ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΜΕΜΒΡΑΝΩΝ ΓΙΑ ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑ ΠΟΣΙΜΟΥ ΝΕΡΟΥ Καθηγ.. Α. Α Ι. Καράµπελας Εθνικό Κέντρο Ερευνας και Τεχνολογικής Ανάπτυξης Ηµερίδα Συλλόγου Χηµικών Μηχανικών Ποιότητα πόσιµου νερού στην Κεντρική Μακεδονία ΕΚΕΤΑ - 23 Μαρτίου 2007
ΠΕΡΙΓΡΑΜΜΑ Συστατικά που υποβαθµίζουν υδατικούς πόρους ιεργασίες Μεµβρανών Είδη (RO, NF, UF, MF) Χαρακτηριστικά, δυνατότητες, προβλήµατα Eφαρµογές διεργασιών µεµβρανών - παραδείγµατα Ερευνητικές δραστηριότητες και εξελίξεις Επίλογος
Υ ΡΟΛΟΓΙΚΟΣ ΚΥΚΛΟΣ - Υ ΑΤΙΚΟΙ ΠΟΡΟΙ ΒΡΟΧΗ ΕΞΑΤΜΙΣΗ ΕΙΣΡΟΕΣ ΕΚΡΟΕΣ ΥΠΟΓΕΙΟΣ Υ ΡΟΦΟΡΕΑΣ ΥΠΟΓΕΙΕΣ ΕΚΡΟΕΣ
ΠΡΟΒΛΗΜΑΤΑ Υ ΑΤΙΚΩΝ ΠΟΡΩΝ ΒΡΟΧΗ ΕΞΑΤΜΙΣΗ ΕΙΣΡΟΕΣ ΕΚΡΟΕΣ ΥΠΟΓΕΙΑ ΡΥΠΑΝΣΗ ΡΥΠΑΝΣΗ ΥΠΕΡ-ΑΝΤΛΗΣΗ ΥΠΟΓΕΙΕΣ ΕΙΣΡΟΕΣ
ΧΡΗΣΕΙΣ ΝΕΡΟΥ ΚΑΙ ΣΥΝΕΠΕΙΕΣ ΧΡΗΣΕΙΣ ΚΑΤΑΝΑΛΩΣΗ ΡΥΠΑΝΣΗ ΓΕΩΡΓΙΑ > 70% Λιπάσµατα Γεωργικά Φάρµακα ΒΙΟΜΗΧΑΝΙΑ ~ 15% Πολλαπλή (εν δυνάµει) ΑΣΤΙΚΕΣ ΧΡΗΣΕΙΣ ~15% Παθογόνοι µικροργανισµοί, Τοξικές ενώσεις
Προβλήµατα Αναγκαιότητα επεξεργασίας νερού Ποσοτική µείωση και ποιοτική υποβάθµιση των υδάτινων πόρων απαιτεί βελτιωµένη διαχείρισή τους Υποχώρηση υδροφόρου ορίζοντα, διείσδυση θαλασσινού νερού (υφαλµύρωση) Ρύπανση από ιόντα νιτρικά, βoρίου, βαρέα µέταλλα, φυτοφάρµακα, άλλα τοξικά συστατικά ( π.χ. DBP, EDS), παθογόνους µικροοργανισµούς ( π.χ. Giardia) κλπ. Απαραίτητη η ειδική επεξεργασία τόσοτου πόσιµου νερού (κατά περίπτωση)όσο και των διαφόρων υγρών αποβλήτων, για προστασία της ανθρώπινης υγείας και του περιβάλλοντος.
Προβλήµατα υδατικών πόρων στην Κεντρική Μακεδονία ΑΙΤΙΑ : - ΣΗΜΑΝΤΙΚΟ ΕΛΛΕΙΜΜΑ ΣΤΟ Υ ΑΤΙΚΟ ΙΣΟΖΥΓΙΟ - ΥΠΕΡ ΛΙΠΑΝΣΗ Ε ΑΦΩΝ - ΡΥΠΑΝΣΗ (ΑΝΘΡΩΠΟΓΕΝΗΣ - ΦΥΣΙΚΗ ) ΣΥΝΕΠΕΙΕΣ : - ΥΠΟΒΑΘΜΙΣΗ Υ ΑΤΙΚΩΝ ΠΟΡΩΝ (ΝΙΤΡΙΚΑ, ΒΑΡΕΑ ΜΕΤΑΛΛΑ, ΚΛΠ) - ΥΦΑΛΜΥΡΩΣΗ ( ΙΕΙΣ ΥΣΗ ΘΑΛΑΣΣΙΝΟΥ ΝΕΡΟΥ) -ΑΛΑΤΩΣΗ Ε ΑΦΩΝ ΑΝΑΓΚΑΙΑ ΜΕΤΡΑ : - ΠΡΟΣΤΑΣΙΑ (ΑΝΤΙΡΡΥΠΑΝΣΗ, ΣΤΡΑΓΓΙΣΤΙΚΟ ΙΚΤΥΟ) - ΑΠΟΚΑΤΑΣΤΑΣΗ (ΕΜΠΛΟΥΤΙΣΜΟΣ, ΑΝΑΣΧΕΣΗ ΙΕΙΣ ΥΣΗΣ ΘΑΛ. ΝΕΡΟΥ)
Ανεπιθύµητα συστατικά στο πόσιµο νερό - Παθογόνοι µικροοργανισµοί (βακτήρια, ιοί) - Ενδοτοξίνες - Οργανικά συστατικά (χουµικά οξέα, φουλβικά οξέα, πολυ-σακχαρίτες, λιπο-πρωτείνες, κλπ) - DBP (Προιόντα αντίδρασης χλωρίου µε οργανικά) - Φυτοφάρµακα - EDS (Αντιβιωτικά, κλπ) - Ανόργανα συστατικά ( αλατότητα, σκληρότητα, πυριτικά άλατα, διάφορα οξείδια, κλπ ) - Ιόντα νιτρικά, βρωµικά, βορίου -Βαρέα µέταλλα ( As, Pb, Mn, κλπ)
Μέγεθος συστατικών σε σε επιφανειακά νερά Καθιζάνοντα σωµατίδια d > 100 µm Υπερ -κολλοειδή σωµατίδια 100µm > d > 1 µm Κολλοειδή συστατικά ιαλελυµένα συστατικά 1µm > d > 1 nm d < 1 nm
ΚΛΙΜΑΚΑ ΜΕΓΕΘΩΝ - ΙΕΡΓΑΣΙΕΣ ΙΗΘΗΣΗΣ Μικρά, µm 0.001 1.0 1000 ΕΝΥ. ΙΟΝΤΑ ΙΟΙ - VIRUSES Φ/ΦΑΡΜΑΚΑ ΑΝΤ. ΩΣΜΩΣΗ ΥΠΕΡ - ΙΗΘΗΣΗ ΣΥΜΒΑΤΙΚΗ ΙΗΘΗΣΗ ΝΑΝΟ - ΙΗΘΗΣΗ ΜΙΚΡΟ - ΙΗΘΗΣΗ
ιεργασίες µεµβρανών για επεξεργασία νερού ιεργασία Μεµβρανών Μικρο-διήθηση (MF, Μicro-Filtration) Υπερ-διήθηση (UF, Ultra-Filtration) Νανο-διήθηση (NF, Nano-Filtration) Αντίστροφη Ωσµωση (RO, Reverse Osmosis) Πίεση Λειτουργίας (Atm) < 1 < 1 5-10 10-70 Αποµάκρυνση ρύπων Αιωρούµενα στερεά Μικρο-οργανισµοί, οργανισµοί, ιοί, κολλοειδή NOM, SOC, THMFP, σκληρότητα Ιόντα
Μορφές Λειτουργίας ιήθηση CROSSFLOW διασταυρούµενης FILTRATION ροής DEAD-END ιήθηση κατά FILTRATION µέτωπο Feed Feed V V Concentrate P P Permeate Membrane Permeate Membrane Gel Layer Formation Permeate Flux Gel Layer Formation Operation Time Permeate Flux Operation Time
Ειδη µεµβρανών - ιαµόρφωση στοιχείων µεµβρανών
Phase inversion membrane (NF) Hollow fiber cross-section 1 μm Expanded film membrane (UF) Poly-amide membrane (RO)
Στοιχείο σπειροειδούς διαµόρφωσης
Στοιχεία Μεµβρανών Αντίστροφης Ωσµωσης
Στοιχεία κοίλων ινών MF - UF
Τυπική Εγκατάσταση Αφαλάτωσης - RO
Εφαρµογές διεργασιών µεµβρανών
Κύριες εφαρµογές διεργασιών µεµβρανών Αφαλάτωση υφάλµυρου και θαλασσινού νερού Επεξεργασία πόσιµου νερού (επιφανειακού & υπόγειου) Επεξεργασία και ανακύκλωση απονέρων Βιοµηχανικοί διαχωρισµοί (ανάκτηση νερού & υλικών) Παραδείγµατα : Ashkelon (Israel) Yuma (AZ, USA) Αφαλάτωση θαλασσινού νερού - RO (330.000 m 3 /d) Αφαλάτωση υφάλµυρου νερού - RO (260.000 m 3 /d) Mery-sur sur-oise (France) Επεξεργασίαεπιφανειακού επιφανειακού νερού - NF (140.000 m 3 /d) Vigneux-sur sur-seine (France) Επεξεργασίαεπιφανειακού επιφανειακού νερού - UF (55.000 m 3 /d) NeWater (Singapore) Ανάκτηση νερού αποαστικά αστικά λύµατα - RO (40.000 m 3 /d)
Αφαλάτωση θαλασσινού και υφάλµυρου νερού ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ Επεξεργασία επιφανειακού νερού Επεξεργασία αστικών λυµάτων Επεξεργασία βιοµηχανικών λυµάτων
Εγκατάσταση Αφαλάτωσης Λάρνακας, 56.000 m 3 /day
Πρόσφατες εξελίξεις : -Εµβαπτιζόµενα στοιχεία µεµβρανών - Membrane Bio - Reactors ( MBR ) Suspended fibers Casettes
Βιο-αντιδραστήρες µεµβρανών (MBR)( Εµβαπτισµένα στοιχεία Αερισµός για παροχή οξυγόνου και ανάσχεση της ρύπανσης µεµβρανών Ήπια αναρρόφηση µε χρήση αντλίας ( < 0.5 bar)
ΠΡΟΒΛΗΜΑΤΑ ΙΕΡΓΑΣΙΩΝ ΜΕΜΒΡΑΝΩΝ ΠΡΟΒΛΗΜΑΤΑ ΙΕΡΓΑΣΙΩΝ ΜΕΜΒΡΑΝΩΝ ΡΥΠΑΝΣΗ ΜΕΜΒΡΑΝΩΝ (FOULING, SCALING) ΠΟΛΩΣΗ ΣΥΓΚΕΝΤΡΩΣΗΣ (CONCENTRATION POLARIZATION)
ΕΙ Η ΡΥΠΑΝΣΗΣ Colloidal Fouling Organic Fouling Biological Fouling Precipitation Fouling (scaling) Ηδιάκριση των κατηγοριών δεν είναι σαφής, αλλά υποβοηθεί τη µελέτη και αντιµετώπιση της ρύπανσης
Πόλωση συγκέντρωσης p π j w j s
Τυπικές επικαθίσεις σε µεµβράνες Οργανική ρύπανση Επικαθίσεις CaCO 3
ΠΕΡΙΟΧΕΣ ΕΡΕΥΝΑΣ ΜΕΜΒΡΑΝΕΣ : - Βελτίωση ιδιοτήτων ενεργού επιφάνειας (για απόρριψη διαφόρων συστατικών) ΜΕΛΕΤΗ ΙΕΡΓΑΣΙΩΝ : - Βελτίωση απόρριψης τοξικών ουσιών (Pesticides, EDS) - Βελτίωση νέων διεργασιών ( ΜΒR ) ΜΕΛΕΤΗ ΡΥΠΑΝΣΗΣ : - Επικαθίσεις από κολλοειδή κλπ (fouling,( SDI) - Επικαθίσεις από δυσδιάλυτα άλατα (scaling( scaling) ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΜΕΜΒΡΑΝΩΝ: - Βελτιστοποίηση συνθηκών λειτουργίας - Βελτίωση σχεδιασµού στοιχείων (spacers) - Νέες µορφές συσκευών (SBR)( ΣΧΕ ΙΑΣΜΟΣ ΜΟΝΑ ΩΝ: - Βελτιστοποίηση εγκατάστασης - Μείωση ενεργειακών απαιτήσεων
Ερευνητικές δραστηριότητες στο ΕΚΕΤΑ Παραδείγµατα : Χαρακτηρισµόςµεµβρανών µεµβρανών και αξιολόγηση µεθόδων, σε κλίµακα εργαστηριακή και πιλοτική
Ερευνητικές δραστηριότητες στο ΕΚΕΤΑ Μελέτη ρύπανσης µεµβρανών : ανάπτυξη µεθόδων ανάσχεσης
ΕΠΙΛΟΓΟΣ Χαρακτηριστικά τεχνολογίας µεµβρανών : - Σηµαντικά τεχνικά πλεονεκτήµατα (αντιµετώπιση παντός είδους ρύπου, σταθερότητα απόδοσης ανεξάρτητη της τροφοδοσίας, υψηλή ποιότητα προιόντος, µικρό µέγεθος-compact, κλπ) - Σηµαντικά περιβαλλοντικά οφέλη (προάγεται η βιωσιµότητα ) - Απαραίτητο εργαλείο για ολοκληρωµένη διαχείριση υδατικών πόρων Ολοκληρωµένη διαχείριση των υδατικών πόρων απαιτεί προστασία, αποκατάσταση και ενίσχυσή τους. Ειδικοί στόχοι : - Μηδενική απόρριψη υγρών στη βιοµηχανία - Επαναχρησιµοποίηση επεξεργασµένων αποβλήτων για άρδευση και άλλες χρήσεις Η τεχνολογία µεµβρανών προσφέρεται για επεξεργασία νερού και πάσης φύσεως λυµάτων. Σχόλιο : ραστική αναθεώρηση αρχών σχεδιασµού µονάδων καθαρισµού λυµάτων, µε στόχο ανάκτηση νερού και αξιοποιήσιµων υλικών.