Víztisztítás ultraszűrésel

Membrántechnológiák a víztisztításban

Általános érvényű alapelvek Víztisztítás Általános érvényű alapelvek Oldott anyagot az ultraszűrő membrán eltávolítani nem tud!! Minden eltávolítandó szennyeződést oldhatatlan formába (csapadék) kell vinni A membránfelület nagy, melyen a mikroorganizmusok elszaporodnak A membrán felülete sérülékeny, mechanikai behatástól óvni kell A membránok soha nem száradhatnak ki

UF Membrán vs. Konvencionális technológia Nyersvíz 20 - 30 perces flokkuláció ülepítés Media Filtration Tisztított víz 5 - 10 perces Flokkuláció Nyersvíz UF Tisztított víz Ultaszűrés

Víztisztítás Technológiai lépések Előszűrés (0,1-0,5 mm) - membránvédelem Előkezelés Oxidáció: Fe, Mn és részben szervesanyag eltávolítás pH beállítás jobb szerves anyag (szín) eltávolítás Koaguláció & flokkuláció zavarosság és szerves anyag eltávolítás Adszorpció (PAC) szag és íz eltávolítás Szűrés (lebegő anyag eltávolítás) (ülepítés+) Homokszűrők (gravitációs vagy nyomás alatti) Membránokkal Utókezelés pH beállítás („biztonságos víz”) Fertőtlenítés: patogén mikroorganizmusok eltávolítása Adszorpció (GAC) THM és/vagy szín/íz eltávolítás

Előszűrés (Lebegőanyag eltávolítás) Víztisztítás Előszűrés (Lebegőanyag eltávolítás) Miért kell eltávolítani: A klasszikus lebegőanyag a membránra káros (abrazív) hatású lehet Eltávolítása mechanikai úton a legmegfelelőbb: Ülepítés (a vízkivétel után közvetlenül) Az ülepítéstől függetlenül előszűrés (0,1-0,5 mm résmérettel) Felszíni vizek esetén rácsokat is kell alkalmazni

Oxidáció (vas, mangán eltávolítás) Víztisztítás Oxidáció (vas, mangán eltávolítás) Miért kell eltávolítani: A tápanyagul szolgál a baktériumoknak Kellemetlen színt, szagot, ízt kölcsönöz a víznek Eltávolítása: Oxidáció Oxidáló anyagok: KMnO4 (2 mg KMnO4/1 mg Mn2+) MnO2 csapadék, mely membrán eltömődést okozhat, lehetőleg kerülni kell, más alternatív oxidáló szer alkalmazása javasolt Hypo: Hosszú reakció idő, nem okoz membrán eltömődést, de THM képződhet Hidrogén peroxid: Hosszú reakció idő, nem okoz membrán eltömődést, nincs THM képződés Klór dioxid: Nagyon jó oxidáló szer, nincs membrán eltömődés, sem THM képződés Ózon: Nagyon jó oxidáló szer, nincs membrán eltömődés, de krakkolja a szerves anyagokat, elősegítve a THM képződést (THM prekurzor képződés)

Víztisztítás Oxidáció (vas, mangán eltávolítás) KMnO4 Mn2+ MnO2 Oxidáció MnO2 kemény finom részecskék amik megtelepednek a membránon és azok pórusaiban. Csak erős savakkal távolítható el (pH<1,0) Permeabilitás csökkentő hatása van

Szerves anyag (KOI) eltávolítás Víztisztítás Szerves anyag (KOI) eltávolítás Miért kell eltávolítani: A tápanyagul szolgál a mikroorganizmusoknak Kellemetlen színt, szagot, ízt kölcsönöz a víznek Eltávolítása: Koaguláció, Flokkuláció: Elsősorban a nem oldott szerves anyagokat távolítja el, de bizonyos mértékű, 5-15% oldott (KOI) eltávolítás is lehetséges. pH beállítással (csökkentéssel) a szerves anyag eltávolítását fokozni lehet

Zavarosság (kolloid) eltávolítás Víztisztítás Zavarosság (kolloid) eltávolítás Miért kell eltávolítani: A kolloid mérete a membrán pórusok méretéhez közeli, azaz 0,01-0,1 µ, ezért nehezen eltávolítható eltömődést okoz. Eltávolítása: Koaguláció Flokkuláció Koagulációval Koaguláció nélkül

Víztisztítás Koaguláció-Flokkuláció Paraméter Mértékegység Érték Perc 1 Koaguláció sebesség gradiense 1/sec 800-1000 Flokkuláció 5-12 Ld. köv. dia Flokkuláció sebesség gradiense 10-100

Tilos a PE (polielektrolit – flokkulálószer) adagolás! Víztisztítás Flokkuláció ideje Koaguláns Hőmérséklet 0C < 10 >10 BOPAC 5 min 3 min Alumínium/vas Szulfát/klorid 10 min Tilos a PE (polielektrolit – flokkulálószer) adagolás!

Az ultraszűrés alkalmazási módjai

Alkalmazási lehetőségek Direkt szűrés (Zavarosság és Pathogen eltávolítás) UF UF Coagulant Koaguláció (Szerves anyag eltávolítás) Zavarosság,Pathogen és szerves anyag eltávolítás Ülepítő UF Előkezelés UF Oxidáló szert Fe & Mn eltávolítás

Direkt szűrés UF Alkalmazhatóság: Zavarosság, lebegőanyag és pathogenek eltávolítása Nincs koaguláció flokkuláció Oxidáció lehetséges A permeátum zavarossága <0.1 NTU, függetlenül a nyersvíz zavarosságától (Oxidálószer) UF Alkalmazhatóság: Zavarosság:<5 NTU Lebegőanyag: <10mg/l KOI< 5mg/l Koncentrátum

Koaguláció+ flokkuláció + UF Koaguláns Oxidáló szer Flokkuláció UF Vegyszer gyorsbekeverés statikus keverővel Nincs ülepítés A legelterjedtebb alkalmazás Gyakorlatilag minden felszíni víz esetén alkalmazandó

Koaguláció+ flokkuláció+ ülepítés+ UF Koaguláns A lebegő anyagok és a koagulált kolloidok nagy része az ülepítés során eltávolításra kerül Kisebb membrán terhelés, magasabb fluxus Főleg akkor kerül alkalmazásra, ha már az ülepítő létezik (egy régi – hagyományos – rendszer átalakítása során) Sometime clarifiers are used….

Fe & Mn eltávolítás UF Oxidáló szert Az oxidáció pillanatreakció, statikus keverő elegendő Főleg felszín alatti víz esetén, ahol a zavarosság <1-2 NTU. Sometime clarifiers are used….

Együttes eltávolítás: Vas, Mangán Arzén Ammónia A nitrifikáció az ammónia oxidálása nitriten keresztül nitráttá

A folyamat Levegőztetés (ammónia oxidáció - Nitrosomonas, Nitrobacter) Mangán (II) vas(II) és arzén (III) oxidációja (permanganát, Klór dioxid vagy hidrogén peroxid) Arzén(V) Koaguláció (Fe2(SO4)3) Up flow nyomás alatti szűrés Biztonsági szűrés (Homokszűrés vagy UF) Zagyülepítés és visszavezetés Iszapsűrítés, deponálás

PFD of ZENON-VITAQUA Technology

Nitrifikációs technológia a gyakorlatban Példa Biztonsági szűrő Nitrifikáló oszlopok Vegyszeradagolók Légtelítő Feladó szivattyúk

Levegőztetés az ammónia tartalom függvényében NH3 < 1,5 mg/l 1,5mg/l < NH3 Atmoszférikus levegőztetés Nyomás alatti levegőztetés 1. NH3 + 1.5 O2 + Nitrosomonas → NO2- + H2O + H+ 2. NO2- + 0.5 O2 + Nitrobacter → NO3- 3. NH3 + O2 → NO2− + 3H+ + 2e− 4. NO2− + H2O → NO3− + 2H+ + 2e−

A biomassza DNA vizsgálatának eredményei A talált baktérium törzsek: Methylophylus, Methylotenera(Methylophylaceae), Novosphingobium, Methylomicrobium, Uncultured Methylococcaceae or Methylobacter Nitrosomonas vs. Methylotrophs: 0,0089% Mindössze 2 nitrifikáló törzs jelenléte volt kimutatható az 5-ből. A nitrifkációhoz szükséges törzsek: Nitrosococcus mobilis, Nitrosovibrio, Nitrosomonas, Nitrosospira, és Nitrosolobus

A metán hatása a nitrifikációra Metanotróf, vagy metán-oxidiáló baktériumok, először H2O2 képeznek, ami oxidálja a metánt metiloamint képezve.B CH4 O2 NH3 Metanotróf H2O2 CH3OH CH3NH2 Metiloamin extrém toxikus és mutagén hatású a baktériumokra.

Metán tartalom 201/2001 Korm. Rend. Alapján a limit: 8 l/m3 Biológiai ammónia eltávolítás esetén a limit: 0,2 l/m3 Eltávolítása: Gáztalanítás a kútfejnél Gáztalanítás a légtelítőben Külön gáztalanítás a légtelítő előtt: Ejektor Fúvókák Töltetes gáztalanító (biofilm jöhet létre)

Az eljárás alkalmazhatósága Praméter Nyersvíz Norma Tisztított víz Fe <6 mg/l 200μg/l <30 μg/l Mn <2 mg/l 50 μg/l <20 μg/l As <300 μg/l 10 μg/l <10 μg/l NH4+ 6 mg/l 0,5 mg/l <0,02 mg/l NO2- 10 mg/l KOIps 30 mg/l 5 mg/l <5 mg/l

Ivóvíztisztítás Utókezelés pH beállítás („biztonságos víz”) Korrózió védelem: pH=7,8-8,2 Fertőtlenítés: patogén mikroorganizmusok eltávolítása Nincs „ölendő” mikroorganizmus Kevesebb fertőtlenítő szer Adszorpció (GAC) THM és/vagy szín/íz eltávolítás

Bacterial Reduction Using Chlorine Dioxide Micro-organisms ppm of ClO2 Contact Time (s) Inactivation in % Staphylococcus aureus 1 60 99.999 Eschericia Coli 0.15 300 99.9 0.25 >99.999 Streptococcus 15 Lactobacillus Brevis Pseudomonas aeruginosa Fungicidal Activity of Chlorine Dioxide Contact Time (min) Saccharomyces diastaticus (yeast) 10 0.5 Penicillum expansum (mould) 99.99 2 20 Pediococcus Damnosus (yeast) 0.3 5 Pectinatus cervisiiphilus (yeast) 0.1

2ClO2 + 2OH- = ClO2- + ClO3- + H2O A klórdioxid alkalmazhatósága A klórdioxid klorát iont képez, aminek a mennyisége az ivóvízben limitált: 2ClO2 + 2OH- = ClO2- + ClO3- + H2O Az OTH az alábiak szerint szabályozza a klórdioxid alkalmazhatóságát:

víztisztítás Mikrobiológia komponensek eltávolítás hatásfokának összehasonlítása Hagyományos UF Membrán Ülepítés ~ 50% Nem szükségs Szűrés ~ 75-80% ~99.99% Total ~80%

Ivóvíztisztítás Tipikus tisztított víz adatok Paraméter Tisztított víz Giardia and Cryptosporidium Coliszám Lebegő anyag Zavarosság Szín KOI Részecske szám Nem kimutatható < 1/100mL < 1 mg/L < 0.2 NTU 50-95% eltávolítás koagulációval 45-75% eltávolítás koagulációval < 5 részecske/mL

Egy 190.000 m3/d kapacitású telep helyigénye Példa Egy 190.000 m3/d kapacitású telep helyigénye Hagyományos 11.150 m2 Szűrés Ülepítés Flokkuláció Intenzív 3.250 m2 Membrán 1.115 m2

Bemerülő, vákuum alatt működő membránok az víztisztításban Membrane Modules Membrane Train Membrán szál Modul Kazetta Technológiai sor ZW500.avi ZW1000.avi

Bemerülő, vákuum alatt működő membránok elvi működése BP szelep Folyamati szivattyú Membrán Kiadó szelep Permeátum szívó szelep Permeátum Zárt szelep Nyitott szelep BP tartály

Üzemeltetési lehetőségek Részleges ürítés A tank 20%-a kerül leürítésre CF=5-6 Ha nincs lehetőség a teljes ürítésre 20-45 min Szűrés Dekoncentráció

Üzemeltetési lehetőségek Teljes ürítés köztes BP CF=3-4 ~3000 mg/L TSS) Periodikus BP levegőztetéssel Used for high incycle fouling 1-3 hours Szűrés Dekoncentráció

Üzemeltetési lehetőségek Depozit Mód CF=1 ~3000 mg/L TSS BW és ürítés Ürítés ideje: 45-120 s 1-2 hours Szűrés Dekoncentráció

Membránok a gyakorlatban Nyomás alatt működő membránok Membrán szál Modul Rack Sor

ZW1500 elements

Membránok a gyakorlatban Folyamati ábra (PFD) Permeátum Feladás Feladó szivattyú 500 micron Előszűrő Hulladékvíz BP szivattyú és tartály Levegőztetés ZW1500 Membrane Rack NaOCl Citromsav CIP szivattyú és tank SMBS NaOH Neutralizáció - opció

Ipari víztisztítás

Ipari víztisztítás Felhasználás lehetőségek Hűtővíz előállítás Használati/ipari meleg víz előállítás Technológiai víz előállítás Kazántápvíz Ultratiszta víz előállítás

Hűtővíz Elvárások: Források: Tipikus folyamatok: WWTP minimális lebegő anyag tartalom minimális frissvíz igény Víz visszaforgatási lehetőség Források: Felszíni víz Tisztított komm. szennyvíz Tisztított ipari szennyvíz Tipikus folyamatok: Direkt szűrés (DF) Harmadlagos tisztítás (TT) Koaguláció(EC WWTP Ultrafiltration hűtővíz

Kazántápvíz Kazántápvíz Elvárások: Források: Tipikus folyamatok: Alacsony oldott anyag koncentráció Alacsony vezetőképesség Környezetbarát technológia Források: Felszíni víz Felszín alatti víz Tisztított komm. szennyvíz Tisztított ipari szennyvíz Tipikus folyamatok: Ultraszűrés (UF) & Reverse Osmosis (RO) EDI

Technológiai és ultratiszta víz Elvárások: Gyakorlatilag oldott anyag mentes legyen Források: Felszíni víz Felszín alatti víz Tisztított komm. szennyvíz Tisztított ipari szennyvíz Tipikus folyamatok: Ultraszűrés Fordított ozmózis (RO) Elektrodialízis Az ultratiszta víz ellenállása: >16 MΩ (<0,06 µS)

Fordított ozmózis

Félig áteresztő membrán Ozmózis Az oldószer mozgása a félig áteresztő membránokon, a koncentráció függvényében Pozm Félig áteresztő membrán Nagyobb koncentráció Kisebb koncentráció 31

Félig áteresztő membrán Fordított ozmózis Az olószer mozgása a félig áteresztő membránokon, a koncentráció függvényében P > Pozm Félig áteresztő membrán Nagyobb koncentráció Kisebb koncentráció 31

Fordított ozmózis A működés elve A feladott víz egy része jut át a membránokon. Permeátum Feladás Koncentrátum   75

Az ozmózis nyomás Posm = C x R x T Példa: C = Oldatkoncentráció (mol) R = Egyetemes gázállandó (Regnault szám) 0,0821 l atm/mol 0K 8,134 J/mol 0K T = Hőmérséklet (Kelvin fok) Példa: C = 1 mol/l R = 0,0821 l atm/mol 0K T = 293 K0 (20 0C) Posm = C x R x T Posm =1 mol/l*0,0821 l atm/mol0K *293 0K = 24 atm (bar)

Az ozmózis nyomás TCF – Temperature Correction Factor TCF – Hőmérséklet korrekciós faktor, ami a hőmérséklet hatását mutatja a membrán transzportációs folyamatban A transzport ráta kb. 3%-al csökken Celsius fokonként. Számolása: TCF= 1/exp(2700*(1/273+t)-1/298)) t= Hőmérséklet 0C

NDP= Pf – Pozm – Pp – 0,5*Pd (+Ppermoz) Fordított ozmózis NPD NDP- Net Driving Pressure (A víz áramlásához szükséges nyomás) NDP= Pf – Pozm – Pp – 0,5*Pd (+Ppermoz) Ahol: Pf – feladó nyomás Pozm – átlagos ozmózis nyomás Pp – permeátum nyomás Pd – Nyomásesés az RO elemeken Ppermoz – Permeátum ozmózis nyomása

Fordított ozmózis NPD (Példa)

Fordított ozmózis Koncentrációs faktor

Fordított Ozmózis (RO) Membránok A membrán elemek tulajdonságait általában 25 °C-ra adják meg A hőmérséklet csökkenésével a víz viszkozitása nő, a membrán fluxus csökken….és fordítva A fluxus változását egy faktorral jellemzik Általában: 3% / °C (A gyártók megadják egyes membrántípusokra ) A só visszatartás is nagy mértékben függ a hőmérséklettől.

Fordított ozmózis Előkezelés Kútvíz Lebegőanyag eltávolítás Inhibitor adagolás Deklórozás Ivóvíz Dual-Media szűrő HomokFilters Cartridge szűrő Ultraszűrés Felszíni víz Vízlágyító vegyszeradagolás Aktívszén Vegyszeradagolás

Fordított ozmózis Szabad klór eltávolítás Miért szükséges? Minimális mennyiségű oxidáló anyag tönkreteszi a membránokat Hogyan? Aktívszén szűrés Nátrium metabiszulfit (SMBS) adagolás: cartridge szűrők előtt 2-3x szabad klór koncentráció Redox potenciál (ORP) ellenőrzés. ORP <150 mV

Fordított ozmózis Hagyományos vs. UF előkezelés vízminőség alapján Előkezelés módja UF, 0.04 m nominal pore size MMF 5 m cartridge filter Tisztított víz minősége Állandó, számítható vízminőség SDI < 2.5, 100% állandóan, általában < 1.5 Zavarosság: < 0.1 NTU Pozitív gát a patogéneknek – nincs szűrőáttörés Bacteria: > 5 log eltávolítás GiardiaCyst: > 4 log eltávolítás Virus: > 4 log eltávolítás Változó vízminőség SDI < 4 ~90% működési időben Zavaroság: < 1.0 NTU MMF nem pozitív gát a kolloidikus és bakteriális szennyződéseknek

Fordított ozmózis Hagyományos vs. UF előkezelés működés alapján Tipikus élettartam UF Membrán: 8 - 12 years Cartridges: 2-5 hónap MMF szűrő: 20 - 30 év Cartridges: 2 - 8 hét RO Design Fluxus: ~ 30 lmh Fluxus: ~ 20 lmh RO csere ráta ~ 10% évente ~ 14% évente Előkezelő helyigénye ~ 30 – 60 % 100 %

Fordított ozmózis Sóvisszatartás   Permeátum Feladás 2 mg/l 100 mg/l Koncentrátum 75

Az RO membránok só visszatartás mértéke a koncentráció függvényében

Az NF membránok só visszatartás mértéke a koncentráció függvényében

Só áteresztő képességek összehasonlítása Fordított ozmózis Só áteresztő képességek összehasonlítása

Membrán elemek és vesselek Fordított ozmózis Membrán elemek és vesselek

Membrán elemek és vesselek működés közben Fordított ozmózis Membrán elemek és vesselek működés közben

Fordított ozmózis Tipikus működési séma Feladás Cartridge szűrő Vesselek 1 (Membrántartó csövek) S Feladó szelep Nagynyomású szivattyú Permeátum Vesselek 2 Banking: 1-1 Koncentrátum Szabályzó szelep 75

Fordított ozmózis Tipikus technológia megoldás A vesselek a jobb hidraulikai viszonyok miatt párhuzamosan vannak kötve Példa: Több lépcsős gép, közös feladással, és közös koncentrátum elvezetéssel. Második lépcső Első lépcső Permeátum Koncentrátum

Fordított ozmózis Alkalmazások Sótalanítás Tengervíz Brakk víz Kazántápvíz Technológiai víz előállítás Nitrátmentesítés

Fordított ozmózis Előnyök, hátrányok Előnyök Hátrányok Könnyű működtetés Nagyon jó vízminőség Kis helyigény A membránok standard elemek Hátrányok Koncentrátum elhelyezés Energiafelhasználás (tengervíznél)