Wykorzystanie technik membranowych w uzdatnianiu wody do picia Część II. Usuwanie związków organicznych

• Autorzy: Bodzek M. , Konieczny K.

Warianty tytułu

EN

Utilization of membrane techniques in the treatment of drinking water Part II. Removal of organic compounds

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Woda do picia zawierająca substancje biologicznie aktywne, tj. wirusy, bakterie i pierwotniaki, a także inne mikroorganizmy (grzyby, glony, ślimaki, robaki i skorupiaki), stanowi istotne zagrożenie zdrowotne. Dotyczy to również ścieków oczyszczonych jak i nieoczyszczonych odprowadzanych do odbiorników wodnych. W polskich przepisach prawnych jakości wody do picia normowane są Escherichia coli i Enterokoki, które nie mogą w niej występować, a wymaganiach dodatkowych bakterie grupy coli, ogólna liczba mikroorganizmów oraz Clostridium perfringens. Ultrafiltracja (UF) i mikrofiltracja (MF) mogą wspomóc i polepszyć proces dezynfekcji wody metodami tradycyjnymi, ponieważ membrana stanowi barierę dla wirusów, bakterii i pierwotniaków. Wielkość wirusów waha się w granicach 20-80 nm, podczas gdy membrany UF mają wielkość porów około 10 nm, a więc teoretycznie możliwe jest ich całkowite zatrzymanie. Natomiast bakterie (0,5-10 ^im) oraz cysty i ocysty (3-15 |im) są większe i całkowite ich usunięcie jest praktycznie możliwe przy użyciu membran UF oraz MF, ponieważ dla membran dostępnych komercyjnie, wielkość porów jest z reguły mniejsza od 0,3 pm. Porównanie, więc wielkości porów membran UF/MF i wielkości mikroorganizmów, wskazuje, że ultrafiltracja i/lub mikrofiltracja gwarantują teoretycznie właściwe usunięcie mikroorganizmów z wody i ścieków. W latach 80. wzrosło zainteresowanie nanofiltracją i w pewnym zakresie odwróconą osmozę jako metodami zmiękczania wody, natomiast w latach 90. zaczęto je stosować do usuwania prekursorów produktów ubocznych dezynfekcji (NOM) oraz mikrozanieczyszczeń. Ciśnieniowe procesy membranowe (RO, NF, UF i MF) stanowią skuteczną metodę usuwania rozpuszczalnych w wodzie związków organicznych (DOC) w uzdatnianiu wód naturalnych. Naturalna substancja organiczna (NOM), zanieczyszczenia antropogeniczne oraz uboczne produkty dezynfekcji (DBP) i inne mikrozanieczyszczenia są typowymi przykładami tego rodzaju związków. Główną potencjalną możliwością technik membranowych w oczyszczaniu wody powierzchniowej jest usuwanie prekursorów DBP, obejmujących część NOM. Do mikrozanieczyszczeń antropogenicznych występujących w wodach należy zliczyć wielopierścieniowe węglowodory aromatyczne (WWA) i substancje powierzchniowo-czynne oraz wtórne produkt)' dezynfekcji i utleniania chemicznego, stosowane w uzdatnianiu wody do picia. W procesach tych najwięcej powstaje lotnych trihalometanów (THM), a z grupy związków nielotnych tworzą się głównie hało- genopochodne kwasów karboksylowych (HAA). W ostatnim okresie zwraca się szczególną uwagę na występujące w wodach naturalnych mikrozanieczyszczenia organiczne aktywne farmaceutycznie PhACs (Pharmaceutical Active Compounds) jak i o potwierdzonej estrogenicznej aktywności biologicznej EDCs (Endocrine Disrupting Compounds) Do ECDs zalicza się szeroką gamę mikrozanieczyszczeń, a mianowicie: ksenoestrogeny, wśród któ-rych wymienia się chlorowane pestycydy i herbicydy, alkilofenole, polichlorowane bifenyle, ftalany, naturalne związki chemiczne produkowane przez grzyby (w tym toksyny tzw. mykoestrogeny) i rośliny (fitoestrogeny), oraz żeńskie hormony płciowe, syntetyczne farmaceutyki (np. składniki środków antykoncepcyjnych) oraz inne związki chemiczne i substancje wytwarzane przez człowieka i wprowadzane do środowiska. Problemem w eksploatacji technik membranowych jest "fouling" membran, powodujący ciągły spadek wydajności membrany w czasie oraz pogarszanie się jakości permeatu. Jako metody zapobiegające "foulingowi" wymienia się obecnie procesy wstępnego przygotowania wody przed filtracją membranową, takie jak koagulacja, adsorpcja na węglu aktywnym, filtracja biologiczna, utlenianie.

EN

Drinking water containing biologically active substances, i.e. viruses, bacteria and protozoa, as well as other microorganisms (fungi, algae, snails, worms and crustaceans), is a significant health threat. In Polish legislation for drinking water quality are Escherichia coli and Enterococci, which it may not occur, and in the requirements additional bacteria coliforms, total number of microorganisms and Clostridium perfringens. Ultrafiltration (UF) and microfiltration (MF) can help and improve the process of disinfecting water using traditional methods, because membrane is a barrier for viruses, bacteria and protozoa. The size of viruses is between 20-80 nm, while UF membranes have porosity approximately 10 nm, and so in theory they can retain them completely. Whereas bacteria (0.5 - 10 nm) and cysts and oocystis (3-15 (im) are bigger and total removal is practically possible using UF and MF membranes, because for commercially available membranes, porosity is generally less than 0.3 |im. Comparison, so the pore size of UF/MF membranes and the size of microorganisms, indicates that the ultrafiltration and/or microfiltration guarantee in theory proper removal of microorganisms from water and wastewater. In the 1980s. increased interest of nanofiltration and to some extent the reverse osmosis as the methods of water softening, while in the 1990s. they start to be applied to remove micro-pollutants, especially organic. Pressure membrane processes (RO, NF, UF and MF) are an effective method for removal of soluble organic compounds (DOC) in the treatment of natural waters. Natural organic matter (NOM), anthropogenic pollutants and disinfection by-products (DBP) and other micropollutants are typical examples of such compounds. The main potential possibility of membrane techniques in treatment of surface water is removing of DBP precursors, covering part of the NOM. To anthropogenic micropollutants found in waters count polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) and surface-active substances as well as disinfection by-products and chemical oxidation used in the treatment of drinking water. In the processes volatile trihalomethanes (THM), and non-volatile compounds, mainly halogenacetic acids (HAA), are formed. In recent years special attention in natural waters is paid onto Pharmaceutical Active Compounds (PhACs) and Endocrine Disrupting Compounds ( EDCs) which have biological activity. ECDs include a wide range of micropollutants, namely xenoestrogens, among which are the chlorinated pesticides and herbicides, alkylphenols, polychlorinated biphenyls, phthalates, natural compounds produced by fungi (including toxins called mycoestrogens) and plants (phytoestrogens), and the female sex hormone, synthetic pharmaceuticals (e.g. contraceptive components) and other chemicals and substances produced by man and put into the environment. The problem in operation low- pressure-driven membrane processes is membrane fouling, causing of continuous decrease of membrane capacities in time and permeate quality' deterioration. Methods to fouling prevent include currently the pre-treatment processes of water before membrane filtration, such as coagulation, adsorption on activated carbon, biological filtration and oxidation.

Słowa kluczowe

PL

techniki membranowe; uzdatnianie wody

EN

membrane techniques; water treatment

• Wydawca: Wydawnictwo 2K TECHNOLOGIE s.c.
• Czasopismo: Technologia Wody
• Rocznik: 2010
• Tom: Nr 2 (4)
• Strony: 15--31
• Opis fizyczny: Bibliogr. 59 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Bodzek M.

autor

Konieczny K.

• Politechnika Śląska Wydział Inżynierii Środowiska i Energetyki Instytut Inżynierii Wody i Ścieków,

Bibliografia

• [1] Bodzek M., Konieczny K., Wykorzystanie procesów membranowych w uzdatnianiu wody, Oficyna Wydawnicza Projprzem- Eko, Bydgoszcz 2005.
• [2] Choi Y., Critical flux, resistance, and removal of contaminants in ultrafiltration (UF) of natural organic materials, A Thesis in Environmental Engineering, The Pennsylvania State University USA, The Graduate School, Department of Civil and Environmental Engineering, 2003.
• [3] Kabsch-Korbutowicz M., Ciśnieniowe procesy separacji membranowej (MF/ UF/NF/RO) w uzdatnianiu wód do celów pitnych, IX Szkoła membranowa organizowana przez Politechnikę Śląską, Instytut Inżynierii Wody i Ścieków, Gliwice- Pyskowice, 6-9 maja 2007, materiały: CD-ROM.
• [4] Water Treatment Membrane Processes, (Mallavialle J., Odendaal P.E. i Wiesner M.R., Eds.), McGraw-Hill, New York-San Francisco-Washington D.C. 1996.
• [5] Siddiqui M., Amy G., Ryan J., Odem W., Membranes for the control of natural organic master from surface water, Water Research, 34 (2000) 3355-3370.
• [6] Rozporządzenie Ministra Zdrowia z dnia 29 marca 2007 r. w sprawie jakości wody przeznaczonej do spożycia przez ludzi.
• [7] Microfiltration and Ultrafiltration Membranes for Drinking Water, American Water Works Association, AWWA (USA), Denver 2005.
• [8] Taylor J.S., Wiesner M., Membranes, in: Membrane Processes in Water Quality and Treatment (Letterman R.D., Ed), McGraw Hill, New York 2000.
• [9] Sosnowski T., Suchecka T., Piątkiewicz W., Penetracja komórki przez membranę mikrofiltracyjną, Monografie Komitetu Inżynierii Środowiska PAN, 22 (2004) 359-367-
• [10] Bodzek M., Konieczny K., Dudziak M., Możliwości wykorzystania technik membranowych w procesach uzdatniania wody do picia, Monografie Wydziału Budownictwa i Inżynierii Środowiska Politechniki Koszalińskiej, nr 149, Seria: Inżynieria Środowiska, Wydawnictwo Uczelniane Politechniki Koszalińskiej, Koszalin 2008, 7-37.
• [11] Domany Z., Galambos I., Vatai G., Bekas- sy-Molnar E., Humic substances removal from drinking water by membrane filtration, Desalination, 145 (2002) 333-337.
• [12] Bodzek M., Konieczny K, Skojarzone systemy membranowe w uzdatnianiu wody - stan wiedzy, Materiały VII Międzynarodowej Konferencji: „Zaopatrzenie w wodę, jakość i ochrona wód”, Zakopane, czerwiec 2006, tom I, 43-61.
• [13] 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, 122 (2003) 435-445-
• [14] Thorsen T., Membrane filtration of humic substances - State of art, Water Sci.Tech- nol., 40(9) (1999) 105-112.
• [15] Amy G., Alleman C.B., Cluff C.B., Removal of dissolved organic matter by nanofiltration. Journal of Environmental Engineering, 116 (1990) 200-205.
• [16] Conlon W., McClellan S.A., Membrane softening comes of age, Journal AWWA, 81 (1991) 1-47.
• [17] Laine J., et al., Ultrafiltration of lake water: effect of pretreatment on the partitioning of organics, THMFP, and flux, Journal AWWA, 82 (1990) 12-82.
• [18] Jacangelo J., et al., Assessing hollow-fiber ultrafiltration for particulate removal, Journal AWWA, 81 (1989) 11-68.
• [19] Rajca M., Bodzek M., Konieczny K., Oczyszczanie wody w procesie hybrydowym koagulacja - filtracja membranowa, w: Materiały VIII Międzynarodowej Konferencji: „Zaopatrzenie w wodę, jakość i ochrona wód”, Poznań-Gniezno, czerwiec 2008, tom I, str. 625-639.
• [20] Konieczny K., Klomfas G., Bodzek M., Hybrid UF/MF-activated adsorption process for the treatment of water, Proceedings of “Engineering with membranes” (Eds. S.Luque, J.R.Alvarez), June 3-6, 2001, Granada, Spain, Vol.I, pp.280-286.
• [21] 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, B.37a (2002) 351-361.
• [22] Bodzek M., Rajca M., Bargiel J., Konieczny K., Investigations concerning the mechanism of the „fouling” of membranes in the course of the direct microfiltration and in the hybrid system of coagulation and microfiltration, Polish J.Emirn.Studies, I6(2A) (2007) 172-176.
• [23] Bodzek M., Rajca M., Konieczny K, Gem- bolyś B., Wpływ wielkości cząsteczek NOM na fouling membran ultrafiltracyj- nych, Monografie Komitetu Inżynierii Środowiska Polskiej Akademii Nauk, 49 (2008) 207-214 i 215-222.
• [24] Bodzek M., Piątkowską A., Rajca M., Komosiński K., Fouling of membranes during ultrafiltration of surface water (NOM), Ecological Chemistry and Engineering A, 16 (2009) 107-116.
• [25] Nawrocki J., Uboczne produkty utlenienia i dezynfekcji wody, Ochrona Środowiska, 27(4) (2005) 3-12.
• [26] 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-
• [27] Bilyk A., Nowak-Piechota G., Zanieczyszczenie środowiska substancjami powodującymi zakłócenie funkcji endokrynologicznych organizmu, Ochrona Środowiska, 26(3) (2004) 29-35.
• [28] Waniek A., Bodzek M., Konieczny K., Luks-Betlej K., Efektywność uzdatniania wód naturalnych przy użyciu ciśnieniowych technik membranowych, Zeszyty Naukowe Politechniki Śląskiej, Seria: Inżynieria Środowiska, z.47 (2002) 131-144.
• [29] Chalatip R., Chawalit R., Nopawan R., Removal of haloacetic acids by nanofiltration, Journal of Environmental Sciences, 21 (2009) 96-100.
• [30] Uyak V., Koyuncu I., Oktem I., Cakmak- ci M., Toroz I., Removal of trihalometha- nes from drinking water by nanofiltration membranes, Journal of Hazardous Materials, 152 (2008) 789-794.
• [31] Kowalska M., Usuwanie kwasu chlorooctowego z zastosowaniem ultrafiltracyjnych membran enzymatycznych, Monografie Komitetu Inżynierii Środowiska Polskiej Akademii Nauk, 36 (2006) 357-364.
• [32] Kowalska M., Bohdziewicz J., Ultrafiltracyjne membrany enzymatyczne - otrzymywanie i zastosowanie do usuwania kwasu monobromooctowego z wody, Monografie Komitetu Inżynierii Środowiska Polskiej Akademii Nauk, 49 (2008) 137-144.
• [33] Dudziak M., Luks-Betlej K, Bodzek M., Usuwanie WWA z wód z wykorzystaniem procesów membranowych, Inżynieria i Ochrona Środowiska, 6(4-4), (2003) 299-311.
• [34] Dudziak M., Bodzek M., Luks-Betlej K., Ultrafiltracja w usuwaniu toksycznych mikrozanieczyszczeń organicznych z wód naturalnych, Chemia i Inżynieria Ekologiczna, io(Si) (2003) 253-259.
• [35] Majewska-Nowak K., Wpływ polielek- trolitu na skuteczność ultrafiltracji roztworów wodnych zawierających barwniki organiczne i substancję powierzchniowo- czynną, Ochrona Środowiska, 28(4) (2006) 3-10.
• [36] Kowalska I., Separacja membranowa jako metoda usuwania surfaktantów z roztworów wodnych, Monografie Komitetu Inżynierii Środowiska Polskiej Akademii Nauk, 49 (2008) 239-242.
• [37] Kowalska I., Oczyszczanie ścieków zawierających detergenty w zintegrowanym procesie ultrafiltracja-MIEX®, Monografie Komitetu Inżynierii Środowiska Polskiej Akademii Nauk, 49 (2008) 243- 246.
• [38] Zhang Y., Van der Bruggen B., Chen G.X., Braeken L., Vandecasteele C., Removal of pesticides by nanofiltration: effect of the water matrix, Separation and Purification Technology, 38 (2004) 163 - 172.
• [39] 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, 38 (2004) 2795 - 2809.
• [40] Sarkar B., Venkateswralu N., Nageswara R., Bhattachaijee Ch., Kale V., Treatment of pesticide contaminated surface water for production of potable water by a coagulation - adsorption - nanofiltration approach, Desalination, 212 (2007) 129 - 140.
• [41] Bodzek M., Dudziak M., Luks - Betlej K, Application of membrane techniques to water purification. Removal of phthala- tes, Desalination, 162 (2004) 121 - 128.
• [42] Dudziak M., Wybrane biomimetyki hormonalne (Hormone Disrupters) w środowisku wodnym oraz próby usuwania ich z wykorzystaniem technik membranowych, Praca doktorska, Politechnika Śląska, Gliwice 2006.
• [43] Dudziak M., Bodzek M., Konwencjonalne technologie a techniki separacji membranowej w eliminacji steroidowych hormonów płciowych ze strumienia wodnego, w: Materiały Konferencji “Mikrozanieczyszczenia w środowisku człowieka”, Politechnika Częstochowska, Częstochowa, 27-29 czerwca 2005, 62-70.
• [44] Dudziak M., Bodzek M., Ksenoestrogeny w środowisku wodnym oraz próby ich usuwania z wykorzystaniem nanofiltracji, w: Materiały VIII Międzynarodowej Konferencji: „Zaopatrzenie w wodę, jakość i ochrona wód”, Poznań-Gniezno, czerwiec 2008, tom I, str. 409-424.
• [45] Dudziak M., Bodzek M., Usuwanie kseno- estrogenów w nanofiltracji: wpływ substancji organicznej, Monografie Komitetu Inżynierii Środowiska Polskiej Akademii Nauk, 49 (2008) 199 - 206.
• [46] Dudziak M., Bodzek M., Removal of xe- noestrogens from water during reverse osmosis and nanofiltration - effect of selected phenomena on separation of organic micropollutants, ACEE, 1(3) (2008) 95-101.
• [47] Dudziak M., Bodzek M., A study of selected phytoestrogens retention by reverse osmosis and nanofiltration membranes -the role of fouling and scaling, Chemical Papers, 2009, w druku.
• [48] 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.
• [49] Ternes T.A, Meisenheimer M, Mcdowell Sacher F, Brauch H.J, Haist-Gulde B, Preuss G, Wilme U, Zulei-Seibert N., Removal of pharmaceuticals during drinking water treatment. Environ.Sci.Tech- nol., 36, (2002) 3855-3863.
• [50] Clara M., Strenn B., Gans O., Martinez , Kreuzinger N., Kroiss H., Removal of selected pharmaceuticals, fragrances and endocrine disrupting compounds in a membrane bioreactor and conventional wastewater treatment plants, Water Res., 39 (2005) 4797-4807.
• [51] Kimura K, Hara H, Watanabe Y., Removal of pharmaceutical compounds by submerged membrane bioreactors (MBRs), Desalination, 178 (2005) 35-140.
• [52] 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., 78 (2006) 2480-2486.
• [53] Kimura K., Toshima S., Amy G., Watanabe Y., Rejection of neutral endocrine disrupting compounds (EDCs) and pharmaceutical (PhACs.) active compounds (PhACs) by RO membranes, J. Mem. Sci., 245 (2004) 71-78.
• [54] Yoon Y, Westerhoff P, Snyder S.A, Wert C Nanofiltration and ultrafiltration of endocrine disrupting compounds, pharmaceuticals and personal care products, J. Mem. Sci. 270 (2006) 88-100.
• [55] Kimura K., Amy G., Drewes J., Heberer T., Kim T-U., Watanabe Y., Rejection of organic micropollutants (disinfection byproducts, endocrine disrupting compounds, and pharmaceutically active compounds) by NF/RO membranes, J. Mem. Sci., 227 (2003) 113-121.
• [56] Nghiem L.D., Schafer A.I., Elimelech M., Pharmaceutical retention mechanisms by nanofiltration membranes, Environ Sci Technol 39 (2005) 7698-7705.
• [57] 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., 77 (2005) 40-48.
• [58] Snyder S., Adham S., Redding A., Cannon DeCarolis J., Oppenheimer J., Wert E., Yoon Y., Role of membranes and activated carbon in the removal of endocrine disruptors and pharmaceuticals, Desalination, 202 (2007) 156-181.
• [59] Nghiem L.D., Schafer A.I., Critical risk points of nanofiltration and reverse osmosis processes in water recycling applications, Desalination, 187 (2006) 303-312.