Microfiltrazione: come si confronta ?

Una maggiore attenzione alle tecnologie che soddisfano i requisiti normativi più severi e una maggiore pressione pubblica ha motivato i comuni a considerare seriamente le membrane di microfiltrazione (MF) come un’opzione di trattamento praticabile. Questo articolo ha lo scopo di familiarizzare con le basi e discutere come si confronta con alternative convenzionali.

Che cos’è la microfiltrazione?

La microfiltrazione è uno dei numerosi processi a membrana. L’acqua grezza viene filtrata passando attraverso un materiale plastico o polimerico che contiene milioni di piccoli pori (vedi Figura 1). Il filtraggio si verifica perché i pori della membrana sono abbastanza grandi da consentire all’acqua di passare, ma abbastanza piccoli da limitare il passaggio di materiali indesiderati come il particolato e gli organismi patogeni.

Poiché questa filtrazione fa parte di una “famiglia” di membrane, è utile confrontarla con altre tecnologie di membrana, forse più familiari, tra cui l’osmosi inversa (RO), la nanofiltrazione (NF) e l’ultrafiltrazione (UF). La differenza principale tra i tipi di membrane è la dimensione dei pori nel materiale della membrana: più piccoli sono i fori, più piccoli sono i materiali che la membrana rimuove. Ogni membrana ha una particolare gamma di applicazioni per le quali è più adatta (vedi Tabella 1).

Questa membrana ha una dimensione tipica dei pori di 0,2 µm. È più adatto per la rimozione di particolato, torbidità, solidi sospesi e agenti patogeni come Cryptosporidium e Giardia. Un tipico Cryptosporidium oocyst è di circa 3p; 5µm di dimensione, che è 15p;25 volte più grande dei pori. Questa membrana funziona a basse pressioni di circa 3p; 15 TMP.

Come funziona la microfiltrazione

La configurazione della membrana può variare tra i produttori, ma il tipo” fibra cava ” è il più comunemente usato. Le membrane del tipo a fibra cava sono fuse in tubi o cannucce di piccolo diametro, nominalmente di un metro di lunghezza. Migliaia di queste cannucce sono in bundle insieme e le estremità sono legati in una paratia epossidica o “invasatura.”Le estremità dell’impregnazione sono tagliate per consentire l’accesso all’interno delle fibre dall’estremità dell’impregnazione. I fasci vengono quindi sigillati in un alloggiamento che di solito è in PVC o acciaio inossidabile. L’impregnazione sigillata crea uno spazio separato e sigillato nel modulo che isola l’accesso all’interno delle fibre dall’accesso all’esterno. Questa combinazione di membrana e alloggiamento è chiamata modulo. Permette che l’acqua sia forzata attraverso le pareti della fibra senza cortocircuitare.

La progettazione del sistema viene eseguita una volta note le condizioni di portata e acqua desiderate ed è stato eseguito un pilota per determinare il numero richiesto di moduli. I moduli vengono quindi convogliati insieme in un modo che consentirà all’acqua di essere forzata da un lato delle fibre attraverso la parete della membrana e raccolta dal lato filtrato dei moduli.

Tipicamente, l’acqua viene pompata dall’esterno delle fibre e l’acqua pulita viene raccolta dall’interno delle fibre. Questo è chiamato flusso “dall’esterno all’interno” (vedere Figura 2). Questa direzione del flusso è talvolta invertita a seconda del produttore e della configurazione della membrana.

Le membrane di microfiltrazione utilizzate nelle applicazioni di acqua potabile di solito operano nel regime di flusso “dead-end”. Nel flusso senza uscita, tutta l’acqua alimentata alla membrana viene filtrata attraverso la membrana (vedi Figura 3). Si forma una torta filtrante che deve essere periodicamente lavata dalla superficie della membrana. I tassi di recupero sono normalmente superiori al 90% su fonti che hanno feed di torbidità piuttosto di alta qualità e bassi.

Controlavaggio

Il controlavaggio periodico viene eseguito per rimuovere i materiali filtrati dalla superficie della membrana. Un backwash solo acqua backflushes un’ondata di acqua filtrata attraverso la membrana per sollevare sedimenti dalla superficie e lavare ai rifiuti. Alcuni produttori utilizzano il controlavaggio chimico o il controlavaggio “air-ram” ad alta pressione. Tuttavia, l’obiettivo è lo stesso indipendentemente dal metodo: rimuovere i solidi dalla membrana sollevando lo sporco. Il controlavaggio è eseguito una volta ogni 10p; 20 minuti ed è fatto normalmente su una base cronometrata per impedire l’incrostazione severa che potrebbe accadere se la pressione significativa fosse permessa accumularsi fra i controlavaggi.

Pulizia chimica

Anche con il controlavaggio, le membrane MF si sporcano lentamente. Ciò è indicato da un graduale aumento della pressione di esercizio. Al fine di mantenere le prestazioni del sistema per un lungo periodo di tempo, pulizia chimica è impiegato. Di solito preformato ogni una o quattro settimane, viene utilizzato per pulire e sterilizzare la membrana. Possono essere impiegate diverse tecniche di pulizia chimica, tra cui la pulizia clorata (solo alcune membrane possono resistere a questo metodo), la pulizia acida, la pulizia caustica o una serie di soluzioni proprietarie.

Microfiltrazione vs. Le membrane MF convenzionali

hanno molte caratteristiche che si confrontano con i sistemi convenzionali, come la competitività dei costi. Alla prima revisione, sembra che il costo per un pacchetto a membrana sia superiore rispetto alle apparecchiature per filtri convenzionali. Tuttavia, il sistema MF è più di un pacchetto completo rispetto ai filtri da solo. Un impianto di acqua sorgente MF è essenzialmente completo. Non ci sono apparecchiature di pre-alimentazione chimica o controlli di alimentazione, nessun miscelatori flash, nessun flocculatori e nessun lavoro concreto complicato come bacini di sedimentazione e filtro. Di conseguenza, il costo totale di un sistema MF spesso si confronta favorevolmente con la sua controparte convenzionale.

I sistemi MF sono facili da usare poiché la filtrazione, il controlavaggio e la pulizia vengono eseguiti automaticamente. Inoltre, poiché filtra tramite un meccanismo di sforzo fisico, MF di solito non richiede pre-alimentazione chimica e l’uso chimico è ridotto al minimo. Non esistono complicati sistemi di alimentazione chimica da monitorare e ottimizzare. Inoltre, poiché quasi tutti i batteri, la torbidità e gli agenti patogeni vengono rimossi dall’acqua, la quantità di post-clorazione necessaria può anche essere ridotta. Infine, l’assenza di pre-alimentazione chimica significa che non è richiesta alcuna conoscenza della miscelazione chimica e della flocculazione.<

Con il meccanismo di sforzo, la qualità dell’acqua filtrata non cambia con picchi nella qualità dell’acqua grezza. Poiché la membrana esclude tutte le particelle superiori alla sua dimensione dei pori, la membrana rimuoverà costantemente le particelle indipendentemente dalla quantità presente. Il risultato è che un picco nella torbidità dell’alimentazione non si presenterà nella torbidità dell’effluente. I sistemi convenzionali, d’altra parte, richiedono un attento monitoraggio e funzionamento da parte del gestore dell’impianto, cosa che non è sempre possibile con sistemi più piccoli in cui gli operatori possono essere in loco solo in modo intermittente.

Le figure 4 e 5 rappresentano dati operativi tipici tratti da uno studio condotto per una piccola comunità. La fonte di acqua di alimentazione è quella che sperimenta picchi di torbidità relativamente elevati durante gli eventi temporaleschi. I grafici sono per torbidità grezza e filtrata e conteggi di particelle. Illustrano la consistenza della qualità dell’acqua filtrata per tutta la durata dello studio.

Le membrane fungono da barriera fisica agli agenti patogeni quali Cryptosporidium e Giardia come pure ai batteri. Una dimensione tipica del poro di MF è 0.2 µm ed un Cryptosporidium è fra 3p;5 µm. Come si vede nei grafici, anche la più piccola oocisti di Cryptosporidium è 15 volte più grande del poro della membrana. Con una maggiore preoccupazione del pubblico per la rimozione dei patogeni nell’acqua potabile, questa caratteristica è un vantaggio primario.

Osmosi inversa / Nanofiltrazione

Le membrane del RO sono capaci delle separazioni più fini e sono usate per l’ammorbidimento, il recupero chimico, la desalinizzazione, la rimozione del solfato e del nitrato e la rimozione del radio. L’NF, a volte chiamato “osmosi inversa che perde”, è strettamente correlato, in grado di ammorbidire e rimuovere il colore, i precursori/sostanze organiche THM, i pesticidi, i metalli e i virus. La” tenuta ” della membrana è descritta in termini di taglio del peso molecolare (MWCO) e rifiuto percentuale di alcune sostanze ioniche come il sale. In molti casi, il pre-alimentazione chimica e il pretrattamento adeguato sono fondamentali per mantenere il funzionamento dell’impianto riducendo al minimo le incrostazioni. Le membrane del RO funzionano nella gamma di pressione della trans-membrana di 200p; 500 psi (TMP) per la maggior parte delle applicazioni municipali. Le membrane di NF funzionano tipicamente nella gamma di 60p; 200 psi TMP. TMP è la perdita di pressione attraverso la membrana.

Ultrafiltrazione

Questa membrana ha una dimensione tipica dei pori di circa 0,002 p;0,05 µm (micron, 10-6 m, 1/25.000 pollici). L’ultrafiltrazione viene spesso utilizzata per la rimozione di macromolecole, colloidi, virus e proteine nell’industria biomedica e farmaceutica. L’ultrafiltrazione viene talvolta applicata al trattamento delle acque superficiali o sotterranee per uso potabile quando l’acqua di fonte è costantemente bassa nella torbidità con poche possibilità di picchi. Generalmente operano nella gamma 20p; 50 psi TMP.

Conclusione

La microfiltrazione è una tecnologia in crescita in grado di soddisfare le esigenze di pressioni normative e pubbliche sempre più rigorose.

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