USUWANIE ZANIECZYSZCZEŃ NIEORGANICZNYCH ZE ŚRODOWISKA WODNEGO METODAMI MEMBANOWYMI

Usuwanie zanieczyszczeń nieorganicznych ze środowiska wodnego metodami membranowymi

W książce opisano podstawy chemiczne nowoczesnych metod membranowych, które znajdują zastosowanie do: odsalania, demineralizacji i zmiękczania wód; do usuwania anionów, fluoru, boru i metali. Opisano szczegółowo procesy chemiczne zachodzące na membranach takie jak: odwrócona osmoza, elektrodializa, odsalanie hybrydowe, procesy nanofiltracji, niskociśnieniowej filtracji membranowej, membranowej denitryfikacji wody, dializy Donnana, denitryfikacji biologicznej i inne.

:: WPROWADZENIE ::

Coraz częściej podkreśla się, że o ile wiek XX był „wiekiem ropy”, to obecne stulecie będzie „wiekiem wody”. Według Banku Światowego, 80 krajów świata, reprezentujących 40% ludności, już dziś odczuwa poważny brak wody, a ONZ ostrzega, że w 2015 roku dwie trzecie mieszkańców Ziemi będzie doświadczać tego dramatu.

Regularny dostęp do wody do spożycia jest jedną z podstawowych potrzeb człowieka, a podczas kryzysów humanitarnych staje się warunkiem przeżycia i jest niezbędnym czynnikiem walki z ubóstwem. Bez zaspokojenia tej potrzeby sprawowanie opieki zdrowotnej jest niemożliwe. Dziś uważa się, że ograniczenie dostępu do wody to podstawowy czynnik rozwarstwienia pomiędzy krajami bogatej Północy i biednego Południa. Problematykę tą w skali globalnej dostrzega ONZ, którego Zgromadzenie Ogólne ogłosiło rok 2008 Międzynarodowym Rokiem Higieny, lata 2005-2015 Międzynarodową Dekadą Działania „Woda dla życia”, a 22 marca każdego roku jest Światowym Dniem Wody.

Ponad 70% powierzchni Ziemi pokrywają wody, a całkowita jej objętość wynosi ok. 1,4 mld km3, z czego ponad 97% stanowią wody słone o zawartości soli powyżej 1 g/l. Spośród pozostałych ok. 2,5% zasobów wód na Ziemi, 69% stanowią wody związane w lodowcach i wiecznej zmarzlinie, a tylko <1% całkowitych zasobów wód słodkich i 0,01% całkowitej ilości wody na Ziemi to dostępne zasoby, możliwe do wykorzystania przez człowieka i ekosystemy. Oprócz oczywistego braku wystarczającej ilości wody słodkiej, która może być wykorzystana przez ludzi do celów spożywczych, bardzo istotnym zagrożeniem dla rozwoju społeczeństw jest jej nierównomierne rozmieszczenie na kuli ziemskiej oraz pogarszająca się jej jakość. Woda jest surowcem, a jej zasoby są ograniczone, ale odnawialne. Odnowa zasobów wodnych jest jednak spowolniona spowolniona lub ograniczona przez czynniki antropogeniczne.

Do zasadniczych przyczyn ograniczonego dostępu do czystej wody należy zaliczyć:

• zanieczyszczenie środowiska (w tym wód naturalnych) przez przemysł i rolnictwo oraz brak kanalizacji w niektórych rejonach zamieszkałych przez ludzi,
• rosnącą lokalnie i globalnie liczbę ludności oraz podnoszenie przez nich standardów życia,
• zmianę klimatu na pewnych obszarach, co wywołuje zmniejszenie ilości dostępnej wody,
• rywalizację pomiędzy krajami wykorzystującymi to samo źródło zaopatrzenia w wodę.

Konkurencja w dostępie do wody może być głównym źródłem napięć, a nawet konfliktów zbrojnych w niektórych częściach rozwijającego się świata. Kraje, które nie mają na swoim terytorium rzek od źródeł do ujścia, stają się uzależnione od sąsiadów z górnego ich biegu. Wrażliwość zasobów wodnych ciągle wzrasta z powodu zwiększonej ich eksploatacji, zanieczyszczenia i degradacji środowiska. Powoduje to społeczną i polityczną niestabilność w wielu regionach świata, a terytorialne problemy z wodą wywołują na tym tle tzw. „konflikty wodne”.

„Konflikt wodny” (ang. water conflict), to termin dotyczący sytuacji, w której potrzebna jest interwencja o różnorodnym charakterze (ekonomicznym, prawnym, politycznym) dla jego rozwiązania. Woda w konfliktach zbrojnych występuje jako:

• narzędzie wojenne (np. zniszczenie zapory jest przyczyną zalania terenów, na których przebywa wróg),
• cel działań (np. dysponowanie zasobami wodnymi jest niezbędne do życia i rozwoju społeczności, a ich zatrucie dezorganizuje życie),
• element środowiska (np. naturalne przeszkody wodne stanowią element obronny).

:: SPIS TREŚCI ::

1. Wprowadzenie
1.1. Ocena światowych zasobów wód
1.2. Aktualne poglądy na procesy uzdatniania wody do picia
1.3. Zastosowanie membran w zaopatrzeniu w wodę
1.4. Porównanie ciśnieniowych procesów membranowych i procesów tradycyjnych w produkcji wody do spożycia w Europie
1.5. Uwagi ogólne

2. Odsalanie wód powierzchniowych i podziemnych
2.1. Wprowadzenie
2.2. Metody odsalania
2.2.1. Metody termiczne
2.2.2. Odwrócona osmoza
2.2.2.1. Zasada procesu
2.2.2.2. Odsalanie metodą RO
2.2.2.3. Wstępne oczyszczanie wody przed odsalaniem
2.2.2.4. System membranowy
2.2.2.5. Odzysk energii
2.2.2.6. Końcowe uzdatnianie wody odsolonej
2.2.3. Elektrodializa
2.2.4. Destylacja membranowa
2.2.5. Technologia wymiany jonowej
2.3. Hybrydowe procesy odsalania
2.3.1. Układy hybrydowe odsalania metodą RO i termiczną oraz odsalanie z wytwarzaniem energii elektrycznej
2.3.2. Układy hybrydowe z wykorzystaniem nanofiltracji
2.4. Rozważania energetyczne procesu odsalania
2.5. Koszty odsalania
2.6. Wpływ odsalania na środowisko
2.7. Przegląd wybranych konfiguracji odsalania wody morskiej i wód miernie zasolonych metodą odwróconej osmozy pracujących na świecie
2.8. Przykłady rzeczywistych obiektów odsalania i demineralizacji stosowane do otrzymywania wody do picia i do celów przemysłowych w polskiej energetyce i kopalnictwie
2.8.1. Stacja uzdatniania „Rydułtowy”
2.8.2. Stacja uzdatniania KWK „Pokój”
2.8.3. Demineralizacja wody dla celów przemysłowych
2.8.4. Zastosowanie odwróconej osmozy w ciepłownictwie
2.9. Podsumowanie

3. Membranowe zmiękczanie wody
3.1. Wprowadzenie
3.2. Klasyczne metody zmiękczania wody
3.2.1. Metoda termiczna usuwania twardości węglanowej
3.2.2. Strącanie/koagulacja wapnem, sodą, NaOH i fosforanami
3.2.3. Wymiana jonowa
3.3. Nanofiltracyjne zmiękczanie wody
3.3.1. Proces nanofiltracji
3.3.2. Nanofiltracyjne zmiękczanie wody
3.3.3. Usuwanie siarczanów w procesie RO i NF
3.3.4. Skaling membran w procesie membranowego zmiękczania wody
3.4. Zmiękczanie metodą ultrafiltracji lub mikrofiltracji wspomaganej polimerami
3.5. Metody hybrydowe strącanie/wiązanie chemiczne – proces membranowy
3.6. Procesy elektromembranowe w zmiękczaniu wody
3.6.1. Działanie systemu ED w usuwaniu jonów twardości z wody
3.6.2. Elektrodializa odwracalna w usuwaniu twardości wody
3.6.3. EDI w usuwaniu twardości z wody
3.7 Podsumowanie

4. Usuwanie metali
4.1. Żelazo i mangan
4.1.1. Żelazo i mangan w wodach podziemnych i powierzchniowych
4.1.2. Wpływ Fe i Mn na organizmy żywe oraz infrastrukturę zaopatrzenia w wodę
4.1.3. Usuwanie żelaza i manganu z wody metodami klasycznymi
4.1.3.1. Usuwanie żelaza
4.1.3.2. Usuwanie żelaza związanego z substancją organiczną
4.1.3.3. Usuwanie manganu
4.1.3.4. Inne metody usuwania żelaza i manganu z wody
4.1.4. Wykorzystanie mikro- i ultrafiltracji w usuwaniu żelaza i manganu z wód naturalnych
4.1.4.1. Układy zintegrowane utlenienie – UF/MF
4.1.4.2. Membrany zanurzone w procesie z utlenieniem powietrzem i KMnO4
4.1.4.3. Metody zawansowanego utlenienia oraz MF/Uf w usuwaniu manganu
4.1.4.4. Zastosowanie jonowymiennej membrany polisulfonowej do oczyszczania roztworów wodnych zawierających substancje humusowe i jony metali
4.1.5. Zastosowanie elektrodializy
4.1.6. Podsumowanie
4.2. Glin
4.2.1. Specjacja glinu w wodzie do picia
4.2.2. Skutki zdrowotne obecności aluminium
4.2.3. Usuwanie glinu z wody do picia
4.2.4. Podsumowanie
4.3. Metale ciężkie
4.3.1. Usuwanie metali ciężkich ze środowiska wodnego
4.3.2. Zastosowanie technik membranowych
4.3.2.1. Odwrócona osmoza i nanofiltracja
4.3.2.2. Ultrafiltracja
4.3.2.3. Membrany ciekłe
4.3.3. Zastosowanie bioreaktorów membranowych
4.3.4. Elektrodializa
4.5.5. Podsumowanie

5. Usuwanie mikrozanieczyszczeń o charakterze anionów
5.1. Wprowadzenie
5.2. Procesy stosowane do usuwania mikrozanieczyszczeń anionowych
5.2.1. Ciśnieniowe procesy membranowe
5.2.2. Bioreaktory z ciśnieniowymi procesami membranowymi
5.2.3. Membranowe procesy dialityczne
5.2.4. Dializa Donnana
5.2.5. Bioreaktor z membranami jonowymiennymi
5.2.6. Elektrodializa
5.2.7. Bioreaktory z transportem wodoru
5.3. Membranowa denitryfikacja wody
5.3.1. Usuwanie azotanów metodą odwróconej osmozy i nanofiltracji
5.3.2. Usuwanie azotanów w procesie ultrafiltracji
5.3.3. Zastosowanie elektrodializy
5.3.4. Dializa Donnana w usuwaniu jonów azotanowych
5.3.5. Denitryfikacja biologiczna
5.3.5.1. Bioreaktory membranowe z modułami ciśnieniowymi
5.3.5.2. Ekstrakcyjne bioreaktory membranowe
5.4. Usuwanie bromianów(V)
5.4.1. Odwrócona osmoza i nanofiltracja
5.4.2. Elektrodializa
5.4.3. Dializa Donnana
5.4.4. Oczyszczanie biologiczne
5.4.4.1. Redukcja biologiczna azotanów i bromianów w reaktorze szarżowym i w układzie biofiltracji
5.4.4.2. Redukcja biologiczna azotanów i bromianów w reaktorze z membranami jonowymiennymi
5.5. Usuwanie chloranów(VII)
5.5.1. Odwrócona osmoza–nanofiltracja–ultrafiltracja
5.5.2. Ultrafiltracja wspomagana polimerami i surfaktantami
5.5.3. Elektrodializa
5.5.4. Redukcja biologiczna
5.6. Usuwanie fluoru
5.6.1. Odwrócona osmoza i nanofiltracja
5.6.2. Ultrafiltracja
5.6.3. Elektrodializa
5.6.4. Dializa Donnana
5.7. Usuwanie boru z wód i ścieków
5.7.1. Metody separacji boru z roztworów wodnych
5.7.2. Zastosowanie odwróconej osmozy
5.7.2.1. Wielostopniowe układy odwróconej osmozy
5.7.2.2. Oczyszczanie w układzie zintegrowanym odwróconej osmozy i wymiany jonowej
5.7.3. Oczyszczanie w układzie zintegrowanym sorpcyjno-membranowym
5.7.4. Wykorzystanie procesu ultrafiltracji wspomaganego polimerami
5.7.5. Usuwanie boru z wody morskiej i wód gruntowych metodą elektrodializy
5.7.6. Podsumowanie
5.8. Arsen
5.8.1. Usuwanie arsenu metodą odwróconej osmozy
5.8.2. Usuwanie arsenu metodą nanofiltracji
5.8.3. Niskociśnieniowe procesy membranowe
5.8.3.1. Bezpośrednia mikro- i ultrafiltracja
5.8.3.2. Koagulacja – mikrofiltracja/ultrafiltracja
5.8.3.3. Utlenienie – mikrofiltracja
5.8.4. Elektrodializa (ED) i elektrodializa odwracalna (EDR)
5.8.5. Podsumowanie
5.9. Uwagi końcowe

6. Chrom
6.1. Występowanie chromu w środowisku
6.2. Metody usuwania chromu ze środowiska wodnego
6.3. Odwrócona osmoza i nanofiltracja
6.4. Ultrafiltracja
6.4.1. Ultrafiltracja wspomagana polimerami
6.4.2. Ultrafiltracja z roztworów micelarnych wspomagana surfaktantami
6.5. Membrany ciekłe
6.5.1. Podstawy teoretyczne membran ciekłych
6.5.2. Usuwanie chromu za pomocą membran ciekłych
6.5.2.1. Zastosowanie unieruchomionych membran ciekłych do separacji chromu
6.5.2.2. Systemy hybrydowe z mobilną membraną ciekłą i modułami membranowymi
6.5.2.3. Polimerowe membrany inkluzyjne
6.5.2.4. Emulsyjne membrany ciekłe
6.5.2.5. Ciekłe membrany grubowarstwowe
6.6. Membranowe metody elektrochemiczne
6.6.1. Elektroliza membranowa
6.6.2. Elektro-elektrodializa membranowa
6.7. Usuwanie chromu (VI) metodą elektrodializy i elektrodejonizacji
6.8. Ceramiczne mikroporowate membrany jonowymienne
6.9. Podsumowanie