Ultrafiltracja jako metoda usuwania naturalnych substancji organicznych z wody

Pogarszająca się jakość wód oraz rosnące wymagania stawiane wodzie przeznaczonej do spożycia przez ludzi powodują konieczność stosowania nowoczesnych procesów technologicznych ich uzdatniania. Taką techniką jest ultrafiltracja, proces membranowy pozwalający na usunięcie bardzo szerokiego spektrum zanieczyszczeń: zarówno mikroorganizmów jak i makrocząsteczek o wielkości 1 -100 nm. Do tej grupy zanieczyszczeń należą naturalne substancje organiczne, które zarówno niekorzystnie wpływają na jakość wody jak i na wydajność hydrauliczną membran poprzez ich blokowanie (fouling). O skuteczności usuwania naturalnych substancji organicznych z wody w procesie ultrafiltracji oraz podatności membran na blokowanie decyduje bardzo wiele czynników związanych zarówno z właściwościami membran jak i składem oczyszczanej wody. Celem przeprowadzonych badań było określenie wpływu właściwości membran ultrafiltracyjnych; tj. ich granicznej masy molowej (cut-off) oraz polimeru z którego wykonane zostały membrany, jak również właściwości roztworu poddawanego oczyszczeniu na zmianę skuteczności oczyszczania wody, wydajność hydrauliczną membran oraz ich podatność na blokowanie. W badaniach zastosowano membrany ultrafiltracyjne firmy Nadir wykonane z regenerowanej celulozy oraz polieterosulfonu o cut-off 5 - 100 kDa. Testy przeprowadzone zostały dla roztworów modelowych oraz dla wody z rzeki Odry. Przeprowadzone badania wykazały, iż dla wszystkich testowanych membran wzrost wartości ich granicznej masy molowej skutkował wzrostem wydajności hydraulicznej membran. Wykazano też, że zastosowanie membran o większych wymiarach porów skutkuje spadkiem skuteczności usuwania makrocząsteczek organicznych. Zaobserwowano, że charakter hydrofilowo/hydrofobowy polimeru membranotwórczego istotnie wpływał na intensywność blokowania membran. Większy spadek przepuszczalności hydraulicznej membran stwierdzono w przypadku użycia silniej hydrofobowych membran z polieterosulfonu. Analiza uzyskanych wyników badań pozwoliła także wykazać, że wzrost wartości cut-off membran skutkował silniejszym ich blokowaniem, będącym rezultatem zatykania porów membrany

Application of ion exchange to natural organic matter removal from water

Omówiono zastosowanie procesu wymiany jonowej do usuwania z wody naturalnych makrocząsteczek organicznych. Możliwość ta wynika z faktu, iż znaczna część naturalnych substancji organicznych ma charakter makroanionów i stąd mogą być one usuwane na żywicach anionowymiennych. Także frakcja związków organicznych pozbawiona ładunku elektrycznego może zostać usunięta z wody wyniku adsorpcji na jonitach. Wykazano, że o skuteczności usuwania naturalnych substancji organicznych decydują m.in. właściwości fizyczno-chemiczne oczyszczanej wody, właściwości stosowanej żywicy oraz sposób realizacji procesu wymiany jonowej. Korzyści wynikające z wykorzystania wymiany jonowej do usuwania makrocząsteczek organicznych z wody to – oprócz bardzo wysokiej skuteczności – także minimalne wtórne zanieczyszczenie wody oraz bardzo niewielkie ilości odpadów wymagających zagospodarowania. Dodatkowo, coraz częstsze stosowanie tej techniki w układach oczyszczania wody wynika z faktu, iż koszty inwestycyjne i eksploatacyjne procesu wymiany jonowej są porównywalne do kosztów równie skutecznych metod oczyszczania wody ze związków organicznych, np. nanofiltracji lub adsorpcji na węglu aktywnym.Application of ion exchange process to removal of natural organic matter (NOM) from water was discussed. The majority of natural organic particles show properties of macroions and therefore they may be removed using anion exchange resins. Also, the fraction of organic compounds lacking electric charge may be removed from water using ion exchange adsorption. It was proved that efficiency of NOM removal depends, among others, on the physicochemical properties of water being purified, type and properties of the resin used as well as on the ion exchange method. The advantages of ion exchange process application to NOM separation from water include, apart from very high efficiency, minimum secondary water contamination and low amount of wastes to be disposed. Additionally, an increasing popularity of ion exchange in drinking water treatment results from investment and operating costs being comparable to costs of equally effective water treatment processes like nanofiltration or activated carbon adsorption

Separation of Natural Organic Matter from Water via the Integrated MIEXŽDOC-Ultrafiltration Process

Jednym z ograniczeń szerszego zastosowania procesów membranowych do oczyszczania wody jest spadek wydajności hydraulicznej membran, będący wynikiem ich blokowania przez osadzające się drobne cząstki oraz na skutek sorpcji naturalnych substancji organicznych. Obecnie najczęściej stosowaną metodą, pozwalającą na ograniczenie intensywności zjawiska blokowania membran (fouling), jest wstępne oczyszczanie wody przy użyciu konwencjonalnych procesów jednostkowych. Mając to na uwadze założono, że zintegrowanie procesu MIEXŽDOC z ultrafiltracją pozwoli na uzyskanie wysokiej jakości oczyszczonej wody i ograniczy intensywność blokowania membran. W przeprowadzonych badaniach określono wpływ dawki żywicy MIEXŽ, granicznej rozdzielczości membran (cut-off) oraz sposobu realizacji proponowanego procesu na skuteczność usuwania naturalnych substancji organicznych z wody i intensywność blokowania membran. Uzyskane wyniki badań pokazały, że wstępne oczyszczanie wody, nawet przy zastosowaniu małych dawek żywicy MIEXŽ, pozwoliły na znaczącą poprawę jakości wody i zmniejszyły intensywność blokowania membran. Zastosowanie membran o rozdzielczości w przedziale 5÷100 kDa i dawki żywicy 10 cm3/dm3, pozwoliło usunąć ok. 90% substancji organicznych z oczyszczanej wody. Z uwagi na fakt, iż w procesie MIEXŽDOC preferencyjnie usuwane są substancje o małym ciężarze cząsteczkowym, szczególną poprawę wydajności hydraulicznej procesu zaobserwowano dla membran o rozdzielczości 30 kDa i 100 kDa. Realizacja testowanego procesu w układzie zintegrowanym (woda wraz z żywicą MIEXŽ poddawana była ultrafiltracji) pozwoliła w nieznacznie większym stopniu ograniczyć spadek przepuszczalności membran, niż to stwierdzono w procesie zintegrowanym, w którym ultrafiltracja wody była poprzedzona procesem MIEXŽDOC i sedymentacją.Membrane ultrafiltration is well suited to the production of disinfected clear water for various applications. What imposes limitations on a more widespread use of membrane processes is the decrease in membrane performance that occurs during potable water treatment, as a result of fouling promoted by the accumulation of particles and adsorption of natural organic matter (NOM). Currently, the most common method to prevent fouling is by pretreating the influent to the membrane process via the conventional unit processes. According to literature data, the integration of the MIEXŽDOC process with ultrafiltration may upgrade the quality of the water produced and decrease membrane fouling. The aim of my study was to examine the effectiveness of the MIEXŽDOC process when applied to water pretreatment prior to membrane filtration. NOM removal and flux decline were related to resin dose, membrane cut-off, and the method of carrying out the integrated process. Analysis of the results obtained shows that water pretreatment, even with low MIEXŽ resin doses, significantly improved final water quality and reduced membrane fouling. For ultrafiltration membranes of cut-off 5-100 kDa, and MIEXŽ doses above 10 cm3/dm3, almost 90% of the NOM was removed from the water. As the MIEXŽDOC process yielded a removal of mainly small NOM particles, the highest enhancement of hydraulic efficiency of membranes was obtained with membranes of cut-off 30 and 100 kDa. Water treatment via the hybrid process MIEXŽDOC/ultrafiltration (i.e. water with ion-exchange resin was ultrafiltered) slightly raised membrane performance (lower fouling) as compared to the integrated process, where the water underwent ultrafiltration after the MIEXŽDOC process and sedimentation

Application of forward osmosis to water desalination and reuse

Proces wymuszonej osmozy (FO), nazywany też osmozą, inżynieryjną osmozą lub manipulowaną osmozą, jest membranowym procesem osmotycznym. Wykorzystuje on ciśnienie osmotyczne silnie stężonego roztworu odbierającego, jako siłę napędową, powodującą transport wody przez zwartą membranę polimerową ze strumienia zasilającego do odbierającego. W zależności od składu roztworu zasilającego i przeznaczenia uzyskanego produktu, etap ten może być jedynym wymaganym procesem. Jednakże w większości przypadków pełny układ, wykorzystujący proces wymuszonej osmozy, zawiera kolejny etap, polegający na regeneracji roztworu odbierającego i uzyskaniu czystej wody. Przewaga procesu wymuszonej osmozy nad klasycznymi technikami odsalania polega na mniejszej intensywności blokowania membran, mniejszym zużyciu energii, większej skuteczności retencji soli oraz większym strumieniu wody. Wymuszona osmoza jest coraz częściej stosowana jako proces separacyjny w oczyszczaniu ścieków, produkcji żywności i odsalaniu wód morskich lub słonawych.Forward osmosis (FO), also known as osmosis, engineered osmosis or manipulated osmosis, is an osmotically driven membrane process. FO utilizes osmotic pressure of a highly concentrated draw solution as a driving force to transfer water from a feed solution to the draw solution through a dense polymeric membrane. Depending on the concentration of solutes in the feed and the intended use of the product, this stage may be the only process required. In most cases however, a complete FO system utilizing the forward osmosis contains a subsequent step for the draw solute regeneration to finally produce a clean water. Potential advantages of FO over classical desalination processes include its low fouling intensity, low energy consumption, higher salt rejection and higher water flux. It attracts growing attention as separation process in wastewater treatment, food processing, and seawater/brackish water desalination

Artificial neural networks - A viable option for predicting changes in water turbidity after treatment by coagulation/ultrafiltration

Sztuczne sieci neuronowe w technologii oczyszczania wody mogą być wykorzystywane jako alternatywna metoda matematycznego modelowania funkcji wielu zmiennych. W pracy opisano możliwość wykorzystania sztucznych sieci neuronowych do prognozowania mętności wody infiltracyjnej oczyszczonej w zintegrowanym procesie koagulacja/ultrafiltracja. Do prognozowania mętności filtratu stworzono różne struktury wielowarstwowego perceptronu z jedną warstwą ukrytą. Sygnałami wejściowymi do sieci były mętność wody dopływającej, mętność wody po koagulacji, ciśnienie transmembranowe, strumień filtratu oraz temperatura i pH wody. Na wyjściu sieci znajdował się jeden neuron symbolizujący wartość współczynnika określającego skuteczność zmniejszenia mętności wody oczyszczonej. Wykazano, że sieć neuronowa o parametrach MLP 7-9-1 charakteryzowała się najmniejszym błędem średniokwadratowym w prognozowaniu. W przypadku tej sieci współczynnik korelacji wynosił 84,38%. Uzyskane wyniki wskazują na wystarczającą (choć nie idealną) zbieżność prognozy z danymi doświadczalnymi z pilotowej stacji oczyszczania wody infiltracyjnej.Artificial neural network modeling is widely used in water treatment techno-logy as an alternative method to deal with functions of several variables. In the study reported on in this paper consideration was given to the possibilities of using artificial neural networks to predict the turbidity of infiltration water after treatment by the integrated coagulation/ultrafiltration process. To forecast the turbidity of the permeate it seemed advisable to create different structures of the multilayer perceptrone with one hidden layer. Raw water turbidity, water turbidity after coagulation, transmembrane pressure, permeate flux, water temperature and water pH were adopted as input signals. One neuron at the output of the network described the value of the turbidity retention coefficient. It has been demonstrated that the neural network of the parameters MLP 7-9-1 was characterized by the least mean-square error in forecasting. For this network the coefficient of correlation equaled 84.38%. Simulation results have revealed that the convergence with experimental data was sufficiently good (although not ideal)

MIEX®DOC Process as a useful water pretreatment method prior to filtration on ceramic membranes

Woda to jeden z fundamentów niezbędnych do życia i prawidłowego funkcjonowania ludzi, zwierząt oraz roślin. Jednakże zasoby wód nadających się do spożycia, z powodu rozwoju cywilizacyjnego i wzrostu demograficznego, ciągle ulegają pogorszeniu. Wg raportu ONZ ponad 1 mln osób na Ziemi nie ma dostępu do wody o odpowiedniej jakości. Wymagania dotyczące jakości wody przeznaczonej do spożycia przez ludzi we wszystkich krajach UE zostały ustalone w Dyrektywie 98/83/EC. Sprostanie wymaganiom określonym w Dyrektywie wiąże się niejednokrotnie z potrzebą modernizacji istniejących układów technologicznych oczyszczania wody. Wśród wielu zanieczyszczeń wód naturalnych, na szczególną uwagę zasługują naturalne substancje organiczne (NOM). Ich usuwanie jest jedną z najważniejszych operacji w technologii oczyszczania wody, m. in. ze względu na konieczność zmniejszenia ryzyka powstawania podczas chlorowania wód naturalnych ubocznych produktów dezynfekcji. Spośród wielu procesówpozwalających na usunięcie z wody NOM, najczęściej w zakładach uzdatniania wody zastosowanie znajduje koagulacja oraz adsorpcja na węglu aktywnym [6]. Zastosowanie tych procesów powoduje jednak istotny wzrost kosztów oraz wtórne zanieczyszczenie wody produktami hydrolizy koagulantów. Oprócz tego powstają duże objętości osadów pokoagulacyjnych i popłuczyn, bądź pojawia się problem zagospodarowania zużytego węgla aktywnego.Very important operation in drinking water treatment is natural organic matter (NOM) removal. NOM can be removed in various processes, e.g. in membrane ultrafiltration. Unfavorable phenomenon occurring during usage of membrane systems is membrane fouling. Combinations of low-pressure membrane processes with other physical and chemical processes are used to improve produced water quality and decrease membrane fouling. Example of this combination is an ultrafiltration integrated with an ion exchange process. The research focused on determining ability of MIEX® resin to be used for water treatment before ceramic membrane ultrafiltration.Superficial water from Odra river and 2 model solutions prepared by mixing of tap water with water taken from Batorowski Peatbog in Stołowe Mountains weres the object of investigations The absorbance at the wave length of 254 nm and the intensity of the colour were measures of the content of organic substances in studied solutions.Conducted investigations on the effectiveness of natural organic matter removal from water in the process of MIEX®DOC, ultrafiltration on ceramic membranes and in the integrated process of MIEX®DOC/ultrafiltration allowed to formulate following conclusions: effectiveness of NOM removal in the process of the ion exchange with the use of MIEX® resin depends significantly on the dose of resin and on contact time of organicmacromolecules with the resin; growth of resin dose of resin caused improvement of the quality of treated water for all studied solutions, during ultrafiltration treatment of water on ceramic membranes increase of the cutoff value of membrane caused the growth of NOM retention, what was the result ofmembrane fouling, preliminary treatment of with the use of MIEX® resin allows to obtain water of considerably higher quality than for each processes realized independently. This also allows to decrease intensity of membranes fouling. Obtained results are similar to observed earlier [4] in the case of applied polimer membranes, however taking into consideration higher mechanical and thermal resistance of ceramic membranes, it seems, that in proposed integrated process more purposeful is the use of the inorganic membranes

Applicability of ceramic membranes to the removal of natural organic matter from water

Skuteczność usuwania z wód powierzchniowych naturalnych substancji organicznych, powszechnie występującego mikrozanieczyszczenia, zależy między innymi od właściwości użytych membran, w tym od ich granicznej rozdzielczości (cut-off) oraz materiału, z którego zostały wytworzone. W ostatnich latach membrany wytwarzane z materiałów nieorganicznych są coraz częściej stosowane do oczyszczania wody i ścieków. W pracy określono przydatność membran ceramicznych do oczyszczania wody, ze szczególnym uwzględnieniem możliwości usuwania naturalnych substancji organicznych. Badano skuteczność oczyszczania wody z Odry oraz roztworów modelowych na membranach o granicznej rozdzielczości 15 kDa i 50 kDa. Zastosowano ciśnienie transmembranowe z przedziału 0,2÷0,5 MPa. Uzyskane wyniki badań wykazały istotny wpływ ciśnienia transmembranowego oraz granicznej rozdzielczości na hydrauliczną wydajność membran. Wzrost siły napędowej lub granicznej rozdzielczości membran skutkował większą wartością strumienia permeatu. Wykazano, że zastosowane membrany były podatne na blokowanie, jednakże intensywność tego zjawiska była większa w przypadku membrany o granicznej rozdzielczości 50 kDa. Efektem blokowania membran był stwierdzony wzrost całkowitych oporów membrany. Badania wykazały, że membrany ceramiczne pozwalają na skuteczne usuwanie naturalnych substancji organicznych z wód powierzchniowych. Stwierdzono, że skutkiem silniejszego blokowania mniej zwartych membran (50 kDa) była większa, niż obserwowana w przypadku membran 15 kDa, skuteczność separacji makrocząsteczek organicznych.The efficiency of removing natural organic matter (NOM), one of the major micropollutants of surface waters, depends to a great extent on the properties of the membranes used, such as the cut-off and the material of which they have been made. In the past decade the use of membranes manufactured from inorganic materials has become increasingly frequent in water and wastewater treatment. The aim of the study was to assess the applicability of ceramic membranes to water treatment, particular consideration being given to NOM removal. The efficiency of the treatment process was examined by experiments using samples of riverine water (from the river Odra) and model solutions, and two ceramic membranes (with a cut-off equal to 15 kDa and 50 kDa, respectively), at transmembrane pressure varying from 0.2 to 0.5 MPa. The results obtained have substantiated the significant influence of transmembrane pressure and membrane cut-off on the hydraulic efficiency of the membranes. The rise in transmembrane pressure or membrane cut-off accounted for the increase in the value of the permeate flux. The membranes used were found to be prone to fouling, but this proneness was more pronounced in the case of the 50 kDa membrane. The fouling effect was concomitant with the rise in the total resistance of the membranes. The study has demonstrated that the use of ceramic membranes provides efficient NOM removal from surface water. As a result of the stronger fouling observed in the case of the less compact 50 kDa membrane, the efficiency of organic macromolecule separation with this membrane was higher than the one obtained with the 15 kDa membrane

Separation of natural organic matter from water using macroporous polystyrene anion-exchange resins

Removal of natural organic matter (NOM) from surface waters is a critical aspect of potable water treatment as NOM compounds are precursors of harmful disinfection by-products and as such should be removed from water intended for human consumption. Ion exchange on synthetic ion-exchange resins is one of the NOM removal methods as a substantial fraction of these compounds forms macroanions. Moreover, the uncharged fraction of organic compounds can be removed from water by physical adsorption on resin particles. The study was conducted to evaluate the impact of ion exchange conditions on the efficacy of NOM removal from water solutions. The physico-chemical properties of the water treated, the resin properties, its dose and the contact time between the resin and contaminants were taken into consideration. Two macroporous polystyrene ion exchange resins were used for testing in the batch mode: weakly alkaline A100 (Purolite) and strongly alkaline BD400FD (Suzhou Bojie Resin Technology). It was demonstrated that anion exchange resins could successfully remove NOM from water. It was observed that increase in the resin dosage and contact time between resin particles and water resulted in improved quality of treated water (color, UV absorbance, DOC), while increase in the pH resulted in a slight decrease of the process efficacy. In addition, the process efficacy was enhanced by the increase in temperature of the tested solutions.Usuwanie związków organicznych, naturalnie występujących w wodach powierzchniowych ujmowanych do celów komunalnych, jest krytycznym aspektem oczyszczania wody, ponieważ związki te są prekursorami szkodliwych ubocznych produktów dezynfekcji i z tego względu należy je usuwać z wody przeznaczonej do spożycia przez ludzi. Jedną z metod usuwania związków organicznych z wody jest proces wymiany jonowej na syntetycznych żywicach jonowymiennych, ponieważ znaczna część tych związków ma charakter makroanionów. Dodatkowo, frakcja związków organicznych pozbawiona ładunku elektrycznego może zostać usunięta z wody w wyniku ich adsorpcji na jonitach. W przeprowadzonych badaniach dokonano oceny wpływu warunków prowadzenia procesu wymiany jonowej na skuteczność usuwania naturalnych związków organicznych z roztworów wodnych. Uwzględniono właściwości fizyczno-chemiczne oczyszczanej wody, właściwości stosowanej żywicy oraz jej dawkę i czas kontaktu zanieczyszczeń z żywicą. W testach przeprowadzonych w układzie porcjowym wykorzystano dwie makroporowate polistyrenowe żywice jonowymienne – słabo zasadową A100 (Purolite) oraz silnie zasadową BD400FD (Suzhou Bojie Resin Technology). Wykazano, że makroporowate żywice anionowymienne mogą z powodzeniem eliminować naturalne związki organiczne z wody. Wzrost dawki każdej z żywic oraz czasu kontaktu makrocząsteczek organicznych z żywicą skutkowały polepszeniem jakości oczyszczanej wody (barwa, absorbancja w UV, RWO), natomiast wzrost pH powodował nieznaczne zmniejszenie skuteczności procesu. Również wzrost temperatury badanych roztworów wodnych powodował poprawę skuteczności procesu wymiany jonowej

Regeneration of XAD Resins Used for Natural Organic Matter Fractionation

Natural organic matter (NOM) removal plays important role in water treatment due to their ability to form disinfection by-products. Due to NOM complexity, it is crucial to separate it into fractions and then subject them to the detailed analysis. Organic contaminants are heterogeneous mixture of various organic compounds of diverse properties and could be divided into 3 fractions: hydrophobic, hydrophilic and transphilic. Currently, the common NOM fractionation method was proposed by Chow et al. This method employs XAD resins to fractionate NOM. One of decisive factors, when it comes to their usability, is the possibility to regenerate it. In this connection evaluation of XAD resin regeneration methods efficiency was performed. Supelite DAX-8, Amberlite XAD-4 and Amberlite IRA-958 nonionic macroporous resins were used in the experiments. Experiments included resin preparation by initial regeneration, resin saturation with NOM and final resin regeneration. Experiments were carried out on the model solution and surface water taken from Odra River (Poland). Regeneration was conducted in a column system with the use of two methods. The first one was in accordance with Chow et al. procedure. The second one comprised of successive resin rinsing with redistilled water, 0.1 n NaOH, 0.1 n HCl, 0.1 n NaOH, redistilled water, methanol, acetonitrile, methanol and redistilled water. Preliminary research that were conducted in order to evaluate sorption performance in column system revealed that in all cases same schema could be observed: in few initial minutes, UV 254 nm absorbance, colour and dissolved organic carbon concentration in column effluent was constant, then started rising until reaching feed solution values. It is noticeable that none of the resins adsorbed all contaminants at any time. Subsequent experiments has shown that developed by Chow et al. method of saturated resins regeneration was not able to restore their initial sorptive capacity. Regeneration procedure developed by paper authors allowed full regeneration of NOM saturated resin, even after second saturation-regeneration cycle. Influence of regeneration time on resin sorption capacity restoration efficiency was also observed: longer regeneration resulted in better results. The best effects of resin regeneration was observed for 3 h contact time with each regenerant solution