Z uwagi na zmiany klimatyczne wywołujące zjawisko susz hydrologicznych, stale pogarszający się stan wód powierzchniowych oraz ciągły wzrost wymagań stawianych wodzie przeznaczonej do spożycia, przedsiębiorstwa wodociągowe zmuszone są do poszukiwania alternatywnych źródeł wody oraz innowacyjnych technologii oczyszczania.

W celu ich efektywnego pozyskania i uzdatniania konieczne jest zastosowanie zaawansowanych rozwiązań technicznych oraz technologicznych. Od wielu lat wskazuje się na techniki membranowe. W niniejszym artykule dokonano przeglądu potencjalnych zastosowań technologii membranowych w przedsiębiorstwach wodociągowo-kanalizacyjnych.

Potencjał technologii membranowych

W zakładach oczyszczania wody na świecie coraz częściej pojawiają się układy technologiczne oparte na membranach. Najwięcej tego typu obiektów znajduje się w Stanach Zjednoczonych (np. Minneapolis, San Patrico, Capparral, BexarMet). Również w Europie istnieją takie instalacje (np. Clay Lane ? w Wielkiej Brytanii, Roentgen ? w Niemczech, Vigneux ? we Francji). W Polsce mamy do czynienia z nielicznymi zakładami produkcyjnymi o znaczeniu lokalnym (np. Jarosław, Sucha Beskidzka). Dobór odpowiedniego procesu membranowego zależy przede wszystkim od składu ujmowanej wody. Skład wód powierzchniowych, podlega zmianom wynikającym zarówno z działalności człowieka, jak i globalnych zmian klimatu. Obowiązujące uregulowania prawne określają dopuszczalne stężenia wielu domieszek i zanieczyszczeń biologicznych, chemicznych oraz fizycznych, a zakres tych unormowań jest systematycznie poszerzany.

Procesy membranowe w rozbudowanych układach technologicznych mogą służyć doczyszczaniu wody oczyszczonej wstępnie metodami tradycyjnymi, jak i wstępnemu przygotowaniu wody przed jej dalszym oczyszczaniem metodami konwencjonalnymi. Niskociśnieniowe procesy membranowe (mikrofiltracja ? MF, ultrafiltracja ? UF) wykorzystywane są w praktyce do usuwania mikroorganizmów oraz zmniejszania mętności (przy czym preferowany jest proces UF, jako skuteczniejszy w eliminowaniu wirusów). Ze względu na to, iż niskociśnieniowe procesy membranowe w niewystarczającym stopniu usuwają z wody substancje organiczne (zwłaszcza frakcje małocząsteczkowe), poprzedza się je często koagulacją lub adsorpcją na węglu aktywnym. Takie rozwiązania przyczyniają się nie tylko do zwiększenia skuteczności usuwania związków organicznych z wody, ale również zapobiegają intensywnemu blokowaniu membran. Procesy koagulacji i adsorpcji mogą być prowadzone w wydzielonych urządzeniach przed filtracją membranową lub wskutek bezpośredniego dawkowania do oczyszczanej wody odpowiedniego koagulantu albo pylistego węgla aktywnego. W ostatnim z przedstawionych rozwiązań zawiesiny kłaczków koagulacyjnych lub cząstki węgla aktywnego są separowane przez membrany mikro- lub ultrafiltracyjne. Przy odpowiednim doborze modułów membranowych i właściwej eksploatacji instalacji membranowej dawkowanie pylistego węgla lub koagulantu nie wpływa znacząco na wydajność membran. Przyczynia się to jednak do wzrostu kosztów jednostkowych związanych ze zwiększonym zapotrzebowaniem na energię oraz utrudnioną regenerację adsorbentu1-3. Procesy membranowe w oczyszczaniu wody mają na celu poprawę jakości wody w zakresie wymienionych w dalszej części parametrów.

Mętność

Spowodowana jest obecnością w wodzie cząstek zawieszonych, które rozpraszają i absorbują promieniowanie świetlne. Mogą one być różnej wielkości ? od koloidalnych do zawiesin. Procesem membranowym służącym do obniżania mętności wody jest mikrofiltracja, której zastosowanie pozwala na uzyskanie wody o mętności mniejszej niż wymagania prawne (< 1 NTU). Gdy mętność wody wywołana jest obecnością frakcji o rozdrobnieniu koloidalnym, mikrofiltrację często poprzedza się procesem koagulacji. Pozwala to na destabilizację koloidów wraz z wytworzeniem większych kłaczków. W celu zwiększenia skuteczności oczyszczania mikrofiltrację zastępuje się ultrafiltracją, jednak wiąże się to z koniecznością częstego płukania wstecznego oraz chemicznego czyszczenia membran1-3.

Organizmy chorobotwórcze

Wirusy, bakterie i pierwotniaki muszą być bezwzględnie usuwane z wody przeznaczonej do spożycia przez ludzi. Konwencjonalne sposoby ich zwalczania obejmują dezynfekcję metodami chemicznymi (chlorowanie, ozonowanie itp.) lub fizycznymi (promienie UV). Metody chemiczne, poza niszczeniem mikroorganizmów, ingerują w matrycę chemiczną wody, tworząc nowe zagrożenia w postaci tzw. ubocznych produktów dezynfekcji (UPD), które nie są obojętne dla zdrowia. Z tego powodu zwiększa się zainteresowanie niskociśnieniowymi procesami membranowymi, takimi jak mikrofiltracja (MF) czy ultrafiltracja (UF). Są to alternatywne metody dezynfekcji wody, oparte na separacji, a nie niszczeniu mikroorganizmów. Rozwiązanie to (podobnie jak dezynfekcja UV) nie gwarantuje zachowania stabilności biologicznej wody w systemie dystrybucji, ale zmniejsza wartości dawek dezynfektantów chemicznych, zwłaszcza gdy z wody usuwane są również prekursory UPD (np. w procesach UF i NF). Membrany mikrofiltracyjne o średnicy porów < 0,15 mm pozwalają na bardzo skuteczne usunięcie z wody pierwotniaków oraz komórek bakterii chorobotwórczych1-3.

Substancje organiczne                                                            

Ich usuwanie jest jednym z najważniejszych zadań procesu oczyszczania wody. Związki te są mieszaniną substancji o bardzo zróżnicowanych właściwościach. W skład tej grupy związków wchodzą m.in. aminokwasy, kwasy tłuszczowe, fenole, sterole, cukry, węglowodory oraz naturalne polimery, do których można zaliczyć polipeptydy, tłuszcze, wielocukry oraz substancje humusowe. Związki organiczne nie stanowią na ogół bezpośredniego zagrożenia, przyczyniają się jednak do wzrostu intensywności barwy wody. Ponadto mogą być prekursorami UPD (w tym trihalometanów ? THM), powodować wzrost niezbędnych dawek koagulantów oraz środków dezynfekcyjnych, tworzyć kompleksy z wieloma zanieczyszczeniami antropogenicznymi, a także przyczyniać się do rozwoju mikroorganizmów w sieci dystrybucyjnej. Ze względu na bardzo szeroki zakres wielkości frakcji tworzących mieszaninę naturalnych substancji organicznych, skuteczność usuwania tej grupy związków w znacznej mierze zależy od właściwości użytych membran. Jedynie zastosowanie procesu nanofiltracji (NF) lub odwróconej osmozy (RO) gwarantuje ich całkowite usunięcie z wody. Najczęściej jednak do usuwania NOM-u w zakładach oczyszczania wody służą układy zintegrowane wykorzystujące mikrofiltrację lub ultrafiltrację.

Spośród możliwych wariantów zintegrowanych procesów membranowych zastosowanie znajdują: koagulacja + MF lub UF; adsorpcja na węglu aktywnym + MF lub UF; filtracja przez biologicznie aktywne złoże węglowe + MF lub UF; ozonowanie + MF lub UF; wymiana jonowa + MF lub UF.

Wymienione zintegrowane procesy membranowe pozwalają nie tylko uzyskać wysoką wydajność hydrauliczną membran (przy zastosowaniu stosunkowo niskich wartości ciśnień transmembranowych), ale także gwarantują usunięcie z wody związków małocząsteczkowych, które są odpowiedzialne za blokowanie membran i stanowią prekursory UPD1-3.

Twardość wody

Spowodowana jest przede wszystkim obecnością jonów wapnia i magnezu. Nadmierna zawartość tych pierwiastków może powodować wytrącanie się kamienia w instalacjach i urządzeniach domowych. Woda o nadmiernej twardości nie może być również stosowana w wielu gałęziach przemysłu. Dotychczas najczęściej do zmiękczania wody używano metod chemicznych (strąceniowych) lub wymiany jonowej. Aktualnie metody te są wypierane przez proces nanofiltracji. Membrany nanofiltracyjne zapewniają zmniejszenie o 70-99% twardości wody i jednocześnie pozwalają na usunięcie innych małocząsteczkowych zanieczyszczeń organicznych oraz nieorganicznych1-3.

Kryteria wyboru

Procesy membranowe są technikami pozwalającymi na separację zanieczyszczeń o wymiarach cząstek na poziomie molekularnym lub jonowym. W ostatnich latach obserwuje się szybki rozwój tych technik. Postępy w badaniach sprawiają, że ich zastosowanie w ochronie środowiska oraz innych dziedzinach stało się realne i korzystne ekonomicznie.

Membrany mogą być wykonane z materiałów organicznych (polimerów) lub nieorganicznych (ceramicznych albo tlenków metali). Do każdego surowca należy dobrać rozwiązanie techniczne pozwalające na jak najlepsze usunięcie zanieczyszczeń. Aby zdobyć informacje na temat optymalnego materiału oraz parametrów membran wykorzystywanych do oczyszczania wody, w Miejskim Przedsiębiorstwie Wodociągów i Kanalizacji we Wrocławiu prowadzone są badania z wykorzystaniem instalacji do testowania różnego typu membran. Na ich podstawie zostaną wybrane te, które mają największy potencjał aplikacyjny w Zakładzie Produkcji Wody ?Mokry Dwór?.

Zintegrowane procesy membranowe we Wrocławiu

Kolejnym krokiem w badaniu potencjału aplikacyjnego zintegrowanych procesów membranowych w instalacjach oczyszczających wodę na potrzeby Wrocławia będzie przeprowadzenie badań w ramach projektu ?Badania skuteczności nowych technologii oczyszczania wody jako krok ku zmianie myślenia o rozwoju branży wodociągowej? (projekt WODTECH), dofinansowanego z Narodowego Centrum Badań i Rozwoju. Aby stało się to możliwe, wybudowano stację badawczą, która umożliwi porównanie tradycyjnych metod oczyszczania z alternatywnymi (głównie membranowymi) pod kątem jakości produktu oraz ekonomiki procesu. Wyniki projektu będą miały przełożenie na przyszłe decyzje inwestycyjne, związane z wprowadzaniem nowych technologii do układu technologicznego zakładów produkcji wody.

Alternatywne źródła wody

Efektywność wykorzystania kluczowych zasobów naturalnych (w tym wody) oraz przystosowanie do zmian klimatu są wskazane przez Unię Europejską jako kluczowe obszary wsparcia finansowego w zakresie rozwoju innowacyjnych technologii. Są one też zidentyfikowane w krajowych inteligentnych specjalizacjach (KIS), czyli obszarach B+R+I, których rozwój przyczyni się do zwiększenia innowacyjności polskiej gospodarki.

W celu sprostania przyszłym wyzwaniom konieczne jest przeprowadzenie kompleksowych działań, zmierzających do efektywnego gospodarowania dostępnymi zasobami wodnymi. Docelowo każdy strumień wody trafiający do systemu zarządzanego przez spółki wodociągowe powinien być wykorzystany w taki sposób, aby zaspokojenia potrzeb miasta dokonywano przy jak najmniejszym poborze wody. W praktyce oznacza to konieczność wielokrotnego wykorzystania tej samej porcji wody, w tym doprowadzenie części ścieków oczyszczonych do jakości pozwalającej na użycie ich jako wody procesowej. Do tego celu idealnie nadają się technologie membranowe (ultrafiltracja, nanofiltracja odwrócona osmoza). Te same techniki mogą również posłużyć do zmniejszenia strat wody w zakładach oczyszczania wody, na przykład przez jej odzysk z popłuczyn.

Reaktory membranowe

W bioreaktorach membranowych można prowadzić równocześnie kilka jednostkowych procesów oczyszczania, zarówno fizycznych, chemicznych, jak i biologicznych. Użycie technologii membranowych w reaktorach pozwala na rozwiązanie wielu problemów towarzyszących konwencjonalnym metodom oczyszczania ścieków, ponieważ odpowiednio dobrane membrany są doskonałą barierą dla zanieczyszczeń bez konieczności stosowania reagentów chemicznych, odpadowy koncentrat zawiera jedynie zanieczyszczenia występujące pierwotnie w ściekach, a wydajność reaktora membranowego może być na bieżąco dopasowywana do zapotrzebowania.

Głównym problemem eksploatacyjnym instalacji membranowych jest zjawisko blokowania membran (fouling). Prowadzi ono do spadku wydajności procesu, skrócenia cyklu pracy membran i wzrostu kosztów eksploatacyjnych. Aby ograniczyć wpływ foulingu na pracę instalacji, zalecane jest stosowanie układów zintegrowanych, czyli sekwencyjnie połączonych procesów membranowych, głównie ciśnieniowych, z fizyczno-chemicznymi lub biologicznymi metodami wstępnego oczyszczania i końcowego doczyszczania.

Niemniej bioreaktory membranowe (MBR) są niezwykle interesującym rozwiązaniem, które umożliwia połączenie procesów biologicznych z fizyczną separacją za pomocą membran. Rozwiązanie to polega na zanurzeniu modułu membranowego w bioreaktorze. Rola membrany w bioreaktorze membranowym polega na: oddzieleniu biomasy od oczyszczanego ścieku, zatrzymaniu na powierzchni membrany rozwijającej się biomasy, wydzieleniu niektórych składników nadawy i ich transporcie do biofilmu, a także na dostarczeniu gazów do biomedium oraz zatrzymaniu zanieczyszczeń.

Główne zalety bioreaktorów membranowych w porównaniu do konwencjonalnych biologicznych metod oczyszczania to:

  • całkowite usunięcie ze ścieków zawiesin, w tym biologicznych,
  • usunięcie bakterii i wirusów (dezynfekcja),
  • mniejsze rozmiary instalacji,
  • większe stężenie biomasy w reaktorze ? wyższa sprawność procesu.

W technologii oczyszczania ścieków bioreaktory membranowe stosowane są przede wszystkim do usuwania azotanów. Coraz częściej wykorzystuje się połączenia klasycznego procesu osadu czynnego z membranową separacją ścieków oczyszczonych.

W układzie klasycznym oczyszczanie ścieków zachodzi w komorach osadu czynnego, a w osadniku wtórnym następuje oddzielenie biomasy od oczyszczonych ścieków. Efektywność tego procesu jest uzależniona głównie od aktywności osadu czynnego w reaktorze biologicznym oraz prawidłowej pracy osadnika wtórnego.

W technologii bioreaktora membranowego komora osadu czynnego jest zblokowana z membranowym modułem membranowym (najczęściej ultrafiltracyjnym), który oddziela zawiesinę biomasy od biologicznie oczyszczonych ścieków. Odpływ odprowadzany jest do odbiornika, natomiast zatężona biomasa powraca do komory biologicznej. Ultrafiltracja pozwala na utrzymanie w reaktorze biologicznym wielokrotnie wyższego stężenia osadu czynnego4.

W MPWiK we Wrocławiu w ramach projektu ?Optymalizacja usuwania azotu ? poprawa efektów oczyszczania i krok na drodze do samowystarczalności energetycznej Wrocławskiej Oczyszczalni Ścieków? (projekt NWOŚ), dofinansowanego z Narodowego Centrum Badań i Rozwoju, prowadzone są badania nad zintegrowanym działaniem reaktorów biologicznych (SBR) oraz procesów membranowych (mikrofiltracja, ultrafiltracja).

Odzysk substancji ze ścieków

Wysokociśnieniowe procesy membranowe, takie jak nanofiltracja czy odwrócona osmoza, mogą być wykorzystywane do odzysku substancji zawartych w ściekach. Testy tego typu rozwiązań są również tematem wspomnianego wcześniej projektu NWOŚ-u, realizowanego wspólnie przez MPWiK we Wrocławiu, Politechnikę Wrocławską oraz Uniwersytet Przyrodniczy we Wrocławiu. Badania w ramach projektu prowadzi się z wykorzystaniem stacji badawczej wybudowanej na terenie Wrocławskiej Oczyszczalni Ścieków.

Wzbogacanie i oczyszczanie biogazu

Proces fermentacji metanowej od lat jest stosowany jako skuteczna metoda zagospodarowania osadów ściekowych. W jej wyniku otrzymuje się biogaz, który jest ważnym źródłem energii. Główne składniki biogazu to: metan (42-85%) oraz dwutlenek węgla (14-48%). Pozostałymi składnikami gazu są: siarkowodór (0,1-5,5%), azot, amoniak, tlen i tlenek węgla. Biogaz może być wykorzystany w różny sposób, np. do produkcji energii cieplnej w kotłach gazowych, produkcji energii elektrycznej i cieplnej w jednostkach skojarzonych (elektrociepłownie zblokowane, nazywane instalacjami kogeneracyjnymi), zasilania sieci gazu ziemnego, produkcji paliwa do silników pojazdów lub w procesach technologicznych np. w ramach produkcji metanolu.

W zależności od celu, jakiemu ma służyć, niezbędne jest jego uszlachetnienie do odpowiedniej zawartości metanu. Separacja membranowa to relatywnie nowa technologia oczyszczania biogazu do jakości odpowiadającej gazowi ziemnemu. Efektywność jednej membrany jest jednak często zbyt niska do osiągnięcia odpowiednich standardów. W celu zapewnienia wyższego stężenia metanu w gazie finalnym należy zastosować szeregowe połączenie modułów membranowych lub separację membranową w połączeniu z inną technologią oczyszczania (układy hybrydowe). Efektywność separacji w dużym stopniu zależy od konstrukcji instalacji oczyszczania membranowego. W celu jej podwyższenia można wprowadzić recyrkulację oczyszczanego gazu. W praktycznej eksploatacji udział metanu po oczyszczaniu z wykorzystaniem układów membranowych waha się pomiędzy 92 a 98%.

Przemysław Chrobot, MPWiK we Wrocławiu, Centrum Nowych Technologii

Źródła

  1. Chrobot P., Mołczan M., Konieczny T., Malinowski P.: Pilot plant as a tool of the implementation of membrane techniques to water utilities sector, Membranes and Membrane Processes in Environmental Protection. Monographs of the Environmental Engineering Committee. Polish Academy of Science. 2014.
  2. Rautenbach R.: Procesy membranowe. Podstawy projektowania modułów i instalacji. Warszawa 1996.
  3. Bodzek M., Konieczny K.: Wykorzystanie procesów membranowych w uzdatnianiu wody. Bydgoszcz 2005.
  4. Chrobot P.: Charakterystyka procesowa bioreaktora mikrobiologicznego zintegrowanego z procesem mikro- i hiperfiltracji. Praca magisterska. Wrocław 2012.