Ugrás a tartalomhoz

Szennyvíztisztítási technológiák I.

Dr. Simándi Péter (2011)

Szent István Egyetem

19. fejezet - Adszorpció, membráneljárások

19. fejezet - Adszorpció, membráneljárások

Bevezetés

Az adszorpció egyre nagyobb szerepet kap a szennyvíztisztításban, mivel megoldott már az adszorbens regenerálása. Általában aktív szenet használnak, ami az ivóvízkezelésben már régóta alkalmazott eljárás.

Az adszorpció általánosságban az egymással érintkező anyagok határfelületén történő anyag-felhalmozódás. Fizikai-kémiai kölcsönhatás alakul ki az adszorbens és az adszorptívum között. Alkalmazásuk általában kétféle módon történik, por, ill. granulátum formájában.

A membráneljárások az elmúlt évtizedben kezdtek elterjedni a szennyvízkezelésben. Nagyon kis pórusmérettel rendelkeznek, ami alapján történik az osztályozásuk is. Lehetőség van segítségükkel baktériumok, ill. oldott molekulák eltávolítására is.

Követelmény

  • Ismerje az adszorpció és a membránszűrés elméletét!

  • Tudja alkalmazásuk feltételeit!

  • Ismerje a típusokat, alkalmazásuk helyét!

  • Tudja működtetni azokat!

Adszorpció

Az adszorpció általánosságban az egymással érintkező anyagok határfelületén történő anyag-felhalmozódás.

Az adszorbensek nagy fajlagos felülettel rendelkező szilárd anyagok, amelyek folyadékokból oldódott anyagokat képesek felületükön tartósan megkötni (adszorbeálni), vagy gázokból, gázelegyekből gáz halmazállapotú összetevőket megkötni.

Az adszorpció tehát felületi megkötő képességet jelent. Az adszorpció a természetben is lejátszódó jelenség, az életfolyamatokban nagy a szerepe, de a víz- és szennyvíz-technológiában vagy a gázok tisztításában is alkalmazott fizikai eljárás.

Az adszorbensek felületi megkötő képességének a mértéke (az adszorbensek kapacitása, amely megmutatja, hogy mekkora anyagmennyiséget képes az adszorbeálandó anyagból egységnyi felületén megkötni), a megkötendő komponensek anyagi minőségétől függ (a különböző anyagoknál más és más).

Az adszorbensek szelektív tulajdonságokkal is rendelkeznek. Az apoláros jellegű adszorbensek az apoláros anyagokat, a poláros jellegűek a poláros anyagokat kötik meg jobban.

Az adszorbensek a megkötött anyagokkal reverzibilis kapcsolatban vannak. Ez lehetővé teszi, hogy a megkötött anyagok eltávolíthatók az adszorbens felületéről, vagyis az adszorbensek regenerálás után visszanyerik felületi megkötő képességüket és ismételten felhasználhatók.

A víz- és szennyvíz-technológiában a legelterjedtebb adszorbens az aktív szén.

Az aktív szén sokféle széntartalmú alapanyagokból előállítható, ilyenek például az ásványi szénféleségek, a tőzeg, a kókuszdió. A széntartalmú anyagokat aktivizálni szükséges, amely történhet 900 ºC hőmérsékleten vízgőzzel, vagy 400-800 ºC hőmérsékleten cink-kloriddal. Jellemző az aktív szénre a nagy szabad fajlagos felület (800-1500 /m2/g).

Az aktív szenet kétféle formában használják. Szénporként (PAC) belekeverik a tisztítandó vízbe, majd egy bizonyos behatási idő elteltével kiszűrik és/vagy kiülepítik. Granulált (GAC) (szemcsézett) formában történő használatnál gyorsszűrők szűrőanyagaként alkalmazva átvezetik rajta a vizet.

Az aktív szenes tisztítás célja kezdetben a kellemetlen szín-, szag- és ízrontó hatások megszüntetése volt. Az utóbbi években az analitikai eljárások és műszerek fejlődésének eredményeként az egyes szennyezőanyagok még igen kis koncentrációban is kimutathatók, hasonlíthatók lettek és egyre több vízben lévő anyag eddig nem ismert élettani hatására is többé-kevésbé fény derült. Emiatt ma már az organoleptikus tulajdonságok (szag, íz) javítása mellett elsődleges cél a krónikus toxicitást (huzamosabb időn át tartó mérgező hatás) és mutagenitást (az örökítő anyagban/génekben, kromoszómákban kialakuló változást) okozó szennyező anyagok eltávolítása. További cél, hogy a vezetékhálózatban is fennmaradjon a megfelelő vízminőség, amit a mikroszervezetek tápanyagául szolgáló anyagok megfelelő mértékű kivonásával lehet elérni, így megakadályozva azok újraszaporodását a csőhálózatban.

Az aktív szénporként (PAC=powdered activated carbon=aktív szénpor) történő alkalmazásához külön tisztítóberendezésre nincs szükség, csupán egy bekeverő berendezésre a szénpor szuszpendálásához. Hátránya az eljárásnak, hogy a szénport a tisztítási folyamat egy későbbi szakaszában el kell majd távolítani, ami a kis szemcseméret miatt gondot okozhat. A szénport ezért az előtisztításkor, illetve a derítéskor alkalmazzák leginkább.

A derítés előtt adagolt szénpor a derítőszer pelyhekkel és a szennyeződéssel kiülepszik, azonban még rendelkezik adszorpciós hatással, ezért visszaforgatható (recirkuláció) és többször (4-5 alkalommal) is felhasználható.

A granulált aktív szén (GAC: granulated activated carbon) fajlagos felülete is igen nagy, 600-1500 m2/g közötti. A nagy felületet nemcsak az adszorbens külső felületével, hanem elsősorban a belső felülettel, a „csőszerűen” repedezett bonyolult geometriájú pórusokkal érik el. A pórusok mérete eltérő. Méret szerinti eloszlásuk különösen fontos tulajdonsága a szorbensnek, hiszen a pórusok általában arra képesek, hogy a hozzájuk hasonló méretű, a fizikailag is odajutni tudó molekulákat adszorbeálják. A szénszemcsében lévő legnagyobb ún. makropórusok a kolloid nagyságrendű anyagok, a középméretű pórusok elsősorban a nagyméretű molekulák, míg a mikropórusok a kisebb oldott anyagok megkötésére alkalmasak. Ezen az elven alapul a hidrofób-hidrofil tulajdonságok szerepe mellett a zeolitok, azaz molekulaszitáknak nevezett szilikátásványok szelektív szorpciós sajátsága is.

Ha kicsi az érintkezés időtartama, akkor elsősorban a megkötendő anyagok folyadék fázisbeli szállítódása (koncentráció-gradiensek) és a filmdiffúzió (a szennyező anyagok szénfelülethez tapadó vízrétegen belüli mozgása) játsszák a döntőbb szerepet. A szemcsén belüli diffúzió ilyenkor minimális. Az adszorpció sebessége gyors, mert az adszorbens szilárd felülete nagy és a vízfilmen keresztül közvetlenül elérhető. A vízben lévő sokféle kolloid anyag azonban, ha nagy mennyiségben van jelen, épp a szénpor adszorpciós felületének lefedése miatt a folyamatot hátrányosan befolyásolja. Ezért a módszer közvetlenül, előtisztítás nélkül, csak kisebb zavarosságú vizek kezelésére alkalmas.

A kevertetett rendszerben, amit szokásos statikus módszernek is nevezni, az idő függvényében kialakul egy egyensúlyi helyzetet közelítő állapot (PAC eljárás), a szilárd fázis és oldatfázis közti komponensmegoszlás. A dinamikus, azaz oszlopos művelet során ez az állapot a folyadékáramlás következtében állandóan megújuló változatban érvényesül. A víz komponens tartalmából a szorbens megköt valamennyit a vízzel való érintkezés során, ennek mértéke a hajtóerőktől függ, a víznek ekkor tovább áramlása közben mindig kisebb mennyiségű komponenst tartalmazó része fog az oszlopba töltött anyag egyre szorpcióképesebb, vagyis kevésbé telített részével találkozni, azaz megújuló egyensúlyi lépések sorozatában alakul ki az oszlopról távozó víz komponenstartalma. A folyamat értelmezése a 124. ábrán látható.

Az idő előrehaladtával, ha a folyadékáramlás lefelé irányul, a szorbens réteg felső része telítődik, így az adszorpciós zóna egyre lejjebb kerül, ezzel párhuzamosan a lefolyó víz minősége romlik. A görbén az áttörési pont azt az üzemállapotot jelzi, amikor a szorbens már regenerálásra (reaktiválásra) szorul, azaz az oldott szerves anyagok eltávolításának hatékonysága ez esetben az eredetinek 20-30%-ára lecsökken.

Az aktív szén réteg tisztítási hatékonyságáról a szorpciós idő függvényében meghatározott C/Co arány tájékoztat; ahol Co a tisztítandó, nyersvízben lévő szennyező anyagok koncentrációja, C1, C2, C3, C4 a tisztított vízrészletekben a szennyező komponens maradék koncentrációja az adott időpillanatban. Ez a függvénykapcsolat az adszorpciós folyamatra jellemző ún. áttörési görbe.

124. ábra. Folyamatos szorpciós műveletet jellemző áttörési görbe (Öllős G., Vízellátás)

Belátható, hogy a kétféle módszer közül - egyébként ugyanazon körülmények közt - nagyobb mértékű szennyező anyag eltávolítást, tisztább vizet a dinamikus művelet szolgáltat. A fixágyas megoldás emellett a szemcsék töredékeinek vízbe jutását is kevésbé valószínűsíti, tehát a kevertetéshez képest lebegőanyag-mentes vizet is biztosít. Nem véletlen tehát, hogy a granulált aktív szenes szorpciót, az ún. aktív szén-szűrőt és nem a porszenet alkalmazzák az ivóvíztisztító eljárások az utótisztítás lépéseként. Gyakorta követi aktív szén szűrő használata a homok gyorsszűrőét a technológiai műveletsorban.

A szorpció megvalósításakor a dinamikus és statikus művelet ilyen eltérése jó példaként szolgál arra, hogy a tisztítás céljára nem elég csupán a megfelelő fizikai-kémiai reakció kiválasztása. Emellett a hatékony kezelés elérése céljából hasonlóan lényeges a fizikai körülmények, a műveletek célszerű megválasztása is.

Újabban ismertek olyan technológia eljárások, amelyek mintegy biológiai szűrőként is alkalmazzák az aktív szenet. A granulált aktív szén felületére aerob baktériumokat visznek fel, amelyek elegendő oxigén és tápanyag jelenlétében bizonyos vegyületek oxidálására képesek. (Az adszorbeálandó anyagok ez esetben is kötődnek az aktív szén felületéhez.)

A szemcsés anyagú aktív szenes szűrést leggyakrabban az utótisztítás egyik eljárásaként alkalmazzák, a homok gyorsszűrők után elhelyezve a technológiai sorban, mivel így a szénszűrők védve vannak a lebegőanyagok káros hatásaitól.

A granulált aktívszenes szűrők zárt-, nyomás alatti-, vagy nyitott kialakításúak és gravitációs működésűek is lehetnek, hasonlóan a nem aktív szűrőanyagú (homok) szűrőkhöz.

A nyomás alatti zárt szénszűrőket inkább a kisebb kapacitású, felszín alatti vizet kezelő telepeken alkalmazzák, míg a felszíni vizek tisztítására inkább a nagyobb kapacitású nyitott gyorsszűrőket használják.

A 125. ábrán egy szemcsés aktív szénnel töltött, nagyméretű zárt gyorsszűrőt (GAC) tanulmányozhatunk (GAC = granulated activated carbon = szemcsés aktív szén) a szűrőtartály üzemeltetéshez szükséges technológiai vezetékek és funkciójuk feltüntetésével.

125. ábra. Zárt, nyomás alatti, aktív szén töltetű gyorsszűrő, a csatlakozó technológiai vezetékekkel (Öllös G.: Víztisztítás – üzemeltetés)

A 126. ábrán egy nyitott kialakítású, gravitációs működésű, granulált szemcsés aktív szén (GAC) töltetű gyorsszűrő felülnézetét és hossz-metszetét tanulmányozhatjuk. A hossz-metszeten látható a szűrőréteg felépítése: az aktív szén szűrőréteg, alatta a 0,6 m vastagságú homok-, és a 0,4 m vastag kavics támréteg.

126. ábra. Nyitott, gravitációs, aktív szén töltetű gyorsszűrő (Öllös G.: Víztisztítás – üzemeltetés)

Az aktív szén töltetű gyorsszűrők üzemi paraméterei viszonylag tág határok között mozognak:

  • behatási (kontakt) idő: 10-50 perc,

  • szűrési sebesség (felületi terhelés): 1,0 – 30 m/óra,

  • az aktív szén töltet rétegvastagsága: 1,0 – 4,0 m.

A behatási (kontakt) időt (t - másodpercben) megkapjuk, ha az aktív szén töltet térfogatát (V m3) elosztjuk a szűrőre vezetett víz térfogatáramával (Q m3/s). t = V/Q

A szűrési sebességet (vsz), amely felületi terhelésként is értelmezhető, megkapjuk, ha a szűrőre vezetett víz térfogatáramát (Q m3/s) elosztjuk a szűrő felületével (A m2). vsz = Q/A

A tisztítandó víz mennyiségétől és minőségi paramétereitől függően, az aktív szén töltetű szűrőket különféle rendszer szerint építik be, illetve kapcsolják össze és üzemeltetik.

A szűrők üzemeltethetők:

  • önállóan (ha csak egy berendezést alkalmaznak),

  • sorba kapcsolva (a tisztító kapacitás összegződik),

  • párhuzamosan kapcsolva (a hidraulikai terhelés összegződik).

127. ábra. Szűrők kapcsolási, ill. üzemeltetési megoldásai (Öllös G.: Víztisztítás – üzemeltetés)

a)önálló b)sorbakapcsolt c)párhuzamosan kapcsolt

Az aktív szén töltet az adszorpciós tisztító hatása mellett természetesen mechanikus szűrést is végez, de ezt igyekeznek az előzetes homokszűréssel a minimálisra csökkenteni. A szűrőrétegben felgyülemlett lebegőanyagot (iszap) időszakos mosatással kell eltávolítani. A mosatásnak a tisztításon kívül az is a szerepe, hogy a szénrétegben a víz a szűrés során ne alakíthasson ki járatokat, ahol a szennyezés fizikailag is „áttörhet” a szűrőn. Az ilyen célú mosatásra általában 3-4 naponta kerül sor.

A szűrőanyag adszorpciós kapacitása is csökken idővel, ugyanis a szénszemcsék felületén és a pórusaiban a megkötött szennyeződés bizonyos része mosatással nem távolítható el. A mosatással el nem távolítható, megkötött szennyeződések miatt az aktív szén elveszti az adszorpciós hatását, ezért „reaktiválni” szükséges.

A reaktiválást a szenet gyártó cég a saját telephelyén végzi, és egyben a szénveszteséget is pótolja.

Szükséges tehát, hogy az aktív szenet a szűrőből és a szűrőbe üzemszerűen mozgatni lehessen, minél egyszerűbb megoldással. A kimerült aktív szén ki- és betermelése leggyakrabban a csővezetéken át vízzel történő mozgatást (hidromechanizáció) alkalmazzák. A zárt gyorsszűrő ábráján láthatjuk a szűrőtartályhoz csatlakozó, szénbetáplálásra és a kimerült széntöltet kitermelésére szolgáló vezetékeket.

Megállapítható, hogy az aktív szenes eljárásokat az ivóvíz és szennyvíz tisztítás során, mind előkezelésre, mind pedig utótisztításra elterjedten alkalmazzák. Újabban megjelentek olyan technológiai eljárások is, amelyek biológiai szűrőként is alkalmazzák az aktív szenet. Ennél az eljárásnál az aktív szén felületére aerob mikroszerkezetek települnek, amelyek megfelelő életkörülmények (oxigén és tápanyag) esetén bizonyos szennyező anyagok oxidálására képesek. Természetesen ekkor is működik az aktív szén adszorpciós hatása.

Membrán eljárások

A membrán eljárások napjainkban is már a gyakorlatban jelen levő, de a közeljövőben robbanásszerű elterjedésre számító víz- és szennyvíz-tisztítási megoldások. Kutatási célokra már 1855-ben készült cellulóz-nitrát alapú membrán. 1912-ben az iparban is használható membránokat gyártottak, tömeges felhasználásukra azonban csak az elmúlt század második felében került sor, főként a gyógyszergyártásban és az élelmiszeriparban.

A víz- és szennyvíz-technológiában először az ipari vízgazdálkodásban használtak membránokat. A közüzemű víz- és csatornaműveknél külföldön már néhány évtizede kezdték a membrán eljárásokat alkalmazni. A víz- és szennyvíz-technológiában felhasználásuk a vízellátásban megelőzte a szennyvízkezelést.

Az első alkalmazások a membrán eljárások közül mind beruházási, mind üzemeltetési szempontból legdrágább változatot, a fordított ozmózist választották (az olajtermelő Perzsa-öböl menti országokban és Izraelben, a tengervíz sómentesítésére).

Magyarországon a 2000 utáni években jelent meg néhány vízműben és szennyvíztisztító telepen az eljárás.

A membrán eljárások gyakorlati alkalmazása területén, az igazi fellendülés a XXI. században várható. Az eljárás technológiai jelentősége nőni fog, az alábbi okok miatt.

  • Nőttek az igények az ivóvíz minőségével szemben (pl. víruseltávolítás, az egészségre káros mikro-szennyeződések és vízkezelési melléktermékek eltávolítása).

  • Nőttek az igények a befogadóba bebocsátott tisztított szennyvízzel szemben (erősödött a környezettudatosság, fontossá vált az ivóvíz bázisok védelme).

  • Nőtt az idegenkedés a vegyszeres technológiákkal, a vegyszerhasználattal szemben.

  • Törekvés a kis helyigényű megoldásokra a víz- és szennyvíztisztító telepek rekonstrukciója és a vízminőség javító programok megvalósítása során.

A fentiekkel párhuzamosan a membránelemek és a membrán eljárásokat alkalmazó telepek létesítési költsége csökkent, két ok miatt is:

  • a membrángyártás mennyisége nőtt,

  • az előállított membránok élettartama folyamatosan nőtt, és várhatóan nőni is fog.

Két példa az előzőekkel kapcsolatosan:

  • • Magyarországra telepítette európai fejlesztő bázisát és Oroszlányban membrángyárat létesített a világ egyik vezető kanadai membránt gyártó cége, a ZENON.

  • • Németországban 1998-ban helyezték üzembe az első membrános ivóvíztisztító telepet, 100 m3/ó kapacitással, 2006-ban már 7000 m3/ó mennyiséget kezeltek ultraszűréssel.

A membrán egy szűrő, mely hasonlóan a hagyományos (szövet-, vagy szemcsés anyagú) szűrőkhöz leválasztást (szeparálás) végez. Ennek során az elválasztandó keverék egy vagy több összetevőjét többé-kevésbé tökéletesen visszatartja, mialatt a maradék komponensek a membránon megközelítően akadálymentesen átjutnak.

Az elválasztás fizikai úton történik, anélkül, hogy az elválasztandó keverék kémiai összetevői megváltoznának. A hagyományos szűréssel szemben a membránnal, a membrán felületén lévő perforációk méretétől függően, az elválasztási feladatot egészen a molekuláris tartomány alá lehet szorítani.

Membránszűréssel a vízből eltávolíthatók a kolloidok, a baktériumok, a vírusok, a fémionok, a sók, az oldott szerves anyagok és a vízkezelés esetleg keletkező káros melléktermékei. A folyamat nem igényel vegyszeres támogatást (intenzifikálást), energia bevitel viszont szükséges, ugyanis a kezelendő víz a szűrőfelületen csak nyomás hatására tud átjutni.

A 18. táblázatban tanulmányozhatjuk a különböző membrán szűrési (szeparálási) eljárásokat, az eltávolítható szennyező anyagokat, és néhány alapvető üzemi paramétert.

18. táblázat. Membrán szűrési eljárások és alapvető üzemi paramétereik (Öllős G.: Víztisztítás – üzemeltetés)

Megjegyzések:

  • • μ m = mikrométer = 10-6 méter,

  • • dalton = atomi tömegmennyiség,

  • • Giardia cyszta = élősködő parazita véglény, a vízkezelésben fertőtlenítésre alkalmazott klóradag nem pusztítja el.

A membránanyagok nagyon sokfélék lehetnek. Ezek közül az alábbiakkal találkozhatunk a víz- és szennyvíz-technológiában:

  • cellulóz-acetát membránok,

  • polimembránok (poliamid, aromás poliamid, poliéter),

  • kompozit (vékony film) membránok,

  • molekulárisan töltött fémmembránok.

A membrán modulok a különféle membránokból kialakított működő egységek. A tisztítandó víz mennyiségi és minőségi paramétereitől, valamint a felhasználó minőségi igényeitől függ a beépítendő modulok száma, vagyis a berendezés nagysága, illetve kapacitása.

A leggyakoribb membrán modulok:

  • spirális tekercsmembrán modul,

  • üreges szálköteg membrán modul,

  • csőmembrán modul,

  • síkmembrán (lap vagy tárcsa) modul.

A víz- és szennyvíz-technológiában inkább az első három típust használják, míg a síkmembránok inkább az élelmiszeriparban kerülnek alkalmazásra.

A spirális tekercsmembrán modul alapeleme két síkmembránból áll, melyeket egy porózus hordozó réteg két oldalára ragasztanak fel. Az így kapott „szendvics szerkezetű” síkmembránt egy gyűjtőcső köré több rétegben feltekercselik (128 ábra).

128. ábra. Spirális membrán kialakítása (Árvai J.: Hulladékgazdálkodási kézikönyv). 1 O gyűrű; 2 szövetréteg; 3 spirális membránelem; 4 kocentrátumáram; 5 membrán; 6 támasztószövet, a tisztított víz elvezetése; 7 ragasztott kötés; 8 középső cső; 9 áramlás; 10 tisztított vízáram; 11 betáplálás

A víz a membrán rétegek palástján áthaladva jut a gyűjtőcsőbe, ahonnan elvezetésre kerül. A kiszűrt szennyeződés a membrán paláston marad vissza, amit onnan időnként el kell távolítani. A spirális tekercsmembrán igen nagy fajlagos felülettel rendelkezik, ezért a víz- és szennyvíz-technológiában a leggyakrabban alkalmazott membránmodul típus.

Az üreges szálköteg membrán modul alapeleme egy 1-1,5 m hosszú membrán szál, melynek belső átmérője 0,01-0,1 mikrométer.

A modul gyártásakor ezeket az elemi membrán szálakat két végükön befogják egy 0,3-1,0 méter hosszúságú tartályba, amely így már egy modul. Egy ilyen modult több ezer szál alkot. A svájci Lausanne vízellátására 10 millió darab elemi membrán szálból álló modulok tisztítanak napi 40 000 m3 ivóvizet.

A 129. ábrán bal oldalt egy üreges szálköteg membrán külső képét, míg a fő ábrán a membránmodul szerkezetét tanulmányozhatjuk.

129.ábra. Üreges szálköteg membrán modul (Öllős G.: Víztisztítás – üzemeltetés)

A csőmembrán modul egy porózus csőbe épített elemi csőmembránokból áll. A tisztítandó víz a cső belsejében nyomás alatt átszivárog a membránon, majd a porózus csőfalon. Magas elkészítési költsége miatt a nagy térfogatáramú vízkezelésekben nem alkalmazzák őket, de ipari alkalmazásuk elterjedt. Kicsi a térfogategységre eső fajlagos felületük (130. ábra).

130. ábra. Csőmembrán modul (Öllös G.: Víztisztítás – üzemeltetés)

Megjegyzések:

  • tápvíz = tisztítandó víz,

  • koncentrátum = a kiszűrt szennyező anyag,

  • permeátum = a tisztított (szűrt) víz.

A síkmembrán (lap vagy tárcsa) modul „szendvics” szerkezetű elemi lapmembránokból áll, kör, vagy négyzetalakban összeállítva. Nagy térfogatáramú vizek kezeléséhez alkalmatlanok. Fő alkalmazási területük az élelmiszeripar.

A tisztítandó víznek a membránra történő rávezetése szerint a membránszűrés lehet:

  • Zártvégű szűrés: amikor a membrán felületére merőlegesen érkező tisztítandó víz teljes mennyisége átpréselődik a membrán felületén, míg a szennyező anyag visszamarad. A kiszűrt szennyeződés miatt a membrán ellenállása nő, ezért a membránt rendszeresen meg kell tisztítani a kiszűrt anyagtól.

  • Keresztirányú szűrésnél a szűrendő víz a membrán fala mentén, azzal párhuzamosan áramlik, és csak egy része jut át a szűrőfelületen, ezért többször vissza kell vezetni (recirkuláltatni). A recirkuláció miatt energia igényesebb a zártvégű szűrésnél, azonban ennél az eljárásnál lényegesen ritkábban van szükség a membrán tisztítására (visszamosatására).

A membrán eljárások osztályozhatók a membrán felületén lévő perforáció mérete szerint is:

  • mikroszűrés,

  • ultraszűrés,

  • nanoszűrés,

  • fordított ozmózis.

A mikroszűrés szűrési tartománya 0,04 – 20 μm.

Eltávolítja a kolloidokat, a baktériumok többségét, a gombákat.

A felületi terhelése 0,1 – 1,0 m3/m2/óra = szűrési sebesség 0,1 – 1,0 m/óra.

Az ultraszűrés szűrési tartománya 40-1000 Angström (1 Angström = 10-10 méter).

Teljes csírátlanítást biztosít, eltávolítja a vírusokat és a klórnak is ellenálló Giardia cysztákat is. (Giardia cyszta – élősködő parazita véglény, a vízkezelésben fertőtlenítésre alkalmazott klóradag nem pusztítja el.)

A felületi terhelése 0,05-0,2 m3/m2/óra = szűrési sebesség 0,05-0,2 m/óra.

A nanoszűrés szűrési tartománya400-800 dalton.

A makromolekulákat (pl. nyomelemek) 250 g/mol molekula nagyságig, a szulfát 94%-át, a kalcium ionok 50-79%-át, a bromid 7-35%-át és a TOC-ban megadott szerves anyag 55-83 %-át is visszatartja a membrán, 75%-os betáplált víz visszanyeréskor. Lágyításra is használható.

A felületi terhelése 20-50 l/m2/ó.

A fordított ozmózis szűrési tartománya 20-600 dalton.

A fordított ozmózissal majdnem tökéletesen el lehet távolítani minden oldott anyagot, így a sót is.

A felületi terhelése 10-50 l/m2/ó.

Mint látható a membrán eljárások összehasonlításából, a membrán felületén lévő pórus méretének csökkenésével a tisztítási lehetőségek növekednek, de egyre nagyobb nyomáskülönbséget és szűrőfelületet kell biztosítani ugyanakkora vízhozam szűréséhez.

Az ultraszűrés előnyei és technológiai problémái

Előnyök a hagyományos technológiákhoz képest.

  • Lényegesen kisebb helyigényű a hagyományos szűrésnél.

  • Nem érintkezik az ivóvíz vegyszerrel, így közvetve környezetbarát is.

  • Szűrési üzemben nincs mozgó alkatrész a szűrőmodulban.

  • Eltávolítja a vírusokat, baktériumokat, így általában nincs szükség külön csírátlanító fokozatra.

  • Szennyvízkezelésnél a tisztított víz minősége nagyságrenddel jobb az előírásoknál, így közvetlenül környezetbarát a kisebb környezetterhelés miatt.

  • A membránmodulok ára folyamatosan csökken, a viszonylag új technológia egyre tökéletesedik, így egyre gazdaságosabbá válik az eljárás az ugyanolyan minőségi és mennyiségi teljesítményt nyújtó hagyományos technológiákhoz képest.

  • Teljesen automatizálható a technológia.

Technológiai problémák, bizonytalanságok:

  • A membránelemek élettartama. Bár a gyártóművek maximum 10 év használhatóságot prognosztizálnak, ez még (különösen a szennyvíznél) nem bizonyított.

  • Meghibásodás (átszakadás) pontos észlelése és helymeghatározása nem tökéletes.

  • A vegyszeres tisztítás „iszap”-jának elhelyezése, tisztítása külön feladat.

  • Az üzemi tapasztalatok a rövid idő miatt még nem tekinthetők teljesen bizonyítottnak.

  • A membrán kímélése miatt gondos előtisztítást kell végezni.

Magyarországon az ivóvízellátás és szennyvíztisztítás területén a Zenon által szabadalmazott és helyben gyártott Zee-Weed mikroszűrő beszerzésére nyílik a legkézenfekvőbb lehetőség.

Anyagát tekintve egy 0,085 mikronos névleges és 0,2 mikronos abszolút pórusméretű, hidrofil, üreges szálú membrán, mely igen tartós, magas szakítószilárdsággal és oxidáns rezisztenciával rendelkezik. A membrán ellenálló képességét és magas szakítószilárdságát egy belső fémréteg biztosítja, melynek külső felületén helyezkedik el maga a membrán. A membrán modul több üreges membrán szálból áll, mely nagy felületet alkotó térfogat egységet képez.

A modulokat – méretre szabhatóan – kazettává építik össze, melyeket bemerítik szennyvíz esetében – pl. bioreaktorba, s a létrehozott vákuum hatására a modul szálakon átszűrődő folyadékot (szűrlet) újrahasznosítás vagy befogadóba való bevezetés céljából elvezetik.

A membrán aljában levegőztető elem van beépítve, hogy a reaktor belsejében a membrán-szálak folyamatos tisztántartása érdekében a felszálló buborékok turbulens teret alakítsanak ki.

A szennyvíztisztítás területén a membrán-szűrés a nehezen kézben tartható utóülepítést hivatott kiváltani, de speciális esetekben a szennyvíziszap sűrítésére is felhasználható.

A 131. ábra egy hagyományos eleveniszapos rendszer és egy membránnal helyettesített utóülepítős megoldás összehasonlítását szemlélteti.

131. ábra. A hagyományos eleveniszapos és a membrános eleveniszapos technológia folyamatábrája (Barótfi I.: Környezettechnika)

Az ábrából az is kitűnik, hogy az utóülepítés membránnal történő helyettesítésével az ülepítő 3-5 g/l lebegőanyag terhelési korlát is megszűnik, s megnyílik a lehetőség a levegőztető medence 15-20 g/l iszapkoncentrációval történő működtetésére, mely három-ötszörös levegőztető medence térfogat csökkentéséhez vezethet. A nagyobb iszapkoncentráció egyben magasabb iszapkort is eredményez, azaz a rendszerből stabilabb, s egyben mennyiségében is redukálódott iszap elvételére nyílik lehetőség.

Természetesen kedvezőtlen hatások is jelentkezhetnek, melyek miatt (Dohmann et al 1999):

  • a nagyobb iszapkoncentráció következtében megnő az eleveniszap viszkozitása és ezzel csökken az O2 átadás „a” tényezőjének értéke (többszörös levegő bevitel!),

  • a fölösiszap minőségének megváltozása kedvezőtlenül hat a szűrési ellenállás mértékére (romlik az iszap vízteleníthetősége,

  • a tartózkodási idő csökkenése miatt (kisebb puffer hatás) csökken a csúcsterhelésekkel szembeni rugalmasság.

A felsorolt hátrányos hatások kiegyenlítésére való törekvések között megemlíthető egyebek mellett a nyomás alatti O2 bevezetés, mely az O2 átadása a tényezőjét növeli.

Hasonlóan eredménnyel kecsegtet a Zenon cég eljárása, melynél a membrán kötegeket (132. ábra) magába az eleveniszapos medencébe süllyesztik be. (A membránok tisztításához szükséges befújt levegő – turbulens tér képzése – beszámítható a medence oxigénigényének kielégítésébe).

132. ábra. ZeeWeed kapilláris modulokkal kialakított eleveniszapos technológia (Barótfi I.: Környezettechnika)

A kapilláris modulok visszaöblítéséhez egy külön szűrlettartály szükséges.

Közelítő méretezéshez az alábbi paraméterek szolgálhatnak segítségül:

1 db membrán kazetta 8 db Zee-Weed-500 modulból áll.

1 modul 46 m2 szűrőfelülettel rendelkezik (1 kazetta 368 m2).

Települési szennyvíz esetében szükséges szűrőfelület: ~ 40 m2 membrán/m3 szennyvíz/h.

Szennyvíziszap sűrítése esetén szükséges szűrőfelület: ~ 100 m2 membrán/m3 iszap/h. (Ivóvíz tisztítás esetén ~ 20 m2 membrán/m3 nyersvíz/h).

A membránokon átjutó víz bakteriális szennyezést nem tartalmaz, így a költséges fertőtlenítő rendszer is megtakarítható. A lebegőanyagok 99%-os visszatartása a jövőben a tisztított szennyvíz újrahasznosítását a korábbiakhoz képest sokkal nagyobb területen teszi lehetővé.

Felhasználásuk meglévő telepek hatásfok javításánál, ill. nagyobb mértékű szennyezés növekedésénél stb. szintén kedvezően alkalmazható.

A magyarországi helyzetkép

Hazánkban is várható a membrán eljárások gyors elterjedése. Döntő szerepe lehet az első néhány év tapasztalatának és a membránmodul árak várható csökkenésének.

Az eljárások elterjedését egyrészt várhatóan felgyorsítja az analitika fejlődése is, ugyanis egyre több egészségkárosító anyagot, tisztítási mellékterméket tudnak az egyre pontosabb műszerek kimutatni és feltehetően ezeket a membrán eljárásokkal lehet a leghatékonyabban eltávolítani, másrészt az EU-s előírások miatt felgyorsulnak a víz- és szennyvíz-technológiai rekonstrukciók és vízminőség javító programok is.

Összefoglalás

Az adszorpció tehát felületi megkötő képességet jelent. Az adszorbensek a megkötött anyagokkal reverzibilis kapcsolatban vannak. Ez lehetővé teszi, hogy a megkötött anyagok eltávolíthatók az adszorbens felületéről, vagyis az adszorbensek regenerálás után visszanyerik felületi megkötő képességüket és ismételten felhasználhatók. A vízkezelésben az ízrontó, toxikus és mutagén anyagok eltávolítására használják.

Por (PAC), vagy granulált (GAC) formában alkalmazzák. Az előbbit statikus, míg az utóbbit dinamikus műveletnek is nevezik.

A membrán egy szűrő, mely hasonlóan a hagyományos (szövet-, vagy szemcsés anyagú) szűrőkhöz leválasztást (szeparálás) végez.

Az elválasztás fizikai úton történik, anélkül, hogy az elválasztandó keverék kémiai összetevői megváltoznának.

A leggyakoribb membrán modulok:

  • spirális tekercsmembrán modul,

  • üreges szálköteg membrán modul,

  • csőmembrán modul,

  • síkmembrán (lap vagy tárcsa) modul.

A membrán eljárások osztályozhatók a membrán felületén lévő perforáció mérete szerint is:

  • mikroszűrés,

  • ultraszűrés,

  • nanoszűrés,

  • fordított ozmózis.

Ellenőrző kérdések

  1. Ismertesse az adszorpció lényegét!

  2. Hasonlítsa össze a por alakú és granulált aktív szénszűrők működési elvét!

  3. Rajzolja fel az áttörési görbét és értelmezze azt!

  4. Jellemezze a spirális membrán modulokat!

  5. Ismertesse az ultraszűrés folyamatát!