Επεξεργασία νερού με μεμβράνες υπερδιήθησης για απομάκρυνση οργανικών ρυπαντών

Abstract

One of the critical issues for the successful application of ultrafiltration in water treatment is membrane fouling due to dissolved organic matter, which negatively affects productivity, product quality and process cost. The aim of this thesis is to contribute to the understanding of fouling phenomena by organic matter and the efficiency of the backwashing technique, which is applied in practice to restore membrane flux. In this experimental study commercial humic acid and sodium alginate have been used as model substances representative of natural organic matter and extracellular organic matter, respectively. All fouling experiments were carried out, in a special single fiber apparatus. An important parameter considered in the study of both model substances is the concentration of calcium ions, which promote their aggregation and influence the rate of flux decline, the reversibility of fouling and rejection. Membrane fouling by humic acid appears to be the outcome of simultaneous action of several fouling mechanisms. Sodium alginate fouling on the other hand is mainly due to cake development on the membrane surface. Comparing fouling in both cases it can be inferred that even though sodium alginate fouling is more severe than the one caused by humic acids, it is to a large extent reversible by backwashing. On the contrary, fouling caused by humic acid is characterized by greater and increasing with calcium addition irreversibility, which is not remedied by the periodic backwashing.

Στην παρούσα διδακτορική διατριβή μελετάται η ρύπανση των μεμβρανών υπερδιήθησης κατά τη διήθηση πρότυπων οργανικών ενώσεων, τυπικών συστατικών της Οργανικής Ύλης, η οποία απαντάται τόσο στα επιφανειακά νερά όσο και σε λύματα. Ως τυπικοί ρυπαντές χρησιμοποιήθηκαν χουμικά οξέα και ο πολυσακχαρίτης αλγινικό νάτριο, ο οποίος είναι κύριο συστατικό των Εξωκυτταρικών Πολυμερικών Ενώσεων, που είναι προϊόντα της βιοαποδόμησης των συστατικών που βρίσκονται στα νερά. Στόχος της διατριβής είναι η κατανόηση των φαινομένων που λαμβάνουν χώρα κατά την διήθηση του νερού παρουσία των ενώσεων αυτών και η εξαγωγή συμπερασμάτων που θα βοηθήσουν στην ανάπτυξη μεθόδων αντιμετώπισης της ρύπανσης. Με αυτό το κίνητρο μελετήθηκε ταυτόχρονα και η εφαρμογή της τεχνικής της αντίστροφης πλύσης της μεμβράνης, σε τακτά χρονικά διαστήματα, έτσι ώστε να διαπιστωθεί η αποτελεσματικότητά της στην απομάκρυνση των ρυπαντών και στην αποκατάσταση της περατότητας της μεμβράνης. Η μελέτη πραγματοποιήθηκε, σε ειδική διάταξη εργαστηριακής κλίμακας, με χρήση μιας μόνο μεμβράνης τύπου κοίλης ίνας, όπου όμως προσεγγίζεται ικανοποιητικά η λειτουργία συστημάτων μεγάλης κλίμακας. Συγκεκριμένα, πραγματοποιήθηκαν πειράματα με διαδοχικούς κύκλους διήθησης-αντίστροφης πλύσης, πειράματα χωρίς αντίστροφη πλύση, αλλά και ανεξάρτητα πειράματα, όπως για παράδειγμα μετρήσεις προσρόφησης των υπό μελέτη ενώσεων στη μεμβράνη. Μελετήθηκε επίσης η διήθηση μιγμάτων των παραπάνω ενώσεων σε διάφορες αναλογίες, έτσι ώστε να εξεταστεί η συνδυασμένη δράση τους στο φαινόμενο της ρύπανσης της μεμβράνης. Τέλος, για να ληφθεί υπόψη και η επίδραση των συνήθων δισθενών ιόντων που υπάρχουν στα φυσικά νερά και στα λύματα, όλα τα πειράματα που προαναφέρθηκαν πραγματοποιήθηκαν τόσο απουσία όσο και παρουσία ιόντων ασβεστίου. Εξετάζοντας τη συμπεριφορά των παραπάνω κατηγοριών ενώσεων κατά τη διήθησή τους, παρατηρήθηκε ότι παρόλο που και οι δυο επηρεάζονται από την ύπαρξη ιόντων ασβεστίου στο διάλυμα, εμφανίζοντας αυξημένη τάση συσσωμάτωσης, εντούτοις υπάρχουν αρκετές διαφορές, αναφορικά με τη ρύπανση που προκαλούν στη μεμβράνη. Βρέθηκε ότι κατά τη διήθηση των χουμικών οξέων και οι τρεις γνωστοί μηχανισμοί ρύπανσης (εσωτερική εναπόθεση στους πόρους, απόφραξη των πόρων και σχηματισμός στιβάδας επικαθίσεων στην επιφάνεια της μεμβράνης) λαμβάνουν χώρα ταυτόχρονα κάτω από όλες τις συνθήκες και τις συγκεντρώσεις ασβεστίου που χρησιμοποιήθηκαν. Αντίθετα κατά τη διήθηση του αλγινικού νατρίου, παρατηρείται μηχανισμός ρύπανσης δυο σταδίων, ο οποίος αρχικά συνίσταται σε φαινόμενα εναπόθεσης στους πόρους ή απόφραξής τους, ενώ στη συνέχεια ακολουθεί ο σχηματισμός στιβάδας επικαθίσεων στην επιφάνεια της μεμβράνης. Επίσης, εκτιμώντας τον συντελεστή ρύπανσης για τις δύο ενώσεις, παρατηρείται ότι το αλγινικό νάτριο προκαλεί σημαντικότερη ρύπανση κατά τη διήθησή του σε σχέση με τα χουμικά, για όλες τις συγκεντρώσεις ασβεστίου. Εντούτοις, η αναστρεψιμότητα της ρύπανσης που προκαλείται από τις δυο ενώσεις φαίνεται να ακολουθεί την ακριβώς αντίθετη τάση, δεδομένου ότι η ρύπανση που προκαλεί το αλγινικό νάτριο αντιμετωπίζεται σε μεγαλύτερο βαθμό με την περιοδική χρήση αντίστροφης πλύσης, σε αντίθεση με τη μειωμένη αποτελεσματικότητα της αντίστροφης πλύσης στην περίπτωση της ρύπανσης από χουμικά. Επιπλέον, όσο η συγκέντρωση του ασβεστίου αυξάνεται, η αναστρεψιμότητα της ρύπανσης που προκαλεί το αλγινικό νάτριο αυξάνεται, σε αντίθεση με την περίπτωση των χουμικών όπου η αύξηση της συγκέντρωσης του ασβεστίου φαίνεται να προκαλεί σχηματισμό πιο συνεκτικών επικαθίσεων που επιδεικνύουν μικρή τάση απομάκρυνσης κατά την εφαρμογή της αντίστροφης πλύσης. Η απόρριψη των χουμικών από τη μεμβράνη βρέθηκε να είναι σταθερή κατά τη διάρκεια των πειραμάτων ανεξάρτητα από τη μείωση της ροής διηθήματος που λαμβάνει χώρα. Αντίθετα, η συγκράτηση του αλγινικού νατρίου από τη μεμβράνη αυξάνεται με το χρόνο ως αποτέλεσμα της ρύπανσής της. Τέλος, η αύξηση της συγκέντρωσης του ασβεστίου στο διάλυμα έχει και στις δυο περιπτώσεις ως αποτέλεσμα την αύξηση της συγκράτησής τους από την μεμβράνη. Θα πρέπει να σημειωθεί επίσης ότι παρατηρήθηκε στην περίπτωση του αλγινικού νατρίου, απουσία ασβεστίου, η ανάπτυξη μιας στιβάδας με πολύ ιδιαίτερα χαρακτηριστικά, και συγκεκριμένα η δημιουργία μιας αρκετά ρευστής στιβάδας, πολύ χαλαρά συνδεδεμένης με τη μεμβράνη, που τείνει να μετακινείται κατά μήκος της ίνας κάτω από τη επίδραση της χαμηλής εφαπτομενικής ταχύτητας του ρεύματος τροφοδοσίας. Οι διαφορές που παρατηρούνται στη συμπεριφορά των δυο αυτών οργανικών ενώσεων μπορούν να αποδοθούν σε μια πληθώρα παραγόντων, όπως είναι η φύση των ενώσεων (υδρόφοβος–υδρόφιλος χαρακτήρας), η κατανομή των μοριακών βαρών τους, ο μηχανισμός συσσωμάτωσης που λαμβάνει χώρα στην κάθε περίπτωση, οι ενδομοριακές δυνάμεις που αναπτύσσονται μεταξύ των μορίων της κάθε ένωσης και οι αλληλεπιδράσεις μεταξύ της μεμβράνης και της κάθε ένωσης. Όσον αφορά τη ρύπανση που προκαλούν τα μίγματα των χουμικών και του αλγινικού νατρίου, φαίνεται ότι η συμπεριφορά που επιδεικνύουν κατά τη διήθησή τους αντικατοπτρίζει ένα συνδυασμό των χαρακτηριστικών της διήθησης της κάθε κατηγορίας ενώσεων ξεχωριστά, προσεγγίζοντας, όμως, περισσότερο τη συμπεριφορά του πολυσακχαρίτη, τόσο απουσία όσο και παρουσία ιόντων ασβεστίου. Τέλος, αξιόλογη παρατήρηση αποτελεί το γεγονός ότι η συγκράτηση των δυο αυτών κατηγοριών ενώσεων αυξάνεται στην περίπτωση της διήθησης των μιγμάτων, σε σχέση με τη συγκράτησή τους κατά την μεμονωμένη διήθησή τους, ακόμα και απουσία ασβεστίου. Γενικά, τα φαινόμενα ρύπανσης που λαμβάνουν χώρα στην περίπτωση των μιγμάτων μπορούν να αποδοθούν είτε σε συνδυασμό των ιδιοτήτων των ενώσεων (απουσία ασβεστίου) είτε στη δημιουργία κοινού σύμπλοκου (παρουσία ασβεστίου).