

• wydajność permeatu (produktu): 50 m³/h w temp. 15°C,
• wydajność koncentratu (odrzutu): 12,5 m³/h przy odzysku wody 80%,
• ciśnienie robocze: 8–12 barów,
• membrany nanofiltracyjne Desal 8×40" HL8040F400,
• zestaw chemicznego płukania, konserwacji i dezynfekcji postojowej.

Usuwanie żelaza i manganu

Najbardziej typowymi domieszkami stanowiącymi zanieczyszczenia wód podziemnych pochodzenia naturalnego są sole żelaza i manganu. Nowoczesną metodą ich usuwania z wód podziemnych jest połączenie utlenienia za pomocą powietrza i KMnO₄ oraz mikrofiltracji, szczególnie wtedy, gdy stężenia tych metali są wysokie i zmienne [4, 5].

Metoda ta jest podobna do klasycznej z tą różnicą, że zamiast filtracji wgłębnej stosuje się mikrofiltrację. Zaletą tego sposobu usuwania Fe i Mn jest produkcja wody o wysokiej jakości i kompaktowy charakter urządzeń.

Firma GE Water & Process Technologies proponuje do tego celu technologię ZeeWeed, w której stosuje się kapilarne mikrofiltracyjne membrany zanurzone pracujące na niskim podciśnieniu, filtrując wodę z zewnątrz kapilar do wewnątrz (rys. 1).

Do zbiornika wprowadzane jest powietrze, którego pęcherzyki unoszą się wzdłuż włókien modułu membranowego, wytwarzając turbulencję i oczyszczając w sposób ciągły powierzchnię membran, co przyczynia się do ograniczenia zjawiska „foulingu” nawet przy bardzo wysokich zawartościach zawiesin, także inkrustujących lub trudnoopadalnych.

Wprowadzane powietrze powoduje również utlenianie Fe²⁺, Mn²⁺ i niektórych związków organicznych. Stosowane membrany są odporne na utleniacze i pracują efektywnie w obecności dużej ilości zawiesin i wysokiej zawartości żelaza i manganu (tabela 1) [4].

Przykładem skutecznego zastosowania takiego rozwiązania jest instalacja w Stacji Uzdatniania Wody Dołowej KWK „Piast”, o wydajności 2600 m³/d, wybudowana w oparciu o mikrofiltrację ZeeWeed w celu oczyszczania wody głębinowej na potrzeby kopalni.

Proces uzdatniania składa się z trzech podstawowych etapów: filtracja wstępna, utlenianie Fe, Mn w zbiorniku procesowym oraz mikrofiltracja na membranach ZeeWeed 1000. Instalacja mikrofiltracji zawiera trzy kasety z membranami i inne oprzyrządowanie. W tabeli 2 podano efektywność uzdatniania wody kopalnianej opisywaną metodą [4].

Usuwanie mętności i mikroorganizmów

Mętność wody spowodowana jest obecnością w niej cząstek zawieszonych, które rozpraszają i absorbują promieniowanie świetlne. Mogą one mieć różną wielkość, od cząstek koloidalnych do grubych zawiesin, i charakter mineralny, chociaż często w przypadku zanieczyszczenia wód powierzchniowych ściekami lub na skutek porywania osadów dennych dominują substancje organiczne.

Najczęściej stosowanym procesem membranowym do obniżania mętności wody jest mikrofiltracja (MF) i ultrafiltracja (UF) [4], której zastosowanie pozwala obniżyć mętność poniżej 1 NTU.

Woda do picia zawierająca wirusy, bakterie i pierwotniaki, a także inne mikroorganizmy stanowi istotne zagrożenie zdrowotne [4, 6, 7]. Dotyczy to zarówno ścieków oczyszczonych, jak i nieoczyszczonych odprowadzanych do odbiorników wodnych. 

W polskich przepisach dotyczących jakości wody do spożycia przez ludzi normowane są Escherichia coli i Enterokoki, które nie mogą w niej występować [1], a w wymaganiach dodatkowych bakterie grupy coli, ogólna liczba mikroorganizmów oraz Clostridium perfringens [1]. 

Do dezynfekcji wody stosuje się wiele metod, z których każda ma pewne wady i niedogodności. Mimo że filtry piaskowe usuwają 99–99,9% bakteriofagów, komercyjne urządzenia do dezynfekcji oparte na UV i ozonowaniu nie unieszkodliwiają wszystkich mikroorganizmów chorobotwórczych.

Chlorowanie prowadzi do powstawania trihalometanów i jest nieskuteczne w stosunku do mikroorganizmów związanych z zawiesiną, a ponadto niektóre mikroorganizmy, jak np. Cryptosporidium, są odporne na jego działanie. 

UF i MF mogą wspomóc i polepszyć proces dezynfekcji wody metodami tradycyjnymi, ponieważ membrana stanowi barierę dla wirusów, bakterii i pierwotniaków. Wielkość wirusów waha się w granicach 20–80 nm, podczas gdy membrany UF mają średnicę porów ok. 10–100 nm, a więc teoretycznie możliwe jest ich całkowite zatrzymanie. 

Natomiast bakterie (0,5–10 mm) oraz pierwotniaki (3–15 mm) są większe i możne je całkowicie usunąć przy użyciu membran UF oraz MF [4, 8], ponieważ dla membran dostępnych komercyjnie wielkość porów jest z reguły mniejsza od 0,3 mm [4, 6, 7].

Mikrofiltracja w praktyce

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. Wykorzystano w niej instalację do mikrofiltracji firmy Pall. 

W trakcie uzdatniania woda z rzeki przechodzi kolejno przez odstojniki i piaskownik do studni zbiorczej, gdzie dozowany jest siarczanu glinu. Następnie woda pompowana jest do trzech osadników pokoagulacyjnych, w których następuje wytrącanie osadów pierwotnych oraz koagulacyjnych.

Stąd woda spływa do poszczególnych komór filtra piaskowego, a następnie do zbiornika wody czystej o pojemności 300 m3. Przed zbiornikiem do wody dozowany jest dwutlenek chloru. Schemat uzdatniania wody łącznie z mikrofiltracją typu Pall Aria z typoszeregu AP przedstawia rys. 2 [9–11].

Filtracyjny system membranowy Pall Aria składa się z 40 membranowych modułów filtracyjnych (typu USV-6203) w jednym bloku wraz z oprzyrządowaniem. Stopień odzysku filtratu jest wysoki i wynosi do 99%, w zależności od właściwości wody zasilającej, przy wydajności 130 m3/h.

Mikrofiltrację wprowadzono z uwagi na występowanie w wodzie surowej, a często też w wodzie uzdatnionej, mikroorganizmów chorobotwórczych odpornych na klasyczne chlorowanie. Roczna eksploatacja urządzenia potwierdziła założenie produkcji wysokiej jakości wody do spożycia, o mętności znacznie poniżej 0,1 NTU oraz pozbawionej jakichkolwiek zanieczyszczeń mikrobiologicznych [3]. 

W okresie tym temperatu­ra wody surowej i jej mętność zmieniały się znacznie, a przy obfitych i niespodziewanych opadach atmosferycznych mętność wody surowej przekraczała chwilami 800 NTU. Modernizacja technologii uzdatniania wody polegająca na wprowadzeniu mikrofiltracji ograniczyła znacznie zużycie dwu­tlenku chloru do poziomu 0,1–0,15 mg/l, czyli w ilości mającej jedynie zabezpieczyć wodę przed skażeniem wtórnym w sieci. 

W tabeli 3 zawarto analizę fizykochemiczną i mikrobiologiczną wody uzdatnionej uzyskanej w instalacji w Suchej Beskidzkiej. Ważnym czynnikiem są także koszty eksploatacyjne instalacji, które przekładają się bezpośrednio na cenę wody. Są one rekompenso­wane przez znaczne zmniejszenie zużycia dwutlenku chloru i koagulantu oraz obniżenie kosztów związa­nych z pracą filtrów piaskowych. 

Podobne rozwiązania zostały również wdrożone w ZUW Jarosław, gdzie przepustowość stacji wynosi 470 m³/h, oraz SUW Biała Dolina – 6,5 m³/h [12].

W następnym artykule zaprezentowane zostaną zagadnienia dotyczące technik membranowych wykorzystywanych do oczyszczania odcieków z wysypisk odpadów stałych i ścieków przemysłowych.

Literatura

1. Rozporządzenie Ministra Zdrowia z dnia 29 marca 2007 r. w sprawie jakości wody przeznaczonej do spożycia przez ludzi (DzU nr 61/2007, poz. 417) wraz ze zmianami wprowadzonymi rozporządzeniem z dnia 20 kwietnia 2010 r. (DzU nr 72/2010, poz. 466).
2. Matuszczak M., Nanofiltracyjne uzdatnianie, „Wodociągi­‑Kanalizacja” nr 4/2012.
3. Konieczny K., Procesy membranowe w uzdatnianiu wody do picia – przykłady zastosowań w Polsce, „Instal” nr 5/2013.
4. Bodzek M., Konieczny K., Wykorzystanie technik membranowych w uzdatnianiu wody do picia. Cz. 1. Usuwanie związków nieorganicznych, „Technologia Wody” nr 1/2010.
5. Bodzek M., Konieczny K., Usuwanie zanieczyszczeń nieorganicznych ze środowiska wodnego metodami membranowymi, Seidel-Przywecki, Warszawa 2011.
6. Bodzek M., Konieczny K., Wykorzystanie procesów membranowych w uzdatnianiu wody, Oficyna Wydawnicza Projprzem-Eko, Bydgoszcz 2005.
7. Bodzek M., Membrany i procesy membranowe w usuwaniu mikroorganizmów ze środowiska wodnego, Monografie Komitetu Inżynierii Środowiska PAN nr 64 (2010).
8. Mulder M., Basic Principles of Membrane Technology, Kluwer Academic, Dordrecht 1996.
9. Konieczny K., Technologie membranowe w ochronie środowiska wodnego, materiały konferencyjne „Woda – Człowiek – Środowisko. Tradycja i współczesne metody zarządzania systemami gospodarki wodno-ściekowej”, Września-Licheń 2011.
10. PALL Corporation, System Obróbki Wody PALL Aria AP-6 projekt wersja 01 „Sucha Beskidzka”, 2006.
11. Szczęch K., Modernizacja SUW Sucha Beskidzka – układ filtrów membranowych, „Ochrona Środowiska BMP” nr 4/2006.
12. Kołtuniewicz A.B., Wydajność ciśnieniowych procesów membranowych w świetle teorii odnawiania powierzchni, Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, 1996.
13. Konieczny K., Bodzek M., Ciśnieniowe techniki membranowe w gospodarce wodno-ściekowej, „Rynek Instalacyjny” nr 1–2/2014.
14. Konieczny K., Bodzek M., Praktyczne zastosowanie ciśnieniowych technik membranowych w gospodarce wodno-ściekowej, „Rynek Instalacyjny” nr 3/2014.