Membránová filtrace v čištění odpadních vod
Filtrační procesy patří při čištění vod ke kritickým krokům celého procesu. V důsledku současného trendu stoupající poptávky po pitné vodě dochází i k využívání různých alternativních zdrojů, které však mohou obsahovat poměrně velké množství různých kontaminantů, čímž rostou i nároky na technologické postupy používané při úpravě takovéto vody. Řešení nabízí právě membránová filtrace, díky které je možno jedním procesem získat kvalitní pitnou vodu z různých vodních zdrojů, ať už se jedná o surovou vodu před úpravou podzemní nebo povrchovou. Kromě toho se dá membránová filtrace využít pro přečištění procesních vod před systémem reverzních osmóz anebo při tzv. hygienizaci (terciárním dočištění) odpadních vod z ČOV.
Kontaminanty vyskytující se ve vodách lze rozdělit do tří základních skupin:
- ve vodě rozpustné kontaminanty (většinou chemické látky anorganické i organické povahy)
- ve vodě nerozpustné látky (částice písku, zákaly, koloidy)
- mikroorganismy (bakterie, viry, řasy apod.)
Při použití membránové filtrace jsme schopni z vody odstranit jak rozpustné a nerozpustné kontaminanty, tak i bakterie a částečně dokonce i viry.
Princip MBR
Membránové procesy se řadí mezi separační metody založené na použití polopropustné membrány, přičemž hnací silou celého procesu je v tomto případě rozdíl tlaků před a za membránou. Selektivita celého procesy závisí zejména na velikosti pórů membrány. Tlakové membránové procesy lze dělit podle velikosti pórů na mikrofiltraci, ultrafiltraci, nanofiltraci a reverzní osmózu, přičemž základní princip všech procesů je stejný, liší se jen pracovními tlaky a typy membrán.
Proces může být prováděn ve dvou uspořádáních a to přímém (tzv. dead-end filtrace) nebo tangenciálním (cross-flow). Při přímé filtraci se na membráně tvoří filtrační koláč, jehož tloušťka s časem roste a kapalina je tedy přiváděna kolmo na membránu a ve stejném směru je pak odváděn i permeát (přefiltrovaná čistá kapalina). Při tangenciální filtraci vzniká filtrační koláč také, ale jeho tloušťka je omezená. Kapalina tedy proudí podél membrány a permeát je odváděn ve směru kolmém na přiváděný proud vstupní kapaliny.
Základní typy membránové filtrace
- Mikrofiltrace
Při mikrofiltraci nepřesahuje tlakový rozdíl 0,5 MPa a při procesu dochází k zachytávání částic o rozměrech od 0,1 do 10 µm. Membrány mohou být jak z anorganických materiálů (skla či keramiky) tak z polymerů. Jedná se o metodu často využívanou k přečištění vody před systémem reverzních osmóz a také se často používá v potravinářství například pro odstranění kvasinek při výrobě vína a piva či čiření syrovátky.
- Ultrafiltrace
Ultrafiltrace zachytává částice jejichž velikost se pohybuje od 2 nm do 0,1 µm. V takovýchto rozmezích se pohybují velikosti koloidních částic, bílkovin, polysacharidů ale také například virů. Opět je využívána zejména jako proces přečištění před reverzní osmózou a v potravinářské průmyslu například při výrobě sýrů nebo zakoncentrování želatiny. Využití nachází také při čištění odpadních vod pocházejících z papírenského a textilního průmyslu.
- Nanofiltrace
Nanofiltrace je schopna zachytit molekuly a částice rozměrově menší než 2 nm. Do této kategorie patří například molekuly barviv, pesticidů, herbicidů apod. Jedná se o metodu využívanou zejména odstraňování dusičnanových iontů či čištění odpadních vod ze specifických provozoven jako jsou například galvanovny.
- Reverzní osmóza
I reverzní osmóza patří mezi membránové filtrační procesy. Slouží k oddělení nízkomolekulárních látek a iontů z vody. Látky obsažené ve vodě mají tendenci migrovat na základě principu vyrovnání koncentrací z místa o vyšší koncentraci do místa o nižší koncentraci, v čemž jim ovšem v tomto případě brání membrána. Tok rozpouštědla je při osmóze naopak opačný, tedy z méně koncentrovaného prostředí do výše koncentrovaného. Hnací silou celého procesu je právě osmotický tlak. V případě reverzní osmózy je tlak v oblasti, kde je větší koncentrace nečistot větší než tlak osmotický a směr proudění vody je tedy opačný než u osmózy, proto se k názvu procesu přidává přívlastek reverzní. Pokud by byl odpor membrány nebo tlak v koncentrovanější části rovný osmotickému tlaku celý proces by se zastavil.
V praxi se pro překonání osmotického tlaku systému používají tlaky okolo 10 až 50 barů. Jedná se o metodu široce používanou zejména při odsolování brakických a mořských vod, dále při sterilizaci chirurgických a laboratorních nástrojů, přípravě vody pro laboratoře, dialýze ale také v průmyslu například při napájení vysokotlakých kotlů.
Používané membrány
V zásadě platí, že membránu lze připravit z jakéhokoli materiálu, ze kterého je možné vyrobit tenkou vrstvu, která bude určité látky zachytávat a jiné zase propouštět na základě jejich velikosti. Membrány mohou být homogenní tedy vyrobené z jednoho materiálu nebo kompozitní, kdy je aktivní vrchní vrstva vyrobena jiného materiálu než spodní vrstva podpůrná. Zejména pro ultrafiltraci se pak využívají membrány asymetrické (nehomogenní). Ty jsou tvořeny velmi tenkou aktivní vrstvou s velmi malými póry a silnější podpůrnou porézní vrstvou vyrobenou ze stejného materiálu sloužící zejména pro vylepšení mechanických vlastností membrány.
Membrány mohou být vyrobeny jak z anorganických materiálů (nejčastěji ze skla a keramiky, ale je možno použít také kovy), tak z organických materiálů nejčastěji na bázi polymerů (PVC, acetát celulózy).
Pokud uložíme více takovýchto membrán do pouzdra, vznikne tzv. filtrační membránový modul, který může mít plošné nebo tubulární uspořádání. Z hlediska provozu je snaha především o to získat co největší plochu membrán a dále je důležité také možnost jejich snadného čištění a výměny.
Moderní membránové filtrační systémy dnes využívají modul z dutých vláken (hollow fibres). Dutá vlákna jsou vyráběna z polymerních materiálů nejčastěji polysulfonu, acetátu celulózy nebo polyamidu. Jedná se v podstatě o válcové trubice s délkou mnohem větší, než je jejich průměr. Toto uspořádání sebou přináší řadu výhod, zejména velkou plochu povrchu vzhledem k objemu, vysokou mechanickou odolnost a pevnost a také schopnost vydržet zpětný proplach. Další výhodou, že v dutých vláknech nedochází k zadržování kapaliny. Tyto vlastnosti významně usnadňují regenerační proces. Ten lze totiž provádět automaticky na místě zpětným proplachem kombinovaným s průtokem tlakového vzduchu. Díky tomu je také umožněn provoz při vysokém průtoku a prodlouží se provozní doby mezi jednotlivými chemickými čištěními. Nicméně i dutá vlákna mají své nevýhody a tou nejvýraznější je zejména tlaková ztráta, ke které dochází při toku permeátu nebo nástřiku vnitřkem vlákna.
Výhody a nevýhody
Membránová filtrace je v současnosti považována za ekonomičtější a také spolehlivější variantu klasických filtračních procesů, jako je například písková filtrace a další procesy zahrnující flotaci, sedimentaci apod. Mezi její hlavní přednosti patří především absolutní filtrační bariéra a zajištěná pravidelná porozita materiálu. Vyznačuje se také nižší spotřebou proplachové vody, možností provádět test neporušenosti filtru a nižší vliv kolísání kvality vstupní vody na účinnost filtrace. Velmi výrazným bonusem je také garance odstranění bakterií z vody. Navíc není nutné přidávat žádné další chemikálie, z čehož vyplývá, že membránová filtrace je šetrnější k životnímu prostředí.
Na druhou stranu největší nevýhodou membránových procesů stále zůstává poměrně nízká životnost membrán a také jejich zanášení. Membránové procesy se taktéž vyznačují nízkou selektivitou, což znamená, že z vody odstraňují plošně všechny částice o určité velikosti, ať už je to pro konečnou kvalitu vody žádoucí nebo ne.
Obchodní manažer
Trackbacks