Klimatické zmeny výrazne ovplyvňujú obsah a vlastnosti NOM v povrchovej vode prostredníctvom rôznych zložitých mechanizmov, vďaka čomu je NOM hlavnou znečisťujúcou látkou pri úprave pitnej vody. Vodné zdroje s vysokým-NOM majú vo všeobecnosti vysokú farbu a vysoké DOC (dávky na jednotku plochy). NOM nielenže spôsobuje problémy s farbou a zápachom vo vodných útvaroch, ale tiež reaguje s dezinfekčnými prostriedkami a vytvára karcinogénne vedľajšie produkty.
Tradičné procesy úpravy pitnej vody majú obmedzenú účinnosť odstraňovania NOM, zatiaľ čo konvenčné organické membránové procesy trpia nevýhodami, ako je náchylnosť na zanášanie a slabá odolnosť voči korózii. Keramická membrána spojená s koaguláciou poskytuje inovatívne, kompaktné a vysoko stabilné riešenie s nízkou -energiou- na čistenie povrchovej vody s vysokým-NOM.
Tri metódy predúpravy: Od tradičnej po dokonalú kompaktnosť
Európsky výskumný tím navrhol a porovnal tri modely koagulačnej a flokulačnej predúpravy, čím sa dosiahla nepretržitá optimalizácia toku procesu pri zabezpečení účinnosti úpravy:
1. Tradičná koagulácia/flokulácia v dvoch nádržiach-
Ako klasický režim úpravy využíva tento proces dvojstupňový{0}}reakčný dizajn: nádobu s rýchlym miešaním a nádobu s pomalou flokuláciou. Surová voda a koagulant sa dôkladne premiešajú v rýchlo miešacej nádrži pred vstupom do flokulačnej nádrže, aby sa dokončil rast vločiek s celkovým hydraulickým retenčným časom (HRT) 21 minút. Tento režim poskytuje dôkladnú reakciu, ale vyžaduje veľkú stopu a má vysoké stavebné náklady.
2. Režim rýchleho miešania
Tento režim zjednodušuje tok procesu, eliminuje pomalú flokuláciu v nádrži a zachováva iba jednotku rýchleho miešania. Koagulant a surová voda sa zmiešajú a priamo vstupujú do membránového modulu, čím sa skracuje hydraulický retenčný čas na 7 minút. Pri zachovaní základnej účinnosti liečby výrazne zjednodušuje konfiguráciu zariadenia.
3. Online režim tubulárnej flokulácie
Ide o najinovatívnejšie kompaktné riešenie v tejto štúdii. Prietok procesu je nasledovný: surová voda + koagulant → miešanie membránového napájacieho čerpadla → rúrkové flokulant → keramická membrána → permeát. V priebehu procesu nie je žiadna reakčná nádrž; miešanie a flokulácia sa dokončia potrubím. Hydraulický retenčný čas (HRT) je iba 45 sekúnd a hodnota G- je riadená na 330 s⁻¹. Má najmenšiu stopu spomedzi troch režimov.
Základné parametre: Podpora hardvéru keramickej membrány
Experiment využíval keramickú membránu, ktorá sa vďaka svojim vlastnostiam anorganického materiálu chemickej odolnosti a vysokej mechanickej pevnosti stala základnou hardvérovou podporou pre stabilnú prevádzku procesu.
Experimentálne výsledky: Vysoká{0}}účinnosť odstraňovania + nízke{2}}znečistenie – dvojité výhody
Štúdia používala DOC, farbu a UV₂54 ako hodnotiace indikátory NOM a transmembránový tlakový rozdiel (TMP) ako indikátor hodnotenia znečistenia membrány, čím sa optimalizoval typ, dávkovanie a hodnota pH koagulantov.
Experiment porovnával chlorid hlinitý a chlorid železitý a výsledky boli celkom poučné:
Odstránenie DOC:
Soli hliníka dosiahli rýchlosť odstraňovania 50 % až 85 % pri pH 5,5, pričom sa zvyšovala so zvyšujúcou sa dávkou.
Soli železa dosiahli maximálnu rýchlosť odstraňovania 87 % pri pH 4,5 a 10 mg/l.
Odstránenie farby:
Aluminum salts were optimally removed at pH 5.5, with a dosage as low as 2 mg/L achieving a removal rate >90%.
Soli železa sa optimálne odstránili pri pH 5,0, čo vyžaduje 6... Dosiahnutie ekvivalentných výsledkov vyžaduje koncentrácie nad mg/l.
Kľúčovým zistením štúdie je, že viac koagulantu nemusí byť nevyhnutne lepšie.
Pri 2 mg/l hliníkovej soli: nedostatočná neutralizácia náboja, malé vločky a ľahké upchávanie pórov membrány.
Pri 5 mg/l hliníkovej soli: môže dôjsť k restabilizácii náboja alebo môže byť povrchové zaťaženie membrány príliš vysoké.
Pri 3 mg/l hliníkovej soli: znečistenie membrány je najnižšie a prevádzka je najstabilnejšia.
To znamená, že optimalizácia dávkovania je dôležitejšia ako jeho slepé zvyšovanie.
Čo sa týka zanášania membrán, vykazuje extrémne silnú stabilitu s veľmi nízkym ireverzibilným znečistením membrány. Pri dávke hliníkovej soli 3 mg Al/l dosiahne rýchlosť zanášania membrány optimálnu úroveň s nárastom tlaku v jedinom-cykle iba o 40 mbar. V kombinácii s pravidelným spätným preplachovaním-je možné udržať dlhodobú stabilnú prevádzku.
Stojí za zmienku, že zvyšková koncentrácia kovu v odpadovej vode je indikátorom limitujúcim jadro pre prevádzku procesu. V rámci optimálneho rozsahu pH 4,5 – 5,5 na odstránenie NOM zvyškové koncentrácie hliníka a železa ľahko prekročia 150 ug/l (limity pre hliník v „Normách pre kvalitu pitnej vody GB5749-2022“ sú 200 ug/l a pre železo 300 ug/l). V praktickom inžinierstve je potrebné vyvážiť hodnotu pH a dávkovanie koagulantu, berúc do úvahy účinnosť odstraňovania a bezpečnosť odpadovej vody.
Online režim tubulárnej flokulácie je preferovanou možnosťou
Porovnanie troch režimov predúpravy odhalilo:
Miera odstránenia farby a DOC bola okolo 80 %, so zanedbateľnými rozdielmi.
Rýchlosti ireverzibilného znečistenia membrány boli podobné (0,06–0,10 mbar/h).
Zákal na odpadovej vode neustále zostával pod 0,1 NTU.
Tieto tri režimy nevykazovali žiadny významný rozdiel v účinnosti odstraňovania NOM, ale optimálnou voľbou sa stal online režim tubulárnej flokulácie s ultra-krátkym hydraulickým retenčným časom 45 sekúnd a minimalistickým dizajnom bez reakčnej nádoby.
Táto štúdia potvrdzuje, že proces koagulácie-flokulácie + keramická membrána je plne použiteľný pre potreby čistenia povrchovej vody s vysokým NOM (normálny obsah kyslíka): nízka dávka koagulantu umožňuje dosiahnuť vyhovujúce ošetrenie; keramická membrána je umývateľná a má dlhú životnosť; a jeho prevádzková spotreba energie je oveľa nižšia ako pri tradičných procesoch. Online režim tubulárnej flokulácie ruší obmedzenie veľkých rozmerov, ktoré sú vlastné tradičným procesom úpravy vody, a poskytuje technickú podporu pri výstavbe kompaktných, inteligentných zariadení na pitnú vodu.
Záver
Vzhľadom na stále prísnejšie normy kvality pitnej vody a problémy so znečistením zdrojovej vody proces predúpravy koagulačnej-keramickej membrány vyvažuje účinnosť úpravy so zníženými nákladmi na stavebné inžinierstvo. So svojimi základnými výhodami vysokej-účinnosti odstraňovania, nízkeho znečistenia, kompaktného dizajnu a nízkej spotreby energie poskytuje nový prístup pre vodné elektrárne, ktoré sa zaoberajú zdrojmi vody s vysokým-organickým-obsahom (ako je voda z rezervoárov na juhu a časť riečnej vody na severe).