Doświadczenia z odwróconą osmozą jako czwartym etapem filtracji

W ciągu ostatnich kilkudziesięciu lat jakość wód powierzchniowych uległa znacznej poprawie dzięki wprowadzeniu nowoczesnych technologii oczyszczania ścieków i zaostrzeniu wymagań co do jej jakości. Jednak dzięki najnowszej technologii analitycznej możliwe jest również przeprowadzenie testów laboratoryjnych stwierdzających obecność substancji, które choć występują w niewielkich ilościach, mogą stanowić znaczne zagrożenie dla ludzi i środowiska.

Te substancje śladowe występują w wodach w stężeniach nanogramów na litr lub najwyżej kilku mikrogramów na litr. Syntetyczne substancje organiczne wchodzące do obiegu wody poprzez ścieki domowe lub przemysłowe pochodzą z różnych źródeł, takich jak leki, kosmetyki, pestycydy lub chemikalia domowe i przemysłowe. Nie mogą być usuwane ze ścieków przy użyciu konwencjonalnych technologii oczyszczania i, w związku z tym, przedostają się do środowiska.

Istnieją różne podejścia do usuwania substancji śladowych. W ramach projektów badawczych badane są obecnie na przykład metody adsorpcyjne i utleniające, jak również filtracja membranowa oraz połączenie tych technologii. Każda z technologii ma zalety, ale też słabości. To ostatnie podejście wydaje się najbardziej obiecujące. Technologia adsorpcji wykorzystująca węgiel aktywny nie adsorbuje w równym stopniu wszystkich grup substancji; proces utleniania może powodować powstawanie szkodliwych produktów ubocznych, a w przypadku filtracji membranowej ważne jest, aby zapobiegać blokowaniu membran lub je ograniczać.

Mikrofiltracja lub ultrafiltracja mogą być stosowane jako proces membranowy, ale tylko w połączeniu z technologią adsorpcji. Dzieje się tak dlatego, że pomimo niezawodnego usuwania cząsteczek stałych w ściekach, proces ten nie jest skuteczny w walce z małymi substancjami organicznymi. Te ostatnie można usunąć tylko poprzez odwróconą osmozę (RO), chociaż wymaga to również wyższego ciśnienia. Tab. 1 przedstawia wskaźniki retencji dla mikrozanieczyszczeń mierzone w laboratorium przy zastosowaniu odwróconej osmozy.

Dodatkową zaletą w tym zastosowaniu jest to, że technologia membranowa działa jako niezawodna bariera w celu eliminacji bakterii. Aspekt ten odgrywa ważną rolę w ocenie technologii, szczególnie w świetle rosnącej liczby opornych bakterii.

1. Projekt badawczy BMBF

Przy wsparciu niemieckiego Federalnego Ministerstwa Edukacji i Badań Naukowych (BMBF) realizowany jest obecnie projekt MULTI-ReUse (www.water-multi-reuse.org) mający na celu porównanie i ocenę różnych technologii. Oprócz instytutów (np. IWW Water Centre Mülheim) i uniwersytetów, uczestnikami projektu są: producent elementów ultrafiltracji (UF; Inge GmbH), dostawca wody Oldenburgisch-Ostfriesische Wasserverband (OOWV) oraz LANXESS Business Unit Liquid Purification Technologies, reprezentowana przez IAB Bitterfeld, jako producent membran RO.

Celem projektu jest opracowanie i pilotaż modułowych ciągów procesowych mających na celu zademonstrowanie płynnej produkcji wody użytkowej w niezbędnych ilościach. W tym celu zainstalowano linię pilotażową w oczyszczalni ścieków w Nordenham w północnych Niemczech. Jednym z wielu możliwych zastosowań jest oczyszczenie wody w stopniu umożliwiającym ponowne jej użycie w procesach przemysłowych. Dlatego zaproponowano region Nordenham, gdzie można znaleźć duże zakłady przemysłowe, dla których inną opcją uzyskania wody byłby proces odsalania wody morskiej – bardzo drogi i energochłonny.

2. Proces pilotażowy

Jednostka pilotażowa składa się z dwóch oddzielnych linii, tak, by można było porównać różne warunki procesu. Po etapie biologicznym, ścieki są wstępnie oczyszczane poprzez strącanie osadu lub flokulację, a następnie ultrafiltrację (UF). Funkcją UF jest usuwanie cząstek stałych, natomiast usuwanie soli i mikrozanieczyszczeń odbywa się w drodze odwróconej osmozy. Kolejnym celem było wdrożenie stabilnego i energooszczędnego procesu.

Każda linia RO obejmuje czterocalową rurę ciśnieniową z trzema zainstalowanymi elementami. Element typu Lewabrane® B085 FR 4040 (FR – o zmiejszonym foulingu) zainstalowany jest w jednej linii, a element typu Lewabrane® B085 ULP 4040 (ULP – ultraniskie ciśnienie) w drugiej. Ponieważ jeden z głównych problemów stanowi adsorpcja cząstek na membranie, przetestowano dwa różne typy membran. Membrana typu FR jest gęsta i mniej podatna na zanieczyszczenie, natomiast membrana typu ULP ma otwartą strukturę w celu zmniejszenia zużycia energii (rys. 1).

3. Efekty odwróconej osmozy

Faza testów z pierwszymi elementami trwała około dwóch miesięcy. W tym czasie ciśnienie, natężenie przepływu, przewodność, pH i temperatura były mierzone automatycznie kilka razy dziennie. Regularnie przeprowadzano również analizy wody. Te same wartości odzysku i przepływu zostały skonfigurowane dla obu typów membran, aby umożliwić porównanie wpływu zanieczyszczeń i wydajności elementów. Ponieważ membrany te mają różne specyfikacje, dla typu FR zastosowano ciśnienie o blisko 30% wyższe niż dla typu ULP. Jednakże wskaźnik retencji dla membran typu FR zarówno dla substancji organicznych, mierzony jako całkowity węgiel organiczny (TOC), jak i dla soli (mierzony jako przewodność) był – zgodnie z oczekiwaniami – średnio o 1,5% wyższy. Niemniej wykazano, że przy użyciu testowanych membran RO można osiągnąć bardzo wysoką jakość wody, przy wskaźniku retencji wynoszącym ponad 95% dla TOC i 97% dla soli.

Podczas testów mierzono poziom substancji, w tym diklofenaku i benzotriazolu, w celu określenia wskaźnika retencji. W przypadku membrany ULP wynosił on 99,8% dla diklofenaku i 88,0% dla benzotriazolu – obie te wartości, określone w warunkach rzeczywistych, są wyższe niż wartości zmierzone w laboratorium.

4. Prognoza i obliczanie energii

Oprócz regularnego pomiaru zawartości soli w wodzie badano również, jak dokładnie można przewidzieć wydajność w procesie RO, a zwłaszcza odrzucenie jonów. Zostało to zbadane przy użyciu oprogramowania LewaPlus®, które zostało opracowane przez koncern Lanxess i zawiera parametry obliczeniowe dla zastosowanych tu typów membran Lewabrane®. Program może obliczyć nie tylko jakość wody dla różnych temperatur, ale także ciśnienie i tym samym zapotrzebowanie zakładu na energię. Służy zatem jako pomoc w ocenie procesu.

Porównanie zmierzonych wyników z kalkulacją wskazuje na bardzo dobrą pracę programu, obliczone przy jego pomocy parametry były zgodne z realinie uzyskanymi. Stworzenie takiego systemu jest bardzo skomplikowanym procesem, ponieważ musi uwzględniać nie tylko zanieczyszczenie, ale również wpływ temperatury oraz interakcje jonów ze sobą i z powierzchnią membrany.

Wyniki obliczeń programu można ponadto wykorzystać do obliczenia energii potrzebnej do tego procesu, wykorzystując wartości ciśnienia mierzone w temperaturze 15°C. Przy sprawności pompy wynoszącej 78% i sprawności silnika równej 90%, całkowite zapotrzebowanie na energię dla procesu pilotażowego RO wynosi 0,89 kWh/m³ dla typu ULP i 1,31 kWh/m³ dla typu FR.

Z pomocą oprogramowania Lewa Plus® przeliczono proces oczyszczania całego zrzutu w oczysz­czalni ścieków w Nordenham – przy prędkości opróżniania 8500 m³ na dobę i stopniu odrzutu 75%, zgodnie z obliczeniami, ciśnienie wymagane w temperaturze 15°C wyniosłoby 8 barów. System stopniowego zatężania RO składałby się z 36 rur ciśnieniowych po 6 elementów w każdej na pierwszym stopniu oraz 19 rur ciśnieniowych z sześcio­ma elementami na drugim stopniu. Zapotrzebowanie na energię wyniosłoby 0,47 kWh/m³ przy tej sa­mej sprawności pompy i silnika, jak wspomniano powyżej.

5. Podsumowanie i perspektywy

Wyniki pierwszych eksperymentów z Lewabrane® w ramach projektu Multi-ReUse są przekonujące i potwierdzają usuwanie mikrozanieczyszczeń i substancji śladowych w procesie odwróconej osmozy. Możliwe było również znaczne zmniejszenie zapotrzebowania na energię przy użyciu membrany ULP.

W tab. 3 porównano wskaźniki redukcji ilości związków zmierzone w Nordenham z wartościami z literatury dla innych badanych technologii, takich jak ozonowanie lub połączenie sproszkowanego węgla aktywnego i ultrafiltracji (PAC/UF).

Oczywiste jest, że w porównaniu z technologiami alternatywnymi, wskaźnik redukcji zanieczyszczeń w przypadku RO jest bardzo wysoki, a w większości przypadków znacznie wyższy.

Projekt badawczy ma również na celu obserwację spadku wydajności elementów RO z powodu zanieczyszczenia powierzchni membrany oraz opraco­wanie strategii zmniejszających ten spadek. W tym celu elementy zosta­ły wyjęte i przeanalizowane.Następnie zainstalowano nowe elementy i zastosowano alternatywną przekładkę dystansową (feed spacer) po stronie nadawy. Jest to siatka z tworzywa sztucznego, która zmniejsza efekty polaryzacji stężeniowej po stronie nadawy. Standardowa siatka prowadzi jednak do powstawania obszarów o słabym przepływie. Alternatywna przekładka redukuje te obszary, ponieważ składa się z włókien o różnej grubości. Geometria ta określana jest jako konstrukcja splotu przemiennego (ASD – Alternating Strand Design) i pozwala na redukcję zanieczyszczeń, a w szczególności bio-foulingu.

Oprócz RO badane są jednak również inne technologie. W ramach projektu na kolejnym etapie wykorzystany zostanie także węgiel aktywny. Następnie różne technologie zostaną porównane ze sobą i dokonana zostanie ocena wskaźnika redukcji zanieczyszczeń, zużycia energii i koncepcji usuwania, takich jak zagospodarowanie koncentratu RO i odpadów. Po zakończeniu serii testów należy udostępnić katalog ewaluacyjny dla testowanych technologii.

6. Literatura

• Margot J., Kienle C., Magnet A., Weil M., Rossi L., de Alencastro L.F., Abegglen C., Thonney D., Chèvre N., Schärer M., Barry D.A., 2013b: Treatment of micropollutants in municipal wastewater: Ozone or powdered activated carbon? Science of the Total Environment 461–462, 480–498.
• DGE, 2013. Statement 2012 of the wastewater treatment in canton Vaud, Switzerland [Bilan 2012 de l’épuration vaudoise]. Etat de Vaud, Direction générale de l’environnement (DGE), Division Protection des eaux. http://www.vd.ch/fileadmin/user_upload/themes/environnement/eau/fichiers_pdf/bilan_2012_epuration_Vaud.pdf, last accessed 10 October 2014.
• Verlicchi P., Al Aukidy M., Zambello E., 2012: Occurrence of pharmaceutical compounds in urban wastewater: Removal, mass load and environmental risk after a secondary treatment—A review. Science of the Total Environment 429 (0), 123–155.
• Hollender J., Zimmermann S.G., Koepke S., Krauss M., McArdell C.S., Ort C., Singer H., von Gunten U., Siegrist H., 2009: Elimination of organic micropollutants in a municipal wastewater treatment plant upgraded with a full-scale post-ozonation followed by sand filtration. Environmental Science and Technology 43 (20), 7862–7869.
• Huber M.M., Göbel A., Joss A., Hermann N., Löffler D., McArdell C.S., Ried A., Siegrist H., Ternes T.A., von Gunten U., 2005: Oxidation of pharmaceuticals during ozonation of municipal wastewater effluents: A pilot study. Environmental Science and Technology 39 (11), 4290–4299.
• Sudhakaran S., Calvin J., Amy G.L., 2012: QSAR models for the removal of organic micropollutants in four different river water matrices. Chemosphere 87 (2), 144–150.
• Margot J., 2015: Micropollutant removal from municipal wastewater – From conventional treatments to advanced biological processes. Doctoral thesis N° 6505, Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL), Switzerland.
• Zwickenpflug B., Böhler M., Sterkele B., Joss A., Siegrist H., Traber J., Gujer W., Behl M., Dorusch F., Hollender J., Ternes T., Fink G., 2010: Application of powder activated carbon (PAC) to remove micropollutants from municipal wastewater. Final report. Eawag, Dübendorf. http://www.eawag.ch/forschung/eng/schwerpunkte/abwasser/strategie_micropoll/pak_eawag/Abschlussbericht_MicroPoll_PAK.pdf, last accessed 5 February 2013.

Julien Ogier, Uli Doelchow, IAB Ionenaustauscher GmbH, Bitterfeld

Łukasz Warachim, Konrad Czarnocki, LANXESS CEE Oddz. w Polsce

Źródło: Technologia Wody 2/2019