Membrane processes in water treatment - state of art

• Autorzy: Bodzek M. , Konieczny K.

Warianty tytułu

PL

Procesy membranowe w uzdatnianiu wody - przegląd piśmiennictwa

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Contaminations present in the intake water cause that efficient treatment is problematic, and the technological scheme of cleaning should be developed individually for the given kind of water on the basis of technological research. To provide the required quality of drinking water, safe for health, and life of the consumers, it is very often necessary to apply non-conventional and high performance processes, in spite of the increase of costs and the need of very careful and professional operation of the water cleaning system. Furthermore, the inconvenience connected with traditional natural water treatment and changing approach with regard to the conception of water treatment for the consumption, first of all increasing requirements concerning the quality of drinking water, create possibilities of applying new separation techniques, among which membrane techniques have the greatest advantages and possibilities, and nowadays are taken into account. They can help to solve problems, which appear in conventional techniques of water treatment because: with a suitable selection of the membrane type it will selectively separate contaminations, remove hardness and salinity without the necessity of adding reactants, the quality of the treated water will not depend on the quality of raw water, the waste flux from the membrane separation (retentate) will contain only natural contaminants removed from the water, but not by-products of chemical reactions or other substances added during the treatment. In the treatment of water for drinking and household purposes pressure-driven membrane techniques are used, although other processes, such as electrodialysis, pervaporation, membrane destilation and liquid membranes are taken into account. The choice of the suitable membrane process depends on the size of the removed contaminants from the water and admixtures. Membrane techniques can be applied as an independent process or in connection with complementary unit processes, forming hybrid systems. In the paper the possibilities of using membrane techniques in natural water treatment are discussed. Reverse osmosis rejects ions and most organic compounds of low molecular weight and is applied for the desalination of water and the removal of nitrate ions and organic micropollutants. Nanofiltration membranes retain colloids, a lot organic substances with a low molecular weight and divalent ions and can be used to soften the water and remove organic micropollutants. Microfiltration and ultrafiltration are a barrier for suspended particles and microorganisms and that's why they can be used to clarify and disinfect the water and as a method of removing its turbidity. Hybrid processes with membrane techniques are applied in water treatment in connection with ozonation, coagulation, adsorption, on activated carbon to remove lower molecular weight organics or in the bioreactors to remove nitrates. Keywords: water treatment, membrane techniques, desalination, removal of organic compounds, micropollutants, hybrid processes.

PL

Zanieczyszczenia występujące w ujmowanych wodach powodują, że skuteczne oczyszczanie jest kłopotliwe, a układ (schemat technologiczny) oczyszczania powinien być opracowywany indywidualnie dla danej wody na podstawie badań technologicznych. Aby zapewnić wymaganą jakość wody do picia, bezpieczną dla zdrowia i życia konsumentów, często niezbędne jest stosowanie niekonwencjonalnych i wysoko efektywnych procesów mimo podwyższenia kosztów i potrzeby bardzo starannej oraz profesjonalnej eksploatacji układu oczyszczania wody. Ponadto, niedogodności związane z tradycyjnym oczyszczaniem wód naturalnych oraz zmieniające się podejście co do koncepcji uzdatniania wód dla celów konsumpcyjnych, przede wszystkim wzrastające wymagania odnośnie do jakości wody do picia, stwarzają możliwości zastosowania nowych technik separacji, wśród których metody membranowe mają największe zalety oraz możliwości i są obecnie brane pod uwagę jako procesy alternatywne. Mogą one pomóc w rozwiązywaniu problemów występujących w konwencjonalnych technikach uzdatniania wody, ponieważ: przy odpowiednim dobraniu rodzaju membrany (wielkość porów lub rozdzielczość graniczna) będzie ona efektywnie separowała zanieczyszczenia, usuwała twardość i zasolenie bez konieczności dodawania reagentów, jakość uzdatnionej wody nie będzie zależna od jakości wody surowej, strumień odpadowy z separacji membranowej (retentat) będzie zawierał jedynie naturalne zanieczyszczenia usunięte z wody, a nie produkty uboczne reakcji chemicznych czy innych substancji wprowadzonych w trakcie uzdatniania. W uzdatnianiu wody do picia i do celów gospodarczych stosuje się przede wszystkim techniki membranowe, których siłą napędową jest różnica ciśnień po obu stronach membrany, ale brane są pod uwagę też inne procesy, jak elektrodializa, perwaporacja, destylacja membranowa i membrany ciekłe. Wybór odpowiedniego procesu membranowego zależy od zakresu wielkości występujących i usuwanych z wody zanieczyszczeń oraz domieszek. Techniki membranowe mogą być stosowane do usuwania zanieczyszczeń z wody jako procesy samodzielne lub w połączeniu z uzupełniającymi procesami jednostkowymi, tworząc systemy hybrydowe. W pracy omówiono możliwości wykorzystania technik membranowych w uzdatnianiu wód naturalnych. Odwrócona osmoza zatrzymuje jony jednowartościowe oraz większość związków organicznych małocząsteczkowych i jest stosowana do odsalania wód oraz do usuwania jonów azotanowych i mikrozanieczyszczeń organicznych. Membrany nanofiltracyjne zatrzymują koloidy, szereg związków organicznych małocząsteczkowych oraz jony dwuwartościowe; można je zatem zastosować do zmiękczania wody i usuwania mikrozanieczyszczeń organicznych. Ultrafiltracja i mikrofiltracja stanowią barierę dla substancji rozproszonych i mikroorganizmów i dlatego można je stosować do klarowania i dezynfekcji wody oraz jako metoda usuwania mętności wody. Procesy hybrydowe obejmujące techniki membranowe stosuje się do uzdatniania wody do picia w połączeniu z ozonowaniem, koagulacją, adsorpcją na węglu aktywnym do usuwania niżej cząsteczkowych związków organicznych lub w bioreaktorach do usuwania azotanów.

Słowa kluczowe

EN

water treatment; membrane techniques; desalination; removal of organic compounds; micropollutants; hybrid processes

PL

uzdatnianie wody; techniki membranowe; odsalanie; usuwanie związków organicznych; mikrozanieczyszczenia; procesy hybrydowe

• Wydawca: Wydawnictwo Politechniki Częstochowskiej
• Czasopismo: Inżynieria i Ochrona Środowiska
• Rocznik: 2006
• Tom: T. 9, nr 2
• Strony: 129--159
• Opis fizyczny: Bibliogr. 71 poz.

Twórcy

autor

Bodzek M.

autor

Konieczny K.

• Silesian University of Technology, Faculty of Environmental and Energy Engineering, Institute of Water and Wastewater Engineering, Konarskiego 18, 44-100 Gliwice

Bibliografia

• [1] Bodzek M, Bohdziewicz J., Konieczny K., Techniki membranowe w ochronie środowiska, Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice 1997.
• [2] Bodzek M., Konieczny K., Wykorzystanie procesów membranowych w uzdatnianiu wody, Oficyna Wydawnicza Projprzem-EKO, Bydgoszcz 2005.
• [3] Bodzek M., Membrane techniques in water treatment and renovation, (in:) Water Management Purification and Conservation in Arid Climates, Vol. 2: Water Purification (Eds. F.A. Goosen, W.H. Shayya), Technomic Publishing, Lancaster-Basel 1999, 45-100.
• [4] Wiesner M.R. et. al, Committee report: Membrane processes in potable water treatment, Journal AWWA 1992,84, 1,59-67.
• [5] Bodzek M., Konieczny K., Membrane techniques in water treatment and water renovation, Environment Protection Engineering 1999, 25, 1-2, 123-151.
• [6] Water Treatment Membrane Processes (Eds. J. Mallavialle, P.E. Odendaal, M.R. Wiesner) McGraw-Hill, New York-San Francisco-Washington 1996.
• [7] Howell J.A., Future of membranes and membrane reactors in green technologies and for water reuse, Desalination 2004, 162, 1-11.
• [8] Mulder M., Basic Principles of Membrane Technology, Kluwer Academic Publishers, Dordrecht-Boston-London 1991.
• [9] Strathmann H., Membrane separation processes: Current relevance and future applications, AIChE J. 2001, 47, 1077-1087.
• [10] Aim B.R., Drioli E., Howell J., Nystrom M., Importance of membrane science and technology as a European research area of the future, Membrane News (the newsletter of the European Membrane Society) 2001, 57.
• [11] Solid growth seen for European membrane markets, International Newsletter ,,Membrane Technology" 2000, 125, 1.
• [12] Ripperberger S., Applicability of membrane processes for conditioning liquids in production and environmental technology, Filtrieren und Separieren (International Edition) 2004, 4, 28-35.
• [13] Sadhukhan H.K., Misra B.M., Tewari P.K., Desalination and wastewater treatment to augment water resources, Water Management Purification and Conservation in Arid Climates (Eds. F.A. Goosen, W.H. Shayya), Vol 2: Water purification, Technomic Publishing Co., Lancaster-Basel 1999, 1-29.
• [14] El-Dessouky H., Ettouney H., MSF developments may reduce desalination costs, Water&Wastewater International 2000, 15, 3, 20-21.
• [15] Tomaszewska M., Gryta M., Morawski W.A., Odsalanie wody metodą destylacji membranowej, Materiały I Konferencji Naukowej Membrany i procesy membranowe w ochronie środowiska (red. M. Bodzek, J. Bohdziewicz), Wisła 19-21 października 1995, 63-76.
• [16] Tsiourtis N.X., Desalination and the environment, Desalination 2001, 141, 223-236.
• [17] Baker R., Membrane technology in the Chemical Industry. Future directions, w: Membrane Technology in the Chemical Industry (Eds. S.P. Nunes, K.-V. Peinemann), Wiley-Vch, Weinheim 2001, 268-295.
• [18] Van der Bruggen B., Vandecasteele C, Distillation vs. membrane filtration: Overview of process evolutions in seawater desalination, Desalination 2002,143, 207-218.
• [19] Al-Mutaz I.S., Water desalination in the Arabian Gulf Region, Water Management Purification and Conservation in Arid Climates (Eds. F.A. Goosen, W.H. Shayya), Vol 2: Water purification, Technomic Publishing Co. Lancaster-Basel 1999, 245-265.
• [20] Taylor J.S., Jacobs E.P., Reverse osmosis and nanofiltration, Water Treatment Membrane Processes (Eds. J. Mallevialle, P.E. Odendaal, M.R. Wiesner), McGraw-Hill, New York-San Francisco-Washington 1996, 9.1-9.70
• [21] Van Hoof S., Minnery J.G., Mack B., Dead-end ultrafiltration as pretreatment to seawater reverse osmosis, Desalination&Water Reuse 2001, 11, 3, 44-48.
• [22] Ebrahim S., Bou-Hamed S., Abdel-Jawad M., Burney N., Microfiltration system as a pretreatment for RO units: Technical and economical assessment, Desalination 1997, 109, 165-175.
• [23] MacHarg J.P., The evolution of SWRO energy-recovery system, Desalination Water Reuse 2001, 11,3,49-53.
• [24] Matsuura T., Progress in membrane science and technology for seawater desalination - a review, Desalination 2001, 134, 47-54.
• [25] Mallevialle J., Odentaal P.E., Wiesner M.R., The emergence of membranes in water and waste-water treatment, Water Treatment Membrane Processes (Eds. J. Mallevialle, P.E. Odendaal, M.R. Wiesner), McGraw-Hill, New York-San Francisco-Washington 1996, 1.1 1.10.
• [26] 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.
• [27] Tanghe N., Kopp V., Dard S., Faivure M., Application of nanofiltration to obtain drinking water, in: Recents Progress an Genie des Procedes, Membrane Processes, Water Treatment - Pervaporation (Eds. P. Aimar, P. Aptel), Lavosier Press, Paris 1992, 6, 21, 67-72.
• [28] Yahaya M.T., Bluff C.B., Gerba C.P., Virus removal by slow sand filtration and nanofiltration, Water Sci. Technol. 1993, 27, 445-448.
• [29] Berg P., Hagmeyer G., Gimbel R., Removal of pesticides and other micropollutants by nanofiltration, Desalination 1997, 113, 205-208.
• [30] Waypa J.J., Elimelech M., Hering J.G., Arsenic removal by RO and NF membranes, Journal AWWA 1997, 89, 10, 102-114.
• [31] Van der Bruggen B., Everaert K., Wilms D., Vandecasteele C, Application of nanofiltration for the removal of pesticides, nitrate and hardness from ground water: retention properties and economic evaluation, J. Membr. Sci. 2001, 193, 239-248.
• [32] Gaid A., Bablon G., Turner G., Franchet J., Protais J.C., Performance of 3 years' operation of nanofiltration plants, Desalination 1998, 117, 149-158.
• [33] Cyna B., Chagneau G., Bablon G., Tanghe N., Two years of nanofiltration at the Mery-sur-Oise plant, France, Desalination 2002, 147, 69-75.
• [34] Ventresque C, Gisclon V., Bablon G., Chagneau G., An outstanding feat of modern technology: the Mery-sur-oise Nanofiltration Treatment Plant (340,000 m3/d), Desalination 2000, 131, 1-16.
• [35] Schaep J., Van der Bruggen B., Vandecasteele C, Wilms D., Influence of ion size and charge in nanofiltration, Separ. Purif. Technol. 1998, 14, 155-162.
• [36] Van der Bruggen B., Scheap J.K., Wilms D., Vandecasteele C, Influence of molecular size, polarity and charge on the retention of organic molecules by nanofiltration, J. Membr. Sci. 1999, 156,29-41.
• [37] Bellona C, Drews J.E., Xu P., Amy G., Factors affecting the rejection of organic solutes during NF/RO treatment - a literature review, Water Research 2004, 38, 2795-2809.
• [38] Bowen W.R., Mohammad A.W., Hidal N., Characterization of nanofiltration membranes for predictive purposes - use of salts, uncharged solutes and atomic force microscopy, J. Membr. Sci. 1997, 126,91-105.
• [39] Wang X.L., Tsuru T., Nakao S.I., Kimura S., The electrostatic and steric-hindrance model for the transport of charged solutes through nanofiltration membranes, J. Membr. Sci. 1997, 135, 19-32.
• [40] Hegmeyer G., Gimbel R., Modelling the salt rejection of nanofiltration membranes for ternary ion mixtures and for single salts at different pH values, Desalination 1998, 117, 247-256.
• [41] Kimura K., Amy G.L., Drews J., Watanabe Y., Adsorption of hydrophobic compounds onto NF/RO membranes - an artificial leading to overestimation of rejection, J. Membr. Sci. 2003, 221,89-101.
• [42] Kimura K., Amy G.L., Drews J., Heberer T., Kim T.U., Watanabe Y., Rejection of organic micropollutants (disinfection by-products, endocrine disputing compounds, and pharmaceutically active compounds) by NF/RO membranes, J. Membr. Sci. 2003, 227, 113-121.
• [43] Bodzek M., Dudziak M., Endocrine disruptors - steroidowe hormony płciowe - występowanie, monitoring i usuwanie z wód naturalnych za pomocą procesów membranowych, Materiały VI Międzynarodowej Konferencji Zaopatrzenie w wodę miast i wsi, Poznań 2004, 1, 471-482.
• [44] Bodzek M., Wesołowska K., Zastosowanie technik membranowych w procesie zmiękczania wody, Inżynieria i Ochrona Środowiska 1999, 2, 3-4, 347-365.
• [45] Van der Bruggen B., Vandecasteele C, Nanofiltration: Rejection mechanisms and applications in the drinking water industry, Materiały V Międzynarodowej Konferencji Naukowo-Technicznej Zaopatrzenie w wodę i jakość wód, Poznań-Gdańsk 2002, 2, 319-330.
• [46] Bannoud A.H., Elimination of hardness and sulphate content in water by nanofiltration, Desalination 2001, 137, 133-139.
• [47] Wesolowska K., Bodzek M., Koter S., NF- and RO-membranes in drinking water production, (in:) Proceedings of Membranes in Drinking and Industrial Water Production MDIW 2002, Mulheim an der Ruhr, Germany 2002, B.37a, 357-363.
• [48] Konieczny K., Panek D., Bodzek M., Nanofiltracja jako metoda usuwania ubocznych produktów utleniania i dezynfekcji oraz ich prekursorów z wód naturalnych, Inżynieria i Ochrona Środowiska 2003, 6, 221-238.
• [49] Bodzek M., Luks-Betlej K., Waniek A., Techniki membranowe w usuwaniu wybranych toksycznych mikrozanieczyszczeń organicznych wód naturalnych, Materiały V Międzynarodowej Konferencji Zaopatrzenie w wodę miast i wsi, Gdańsk-Poznań 2002, 583-594.
• [50] Dudziak M., Luks-Betlej K., Bodzek M., Usuwanie WWA z wód z wykorzystaniem procesów membranowych, Inżynieria i Ochrona Środowiska 2003, 6, 4-4, 299-311.
• [51] Dudziak M., Bodzek M, Rajca M., Eliminacja estrogenów z wód przy wykorzystaniu procesów membranowych, Monografie Komitetu Inżynierii Środowiska PAN 2004, 22, 493-501.
• [52] Dodź M.E., Majewska-Nowak K., Kabsch-Korbutowicz M., Winnicki T., Usuwanie pestycydów z wody z wykorzystaniem niskociśnieniowej separacji membranowej, III Ogólnopolska Konferencja Naukowa Membrany i procesy membranowe w ochronie środowiska, cz. II, Szczyrk 1999, 75-83.
• [53] Kiso Y., Nishimura Y., Kitao T., Nishimura K., Rejection properties of non-phenylic pesticides with nanofiltration membranes, J. Membr. Sci. 2000, 171, 229-237.
• [54] Devitt E.C., Ducellier F., Cote P., Wiesner M.R., Effect of natural organic matter and raw matrix on the rejection of atrazine by pressure-driven membranes, Water Research 1998, 32, 2563-2568.
• [55] Anselme C, Jacobs E. P., Ultrafiltration, Water Treatment Membranę Processes (Eds. J. Mallevialle, P.E. Odendaal, M.R. Wiesner), McGraw-Hill, New York-San Francisco-Washington 1996, 10.1-10.88.
• [56] Jacangelo J.G., Buckley C. A., Microfiltration, Water Treatment Membrane Processes (Eds. J. Mallevialle, P.E. Odendaal, M.R. Wiesner), McGraw-Hill, New York-San Francisco-Washington 1996, 11.1-10.39.
• [57] Jacangelo J.G., Laine J.M., Carns K.E., Cummings E.W., Mallevialle J., Low-pressure membrane filtration for removing Giardia and microbial indicators, Journal AWWA 1991, 83, 9, 97-106.
• [58] Bodzek M., Konieczny K., Comparison of various membrane types and module configurations in the treatment of natural water by means of low-pressure membrane methods, Separation and Purification Technology 1998, 14, 69-78.
• [59] Domany Z., Galambos I., Vatai G., Bekassy-Molnar E., Humic substances removal from drinking water by membrane filtration, Desalination 2002, 145, 333-337.
• [60] Thorsen T., Membrane filtration of humic substances - State of art, Water Sci. Technol. 1999, 40,9, 105-112.
• [61] 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.
• [62] Ellis D., Bouchard C, Lantagne G., Removal of iron and manganese from groundwater by oxidation and microfiltration, Desalination 2000, 130, 255-264.
• [63] Shih M.-C, An overview of arsenie removal by pressure-driven membrane processes, Desalination 2005, 172, 85-97.
• [64] Clark M.M., Baudin I., Anselme C, Membrane powdered activated carbon reactors, Water Treatment Membrane Processes (Eds. J. Mallevialle, P.E. Odendaal, M.R. Wiesner), McGraw-Hill, New York-San Francisco-Washington 1996, 15.1-15.22.
• [65] Wiesner M.R., Laine J.M., Coagulation and membrane separation, Water Treatment Membrane Processes (Eds. J. Mallevialle, P.E. Odendaal, M.R. Wiesner), McGraw-Hill, New York-San Francisco-Washington 1996, 16.1-15.12.
• [66] Konieczny K., Klomfas G., Bodzek M, Hybrid UF/MF-activated adsorption process for the treatment of water, Proceedings of Engineering with Membranes (Eds. S. Luąue, J.R. Alvarez), June 3-6, Granada, Spain, 2001, 1, 280-286.
• [67] Klomfas G., Konieczny K., Fouling phenomena in unit and hybrid processes for potable water treatment, Desalination 2004, 163, 311-322.
• [68] Konieczny K., Klomfas G., Using activated carbon to improve natural water treatment by porous membranes, Desalination 2002, 147, 109-116.
• [69] Choksuchart P., Heran M., Grasmick A., Ultrafiltration enhanced by coagulation in an immersed membrane system, Desalination 2002, 145, 265-272.
• [70] Konieczny K., Bodzek M., Rajca M, Coagulation - MF system for water treatment using ceramic membranes, Desalination 2006, 198, 100-109.
• [71] Konieczny K., Bodzek M., Rajca M., Membranowe procesy hybrydowe w usuwaniu zanieczyszczeń z wód naturalnych, Monografie Komitetu Inżynierii Środowiska Polskiej Akademii Nauk 2005,32,143-153.