Ilmastonmuutos vaikuttaa syvästi pintaveden NOM:n pitoisuuteen ja ominaisuuksiin useiden monimutkaisten mekanismien kautta, mikä tekee NOM:sta juomaveden käsittelyn ydinsaasteen. Korkean -NOM-vesilähteiden värit ja DOC (annokset pinta-alayksikköä kohti) ovat yleensä korkeat. NOM ei ainoastaan aiheuta väri- ja hajuongelmia vesistöissä, vaan myös reagoi desinfiointiaineiden kanssa muodostaen syöpää aiheuttavia sivutuotteita.
Perinteisillä juomaveden käsittelymenetelmillä on rajallinen NOM-poistotehokkuus, kun taas perinteiset orgaaniset kalvoprosessit kärsivät haitoista, kuten likaantumisalttius ja huono korroosionkestävyys. Keraaminen kalvo yhdistettynä koagulaatioon tarjoaa innovatiivisen, vähän-energiaa-kuluttavan, kompaktin ja erittäin vakaan ratkaisun korkean-NOM-pintaveden puhdistamiseen.
Kolme esikäsittelymenetelmää: perinteisestä äärimmäiseen kompaktiin
Eurooppalainen tutkimusryhmä suunnitteli ja vertasi kolmea koagulaatio- ja flokkulaatioesikäsittelymallia, joilla saavutettiin jatkuva prosessivirtauksen optimointi ja samalla hoidon tehokkuus:
1. Perinteinen kaksi-säiliökoagulaatio/flokkulaatio
Klassisena käsittelytapana tässä prosessissa käytetään kaksi{0}}vaiheista reaktiosuunnittelua: nopea sekoitussäiliö ja hidas flokkulaatiosäiliö. Raakavesi ja koagulantti sekoitetaan perusteellisesti pikasekoitussäiliössä ennen kuin ne menevät flokkulaatiosäiliöön hiutalekasvun loppuunsaattamiseksi. Hydraulinen kokonaisretentioaika (HRT) on 21 minuuttia. Tämä tila tarjoaa perusteellisen reaktion, mutta vaatii suuren jalanjäljen ja sen rakennuskustannukset ovat korkeat.
2. Pikasekoitustila
Tämä tila yksinkertaistaa prosessivirtausta, eliminoi hidas flokkulaatiosäiliön ja säilyttää vain nopean sekoitusyksikön. Saostusaine ja raakavesi sekoitetaan ja ne menevät suoraan kalvomoduuliin, mikä vähentää hydraulisen retentioajan 7 minuuttiin. Samalla kun se säilyttää perushoidon tehokkuuden, se yksinkertaistaa merkittävästi laitteiden konfigurointia.
3. Online-putkimainen flokkulaatiotila
Tämä on tämän tutkimuksen innovatiivisin kompakti ratkaisu. Prosessivirtaus on seuraava: raakavesi + koagulantti → kalvosyöttöpumpun sekoitus → putkimainen flokkulanti → keraaminen kalvo → permeaatti. Prosessin aikana ei ole reaktiosäiliötä; sekoitus ja flokkulointi suoritetaan putkilinjojen kautta. Hydraulinen retentioaika (HRT) on vain 45 sekuntia, ja G--arvoksi säädetään 330 s⁻¹. Sen jalanjälki on pienin kolmesta tilasta.
Ydinparametrit: Keraamisen kalvon laitteistotuki
Kokeessa käytettiin keraamista kalvoa, josta epäorgaanisten materiaaliominaisuuksiensa, kemiallisen kestävyyden ja korkean mekaanisen lujuuden ansiosta tuli prosessin vakaan toiminnan ydinlaitteisto.
Kokeilutulokset: Tehokas{0}}poisto + alhainen-saaste, kaksi etua
Tutkimuksessa käytettiin DOC:ta, väriä ja UV₂254:ää NOM-arvioinnin indikaattoreina ja transmembraanista paine-eroa (TMP) kalvon likaantumisen arviointiindikaattorina, mikä optimoi koagulanttien tyypin, annoksen ja pH-arvon.
Kokeessa verrattiin polyalumiinikloridia ja rautakloridia, ja tulokset olivat varsin valaisevia:
DOC-poisto:
Alumiinisuolat saavuttivat 50-85 %:n poistonopeuden pH:ssa 5,5, mikä lisääntyi annoksen kasvaessa.
Rautasuolat saavuttivat maksimipoistonopeuden 87 % pH:ssa 4,5 ja 10 mg/l.
Värin poisto:
Aluminum salts were optimally removed at pH 5.5, with a dosage as low as 2 mg/L achieving a removal rate >90%.
Rautasuolat poistuivat optimaalisesti pH:ssa 5,0, jolloin vaadittiin 6... Vastaavien tulosten saavuttaminen vaatii yli mg/L pitoisuuksia.
Tutkimuksen keskeinen havainto on, että enemmän koagulanttia ei välttämättä ole parempi.
2 mg/l alumiinisuola: riittämätön varauksen neutralointi, pienet flokit ja kalvon huokosten helppo tukkeutuminen.
Alumiinisuolapitoisuudessa 5 mg/l: varaus voi palautua tai kalvon pintakuorma voi olla liian suuri.
Alumiinisuolan pitoisuudella 3 mg/l: kalvon likaantumisaste on pienin ja toiminta on vakaata.
Tämä tarkoittaa, että annoksen optimointi on tärkeämpää kuin sen sokea lisääminen.
Mitä tulee kalvon likaantumiseen, sillä on erittäin vahva stabiilisuus ja erittäin alhainen palautumaton kalvon likaantumista. Alumiinisuolan annoksella 3 mg Al/L kalvon likaantumisnopeus saavuttaa optimaalisen tason, ja yhden syklin paineen nousu on vain noin 40 mbar. Yhdessä säännöllisen vastahuuhtelun kanssa -pitkäaikainen vakaa toiminta voidaan säilyttää.
On syytä huomata, että jäteveden jäännösmetallipitoisuus on prosessin toimintaa rajoittava ydinindikaattori. NOM-poiston optimaalisella pH-alueella 4,5–5,5 alumiinin ja raudan jäännöspitoisuudet ylittävät helposti 150 ug/L (juomaveden laatustandardeissa GB5749-2022 alumiinin rajat ovat 200 ug/l ja raudalle 300 ug/l). Käytännön suunnittelussa on välttämätöntä tasapainottaa pH-arvo ja koagulanttien annostus huomioiden sekä poistotehokkuus että jätevesiturvallisuus.
Online-putkimainen flokkulaatiotila on suositeltava vaihtoehto
Kolmen esikäsittelytavan vertailu paljasti:
Väri- ja DOC-poistoasteet olivat molemmat noin 80 %, ja erot olivat mitättömät.
Irreversiibelin kalvon likaantumisnopeudet olivat samanlaiset (0,06–0,10 mbar/h).
Jäteveden sameus pysyi jatkuvasti alle 0,1 NTU.
Kolmessa tilassa ei havaittu merkittävää eroa NOM-poistotehokkuudessa, mutta online-putkimainen flokkulaatiotila, jonka hydraulinen retentioaika on erittäin lyhyt, 45 sekuntia, ja minimalistinen muotoilu ilman reaktiosäiliötä, tuli optimaaliseksi valinnaksi.
Tämä tutkimus vahvistaa, että koagulointi-flokkulaatio + keraaminen kalvo -prosessi soveltuu täysin pintaveden puhdistustarpeisiin, joissa on korkea NOM (normaalisti happipitoisuus): alhainen koagulanttiannos saavuttaa vaatimustenmukaisen käsittelyn; keraaminen kalvo on pestävä ja sillä on pitkä käyttöikä; ja sen käyttöenergiankulutus on paljon pienempi kuin perinteiset prosessit. Online-putkimainen flokkulointitila rikkoo perinteisten vedenkäsittelyprosessien suuren jalanjäljen rajoitukset tarjoten teknistä tukea kompaktien, älykkäiden juomavesilaitosten rakentamiseen.
Johtopäätös
Yhä tiukentuvien juomaveden laatustandardien ja lähdeveden saastumisen haasteiden edessä koagulaatio-keraamikalvon esikäsittelyprosessi tasapainottaa hoidon tehokkuuden ja alempien rakennuskustannusten kanssa. Sen ydinetuja ovat korkea-poistoteho, alhainen saastuminen, kompakti rakenne ja alhainen energiankulutus, joten se tarjoaa uuden lähestymistavan vesilaitoksille, jotka käsittelevät suuria-orgaanisia-vesilähteitä (kuten säiliövettä etelässä ja jokivettä pohjoisessa).