Víztisztítás membrántechnológiával

Az előadások a következő témára: "Víztisztítás membrántechnológiával"— Előadás másolata:

1 Víztisztítás membrántechnológiával
Dr. Pólik András GE Water & Process Technologies

2 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

3

4 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

5 Membrántechnológiai alapfogalmak

6 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)

7 A membránokról

8 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

9 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

10 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

11 Membrán Pórusméret Nominal pórusméret Pórusok száma Pórusméret

12 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

13 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.

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

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

16 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

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

18 Csöves membránok

19 Csöves membránok Működés: Funkciója: Belülről kifelé szűr
Fluxus: lmh Üzemi nyomás: 3,5-5,0 bar Működési hőmérséklet: C 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 lmh Hosszú membrán élettartam év Működési limitek: Hőmérséklet C Nyomás maximum: 5,5 bar pH Max olaj tartalom: 40% Max lebegőanyag: 30,000 mg/l

20 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

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

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

23 Üreges szálú membránok A nyomás alatti membránok működési elve

24 Üreges szálú membránok Összefoglalás
Működés: Kívülről befelé szűr Egyszerű, teljesen automatizált folyamat Rendszeres automatikus visszamosás Üzemi nyomás +/- 0,5 bar Fluxus: 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

25 Kerámia membránok

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

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

28 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.

29 Alapdefiníciók

30 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)

31 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

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

33 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)

34 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

35 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)

36 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: T2 = T1 * T1 T2

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

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

39 A permeabilitás hőmérséklet függése

40 TMP v.s. Permeabilitás

41 Alap definíciók A kihozatal (Recovery – R)

42 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 =

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

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

45 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

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

47 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 % 6 Vírusok: 3 Log Baktériumok: 4 Log

48 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 = x Log10 (oC + 273) 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

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

50 A membránok tisztítása

51 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

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

53 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

54 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, másodperc időtartamig.

55 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: percenként a kihozatal, és a lebegőanyag koncentrációjának függvényében

56 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

57 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)

58

59 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.

60 PDT (Példa)

61 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