Víztisztítás membrántechnológiával Dr. Pólik András GE Water & Process Technologies

Témakörök Membrántechnológiai alapfogalmak A membránokról általában Ivóvíz előállítás Víztisztítás ultraszűréssel Az ultraszűrés alkalmazási módjai Ipari víztisztítás Fordított ozmózis EDI (Elektrodeionizáció) EDR (Eletrodialízis reverzál) Tervezési példa Ipari (nem biológiai) szennyvíztisztítás Megvalósult projektek

Szűrési spektrum Szűrés módja Résméret mikron Felhasználhatóság Homok >50 durva szűrés Mikro 0,1-3 Ivóvíz tisztítás Ultra 0,01-0,1 Lebegő anyagok eltávolítása. Ivóvíz tisztítás, RO előkezelés Nano 0,001- 0,01 Nagyobb ionok eltávolítása (pl. vízlágyítás) Fordított ozmózis <0,001 Ionok eltávolítása

Membrántechnológiai alapfogalmak

Terminológia Mikroszűrés (MF) Visszamosás (Backpulse – BP); Ultraszűrés (UF) Nanoszűrés (NF) Fordított ozmózis (RO) Membránnyomás (TMP); Permeátum Fluxus; Membrán Permeabilitás. Membrán integritás teszt (MIT) Nyomáscsökkenés teszt (PDT) Visszamosás (Backpulse – BP); Visszamosó tisztítás (Backwash – BW); Karbantartó tisztítás (MC); Regeneráló tisztítás (RC); Fordított ozmózis (RO) Elektrodeionizáció (EDI) Elektrodialízis reverzál (EDR)

A membránokról

A membrán Membránok különböző vastagságú, a homogén vagy heterogén szerkezetek, amelyek két fázis szétválasztásra szolgálnak, mint egy szelektív gát. Működésükhöz hajtóerő szükséges, amely lehet: Nyomás (pozitív, vagy negatív) Elektromos áram Koncentráció különbség Fázis 1 Fázis 2 membrán

Composite Membrane Cross-section A membrán Típusok Két alaptípus létezik: Porózus (UF, MF) Nem porózus(RO, NF) általában vékony film Cross-Section Top Surface Composite Membrane Cross-section Nem porózus film Porózus réteg RO, NF Membrane UF, MF Membrane Támasztó réteg

Membrán Jellemzők Az effektív felület Pórusméret Az a felület, ami a szeparációban ténylegesen részt vesz. Pórusméret Az effektív mérete a pórusoknak amiken keresztül a szeparáció megvalósul. Mértékegységei: Mikron Angstrom (Å), Dalton (D), Molekulasúly

Membrán Pórusméret Nominal pórusméret Pórusok száma Pórusméret

Membrán Működési limitek A Membránok képesek: A vízben található szennyeződések eltávolítására A szennyeződések koncentrálására a koncentrátum áramban Szelektív molekula méret szerinti szeparációra Mikroorganizmusok eltávolítására A Membránok NEM képesek: 100% szeparációra Eltömődés esetén effektív működésre A szennyeződések széles spektrumának egyidejű eltávolítására

Membrán típusok Az anyaguktól függően Szemi-permeábilis membránok: Melyek csak bizonyos anyagokat bocsátanak át. (pl. ioncserélő membránok) Természetes Membránok: Rugalmas, általában felületi anyagok, mint pl. gyümölcshéj, bőr sejtfal. Alapvetőek az életműködéshez Kerámia membránok (természetes anyag, de „gyártott”) Szintetikus membránok: Polimerek, kerámia, fém, vagy impregnált porózus anyagok, gelek; Vastagságuk általában 0.1 to 0.5 mm.

Membrán típusok A szűrési irány alapján Inside-out (dead end) Feed Water Filtrate Outside-in (dead-end) Filtrate Feed water

Az az alkalmazott nyomástól függően Membrán típusok Az az alkalmazott nyomástól függően Nyomás alatti Vákuumos

Membrán típusok Követelmények: Anyaguktól függően Nagy porozitás Erős (rugalmas, nyomástűrő) polimer Hidrofil jelleg Széles pH tartomány tolerancia Jó oxidálószer (szabad klór) tolerancia Jó megmunkálhatóság (gyártás) Alacsony ár

A kialakításuktól függően Membrán típusok A kialakításuktól függően Csöves (MF, UF) Üreges szálú (UF) Kerámia Lapmembrán (MF, UF) Tekercs (NF, RO)

Csöves membránok

Csöves membránok Működés: Funkciója: Belülről kifelé szűr Fluxus: 50-150 lmh Üzemi nyomás: 3,5-5,0 bar Működési hőmérséklet: 5-40 0C Funkciója: Lebegőanyag eltávolítás Koagulációval részleges szerves anyag eltávolítás Előny: Magas szervesanyag tolerancia: KOI <3,000 mg/l Magas olaj tartalom tolerancia: 200 –2000 mg/l Nagy lebegőanyag tolerancia: <30000 mg/l Kis vízmennyiségek tisztítására <1500 m3/d Könnyen konténerizálható Alacsony eltömődési ráta, a turbuláris áramlás miatt Magas fluxus érhető el 50-150 lmh Hosszú membrán élettartam 5 - 8 év Működési limitek: Hőmérséklet 5-40 0 C Nyomás maximum: 5,5 bar pH 3-10 Max olaj tartalom: 40% Max lebegőanyag: 30,000 mg/l

Üreges szálú membránok Típusok Lehetnek: Bemerülő, membránok. A membránok a membránmedencében vannak víz alatt. A működéshez szükséges hajtóerőt vákuum biztosítja. Nyomás alatt működőek. A membránok nyomástartó csőben vannak A működéshez szükséges hajtóerőt nyomás biztosítja. ..\Presentation rus\ZW fibre.avi

Üreges szálú membránok Felépítés Három részből áll: Membrán (Tartóréteg) Üreges rész Működési mód: Outside in (kívülről befelé)

Üreges szálú membránok Bemerülő membránok működési elve ZeeWeed® 500 Flow Diagram ..ZW fibre.avi

Üreges szálú membránok A nyomás alatti membránok működési elve

Üreges szálú membránok Összefoglalás Működés: Kívülről befelé szűr Egyszerű, teljesen automatizált folyamat Rendszeres automatikus visszamosás Üzemi nyomás +/- 0,5 bar Fluxus: 25-45 lmh Funkció: Lebegőanyag eltávolítás Koagulációval részleges szerves anyag eltávolítás Eleveniszap szűrésére is alkalmas. Limitek: 2 0C <Hőmérséklet <400C. 5< üzemi pH <9.5 2< tisztítási pH <10.5 (12) Max. olaj koncentráció: 0,2 mg/l Max lebegőanyag: 10,000 mg/l Előnyök: Jobb lebegőanyag eltávolítás, mint MMF-el Nagy mikroorganizmus eltávolítási hatásfok Alacsonyabb működési költség, mint a nyomás alatti rendszereknél. Kis helyigény

Kerámia membránok

Spirális (tekercselt) membránok Jellemzői Keresztirányú (Cross flow) szűrés Két vízáram van Permeátum: Koncentrátum: Az oldott ionok a koncentrátum áramban maradnak. Tipikus pórusméret: < 0.002 microns

Spirális (tekercselt) membránok Felépítés Mg++ SO4-- Mg++ Cl- Ca++ Cl- Na+ SO4-- Cl- Na+ Membrán Tartóréteg Permeátum vezető csatorna Permeátum vezető csatorna Tartóréteg Membrán

Spirális (tekercselt) membránok Összefoglalás Funkció: Oldott anyagok (ionok) eltávolítása Működés Működési nyomás: 3,5-80 bar Tisztítás: CIP (Cleaning in place) Limitek: Nem alkalmazható lebegőanyag eltávolítására Maximum hőmérséklet: 80 0C Maximum nyomás: 80 bar Előnyök: Nagy ion eltávolítási hatásfok Frakcionált elválasztást is lehetővé tesz.

Alapdefiníciók

Alap definíciók Nyersvíz: Az a víz, amiből a szennyezőanyagok eltávolítandók (általában előkezelést igényel) Koncentrátum (Reject, concentrate): A nyersvíz azon része, amely nem jut át a membránokon. Tisztított víz (Permeátum) A nyersvíz azon része, amely átjut a membránokon (általában utókezelést igényel)

Alap definíciók Transzmembrán nyomás (TMP) A membrán felületén és a membrán belsejében lévő nyomáskülönbség. Nem keverendő össze a csövekben lévő nyomással! TMP egy kritikus paraméter ami a teljes membrán rendszer állapotát tükrözi Számolt érték TMP = Kollektor nyomás + (A+B – H) x C C = konverziós factor, a víz mélységétől és a nyomástól függ (m) to (kPa) (m) to (mbar) C = 9.806 C = 98.06

A TMP meghatározása nyomás alatt működő membránoknál Alap definíciók A TMP meghatározása nyomás alatt működő membránoknál  

Alap definíciók A fluxus Permeátum fluxus Az a vízmennyiség, ami egységnyi idő alatt egy egységnyi membránfelületen áthalad. Mértékegysége: liter/m2/óra (LMH) Miért fontos? A fluxus meghatározza a az alkalmazandó membránszámot. A fluxus az alapja a permeabiltás számolásnak.. A fluxus meghatározása: Fluxus (LMH) = permeatum térfogatáram (liter/perc) * 60 (perc/óra) membrán felület (m2)

Alap definíciók A fluxus kiválasztása Konzervatív Agresszív Hosszú távon működőképes Nagy az eltömődési potenciál Hosszú membrán élettartam Rövidebb membrán élettartam Nagyobb beruházási költség Alacsonyabb beruházási költség Magasabb működési költség Alacsonyabb működési költség 30-40 (50) lmh 40-50 (70) lmh

Alap definíciók A permeabilitás Permeabilitás (áteresztőképeség) Egy normalizált módszer a membrán áteresztőképesség meghatározására Miért fontos? A membrán az eltömődéssel egyenes arányban egyre nehezebben képes (egyre nagyobb „erőt” fejt ki) a megfelelő vízmennyiség átbocsátására. A permeabiltás a membrán eltömődésének a mérőszáma Számolása: Permeabilitás (LMH/bar) = Permeatum fluxus (LMH) Transmembrane Pressure (bar)

Alap definíciók Fluxus és Permeabilitás hőmérséklet korrekciója Mi a jelentősége a hőmérsékletnek? A membrán működése (permeabilitás) a víz viszkozitásától nagy mértékben függ, a viszkozitás viszont a hőmérséklettel fordítottan arányos. Miért kell a korrekció? A különböző hőmérsékleten mért fluxus és permeabilitás összehasonlítása érdekében. Számolás: Flux @ T2 = Flux @ T1 * Viscosity @ T1 Viscosity @ T2

Fluxus és Permeabilitás hőmérséklet korrekciója Alap definíciók Fluxus és Permeabilitás hőmérséklet korrekciója  

Alap definíciók A fluxus hőmérsékletfüggése 2.0 1.8 1.6 Relatív Fluxus 1.4 1.2 Dinamikus viszkozitás @25 0C) 1.0 0.8 0.6 Viszkozitás 0.4 0.2 °C 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

A permeabilitás hőmérséklet függése

TMP v.s. Permeabilitás

Alap definíciók A kihozatal (Recovery – R)  

Alap definíciók Netto Permeátum ráta (NPR) Mi a nettó permeátum mennyiség? Az az átlagos térfogatáram, ami egységnyi termelési idő alatt átfolyt a membránokon, mínusz, a membránok visszamosására felhasznált vízmennyiség. Miért fontos? Az NPR értéke alapján lehet meghatározni egy telep tényleges kapacitását. Számolása IPR * Termelési időszak (min) – Viszamosó vízmennyiség (m3) 1 Szűrési ciklus időtartama (min) + visszamosás időtartama (min) IPR = Pillanatnyi Permeatum térfogatáram Rate (m3/h) NPR = Net Permeate Rate (m3/h) NPR =

Példa az NPR számolására Adatok: Pillanatnyi permeátum térfogatáram: 600 m3/h Termelés időtartama: 0,5 óra Viszamosásra fordított vízmennyiség: 40 m3 Szűrési ciklus: 30 perc Visszamosási ciklus időtartama: 30 sec NPR = 600* 30 perc - 40 m3 30 perc + 0.5 perc NPR = 588,8 m3/h

Koncentrációs faktor (CF)   CF Ciklikus Levegőztetés BW aeration CF = 1 A részecskék a membrán felületén maradnak CF = 10-20 A részecskék szuszpendáltak maradnak

outside in vs. inside out Koncentrációs faktor outside in vs. inside out 25 Outside-in-filtration Average Concentration Factor = 19,5 20 5 10 15 20 25 1 2 3 4 6 7 8 Time [Hours] Concentration Factor inside-out-filtration Average Concentration Factor = 5,8 15 Concentration Factor 10 5 1 2 3 4 5 6 7 8 Time [Hours] A CF nagyobb az outside in szűrési módban

Alap definíciók Eltávolítási hatásfok (Log Removal Value – LRV) CFeed

Koncentráció a permeátumban Eltávolítási hatásfok Log Removal Value Ha a nyersvízben a koncentráció 100: Koncentráció a permeátumban Eltávolítási hatásfok LRV 10 90% 1 99% 2 0.1 99.9% 3 0.01 99.99% 4 0.001 99.999% 5 0.0001 99.9999% 6 Vírusok: 3 Log Baktériumok: 4 Log

Alap definíciók Langelier Saturation Index (LSI) A Langelier Szaturációs Index (LSI) egy elméleti indikátor a víz szaturációs értékének kifejezésére kalcium karbonátra vonatkozóan. LSI = pH - pHs Ahol pH a víz mért pH-ja pHs = (9.3 + A + B) - (C + D) A = (Log10 [TDS] - 1) / 10 B = -13.12 x Log10 (oC + 273) + 34.55 C = Log10 [Ca2+ CaCO3-ban] - 0.4 D = Log10 [lúgosság CaCO3-ban] Ha az LSI: negatív: Nincs potenciális veszély CaCO3 kicsapódásra pozitiv: (Ca, P) CO3 csapódhat ki nulla: határeset, a hőmérséklet változásán múlik kicsapódás Add GFD calc, A-value, types of membrane w/ characteristics & operating pressure, rolling a membrane element 75

Alap definíciók SDI – Silt Density Index   Add GFD calc, A-value, types of membrane w/ characteristics & operating pressure, rolling a membrane element 75

A membránok tisztítása

A Membrán eltömődés (Fouling) A membrán felületén megtapadt anyagok amelyek: Csökkentik az aktív membránfelületet Csökkentik a membrán permeabilitását Emelik a fluxus értékét. Mik okozzák? Bármilyen anyag, ami akkumulálódik a membrán felületén. Eltávolításuk csak membrántisztítási módszerekkel lehetséges. Fajtái: Szervetlen: Általában szilár anyagok, amelyek eredetileg is a vízben voltak (pl. flokkok) vagy szűrés közben válnak ki csapadék formájában (pl. CaCO3). Szerves: Elsősorban nem ionos, szerves anyagok, huminsavak, metabolitikumok, általában a KOI (TOC) okozó anyagok Biologiai eltömődés: A mikroorganizmusok (baktéria, alga) a membrán felületén megtapadva ott elszaporodnak

A Membránok tisztítása Automatikus induló folyamatok Nem automatikusan induló folyamatok Levegőztetés Backpulse Backwash MC (Maintenance Cleaning – karbantartó tisztítás) RC (Recovery Cleaning – regeneráló tisztítás)

A Membránok tisztítása A Membrán levegőztetés Miért szükséges a levegőztetés? A membránszálakat mozgásban tartja, megakadályozva a szennyeződések lerakódását A lazán kötött szennyeződéseket eltávolítja Fajtái: Ciklikus: 10 másodpercenként váltakozva a membrán kazetta egyik-egyik fele kerül levegőztetésre Csak Backwash alatt (BW aeration) A BW előtt és alatt, segítve a visszamosó vízáram tisztító hatását A BP fluxus állandó, a berendezés kapacitásától független. ZW fibre.avi

A Membránok tisztítása A Membrán visszamosás (Backpulse – BP) Visszamosás (BP): Rendszeres, PLC által vezérelt automatikus visszamosás, elsősorban a könnyen eltávolítható mechanikus szennyeződések ellen. Általában a tisztított vízzel történik, annak a szűréssel ellenkező irányba történő visszavezetésével. A BP fluxus állandó, a berendezés kapacitásától független. A visszamosó vízáramba tisztító folyadék adagolása általában nincs. 15-30 percenként, 30-60 másodperc időtartamig.

A Membránok tisztítása A visszamosó tisztítás (Backwash – BW) Ez egy rendszeres automatikus folyamat, melynek során: Először vegyszeres Backpulse játszódik le Majd a membrántérben lévő víz eltávolításra kerül (dekoncentráció) A membrántér újratöltése után a szűrés újraindul Időtartam: 30-180 percenként a kihozatal, és a lebegőanyag koncentrációjának függvényében

A Membránok tisztítása A karbantartó tisztítás (Maintenance Cleaning – MC) Ez egy rendszeres NEM automatikusan indított folyamat, melynek során: Először membrántérben lévő víz ürítésre kerül Vegyszeres Backpulse –okkal a membrántér feltöltésre kerül Hypós (@ pH= 10-12) Szerves anyag eltávolítás Fertőtlenítés Savas (@ pH= 2,0-2,2) Szervetlen anyagok (sók) eltávolítása A BP ciklusok addig ismétlődnek, amíg a vízszint a membrántartályban el nem éri a megfelelő szintet. A ciklusok között relaxáció van 1-5 perc időtartamig. A szint elérése után a membránok az oldatban áznak meghatározott ideig (10-30 perc). Tank ürítés Tank töltés nyersvízzel Ultraszűrés: elő szűrlet eldobás Normál szűrés

A Membránok tisztítása A regeneráló tisztítás (Recovery Cleaning – RC, vagy CIP) Gyakorlatilag megegyezik az MC tisztítással, mindössze a tisztító vegyszer töménysége és az áztatás ideje változik. Az RC nem előre programozott folyamat, inicializálása és a vegyszertöménységek beállítása a kezelő által történik. Általában külön tartályban történik a vegyszer bekeverése (CIP-Cleaning in Place tartály)

A membrán állapotának vizsgálata PDT PDT (Pressure Decay Test): A membránok nyomástartását lehet vele ellenőrizni 0,7 bar nyomású levegőt vezetnek a membránba, majd Lezárják és a nyomáscsökkenést nézik Az eredmény: PDT(t) = ….. mbar/t min (t= a test időtartama) Minden membrántípusra és alkalmazásra más-más a limit. Általában: 2-10 mbar/10 min Ha a túllépi a limitet, integritás vizsgálatot kell végezni, és a sérült szálakat javítani.

PDT (Példa)

A membrán állapotának vizsgálata MIT MIT (Membrane Integrity Test): A membrán pórusok integritását lehet vele ellenőrizni 0,7 bar nyomású levegőt vezetnek a membránba A sérült szálakon buborékok jelentkeznek A szálak javíthatóak, vagy kivághatóak, de nem pótolhatóak Pótolni (cserélni) csak modulokat lehet