Przegląd możliwości wykorzystania technik membranowych w usuwaniu mikroorganizmów i zanieczyszczeń organicznych ze środowiska wodnego

• Autorzy: Bodzek M

Warianty tytułu

EN

An overview of the possibility of membrane techniques application in the removal of microorganisms and organic pollutants from the aquatic environment

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Ultrafiltracja (UF) i mikrofiltracja (MF) mogą wspomóc i polepszyć proces dezynfekcji wody i ścieków metodami tradycyjnymi, ponieważ membrana stanowi barierę dla wirusów, bakterii i pierwotniaków. Do mikrozanieczyszczeń organicznych, występujących w wodach i ściekach, należy zaliczyć uboczne produkty dezynfekcji i utleniania chemicznego. Ich prekursorami są naturalne substancje organiczne (NOM), których usuwanie jest jedną z najważniejszych operacji w technologii uzdatniania i oczyszczania wody. Chlorowanie, stosowane w uzdatnianiu wody, powoduje tworzenie się związków halogenoorganicznych, w tym głównie trihalometanów i kwasów halogenooctowych. Poprzez wprowadzenie ciśnieniowych technik membranowych do uzdatniania wody można usuwać NOM i kontrolować powstawanie ubocznych produktów dezynfekcji. Stosuje się albo bezpośrednio nanofiltrację/odwróconą osmozę, albo systemy zintegrowane, stanowiące połączenie UF lub MF z koagulacją i adsorpcją na węglu aktywnym. Antropogeniczne mikrozanieczyszczenia organiczne to przede wszystkim substancje endokrynnie aktywne (EDC) oraz pozostałości farmaceutyków. Do EDC zalicza się szeroką gamę mikrozanieczyszczeń, przede wszystkim: halogenowe związki organiczne, w tym dioksyny, furany, polichlorowane bifenyle oraz pestycydy, wielopierścieniowe węglowodory aromatyczne, substancje powierzchniowo czynne, alkilofenole, ftalany, hormony naturalne i syntetyczne oraz syntetyczne farmaceutyki. Ciśnieniowe procesy membranowe stanowią skuteczną metodę usuwania rozpuszczalnych w wodzie związków organicznych w uzdatnianiu wód naturalnych. Wyższy stopień usunięcia, a w wielu przypadkach całkowite usunięcie farmaceutyków i EDC poniżej poziomu wykrywalności osiąga się w procesach nanofiltracji/odwróconej osmozy. Do ich usuwania można też stosować systemy zintegrowane, łączące UF lub MF z koagulacją, adsorpcją na węglu aktywnym czy utlenieniem. W przypadku ścieków ważną rolę mogą odegrać bioreaktory membranowe.

EN

Drinking water containing biologically active substances, i.e. viruses, bacteria and protozoa, as well as other microorganisms, is a significant health threat. This also applies to the treated and the raw wastewaters discharged into the receiver. Ultrafiltration and microfiltration can help and improve the process of water disinfecting using traditional methods, because membrane is a barrier for microorganisms. Viruses can be retained by ultrafiltration membranes, whereas bacteria and protozoa using ultrafiltration and microfiltration membranes. For the removal of natural organic matter it is possible to use successfully either direct nanofiltration or integrated systems combining ultrafiltration or microfiltration with coagulation, adsorption on activated carbon, and even with oxidation. Natural organic matter and some other anthropogenic organic pollutants can be precursors of disinfection by-products, and that is why NOM removal from water is very important. Nanofiltration and to some extent reverse osmosis are the methods for the removal of the micro-pollutants from water and wastewaters, among them the most important are disinfection by-products, pharmaceutical active compounds and endocrine disrupting compounds which have high biological activity. In the first case, volatile trihalomethanes, and non-volatile compounds, mainly halogenacetic acids, are formed. To this last group of compounds, special attention in natural waters is paid onto polycyclic aromatic hydrocarbons and surface-active substances, chlorinated pesticides, phthalates, alkylphenols, polychlorinated biphenyls, hormones, synthetic pharmaceuticals and other chemicals and substances produced by man and put into the environment. Application of microfiltration and ultrafiltration in micro-pollutants removal is possible in integrated systems: with coagulation and adsorption processes, through polymer complexation and surfactant bounding. Also membrane bioreactors are useful in the removal of organic pollutants. The problems in operation of low-pressure-driven membrane processes is membrane fouling, responsible for continuous decrease of membrane flux and permeate quality in time.

Słowa kluczowe

PL

techniki membranowe ciśnieniowe; mikroorganizmy; uboczne produkty dezynfekcji; substancje endokrynnie aktywne; pozostałości po farmaceutykach

EN

pressure driven membrane processes; microorganisms; disinfection by-products; endocrine disrupting compounds; pharmaceutical active compounds

• Wydawca: Wydawnictwo Politechniki Częstochowskiej
• Czasopismo: Inżynieria i Ochrona Środowiska
• Rocznik: 2013
• Tom: T. 16, nr 1
• Strony: 5--37
• Opis fizyczny: Bibliogr. 66 poz.

Twórcy

autor

Bodzek M

• Politechnika Śląska, Wydział Inżynierii Środowiska i Energetyki Instytut Inżynierii Wody i Ścieków, ul. Konarskiego 18, 44-100 Gliwice
• Instytut Podstaw Inżynierii Środowiska PAN, ul. M. Skłodowskiej-Curie 34, 41-819 Zabrze

Bibliografia

• [1] Bodzek M., Konieczny K., Wykorzystanie technik membranowych w uzdatnianiu wody do picia, cz. II - Usuwanie związków organicznych, Technologia Wody 2010, 2(04) 15-31.
• [2] Bodzek M., Konieczny K., Zastosowanie technik membranowych w usuwaniu zanieczyszczeń organicznych ze środowiska wodnego - stan wiedzy, [w:] Zaopatrzenie w wodę, jakość i ochrona wód, red. Z. Dymaczewski, J. Jeż Walkowiak, Poznań 2012, 2, 217-254.
• [3] Kabsch-Korbutowicz M., Zaawansowane metody usuwania naturalnych substancji organicznych z wody, Monografie Komitetu Inżynierii Środowiska PAN, 2012, 92.
• [4] Water Treatment Membrane Processes, eds. J. Mallavialle, P.E. Odendaal, M.R. Wiesner, McGraw-Hill, New York-San Francisco-Washington 1996.
• [5] Hagen K., Removal of particles, bacteria and parasites with ultrafiltration for drinking water treatment, Desalination 1998, 119, 85-91.
• [6] Rozporządzenie Ministra Zdrowia z dnia 29 marca 2007 r. (DzU Nr 61, poz. 417) w sprawie jakości wody przeznaczonej do spożycia przez ludzi, wraz ze zmianami wprowadzonymi rozporządzeniem z dnia 20 kwietnia 2010 r. (DzU Nr 72, poz. 466).
• [7] Microfiltration and Ultrafiltration Membranes for Drinking Water. American Water Works Association, AWWA (USA), Denver 2005.
• [8] Bodzek M., Membrany i procesy membranowe w usuwaniu mikroorganizmów ze środowiska wodnego, [w:] Microorganisms in the environment and environmental engineering from ecology to technology, eds. K. Olańczuk-Neyman, H. Mazur-Marzec, Monografie Komitetu Inżynierii Środowiska PAN, 2010, 64, 17-34.
• [9] Taylor J.S., Wiesner, M., Membranes, [w:] Membrane Processes in Water Quality and Treatment, ed. R.D. Letterman, McGraw-Hill, New York 2000.
• [10] Sosnowski T., Suchecka T., Piątkiewicz W., Penetracja komórki przez membranę mikrofiltracyjną, Monografie Komitetu Inżynierii Środowiska PAN 2004, 22, 359-367.
• [11] Konieczny K., Technologie membranowe w ochronie środowiska wodnego, Materiały Konferencji Woda-człowiek-środowiska. Tradycja i współczesne metody zarządzania systemami gospodarki wodno-ściekowej, Września-Licheń 2011, 101-122.
• [12] Van der Bruggen B., Vandecasteele C., Removal of pollutants from surface water and ground water by nanofiltration: overview of possible applications in the drinking water, Environmental Pollution 2003, 122, 435-445.
• [13] Thorsen T., Membrane filtration of humic substances – State of art, Water Sci.Technol. 1999, 40(9), 105-112.
• [14] Siddiqui M., Amy G., Ryan J., Odem W., Membranes for the control of natural organic matter from surface water, Water Research 2000, 34, 3355-3370.
• [15] Amy G., Alleman C.B., Cluff C.B., Removal of dissolved organic matter by nanofiltration, Journal of Environmental Engineering 1990, 116, 200-205.
• [16] Conlon W., McClellan S.A., Membrane softening comes of age, Journal AWWA 1999, 181, 1-47.
• [17] Tan L., Amy G., Comparing ozonation and membrane separation for color removal and disinfection by-product control, Journal AWWA 1991, 183, 5-74.
• [18] Laine J. et al., Ultrafiltration of lake water: effect of pretreatment on the partitioning of organics, THMFP, and flux, Journal AWWA 1990, 82, 12-82.
• [19] Jacangelo J. et al., Assessing hollow-fiber ultrafiltration for particulate removal, Journal AWWA 1989, 81, 11-68.
• [20] Rajca M., Bodzek M., Konieczny K., Oczyszczanie wody w procesie hybrydowym koagulacja - filtracja membranowa, Materiały VIII Międzynarodowej Konferencji Zaopatrzenie w wodę, jakość i ochrona wód, Poznań-Gniezno 2008, tom I, 625-639.
• [21] Bodzek M., Konieczny K., Rajca M., Hybrid membrane processes in removal of pollutants from natural water, Monografie Komitetu Inżynierii Środowiska PAN 2005, 32, 143-153.
• [22] Bodzek M., Konieczny K., Wykorzystanie procesów membranowych w uzdatnianiu wody, Oficyna Wydawnicza Projprzem-Eko, Bydgoszcz 2005.
• [23] Rajca M., Wpływ wybranych czynników na usuwanie anionowych zanieczyszczeń z wód w procesie wymiany jonowej MIEX®DOC, Archives of Environmental Protection 2012, 38, 115-121.
• [24] Kabsch-Korbutowicz M., Biłyk A., Mołczan M., The effect of feed water pretreatment on ultrafiltration membrane performance, Polish J. Environ. Studies 2006, 15, 719-725.
• [25] Laine J.-M., Campos C., Baudin, I., Janex M.-L., Understanding membrane fouling: A review of over a decade of research, Proceedings of Membranes in Drinking and Industrial Water Production MDIW 2002, Mulheim an der Ruhr, Germany, 2002, B.37a, 351-36.
• [26] Platkowska-Siwiec A., Badanie foulingu membran podczas ultrafiltracji wód naturalnych, Praca doktorska, Politechnika Śląska, Wydział Inżynierii Środowiska i Energetyki, Gliwice 2012.
• [27] Bodzek M., Rajca M., Konieczny K., Gembołyś B., Wpływ wielkości cząsteczek NOM na fouling membran ultrafiltracyjnych, Monografie Komitetu Inżynierii Środowiska PAN, 2008, 49, 207-214.
• [28] Rajca M., Bodzek M., Gembołyś B., Konieczny K., Wpływ własności hydrofilowo/ hydrofobowych NOM na fouling membran w procesie oczyszczania wody metodą ultrafiltracji, Monografie Komitetu Inżynierii Środowiska PAN 2008, 49, 215-222.
• [29] Dojlido J.R., Chemia wód powierzchniowych, Wydawnictwo Ekonomia i Środowisko, Białystok 1995.
• [30] Nawrocki J., Uboczne produkty utlenienia i dezynfekcji wody, Ochrona Środowiska 2005, 27, 4, 3-12.
• [31] Vedat Uya et al., Removal of trihalomethanes from drinking water by nanofiltration membranes, Journal of Hazardous Materials 2008, 152, 789-794.
• [32] Chalatip R., Chawalit R., Nopawan R., Removal of haloacetic acids by nanofiltration, J. Envirn. Sci. 2009, 21, 96-100.
• [33] Kowalska M., Dudziak M., Bohdziewicz J., Biodegradacja kwasów halogenooctowych w bioreaktorze z poliamidową, enzymatyczną membraną ultrafiltracyjną, Inżynieria i Ochrona Środowiska 2011, 14, 257-266.
• [34] Biłyk A., Nowak-Piechota G., Zanieczyszczenie środowiska substancjami powodującymi zakłócenie funkcji endokrynologicznych organizmu, Ochrona Środowiska 2004, 26,3, 29-35.
• [35] http://www.gis.gov.pl/ckfinder/userfiles/files/Zwi%C4%85zki%20endokrynnie%20czynne.pdf (marzec 2013).
• [36] Wolniak M., Murias M., Ksenoestrogeny: substancje zakłócające funkcjonowanie układu hormonalnego, Ginekol. Pol. 2008, 79, 785-790.
• [37] Williams M., Woods M., Kumar A., Guo Ying G., Shareef A., Karkkainen M., Kookana R., Endocrine disrupting chemicals in the Australian riverine environment: A pilot study on estrogenic compounds, Land & Water Australia, 2007.
• [38] Bodzek M., Dudziak M., Usuwanie wybranych estrogennych mikro-zanieczyszczeń organicznych ze strumienia wodnego w procesach membranowych, Raport z projektu badawczego realizowanego w latach 2007-2010, nr NN 523 3071 33, Politechnika Śląska, Gliwice 2010.
• [39] Dudziak M., Usuwanie mikoestrogenów w procesie koagulacji, sorpcji i nanofiltracji – procesy pojedyncze i układy zintegrowane, Nauka Przyr. Technol. 2011, 5, 4, #35.
• [40] Dudziak M., Luks-Betlej K., Bodzek M., Usuwanie WWA z wód z wykorzystaniem procesów membranowych, Inżynieria i Ochrona Środowiska 2003, 6, 299-311.
• [41] Dudziak M., Bodzek M., Luks-Betlej K., Ultrafiltracja w usuwaniu toksycznych mikrozanieczyszczeń organicznych z wód naturalnych, Chemia i Inżynieria Ekologiczna 2003, 10, S1, 253-259.
• [42] Kowalska I., Separacja membranowa jako metoda usuwania surfaktantów z roztworów wodnych, Monografie Komitetu Inżynierii Środowiska PAN, 2008, 49, 239-242.
• [43] Kowalska I., Oczyszczanie ścieków zawierających detergenty w zintegrowanym procesie ultrafiltracja-MIEX®, Monografie Komitetu Inżynierii Środowiska PAN, 2008, 49, 243-246.
• [44] Kowalska I., Usuwanie anionowych substancji powierzchniowo-czynnych z roztworów wodnych w hybrydowym układzie oczyszczania: wymiana jonowa - ultrafiltracja, Monografie Komitetu Inżynierii Środowiska PAN 2010, 65, 271-277.
• [45] Bellona Ch., Drewes J.E., Xu P., Amy G., Factors affecting the rejection of organic solutes during NF/RO treatment - a literature review, Water Research 2004, 38, 2795-809.
• [46] Majewska-Nowak K., Kabsch-Korbutowicz M., Winnicki T., Zatężanie wodnych roztworów atrazyny z wykorzystaniem modułów ultrafiltracyjnych, Monografie Komitetu Inżynierii Środowiska PAN, 2004, 22, 477-483.
• [47] Sarkar B., Venkateswralu N., Nageswara R., Bhattacharjee Ch., Kale V., Treatment of pesticide contaminated surface water for production of potable water by a coagulation - adsorption - nanofiltration approach, Desalination 2007, 212, 129-140.
• [48] Bodzek M., Dudziak M., Luks-Betlej K., Application of membrane techniques to water purification. Removal of phthalates, Desalination 2004, 162, 121-128.
• [49] Żarczyński A., Stopczyk A., Zaborowski M., Gorzka Z., Kaźmierczak M., Usuwanie związków chloro-organicznych ze ścieków przemysłowych ze szczególnym uwzględnieniem metody termokatalitycznego utleniania, Ochrona Środowiska 2010, 32, 49-54.
• [50] Bolzonella D., Fatone F., Pavan P., Cecchi F., Poly-chlorinated dibenzo-p-dioxins, dibenzofurans and dioxin-like poly-chlorinated biphenyls occurrence and removal in conventional and membrane activated sludge processes, Bioresource Technology 2010, 101, 9445-9454.
• [51] Yoon B., Koyanagi S., Asano T., Hara M., Higuchi A., Removal of endocrine disruptors from aqueous solutions by pervaporation, J. Membr. Sci. 2002, 198, 311-320.
• [52] Bodzek M., Dudziak M., Wybrane biomimetyki hormonalne (Hormone Disrupters) w środowisku wodnym oraz próby ich usuwania z wykorzystaniem technik membranowych, Raport z projektu badawczego nr 3 T09D 04027, realizowanego w latach 2004-2006, Politechnika Śląska, Gliwice 2006.
• [53] Zuehlke S., Duennbier U., Lesjean B., Gnirss R., Buisson H., Long-term comparison of trace organics removal performances between conventional and membrane activated sludge processes, Water Environ. Res. 2006, 78, 2480-2486.
• [54] Barbusiński K., Jopert A., Występowanie farmaceutyków i środków higieny osobistej w ściekach oraz wodach powierzchniowych, Forum Eksploatatora 2011, 3, 54, 52-55.
• [55] Marciocha D., Usuwanie związków refrakcyjnych z grupy farmaceutyków z roztworów wodnych i uryny z zastosowaniem soli żelaza(II) i innych katalizatorów, Praca doktorska, Politechnika Śląska, Gliwice 2009.
• [56] Heberer T., Feldmann D., Removal of pharmaceutical residues from contaminated raw water sources by membrane filtration, [w:] Pharmaceutical in the Environment, Springer, Berlin- -Heidelberg 2008, 427-453.
• [57] Clara M., Strenn B., Gans O., Martinez E., Kreuzinger N., Kroiss H., Removal of selected pharmaceuticals, fragrances and endocrine disrupting compounds in a membrane bioreactor and conventional wastewater treatment plants, Water Research 2005, 39, 4797-4807.
• [58] Kimura K., Hara H., Watanabe Y., Removal of pharmaceutical compounds by submerged membrane bioreactors (MBRs), Desalination 2005, 178, 35-140.
• [59] Radjenovic J., Petrovoc M., Barcelo D., Fate and distribution of pharmaceuticals in wastewater and sewage sludge of the conventional activated sludge (CAS) and advanced membrane bioreactor (MBR) treatment, Water Research 2009, 43, 831-841.
• [60] Barceló D., Petrovic M., Radjenovic J., Treating emerging contaminants (pharmaceuticals) in wastewater and drinking water treatment plants, Technological Perspectives for Rational Use of Water Resources in the Mediterranean Region, Options Méditerranéennes A 2009, 88, 133-140.
• [61] Yoon Y., Westerhoff P., Snyder S., Wert E., Yoon J., Removal of endocrine disrupting compounds and pharmaceuticals by nanofiltration and ultrafiltration membranes, Desalination 2007, 202, 16-23.
• [62] Kimura K., Toshima S., Amy G., Watanabe Y., Rejection of neutral endocrine disrupting compounds (EDCs) and pharmaceutical active compounds (PhACs) by RO membranes, J. Mem. Sci. 2004, 245, 71-78.
• [63] Xu P., Drewes J.E., Bellona C., Amy G., Kim T.U., Adam M., Heberer T., Rejection of emerging organic micropollutants in nanofiltration-reverse osmosis membrane applications. Water Environ. Res. 2005, 77, 40-48.
• [64] Nghiem L.D., Schäfer A.I., Elimelech M., Pharmaceutical retention mechanisms by nanofiltration membranes, Environ. Sci. Technol. 2005, 39, 7698-7705.
• [65] Adams Y., Wang L.K., Meyer M., Removal of antibiotics from surface and distilled water in conventional water treatment processes, J. Environ. Eng. 2002, 128, 253-260.
• [66] Snyder S., Adham S., Redding A., Cannon F., DeCarolis J., Oppenheimer J., Wert E., Yoon, Y., Role of membranes and activated carbon in the removal of endocrine disruptors and pharmaceuticals, Desalination 2007, 202, 156-181.