Atvirkštinio osmoso membranos įtaka skirtingų vandens savybių valymo efektyvumui

Atvirkštinio osmoso (RO) sistemose tiekiamo vandens kokybė daro didelę įtaką membranos veikimui, nulemdama srautą, druskų atmetimą, užsiteršimo polinkį, energijos suvartojimą ir valymo dažnumą. Paviršiniai vandenys, kuriuose gausu kietųjų dalelių ir natūralių organinių medžiagų (NOM), skatina organinių ir biologinių medžiagų užsiteršimą, o gruntiniai arba sūroki šaltiniai, kuriems būdingas kietumas, silicio dioksidas ir metalo jonai, kelia neorganinių medžiagų užsiteršimo ir apnašų susidarymo problemų. Dėl didelio jūros vandens druskingumo reikalingas padidėjęs darbinis slėgis, kuris padidina apnašų susidarymą ir bioplėvelės susidarymą. Nuotekos, kuriose gausu ištirpusių organinių medžiagų ir mikroteršalų, gali greitai užteršti membranas, todėl reikalingas griežtas išankstinis valymas ir patikimi valymo protokolai. Visose šiose situacijose individualus išankstinis valymas, protingas membranų parinkimas ir optimizuotas eksploatavimo valdymas yra būtini norint išlaikyti RO efektyvumą ir ilgaamžiškumą.

Įvadas
Atvirkštinio osmoso (RO) metodu vanduo nuo ištirpusių medžiagų atskiriamas hidrauliniu slėgiu per pusiau pralaidžią membraną. RO šiuo metu sudaro daugiau nei 65 % pasaulinių gėlinimo pajėgumų, todėl tai pabrėžia jo svarbų vaidmenį vandens valyme ir pakartotiniame panaudojime. Tačiau membranos veikimas labai priklauso nuo tiekiamo vandens savybių – organinių medžiagų kiekio, joninės sudėties, kietųjų dalelių ir biologinio aktyvumo – o visa tai gali sumažinti permeato srautą, sumažinti druskų atmetimą, padidinti energijos suvartojimą ir sutrumpinti membranos tarnavimo laiką.

Maitinimo vandens rūšys ir jų poveikis
Paviršinis vanduo
Paviršiniuose šaltiniuose (upėse, ežeruose) dažnai būna didelis suspenduotų kietųjų dalelių, drumstumo ir organinių organinių medžiagų kiekis, dėl kurio, tinkamai neapdorojus, membrana greitai užsiteršia ir tarpikliai užsikemša. Minimalus paviršinio vandens apdorojimas nepadeda stabilizuoti atvirkštinės reakcijos veikimo, nes kietosios dalelės ir organinės medžiagos kaupiasi ant membranų paviršių, sukeldamos koncentracijos poliarizaciją ir užsiteršimą.

Gruntinis vanduo / Sūrus vanduo
Sūrusis gruntinis vanduo pasižymi vidutiniu druskingumu ir kietumu, todėl, palyginti su jūros vandeniu, osmosinis slėgis yra mažesnis, tačiau padidėja kalcio karbonato ir silicio dioksido nuosėdų susidarymo rizika. Silicio dioksido nuosėdas ypač sunku slopinti įprastinėmis antiskalantais, todėl reikalingos specialios kontrolės strategijos, siekiant išsaugoti srautą ir išvengti negrįžtamo užsiteršimo.

Jūros vanduo
Jūros vandens RO (angl. SWRO) veikia esant aukštam slėgiui (paprastai 55–80 barų), kad įveiktų maždaug 25–30 barų osmosinį slėgį, o tai padidina energijos poreikį ir skatina membranų tankėjimą bei užsiteršimą. Neorganinės apnašos (kalcio sulfatas, karbonatas) ir biologinis užsiteršimas yra paplitę, todėl reikia griežtai dozuoti antikalkintojus, kontroliuoti bioplėvelę ir dažnai valyti.

Nuotekų nuotekos
RO valymas komunalinių arba pramoninių nuotekų nuotekose pašalina didelį kiekį ištirpusių organinių medžiagų, mikroteršalų ir likusių dezinfekavimo priemonių, dėl ko susidaro didelis organinių medžiagų ir biologinių užterštumo atvejų skaičius. Ligoninių nuotekų valymo įrenginių nuotekose, apdorojamose poliamidinėmis RO membranomis, pastebimai sumažėja TDS ir COD, tačiau be išankstinio RO filtravimo ir kontroliuojamų darbo sąlygų srautas greitai mažėja.

Poveikis membranos veikimui
Užsiteršimo mechanizmai
Organinis užsiteršimas atsiranda dėl mažos molekulinės masės organinių junginių (MMJJ) adsorbcijos ant membranos paviršių ir porose, sumažindamas vandens pralaidumą. Neorganinis užsiteršimas pasireiškia mažai tirpių druskų (pvz., kalcio karbonato, sulfato) nusėdimu ant membranos paviršiaus, sukurdamas standžias apnašas, kurios blokuoja poras ir pažeidžia aktyvųjį sluoksnį. Biologinis užsiteršimas, kurį skatina mikrobų prisitvirtinimas ir bioplėvelės augimas, dar labiau sumažina srautą ir skatina lokalizuotą pleiskanojimą.

Mastelio keitimas
Kalcio sulfato ir karbonato nuosėdos paprastai susidaro, kai kietumo jonai viršija tirpumo ribas membranos paviršiuje, o tai pagreitina koncentracijos poliarizacija. Silicio dioksidas, esantis koloidinių arba ištirpusių formų pavidalu, sudaro kietas, atsparias nuosėdoms, kurios yra atsparios tradiciniams nuosėdų šalinimo veiksmams, ypač sūroko vandens atvirkštinio osmoso sistemose.

Atvirkštinio osmoso membranos tarpiklių apnašos

Permeato srautas ir druskos atmetimas
Permeatinio srauto padidėjimas didėja didėjant transmembraniniam slėgiui, tačiau dėl koncentracijos poliarizacijos ir sutankinimo efektų jis išlieka stabilus. Didesnis slėgis šiek tiek pagerina druskų atmetimą, tačiau viršijus optimalų diapazoną, atmetimas gali sumažėti dėl padidėjusio ištirpusių medžiagų konvekcinio judėjimo per defektus ir užsiteršimo sluoksnius.

Energijos suvartojimas ir darbinis slėgis
Užsiteršimas ir apnašos padidina hidraulinį pasipriešinimą, todėl srautui palaikyti reikia didesnio tiekimo slėgio, o tai padidina savitąsias energijos sąnaudas (SEC) ir eksploatavimo išlaidas. Valymo ciklai tampa dažnesni, todėl dar labiau padidėja cheminių medžiagų naudojimas ir prastova.

Švelninimo strategijos
Išankstinis apdorojimas
Efektyvus išankstinis valymas – koaguliacija, filtravimas su terpe, ultrafiltracija – pašalina kietąsias daleles ir organines medžiagas (NOM), sumažindamas užsiteršimo potencialą ir stabilizuodamas atvirkštinės reakcijos mechanizmo veikimą. Paviršiniam vandeniui dvigubos terpės filtrai ir aktyvuotos anglies adsorbcija sumažina organinių medžiagų kiekį ir apsaugo tolesnius atvirkštinės reakcijos mechanizmo modulius.

Valymo ir nuosėdų šalinimo priemonės
Fizinio (atbulinis plovimas, praplovimas tiesioginiu būdu) ir cheminio (rūgštys, šarmai, oksidatoriai) valymo protokolai skirti specifiniams teršalų tipams – organinėms, neorganinėms, bioplėvelėms – atkurti srautą ir atmetimo savybes. Apsauginių medžiagų dozavimas, pH reguliavimas ir putojimo slopinimo priemonės padeda išvengti apnašų susidarymo ir bioplėvelės susidarymo.

Membranos paviršiaus modifikavimas
Naujausi paviršiaus skiepijimo pasiekimai (pvz., poliakrilo rūgšties, grafeno oksido dangos) leido sukurti membranas su lygesniais, hidrofiliškesniais ir neigiamai įkrautais paviršiais, padidinant atsparumą užsiteršimui ir srauto išlaikymą.

Atvejų analizės

• Sūriojo vandens gėlinimas Tunise: Didelės apimties gamykla demonstravo stabilų ilgalaikį veikimą, periodiškai valant; užterštumo apibūdinimas atskleidė mišrius organinius ir neorganinius sluoksnius, kuriems reikėjo individualiai pritaikytų valymo režimų.
• Ligoninės nuotekų valymo įrenginių nuotekų perdirbimas: Poliamidinės RO membranos sumažino TDS nuo ~1 500 mg/l iki 90 %, tačiau permeato srautas per 30 dienų sumažėjo 25 % be pažangaus išankstinio apdorojimo ir optimizuotų slėgio nustatymų.

Išvados
Maitinimo vandens kokybė yra svarbiausias veiksnys, lemiantis RO membranos veikimą. Paviršiniams vandenims reikalingas patikimas kietųjų dalelių ir NOM šalinimas; sūrokiems šaltiniams reikalinga silicio dioksido ir kietumo kontrolė; jūros vandens valymas turi suderinti aukšto slėgio veikimą su kalkių nuosėdų valdymu; nuotekų ištakoms reikalingas griežtas išankstinis valymas ir individualus valymas. Membranų medžiagų, išankstinio valymo metodų ir užterštumo stebėjimo realiuoju laiku naujovės ir toliau didina RO atsparumą ir efektyvumą įvairios kokybės vandenyje. Nuoseklus šių strategijų taikymas užtikrina tvarų RO veikimą, ilgesnį membranų tarnavimo laiką ir patikimą aukštos kokybės permeato gamybą.