Klimatske promjene duboko utječu na sadržaj i karakteristike NOM u površinskim vodama kroz različite složene mehanizme, čineći NOM ključnim zagađivačem u pročišćavanju vode za piće. Izvori vode s visokim-NOM općenito pokazuju visoku boju i visok DOC (doze po jedinici površine). NOM ne samo da uzrokuje probleme s bojom i mirisom u vodenim tijelima, već i reagira s dezinficijensima stvarajući kancerogene nusprodukte.
Tradicionalni procesi obrade pitke vode imaju ograničenu učinkovitost uklanjanja NOM, dok konvencionalni procesi organske membrane pate od nedostataka kao što su osjetljivost na onečišćenje i slaba otpornost na koroziju. Keramička membrana u kombinaciji s koagulacijom pruža inovativno, malo{1}}potrošnje-energije, kompaktno i vrlo stabilno rješenje za pročišćavanje površinske vode s visokim-NOM.
Tri metode predtretmana: od tradicionalne do ultimativne kompaktnosti
Europski istraživački tim dizajnirao je i usporedio tri modela za predtretman koagulacijom i flokulacijom, postižući kontinuiranu optimizaciju toka procesa uz osiguranje učinkovitosti tretmana:
1. Tradicionalna koagulacija/flokulacija s dva-spremnika
Kao klasični način obrade, ovaj proces koristi dvo{0}}fazni dizajn reakcije: spremnik za brzo miješanje i spremnik za sporu flokulaciju. Sirova voda i koagulant temeljito se miješaju u spremniku za brzo miješanje prije ulaska u spremnik za flokulaciju kako bi se završio rast flokula, s ukupnim hidrauličkim vremenom zadržavanja (HRT) od 21 minute. Ovaj način pruža temeljitu reakciju, ali zahtijeva veliku površinu i ima visoke troškove izgradnje.
2. Način brzog miješanja
Ovaj način rada pojednostavljuje tijek procesa, eliminirajući spremnik za sporu flokulaciju i zadržavajući samo jedinicu za brzo miješanje. Koagulant i sirova voda se miješaju i izravno ulaze u membranski modul, smanjujući hidrauličko vrijeme zadržavanja na 7 minuta. Zadržavajući osnovnu učinkovitost tretmana, značajno pojednostavljuje konfiguraciju opreme.
3. Online način tubularne flokulacije
Ovo je najinovativnije kompaktno rješenje u ovoj studiji. Tijek procesa je sljedeći: sirova voda + koagulant → miješanje membranske dovodne pumpe → cjevasti flokulant → keramička membrana → permeat. Tijekom cijelog procesa nema reakcijskog spremnika; miješanje i flokulacija se dovršavaju preko cjevovoda. Hidrauličko vrijeme zadržavanja (HRT) je samo 45 sekundi, a G-vrijednost se kontrolira na 330 s⁻¹. Ima najmanji otisak među tri načina rada.
Osnovni parametri: hardverska podrška keramičke membrane
U eksperimentu je korištena keramička membrana, koja je zbog svojstava anorganskog materijala kemijske otpornosti i visoke mehaničke čvrstoće postala temeljna hardverska podrška za stabilan rad procesa.
Eksperimentalni rezultati: visoka-učinkovitost uklanjanja + nisko-onečišćenje dvostruke prednosti
Studija je koristila DOC, boju i UV₂₅₄ kao indikatore procjene NOM i transmembransku razliku tlaka (TMP) kao indikator procjene membranskog onečišćenja, optimizirajući vrstu, dozu i pH vrijednost koagulansa.
Eksperiment je uspoređivao polialuminijev klorid i željezni klorid, a rezultati su bili prilično prosvjetljujući:
Uklanjanje DOC-a:
Aluminijeve soli postigle su stopu uklanjanja od 50%-85% pri pH 5,5, povećavajući se s povećanjem doze.
Soli željeza postigle su maksimalnu stopu uklanjanja od 87% pri pH 4,5 i 10 mg/L.
Uklanjanje boje:
Aluminum salts were optimally removed at pH 5.5, with a dosage as low as 2 mg/L achieving a removal rate >90%.
Soli željeza optimalno su uklonjene pri pH 5,0, što zahtijeva 6... Postizanje ekvivalentnih rezultata zahtijeva koncentracije iznad mg/L.
Ključno otkriće studije je da više koagulansa nije nužno bolje.
Pri 2 mg/L aluminijske soli: nedovoljna neutralizacija naboja, male flokule i lako začepljenje pora membrane.
Pri 5 mg/L aluminijske soli: može doći do ponovne stabilizacije naboja ili površinsko opterećenje membrane može biti previsoko.
Pri 3 mg/L aluminijske soli: onečišćenje membrane je najmanje, a rad je najstabilniji.
To znači da je optimizacija doze važnija od slijepog povećanja.
Što se tiče membranskog onečišćenja, pokazuje izuzetno jaku stabilnost, s vrlo niskim ireverzibilnim membranskim onečišćenjem. Pri dozi aluminijske soli od 3 mg Al/L, stopa onečišćenja membrane doseže optimalnu razinu, s porastom tlaka u jednom-ciklusu od samo oko 40 mbar. U kombinaciji s redovitim ispiranjem, može se održati-dugoročno stabilan rad.
Vrijedno je napomenuti da je koncentracija zaostalog metala u efluentu ključni ograničavajući pokazatelj za rad procesa. Unutar optimalnog pH raspona od 4,5–5,5 za uklanjanje NOM-a, rezidualne koncentracije aluminija i željeza lako prelaze 150 ug/L (ograničenja za aluminij u "Standardima za kvalitetu vode za piće GB5749-2022" su 200 ug/L, a za željezo 300 ug/L). U praktičnom inženjerstvu potrebno je uravnotežiti pH vrijednost i dozu koagulansa, uzimajući u obzir i učinkovitost uklanjanja i sigurnost efluenta.
Online način tubularne flokulacije je poželjna opcija
Usporedba triju načina predtretmana otkrila je:
Stope uklanjanja boje i DOC bile su oko 80%, sa zanemarivim razlikama.
Stope nepovratnog onečišćenja membrane bile su slične (0,06–0,10 mbar/h).
Zamućenost efluenta dosljedno je ostala ispod 0,1 NTU.
Tri načina nisu pokazala značajnu razliku u učinkovitosti uklanjanja NOM-a, ali mrežni način cjevaste flokulacije, sa svojim ultra-kratkim hidrauličkim vremenom zadržavanja od 45 sekundi i minimalističkim dizajnom bez reakcijskog spremnika, postao je optimalan izbor.
Ova studija potvrđuje da je proces koagulacije-flokulacije + keramičke membrane u potpunosti primjenjiv za potrebe pročišćavanja površinske vode s visokim NOM (uobičajenim sadržajem kisika): niska doza koagulansa postiže usklađen tretman; keramička membrana je periva i ima dug vijek trajanja; a njegova radna potrošnja energije daleko je niža od tradicionalnih procesa. Mrežni način cjevaste flokulacije razbija ograničenja velikog otiska svojstvena tradicionalnim procesima obrade vode, pružajući tehničku podršku za izgradnju kompaktnih, inteligentnih postrojenja za pitku vodu.
Zaključak
Suočen sa sve strožim standardima kvalitete vode za piće i izazovima zagađenja izvorne vode, proces predtretmana-keramičke membrane uravnotežuje učinkovitost tretmana sa smanjenim troškovima građevinarstva. Sa svojim temeljnim prednostima visoko-učinkovitog uklanjanja, niskog zagađenja, kompaktnog dizajna i male potrošnje energije, pruža novi pristup za postrojenja za vodu koja se bave izvorima vode s visokim -organskim-sadržajem (kao što je voda iz rezervoara na jugu i nešto riječne vode na sjeveru).