Wydajne dodatki procesowe do instalacji membranowych i odwróconej osmozy – ochrona, czyszczenie i zapewnienie wydajności

Instalacje membranowe, takie jak odwrócona osmoza (RO), nanofiltracja (NF) lub ultrafiltracja (UF), charakteryzują się wysoką wydajnością retencji. Powoduje to silne stężenie czynników powodujących twardość, siarczanów, krzemianów i innych soli w strumieniu koncentratu. Bez odpowiednich środków zaradczych na powierzchni membrany tworzą się osady skalne. Osady te blokują pory, zwiększają różnicę ciśnień i zmniejszają przepływ permeatu.

Konsekwencje niekontrolowanego skalowania to:

• Zwiększone zużycie energii spowodowane wyższym ciśnieniem tłoczenia

• Zmniejszająca się retencja soli i zmienna jakość permeatu

• Rosnące nakłady na czyszczenie, aż do nieodwracalnego uszkodzenia membrany

• Skrócona żywotność elementów membranowych i wyższe koszty operacyjne

Środki zapobiegające osadzaniu się kamienia zapobiegają tym efektom, zakłócając wzrost kryształów, blokując zarodki kryształów i opóźniając lub całkowicie zapobiegając wytrącaniu się soli twardości. Rezultatem jest stabilna praca z:

• wyższy współczynnik odzysku (wydajność),

• wydłużonymi okresami między czyszczeniami,

• stałej jakości wody,

• znacznie dłuższa żywotność membrany.

Precyzyjnie dostrojony program zapobiegający osadzaniu się kamienia stanowi nie tylko zabezpieczenie techniczne, ale także kluczowy czynnik optymalizacji kosztów i zwiększenia wydajności pracy membran.

Oprócz osadzania się kamienia, jedną z głównych przyczyn spadku wydajności jest biofouling. Mikroorganizmy osadzają się na powierzchniach membran, tworząc biofilmy i powodując stopniowy, często trudny do wykrycia spadek wydajności. Warstwy te zwiększają straty ciśnienia, zmniejszają przepływ wody i stanowią pożywkę dla patogenów.

Również substancje organiczne (np. substancje huminowe), związki żelaza/manganu lub krzemiany mogą tworzyć osady, które blokują pory membrany i obciążają strukturę materiału.

Środki przeciwko biofoulingowi i osadom organicznym:

• Kontrolowana obróbka wstępna (filtracja, zmiękczanie, odżelowanie, filtr z węglem aktywnym) w celu zmniejszenia zanieczyszczeń w dopływie

• Programy biocydowe z utleniającymi lub nieutleniającymi substancjami czynnymi, dostosowane do materiałów membranowych i dopuszczeń

• Dyspergatory, które rozbijają biofilmy i ułatwiają transport cząstek organicznych

• Regularne czyszczenie CIP (alkaliczne/enzymatyczne) w celu usunięcia warstw organicznych

• Monitorowanie za pomocą testów mikrobiologicznych (np. HPC, ATP, qPCR), pomiarów różnicy ciśnień i przepływu permeatu

Jedynie połączenie środków zapobiegawczych, dostosowanych strategii dotyczących środków biobójczych i ukierunkowanego czyszczenia zapobiega sytuacji, w której biofilmy i osady organiczne zagrażają ekonomiczności instalacji membranowej.

Nawet przy optymalnym dozowaniu środków zapobiegających osadzaniu się kamienia i biocydów nie da się całkowicie uniknąć osadzania się osadów. Dlatego czyszczenie na miejscu (CIP) jest obowiązkowym elementem każdego systemu membranowego. Nie jest ono przeprowadzane w stałych odstępach czasu, ale zgodnie z określonymi parametrami pracy:

• Wydajność permeatu spada o 10–15% w stosunku do wartości wyjściowej.

• Różnica ciśnień wzrasta powyżej stopni membrany

• Zmniejsza się retencja soli, a jakość permeatu pogarsza się.

Rodzaje środków czyszczących:

• Kwaśne środki czyszczące: usuwają osady wapienne, siarczanowe i metalowe (wapń, bar, żelazo, mangan)

• Środki czyszczące alkaliczne: usuwają osady organiczne, biofilmy, oleje i tłuszcze

• Specjalne środki czyszczące: usuwają osady krzemianowe lub mieszane powłoki

Proces CIP składa się z płukania, cyrkulacji przy użyciu odpowiednich środków chemicznych i temperatury, czasu działania oraz końcowego płukania. Decydujące znaczenie ma dostosowanie środków czyszczących do materiału membrany, ponieważ np. wolne związki chloru powodują nieodwracalne uszkodzenia wielu membran poliamidowych.

Strukturalna koncepcja CIP gwarantuje przywrócenie pierwotnej wydajności membran i maksymalizację ich żywotności.

Współczynnik odzysku opisuje stosunek permeatu do wody dopływającej i jest decydującym parametrem dla ekonomiczności instalacji RO. Wysoki współczynnik odzysku pozwala oszczędzać wodę, energię i koszty utylizacji ścieków. Jednocześnie wraz ze wzrostem retencji wzrasta stężenie soli i czynników powodujących twardość w strumieniu koncentratu, a tym samym ryzyko osadzania się kamienia.

Optymalizacja odbywa się poprzez połączenie zarządzania procesami i zastosowania dodatków:

• Środki zapobiegające osadzaniu się kamienia: umożliwiają stosowanie wyższych stężeń poprzez hamowanie procesów krystalizacji.

• Monitorowanie online: kontrola przewodności, pH i różnicy ciśnień w celu wczesnego wykrywania stanów krytycznych.

• Dostosowanie do jakości wody surowej: maksymalna dopuszczalna wartość odzysku zależy w dużym stopniu od zawartości wapnia, siarczanu, krzemianu, żelaza i baru.

• Staging i hydraulika: wielostopniowe konstrukcje instalacji umożliwiają wyższą całkowitą wydajność przy jednoczesnym odciążeniu poszczególnych stopni membranowych.

• Narzędzia symulacyjne: modele oprogramowania (np. producentów membran) obliczają ryzyko osadzania się kamienia w zależności od składu chemicznego wody i stopnia odzysku.

Tylko dzięki tym środkom można podnieść współczynnik odzysku do optymalnych wartości ekonomicznych (np. 75–85% w przemyśle) bez narażania membran.

Wskaźnik gęstości mułu (SDI) jest najważniejszym parametrem służącym do oceny jakości wody surowej przed instalacją membranową. Mierzy on skłonność wody do zatykania filtrów lub membran cząstkami koloidalnymi i drobnymi zawiesinami.

Typowe wartości graniczne:

• SDI ≤ 5: wymagane do bezpiecznej eksploatacji instalacji RO

• SDI 5–20: Konieczne jest wstępne oczyszczanie (np. filtr piaskowy, ultrafiltracja, koagulacja/flokulacja)

• SDI > 20: bezpośrednie zastosowanie membran RO nie jest możliwe

Znaczenie w przedsiębiorstwie:

• Zbyt wysoki wskaźnik SDI prowadzi do tworzenia się osadu i wzrostu ciśnienia w membranie.

• Wpływa on na częstotliwość czyszczenia CIP, a tym samym na koszty eksploatacji.

• Regularne pomiary SDI stanowią stały element monitorowania działalności i są często wymagane przez organy władzy lub klientów jako dowód.

ALMA AQUA zapewnia, że instalacje membranowe są eksploatowane z odpowiednią obróbką wstępną (filtracja, flokulacja, UF) i ciągłym monitorowaniem SDI. W ten sposób minimalizowane jest ryzyko zanieczyszczenia, zmniejsza się częstotliwość CIP i wydłuża żywotność elementów membranowych.

Wybór odpowiedniej strategii biocydowej ma kluczowe znaczenie dla trwałej kontroli biofoulingu w systemach membranowych. Ponieważ membrany – zwłaszcza membrany poliamidowe – są wrażliwe na niektóre substancje chemiczne, ich stosowanie musi być bardzo starannie dobrane.

Biocydy utleniające (np. podchloryn sodu, dwutlenek chloru, ozon):

• Działają szeroko i bardzo szybko przeciwko bakteriom, glonom i grzybom.

• Usuwają biofilmy poprzez utleniające niszczenie struktur komórkowych.

• W przypadku membran RO i NF mogą być stosowane tylko w bardzo ograniczonym zakresie, ponieważ poliamid ulega nieodwracalnemu uszkodzeniu pod wpływem wolnego chloru lub ozonu.

• Często nadaje się do obróbki wstępnej (np. w systemach UF, wstępnych etapach chłodzenia wodą lub otwartych zbiornikach magazynowych).

Biocydy nieutleniające (np. izotiazolinony, czwartorzędowe związki amoniowe, aldehyd glutarowy):

• Wpływają one w sposób ukierunkowany na metabolizm mikroorganizmów i niszczą ściany komórkowe.

• Kompatybilne z membranami, ponieważ nie powodują rozkładu utleniającego.

• Działają również w biofilmach, jednak wolniej i często w zależności od czasu działania i stężenia.

• Zazwyczaj stosowane są w eksploatacji instalacji RO i NF.

Strategia praktyczna:

• Połączenie dezynfekcji utleniającej podczas uzdatniania wody surowej oraz nieutleniającego stosowania środków biobójczych podczas bieżącej eksploatacji membran.

• Uzupełnione regularnymi czyszczeniami CIP w celu usunięcia martwego biomateriału.

• Ścisłe przestrzeganie wytycznych producenta dotyczących dawek, czasów kontaktu i cykli płukania, aby wykluczyć uszkodzenia membrany.

Dzięki odpowiednio dobranej strategii stosowania środków biobójczych można w sposób trwały kontrolować zanieczyszczenia mikrobiologiczne, utrzymać niskie straty ciśnienia i znacznie wydłużyć żywotność membran.

Właściwy dobór i dozowanie środków zapobiegających osadzaniu się kamienia decyduje o tym, czy instalacja membranowa może działać stabilnie, wydajnie i długotrwale. Standardowe rozwiązania często nie są wystarczające, ponieważ każdy skład wody niesie ze sobą indywidualne ryzyko osadzania się kamienia.

Dlatego ALMA AQUA stawia na specjalistyczne narzędzia obliczeniowe, które na podstawie analiz wody dokonują precyzyjnych prognoz dotyczących możliwych wytrąceń. Uwzględniane są przy tym parametry takie jak wapń, magnez, bar, stront, krzemian, żelazo, siarczan i twardość węglanowa.

Narzędzie obliczeniowe dostarcza:

• Prognozy dotyczące wskaźników przesycenia dla różnych czynników powodujących twardość (np. wskaźniki Langeliera, Stiffa i Davisa lub wskaźniki krzemianowe).

• Obliczanie granic rozpuszczalności (solubility limits) dla węglanu wapnia, siarczanu wapnia, siarczanu baru, siarczanu strontu i krzemianów.

• Zalecenia dotyczące optymalnego dozowania środka zapobiegającego osadzaniu się kamienia w mg/l, dostosowanego do pożądanego współczynnika odzysku.

• Scenariusze dla różnych warunków pracy (temperatura, ciśnienie, odzyskiwanie), aby zabezpieczyć się również przed zmianami obciążenia i wahaniami jakości wody surowej.

Dzięki tej metodzie opartej na symulacji zapewniamy, że:

• dobrano odpowiedni środek zapobiegający osadzaniu się kamienia dla danego składu chemicznego wody,

• urządzenie może pracować z maksymalną możliwą wydajnością,

• Niezawodne zapobieganie osadzaniu się kamienia i wydłużenie okresów między czyszczeniami.

W ten sposób łączymy naukowo uzasadnione obliczenia z praktycznym bezpieczeństwem eksploatacji – i oferujemy Państwu dostosowane do potrzeb rozwiązania zapewniające wydajne zarządzanie instalacjami membranowymi.

Urządzenia membranowe podlegają podczas pracy różnym obciążeniom. Osady mogą mieć pochodzenie mineralne, organiczne lub biologiczne – często również mieszane. Skuteczna strategia CIP (Cleaning-in-Place) musi być zatem dokładnie dostosowana do rodzaju osadów, aby można je było usunąć bez uszkadzania membran.

Typowe rodzaje osadów i ich usuwanie:

• Osady mineralne (kamień): Należą do nich węglan wapnia, siarczan wapnia, siarczan baru, siarczan strontu lub krzemiany. → Leczenie za pomocą kwaśnych środków czyszczących (np. kwas cytrynowy, kwas fosforowy lub organiczne środki kompleksujące), które rozpuszczają sole i ponownie uwalniają powierzchnię membrany.

• Osady metaliczne (żelazo, mangan, aluminium): Powstają w wyniku korozji lub niewłaściwego przygotowania powierzchni. → Usuwanie za pomocą specjalnych środków kompleksujących lub redukujących, które rozpuszczają produkty utleniania.

• Osady organiczne: substancje huminowe, oleje, tłuszcze lub środki powierzchniowo czynne mogą blokować pory membrany. → Czyszczenie za pomocą alkalicznych środków czyszczących zawierających środki powierzchniowo czynne, które rozpraszają substancje organiczne.

• Biofouling (osady mikrobiologiczne): Kolonie bakterii i biofilmy powodują spadek ciśnienia i stanowią zagrożenie dla higieny. → Usuwanie za pomocą alkalicznych środków czyszczących z enzymami lub dyspergatorami, w razie potrzeby połączone z dezynfekcją za pomocą nieutleniających środków biobójczych.

Strategiczne kwestie związane z planowaniem CIP:

• Połączenie środków czyszczących: Często konieczne jest naprzemienne stosowanie środków kwasowych i alkalicznych w celu usunięcia mieszanych zabrudzeń.

• Kolejność: Z reguły najpierw czyści się alkalicznie (w celu usunięcia osadów organicznych i biofilmu), a następnie kwasowo (w celu usunięcia osadów mineralnych).

• Parametry pracy: temperatura, pH i czas kontaktu muszą być dokładnie przestrzegane, aby uzyskać maksymalną skuteczność przy minimalnym obciążeniu membrany.

• Monitorowanie: kontrola skuteczności poprzez pomiar różnicy ciśnień, przepływu permeatu i retencji soli – dopiero po ustabilizowaniu się tych parametrów można uznać proces CIP za zakończony sukcesem.

Dzięki tej strategii czyszczenia zależnej od rodzaju osadu operatorzy mogą zapewnić precyzyjne usuwanie osadów, ochronę membran i przywrócenie pierwotnej wydajności instalacji.