Az uszodavíz reverz ozmotikus és ultraszrési kombinált kezelésének kedvez hatásai

Átírás

1 Az uszodavíz reverz ozmotikus és ultraszrési kombinált kezelésének kedvez hatásai Florian G. Reißmann*, Volker Albrecht**, Wolfgang Uhl* *Institute for Urban Water Management, Technische Universität Dresden, Dresden/Germany **Wassertechnischer Anlagenbau Plauen GmbH, Reißiger Gewerbering 11, Plauen/Germany Absztrakt Az uszodavíz kezelésében a membrántechnikák a közeljövben érdekes alternatívát jelentenek, mivel a hagyományos vízkezelési módszerekkel szemben számos elnyük van. Ezek között említhet meg, hogy - elssorban a mikrobiológiai szennyezések és a zavarosság tekintetében - javul a víz minsége, valamint porított aktív szén (PAC) szréssel kombinálva a ferttlenítési melléktermékek (DBP) és azok prekurzorainak eltávolítása is. Ezen kutatás során a koagulánsok hozzáadását követ ultraszrés (UF) és reverz ozmózis (RO) kombinált alkalmazását vizsgáltuk valódi uszodavíz kezelésére. A reverz ozmózis technika érdekessége, hogy lehetvé teszi a DBP prekurzorok eltávolítását aktív szenes szrés nélkül. Ez különösen elnyös a szrk visszamosásából származó víz esetében. Mivel az RO membránok hamar tönkremennek, ezt a lépést ultraszrés elzi meg. Emellett egy kisméret granulált aktív szenes szr is mködik a RO eltt, mivel a membrán nem bírja a szabad klórt. Kulcsavak uszodavíz kezelése, szr visszamosó víz, víz újrahasznosítás, ultraszrés, reverz ozmózis Bevezetés A jöv mérnökeinek egyik legfontosabb feladata lesz a meglév vízkezel létesítmények hatékonyságának növelése. A fogyatkozó vízkészletek és szárazság komoly problémát jelentenek, és már nem csak a fejld országokban. A globális felmelegedés okozta vízhiány és szárazság olyan országokat is fenyeget, mint pl. Németország. Ennek következtében a membrán alapú technológiák, amelyek lehetvé teszik a víz kezelését és újrahasznosítását, számos elnnyel kecsegtetnek. Az elmúlt években egyre több vízszolgáltató fontolgatta az ivóvíz kezelés során keletkez szr visszamosó víz (spent filter backwash water, SFBW) újrahasznosítását membránok segítségével (Kötzle et al. 2002, Reissmann et al. 2004). Drezdában (Németország) például 2005 végén egy 1200 m 3 / nap maximális teljesítmény ultraszr berendezést fognak üzembe helyezni az ivóvíz kezelésébl származó SFBW újrahasznosítására. A széleskör elzetes kísérletek során az alámerített membrán rendszer számos elnyére derült fény, így ez tnik a legmegfelelbb megoldásnak. Ezzel a rendszerrel a teljes lebeganyag (TSS) visszanyerés meghaladta a 90 %-ot (0,7 g/l a befolyó vízben és akár 8 g/l a koncentrátumban). Ráadásul a membrán hatékonyságát (transzmembrán nyomás és folyamatos fluxus) a közbens szr visszamosás következtében ingadozó TSS koncentráció szinte nem befolyásolta. Ennek eredményeképpen az ülepítési id és az ülepít medencék térfogata egyaránt lecsökkenthet. Folyamatos (két naponkénti) normál üzemeltetési ferttlenítés mellett a szrletben nem volt mikrobiális szennyezés. Ezen

2 Uszodavíz kombinált UF és RO kezelése 2 eredmények alátámasztják, hogy a szrlet felhasználható biztonságos kiegészít vízforrásként. Emellett a szennyvíz elvezetési költségek is jelentsen csökkenthetek (Reissmann et al. 2002, Reissmann et al. 2003). Németországban az uszoda üzemeltetk közül is sokan használnak membrán technikákat a SFBW kezelésére és visszaforgatására (Hagen 2003, Hobby et al. 2004, Reißmann et al. 2005). A víz minségét azonban a vízvisszaforgató rendszerek nem befolyásolhatják. Németországban a DIN számú szabvány rögzíti a vízminségi elírásokat és a lehetséges kezelési kombinációkat. A vízminségi szabvány elírja a határértéket a klórozási melléktermékekre (trihalometán származékok 0,02 mg/l), szabad klórra (0,3-0,6 mg/l), és mikrobiális szennyezkre (heterotróf összcsíraszám, Legionella, E. coli, Pseudomonas). Emellett az egyenletes vízminség érdekében fürdzként 30 L/nap vízcserét ír el. A víz (pl. SFBW) többszöri visszaforgatása esetén az uszodavíz minsége nem romolhat. Uszodavíz kezelések lehetséges kombinációi Hagyományos kezelés A hagyományos víztisztítás sémáját mutatja az 1. ábra. A kezelés általában kicsapási/flokkulációs lépésbl és ezt követ kétfázisú szrésbl áll. A német DIN szabványnak megfelel mikrobiológiai vízminség érdekében ezt általában ferttlenít lépés (klórozás) követi. A granulált aktív szén a kétfázisú szrben a klórozási melléktermék prekurzorok és a kötött klór eltávolítása érdekében általában felül helyezkedik el. 1. ábra Hagyományos uszodavíz kezelés

3 Uszodavíz kombinált UF és RO kezelése 3 A vízkezelési folyamat egészét tekintve az alábbi hiányosságok foglalhatóak össze: a vízkezel berendezések helyigénye nagy, a sz rlet tartalmazhat mikrobiális szennyez ket, sok fert tlenít szert igényel, sok víz szükséges a homoksz r k visszamosására, a GAC sz r k cseréje vagy újratöltése szükséges, nagy vízfogyasztás, költséges szennyvíz (sz r visszamosó víz) elvezetés, az elvezetend sz r visszamosó víz esetleges szennyezése (pl. határértéket meghaladó adszorbeálható szerves halogén (AOX) koncentárció) A Wassertechnischer Plauen GmbH cég és Városi Vízkezel Intézet els együttm ködésében a sz r visszamosó víz UF/RO kombinált kezelését vizsgáltuk. A visszamosó víz visszaforgatása Az elvezetésre kerül SFBW csökkentése érdekében egy 2,5 m3/h maximális kapacitású UF rendszert alkalmaztunk egy m köd uszodában Zimdorfban (Bajorország, Németország). A meglév hagyományos és a SFBW vízkezelés vázlata a 2. ábrán látható. 2. ábra Uszodavíz kezelése UF/RO rendszerrel a visszamosó víz hasznosítása érdekében (forrás Reißmann et al. 2005)

4 Uszodavíz kombinált UF és RO kezelése 4 A medencevíz kezelése a fentebb részletezett hagyományos módon történt, kicsapással, majd közvetlen szréssel. A szrlet hipokloritos ferttlenítést követen került vissza a medencébe. Átlagosan napi 35,2-37,9 m 3 SFBW keletkezett. A homokszr visszamosását követen a víz egy 43 m 3 -es ülepít tartályba került. Fél órás két órás ülepítést követen a megtisztított SFBW-t pumpa továbbította az UF berendezéshez. Az iszap a csatornába került. Az UF berendezés egy 45 m 2 szrfelület üreges szál modulból állt. Az ultraszr szrletét NaOCl-tal ferttlenítették, majd a szrlet tartályba került, amely a membrán visszamosó pumpát táplálja. A membránok visszamosása a szrlet 1,6 m 3 -ével történt, 150 l/(m 2 h) visszamosó vízárammal. Minden második visszamosás alkalmával kémiai ferttlenítés történt (NaOCl), hogy megakadályozzuk a berendezés mikrobiális kolonizációját. Ezt követen a szrletet két részre osztottuk. A vízsugár egyik fele közvetlenül visszajutott az úszómedencébe, a másik a reverz ozmózis berendezéshez került. A RO berendezés csökkentette az oldott anyagok mennyiségét. A vízvisszaforgatás következtében az uszodavízben különböz oldott anyagok (szerves anyagok vagy sók) egyre növekv mennyiségben mutathatóak ki. Ezért van szükség olyan kezelésre, amellyel ezek koncentrációja csökkenthet. Korábbi kísérletek, amelyben RO kezelést alkalmaztak klórozási melléktermék prekurzorok eltávolítására, a szerves anyagok szinte teljes visszanyerését mutatták (Wolf et al. 2002). Ebben a vizsgálatban a szrlet kb. 1/3-a ( L/h) került a RO berendezésre. Mivel a RO membránok érzékenyek a szabad klórra, berendezés elé egy granulált aktív szenes szrt is be kell iktatni. Néhány perc elegend a szabad klór katalitikus reakciójához. Az UF membrán teljesítménye kiváló volt, a normalizált áteresztképesség 20 C-on meghaladta a 330 L/(m 2 h bar). Az UF berendezés folyamatosan mködtethet volt kb. 200 mbar konstans transzmembrán nyomással, maximálisan 90 perces szrési periódus mellett. Az ülepített SFBW ultraszrése során a zavarosság 5-25 FNU-ról 0,02 alá csökkent, amely a lebeganyag szinte teljes eltávolítását jelzi. A szerves anyagok eltávolításának hatékonysága jóval kisebb volt, mint a lebeganyagé. Az oldott szerves anyag visszanyerése átlagosan csupán 11 % volt. Ezek az értékek nagyon hasonlóak ahhoz, amelyeket az ivóvíz elállítása során keletkez SFBW ultraszrése során tapasztaltunk (Reissmann et al. 2002). Ezzel szemben az ultraszrés és az azt követ klórozás után a víz UV elnyelése kismértékben (mintegy 10 %-kal) növekedett. Ez a szrletben lev szervesanyag nagyobb mérték aromatizáltságára utalhat. A rendszeres (minden második visszamosásnál történ) ferttlenítés mellett a szrletben mikrobiális szennyezés nem volt kimutatható. Az UVA 254 érték mellett a klórozási melléktermékek, - elssorban trihalometánok (THM) - koncentrációja is megnövekedett mintegy 40 %-kal (0,005 mg/l-rl 0,007 mg/l-re), azonban még így sem érte el a német DIN szabványban rögzített 0,02 mg/l határértéket. A mikrobiológiai és vízminség vizsgálatok valamennyi eredménye megfelel a DIN szabvány elírásainak, így a szrlet visszaforgatható a medencébe anélkül, hogy ez a víz minségét rontaná. A lebeganyagok mennyisége (TSS), a kémiai oxigénigény (KOI) és a szerves halogének (AOX) koncentrációja az ultraszrn visszamaradt koncentrátumban nagyon megnövekszik, így nem felelnek meg a

5 Uszodavíz kombinált UF és RO kezelése 5 szennyvízkezel által fogadható vízre vonatkozó német szövetségi elírásonak. A 3. ábrán látható a TSS, a KOI, és a AOX mennyisége, valamint a vonatkozó határértékek. Jól látható, hogy az ultraszrés után a koncentrátumban mért értékek 2-7-szer nagyobbak az engedélyezettnél. 3. ábra Az ultraszr koncentrátumának összetétele és a vonatkozó határértékek Az uszoda egészének tömegegyensúlyát tekintve azonban a szennyvízbe kerül AOX nagymértékben csökkenthet. A lebeganyagokra és a KOI-ra az uszoda üzemeltetje és a szennyvízkezel között külön megállapodás jött létre. Az összehasonlítottuk az uszoda üzemeltetési költségeit a SFBW újrahasznosításával, illetve anélkül. Membrán rendszer alkalmazásával a csatorna-, valamint az ivóvíz használati költségek jelentsen csökkenthetek. Emellett a víz ftésére felhasznált energia is kevesebb. Átlagosan évente kb. 9,500 m 3 víz forgatható vissza. Az átlagos víz- és csatornadíjakat figyelembe véve az UF/RO rendszer évi EUR megtakarítást jelent. Emellett az energiatakarékos üzemeltetés további évi 7300 EUR-val csökkenti a költségeket. A berendezés üzemeltetési költsége (vegyszerek, energiafelhasználás, felügyelet és fenntartás) évi EUR. Az UF/RO berendezés EUR beruházási költségét és a membrán több mint 5 éves élettartamát figyelembe véve az UF/RO berendezéssel felszerelt uszoda fenntartási költsége kevesebb, mint ahol nincs SFBW visszaforgatás. Mivel a membránok élettartama 5, 7 vagy akár több év között változhat, a költségelemzésben jelents különbségek lehetnek. További optimalizálás mellett azonban 7 év üzemeltetés után a megtakarítás meghaladhatja az évi 4300 EUR-t.

6 A medencevíz közvetlen membrán kezelése Célkitzés Uszodavíz kombinált UF és RO kezelése 6 A jelenleg folyó kutatás során a kombinált UF/RO módszer uszodavíz közvetlen kezelésében való felhasználásának lehetségét vizsgáljuk. A vizsgálat célja annak feltárása, hogy a klórozási melléktermékek prekurzorai milyen membrán technikák kombinálásával távolíthatóak el. Mint az a 4. ábrán látható, célunk egy teljes lépték ultraszr és egy azt követ oldalági RO berendezés felépítése. Jelenleg ebben az uszodában kb. óránként 78 m 3 medencevizet kezelnek hagyományos flokkuláció és azt követ közvetlen szrés módszerével. A membrán alapú vízkezel rendszer beüzemelését követen 2005-ben az alábbi laboratóriumi és helyszíni kísérletek elvégzését tervezzük: Különböz flokkulálószerek szerves anyag eltávolító hatékonyságának összevetése, A hagyományos és UF kezelt uszodavíz szrlet minségének összehasonlítása laboratóriumi rázatott kultúra kísérletben, A fenti kísérlet eredményei alapján az RO kezelésre kerül víz arányának meghatározása, amellyel jobb vagy legalább változatlan ivóvíz minség érhet el, A különböz RO membránok szrési hatékonyságának összehasonlítása a szrletbl keletkez DBP-k mennyisége alapján, Két teljes lépték UF/RO berendezés kialakítása alámerített ill. üreges szálas ultraszrvel két hasonló uszodában, A membránok hatékonyságának összevetése, Az uszodavízre elssorban a DBP keletkezésre - gyakorolt hatás felmérése, A kezelések kombinációinak végs összehasonlítása beleértve a beruházási és üzemeltetési költségeket. Noha RO kezeléssel a DBP prekurzorok mennyisége jelentsen csökkenthet, nem ismeretes, hogy a víz hányad részét szükséges az RO berendezésen átvezetni, ennek a meghatározása a vizsgálat kiemelt célja. A teljes lépték berendezésen azonban lehetség nyílik a kezelés kombináció teljes vízminségre gyakorolt hatásának vizsgálatára, anélkül, hogy ezt a hagyományos kezelés befolyásolná. 4. ábra Uszodavíz kezelése közvetlen membránszréssel alámerített UF egység és oldalági RO berendezés használatával

7 Uszodavíz kombinált UF és RO kezelése 7 A DBP prekurzorok mennyiségének csökkentése flokkulációval A most folyó vizsgálatok több flokkulálószerre vizsgáltuk a klórozási melléktermékek elanyagai eltávolításának hatékonyságát. Egy uszodában Drezdában (Németország) több alkalommal vettünk mintát, amelyet különböz flokkulálószerekkel (alumínium-szulfát, vasklorid, Quadrofloc PUH és Superfloc ME 27 készítmények) végzett kísérletekhez használtunk. Az uszodavíz paramétereinek átlagos értékeit mutatja az 1. táblázat. 1. táblázat A vizsgált uszoda átlagos vízminsége ph 6.72 UVA 254 (1/m) 1.34 vezetképesség (µs/cm) 627 Oldott szerveanyag (mg/l) 1.35 zavarosság (FNU) 0.14 Kötött klór (mg/l) 0.11 szabad klór (mg/l) 0.38 Az 5. ábrán látható az UVA 254 csökkenése különböz flokkulálószerek hozzáadása után. Mint látható, már kis mennyiség (< 0.2 mg/l) pelyhesítszer jelentsen csökkentette az UVA 254 által mérhet szerves anyagok koncentrációját. Már 0.02 mg/l Fe (vas-klorid) hozzáadása után az UVA közel 40 %-kal csökkent. Ezzel szemben 0.1 mg/l Al (alumíniumszulfát) mindössze 10 %-kal csökkentette az UVA-t. A Quadrofloc PUH flokkulálószer hasonló koncentrációban közel 25 %-os redukciót okozott. Meglep módon a Superfloc ME 27, amelyet a gyakorlatban is használnak az uszodavíz kezelésére, sem az UVA-t sem az oldott szerves anyag koncentrációt nem változtatta meg jelentsen. Kis mennyiség vas-klorid alkalmazása során a ph kb. 1 %-kal csökkent. Alumínium alapú flokkulálószereknél a savanyodás már 5 % volt. A Superfloc ME 27 nem változtatta meg a ph-t. 5. ábra UVA 254 érték flokkulálószerek adagolása után Általánosságban elmondható, hogy az UVA 254 által kimutatott szerves anyagok koncentrációja vas-klorid flokkulálószer alkalmazása esetén volt a legjelentsebb. Mivel az oldott szerves anyag csökkenése nem volt kimutatható, feltételezhet, hogy a várt módon az összetett szerves anyagok koncentrációja csökkent. Részletesebb vizsgálat, pl. szerves szén detektorral kapcsolt folyadékkromatográfia (LC-OCD) segítségével pontosabb képet fogunk kapni az egyes szerves anyagok sorsáról az uszodavízben.

8 Uszodavíz kombinált UF és RO kezelése 8 Összefoglalás A membrán technológiák alkalmazása számos kedvez lehetséget kínál. Az ultraszréses és reverz ozmózisos rendszerek kombinációja megfelel és környezetbarát módszert jelent az uszodavíz visszaforgatására. A legfbb elnyei az alábbiak: A vízkezel berendezés mérete kisebb, A hatékonyság akár 99 %-ra növekedhet, A vízminség javul, csökken a mikrobiális szennyezés, Nincs szükség por formájú aktív szénre, Csökken a ferttlenítszer-igény, Csökken a SFBW térfogata, bár a szennyezanyag tartalma növekedhet. A jó minség szrlet és permeátum biztonsági aggályok nélkül visszajuttatható a medencébe. A magas vízhmérsékletnek köszönheten nagy folyadékáram valósítható meg, így nagyon jó a membránok teljesítménye. A kémiai tisztítás változatlanul szükséges, elssorban a szrlet mikrobiális szennyezésének megakadályozása érdekében. Reverz ozmózis segítségével csökkenthet az oldott anyagok (sók vagy szerves vegyületek) koncentrációja. További vizsgálatokra van szükség elssorban a klórozási melléktermékek elanyagaiként szolgáló szerves anyagok sorsára és az eltávolítás lehetségére vonatkozóan. Emellett problémát jelentenek a visszamaradó koncentrátumok, mivel ezek gyakran nem felelnek meg a szennyvízre vonatkozó elírásoknak, így a szennyvízkezelés vagy költségesebb lesz, vagy egyedi módon külön kell feldolgozni. Köszönetnyilvánítás Köszönjük a Sportstätten- und Bäderbetrieb der Landeshauptstadt Dresden - nak a projekt támogatását. Külön köszönjük Telse Davidnek a kísérleti munkában nyújtott segítségét.

9 Uszodavíz kombinált UF és RO kezelése 9 Irodalom Hagen, K. (2003) First full-scale ultrafiltration plant for swimming pool water treatment (in German: Erste großtechnische Ultrafiltrationsanlagen zur Schwimmbeckenwasseraufbereitung). In Melin, T. and Dohmann, M. (eds) Proceedings Membrantechnik 5. Aachener Tagung Siedlungswasserwirtschaft und Verfahrenstechnik, Aachen, Germany. Hobby, R., Hagen, K., and Czekalla, Chr. (2004) Membrane technology in swimming pool water treatment (in German: Membranverfahren in der Schwimmbadwasseraufbereitung). In Proceedings ATV-DVWK/DVGW Membrantage, Kassel, Germany. Kötzle, T., Merkl, G., and Wilderer, P.A. (2002) Large scale reuse of different filter backwash waters applying a submerged microfiltration membrane system. In Proceedings Management of Wastes from Drinkings Water Treatment, London, UK. Reißmann, F., Schulze, E., and Albrecht, V. (2005). Application of a combined UF/RO system for the reuse of filter backwash water from treated swimming pool water. Desal. in press. Reißmann, F.G., Jatzkowski, K., Weiß, M. (2003) Application of a submerged membrane system for the treatment of spent filter backwash water from surface water treatment (in German: Einsatz getauchter Membranen zur Behandlung schlammhaltiger Filterspülwässer aus der Oberflächenwasseraufbereitung) In Melin, T. and Dohmann, M. (eds) Proceedings Membrantechnik 5. Aachener Tagung Siedlungswasserwirtschaft und Verfahrenstechnik, Aachen, Germany. Reißmann, F.G., Scherer, M., Weiß, M. and Wingrich, H. (2002) Costefficiency of ultrafiltration treatment for the reuse of filter backwash water - a case study. In Proceedings Membranes in Drinking and Industrial Water Production 2002, Mühlheim, Germany. Reißmann, F.G., Wingrich, H., and Krebs, P The behavior of inorganic and organic compounds during ultrafiltration treatment of spent filter backwash water. Water and Environmental Management Series (WEMS). in press. Wolf C., Trülzsch C., Frank I. and Wingrich H. (2002) Removal of NOM for the minimisation of disinfection by-products using NF/RO systems - a case study. In Proceedings Membranes in Drinking and Industrial Water Production 2002, Mühlheim, Germany.