Schimbările climatice influențează profund conținutul și caracteristicile NOM din apele de suprafață prin diferite mecanisme complexe, făcând NOM un poluant de bază în tratarea apei potabile. Sursele de apă-NOM ridicate prezintă, în general, culoare ridicată și DOC (doze pe unitate de suprafață) ridicate. NOM nu numai că cauzează probleme de culoare și miros în corpurile de apă, dar reacționează și cu dezinfectanții pentru a genera subproduse cancerigene.
Procesele tradiționale de tratare a apei potabile au o eficiență limitată de îndepărtare a NOM, în timp ce procesele convenționale cu membrane organice suferă de dezavantaje, cum ar fi susceptibilitatea la murdărire și rezistența scăzută la coroziune. Membrana ceramică cuplată cu coagularea oferă o soluție inovatoare, cu consum redus de-energie-, compactă și extrem de stabilă pentru purificarea apei de suprafață cu-NOM înalt.
Trei metode de pretratare: de la tradițional la compactitate maximă
O echipă de cercetare europeană a proiectat și comparat trei modele de pretratare prin coagulare și floculare, realizând optimizarea continuă a fluxului procesului, asigurând în același timp eficacitatea tratamentului:
1. Coagularea/flocularea tradițională cu două-tancuri
Ca mod de tratament clasic, acest proces folosește un design de reacție în două-etape: un rezervor de amestecare rapidă și un rezervor de floculare lentă. Apa brută și coagulant sunt bine amestecate în rezervorul de amestecare rapidă înainte de a intra în rezervorul de floculare pentru a finaliza creșterea flocului, cu un timp total de retenție hidraulică (HRT) de 21 de minute. Acest mod oferă o reacție temeinică, dar necesită o amprentă mare și are costuri ridicate de construcție.
2. Mod de amestecare rapidă
Acest mod simplifică fluxul procesului, eliminând rezervorul de floculare lentă și reținând doar unitatea de amestecare rapidă. Coagulantul și apa brută sunt amestecate și intră direct în modulul de membrană, reducând timpul de retenție hidraulică la 7 minute. În timp ce menține eficacitatea tratamentului de bază, simplifică semnificativ configurația echipamentului.
3. Modul de floculare tubulară online
Aceasta este cea mai inovatoare soluție compactă din acest studiu. Debitul procesului este următorul: apă brută + coagulant → amestecare pompă de alimentare cu membrană → floculant tubular → membrană ceramică → permeat. Nu există rezervor de reacție pe tot parcursul procesului; amestecarea și flocularea sunt finalizate prin conducte. Timpul de retenție hidraulică (HRT) este de numai 45 de secunde, iar valoarea G-este controlată la 330 s⁻¹. Are cea mai mică amprentă dintre cele trei moduri.
Parametri de bază: Suport hardware cu membrană ceramică
Experimentul a folosit o membrană ceramică, care, datorită proprietăților sale materiale anorganice de rezistență chimică și rezistență mecanică ridicată, a devenit suportul hardware de bază pentru funcționarea stabilă a procesului.
Rezultate experimentale:-Eficiență ridicată de eliminare + Poluare redusă-Avantaje duble
Studiul a folosit DOC, culoare și UV₂₅₄ ca indicatori de evaluare a NOM și diferența de presiune transmembranară (TMP) ca indicator de evaluare a murdării membranei, optimizând tipul, doza și valoarea pH-ului coagulanților.
Experimentul a comparat clorură de polialuminiu și clorură ferică, iar rezultatele au fost destul de lămuritoare:
Eliminare DOC:
Sărurile de aluminiu au realizat o rată de îndepărtare de 50%-85% la pH 5,5, crescând odată cu creșterea dozei.
Sărurile de fier au atins o rată maximă de îndepărtare de 87% la pH 4,5 și 10 mg/L.
Îndepărtarea culorii:
Aluminum salts were optimally removed at pH 5.5, with a dosage as low as 2 mg/L achieving a removal rate >90%.
Sărurile de fier au fost îndepărtate optim la pH 5,0, necesitând 6... Obținerea unor rezultate echivalente necesită concentrații peste mg/L.
O concluzie cheie a studiului este că mai mult coagulant nu este neapărat mai bun.
La 2 mg/L sare de aluminiu: neutralizare insuficientă a sarcinii, flocuri mici și înfundare ușoară a porilor membranei.
La 5 mg/L sare de aluminiu: poate apărea restabilirea sarcinii sau sarcina suprafeței membranei poate fi prea mare.
La 3 mg/L sare de aluminiu: murdărirea membranei este cea mai mică, iar funcționarea este cea mai stabilă.
Aceasta înseamnă că optimizarea dozei este mai importantă decât creșterea orbește.
În ceea ce privește murdărirea membranei, aceasta prezintă o stabilitate extrem de puternică, cu murdăria ireversibilă a membranei foarte scăzută. La o doză de sare de aluminiu de 3 mg Al/L, rata de murdărire a membranei atinge un nivel optim, cu o creștere a presiunii cu un singur-ciclu de numai aproximativ 40 mbar. În combinație cu spălarea obișnuită din contra, poate fi menținută funcționarea stabilă pe termen lung-.
Este de remarcat faptul că concentrația reziduală de metal în efluent este un indicator limitativ de bază pentru funcționarea procesului. În intervalul optim de pH de 4,5–5,5 pentru îndepărtarea NOM, concentrațiile reziduale de aluminiu și fier depășesc cu ușurință 150 ug/L (limitele pentru aluminiu din „Standardele pentru calitatea apei potabile GB5749-2022” sunt 200 ug/L și pentru fier, 300 ug/L). În inginerie practică, este necesar să se echilibreze valoarea pH-ului și doza de coagulant, ținând cont atât de eficiența de îndepărtare, cât și de siguranța efluentului.
Modul de floculare tubulară online este opțiunea preferată
Comparația celor trei moduri de pretratare a evidențiat:
Ratele de eliminare a culorii și DOC au fost ambele în jur de 80%, cu diferențe neglijabile.
Ratele de murdărire ireversibile ale membranei au fost similare (0,06–0,10 mbar/h).
Turbiditatea efluentului a rămas constant sub 0,1 NTU.
Cele trei moduri nu au arătat nicio diferență semnificativă în ceea ce privește eficiența de îndepărtare a NOM, dar modul de floculare tubulară online, cu timpul său de retenție hidraulic ultra-scurt de 45 de secunde și design minimalist fără rezervor de reacție, a devenit alegerea optimă.
Acest studiu confirmă că procesul de coagulare-floculare + membrană ceramică este pe deplin aplicabil nevoilor de purificare a apei de suprafață cu NOM (conținut în mod normal de oxigen) ridicat: dozajul scăzut de coagulant realizează un tratament conform; membrana ceramica este lavabila si are o durata lunga de viata; iar consumul său de energie de funcționare este mult mai mic decât procesele tradiționale. Modul de floculare tubulară online rupe limitarea amprentei mari inerente proceselor tradiționale de tratare a apei, oferind suport tehnic pentru construcția de centrale compacte și inteligente de apă potabilă.
Concluzie
Confruntat cu standarde din ce în ce mai stricte de calitate a apei potabile și cu provocările poluării surselor de apă, procesul de coagulare-pretratarea membranei ceramice echilibrează eficacitatea tratamentului cu costurile reduse de inginerie civilă. Cu avantajele sale principale de eliminare cu-eficiență ridicată, poluare scăzută, design compact și consum redus de energie, oferă o nouă abordare pentru instalațiile de apă care se confruntă cu surse de apă cu conținut ridicat de-organic-(cum ar fi apa din rezervor în sud și apă de râu în nord).