เมมเบรนเซรามิก + การแข็งตัว: การกำจัดสารอินทรีย์ธรรมชาติ (NOM) ที่มีประสิทธิภาพสูงพร้อมทั้งประหยัดพื้นที่!

การเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศส่งผลกระทบอย่างมากต่อเนื้อหาและลักษณะของ NOM ในน้ำผิวดินผ่านกลไกที่ซับซ้อนต่างๆ ทำให้ NOM เป็นมลพิษหลักในการบำบัดน้ำดื่ม โดยทั่วไปแหล่งน้ำ-NOM สูงจะแสดงสีสูงและ DOC สูง (ปริมาณต่อหน่วยพื้นที่) NOM ไม่เพียงแต่ทำให้เกิดปัญหาสีและกลิ่นในแหล่งน้ำเท่านั้น แต่ยังทำปฏิกิริยากับสารฆ่าเชื้อเพื่อสร้างผลพลอยได้จากสารก่อมะเร็งอีกด้วย

กระบวนการบำบัดน้ำดื่มแบบดั้งเดิมมีประสิทธิภาพในการกำจัด NOM ที่จำกัด ในขณะที่กระบวนการเมมเบรนอินทรีย์แบบทั่วไปประสบข้อเสีย เช่น ความไวต่อการเปรอะเปื้อนและความต้านทานการกัดกร่อนต่ำ เมมเบรนเซรามิกควบคู่กับการจับตัวเป็นก้อนทำให้เกิด-การใช้พลังงาน-ที่เป็นนวัตกรรมใหม่ ขนาดกะทัดรัด และมีความเสถียรสูงสำหรับการทำน้ำผิวดิน-NOM สูงให้บริสุทธิ์

ทีมวิจัยของยุโรปได้ออกแบบและเปรียบเทียบแบบจำลองสามแบบสำหรับการบำบัดการแข็งตัวของเลือดและการจับตัวเป็นก้อน เพื่อให้ได้การไหลของกระบวนการที่เหมาะสมที่สุดอย่างต่อเนื่อง ในขณะเดียวกันก็รับประกันประสิทธิผลของการรักษา:

1. แบบดั้งเดิมสอง-การแข็งตัวของถัง/การจับตัวเป็นก้อน

ในโหมดการบำบัดแบบคลาสสิก กระบวนการนี้ใช้การออกแบบปฏิกิริยาสอง-ขั้นตอน: ถังผสมอย่างรวดเร็วและถังจับตัวช้า น้ำดิบและสารตกตะกอนจะถูกผสมอย่างทั่วถึงในถังผสมแบบเร็วก่อนที่จะเข้าสู่ถังจับตัวเป็นก้อนเพื่อให้ตะกอนเจริญเติบโตอย่างสมบูรณ์ โดยมีเวลากักเก็บไฮดรอลิกทั้งหมด (HRT) อยู่ที่ 21 นาที โหมดนี้ให้การตอบสนองอย่างละเอียดแต่ต้องใช้พื้นที่ขนาดใหญ่และมีต้นทุนการก่อสร้างสูง

2. โหมดการผสมอย่างรวดเร็ว

โหมดนี้ทำให้การไหลของกระบวนการง่ายขึ้น กำจัดถังจับตัวเป็นก้อนช้า และคงไว้เพียงหน่วยผสมที่รวดเร็วเท่านั้น สารตกตะกอนและน้ำดิบผสมกันและเข้าสู่โมดูลเมมเบรนโดยตรง ช่วยลดเวลากักเก็บไฮดรอลิกลงเหลือ 7 นาที ในขณะที่ยังคงรักษาประสิทธิภาพการรักษาขั้นพื้นฐานไว้ ก็ทำให้การกำหนดค่าอุปกรณ์ง่ายขึ้นอย่างมาก

3. โหมดการตกตะกอนของท่อออนไลน์

นี่คือโซลูชันขนาดกะทัดรัดที่ล้ำสมัยที่สุดในการศึกษาครั้งนี้ การไหลของกระบวนการมีดังนี้: น้ำดิบ + สารตกตะกอน → การผสมปั๊มป้อนเมมเบรน → การตกตะกอนแบบท่อ → เมมเบรนเซรามิก → ซึม ไม่มีถังปฏิกิริยาตลอดกระบวนการ การผสมและการตกตะกอนจะเสร็จสิ้นผ่านทางท่อ เวลากักเก็บไฮดรอลิก (HRT) อยู่ที่ 45 วินาทีเท่านั้น และค่า G- ถูกควบคุมที่ 330 s⁻¹ มีรอยเท้าที่เล็กที่สุดในสามโหมด

การทดลองนี้ใช้เมมเบรนเซรามิก ซึ่งเนื่องจากคุณสมบัติของวัสดุอนินทรีย์ในด้านความทนทานต่อสารเคมีและความแข็งแรงเชิงกลสูง จึงกลายเป็นฮาร์ดแวร์หลักที่สนับสนุนการทำงานของกระบวนการที่มีความเสถียร

การศึกษานี้ใช้ DOC, สี และ UV₂₅₄ เป็นตัวบ่งชี้การประเมิน NOM และความแตกต่างของความดันเมมเบรน (TMP) เป็นตัวบ่งชี้การประเมินการเปรอะเปื้อนของเมมเบรน โดยปรับประเภท ปริมาณ และค่า pH ของสารตกตะกอนให้เหมาะสม

การทดลองเปรียบเทียบโพลีอลูมิเนียมคลอไรด์กับเฟอร์ริกคลอไรด์ และผลลัพธ์ค่อนข้างชัดเจน:

การลบ DOC:

เกลืออะลูมิเนียมมีอัตราการกำจัด 50%-85% ที่ pH 5.5 ซึ่งเพิ่มขึ้นตามปริมาณที่เพิ่มขึ้น

เกลือของเหล็กมีอัตราการกำจัดสูงสุด 87% ที่ pH 4.5 และ 10 มก./ลิตร

การกำจัดสี:

Aluminum salts were optimally removed at pH 5.5, with a dosage as low as 2 mg/L achieving a removal rate >90%.

เกลือของเหล็กถูกกำจัดออกอย่างเหมาะสมที่สุดที่ pH 5.0 ซึ่งต้องการ 6... การบรรลุผลลัพธ์ที่เทียบเท่ากันนั้นจำเป็นต้องมีความเข้มข้นที่สูงกว่า มก./ลิตร

ข้อค้นพบที่สำคัญของการศึกษานี้คือ การแข็งตัวมากขึ้นไม่จำเป็นต้องดีกว่าเสมอไป

ที่เกลืออะลูมิเนียม 2 มก./ลิตร: ประจุเป็นกลางไม่เพียงพอ มีตะกอนขนาดเล็ก และรูขุมขนเมมเบรนอุดตันได้ง่าย

ที่เกลืออะลูมิเนียม 5 มก./ลิตร: อาจเกิดการคงตัวของประจุอีกครั้ง หรือภาระพื้นผิวเมมเบรนอาจสูงเกินไป

ที่เกลืออะลูมิเนียม 3 มก./ลิตร: การเปรอะเปื้อนของเมมเบรนต่ำที่สุด และการทำงานมีเสถียรภาพมากที่สุด

ซึ่งหมายความว่า การปรับขนาดยาให้เหมาะสมมีความสำคัญมากกว่าการเพิ่มแบบสุ่มสี่สุ่มห้า

ในส่วนของการเปรอะเปื้อนของเมมเบรนนั้น มีความเสถียรอย่างมาก โดยมีค่าการเปรอะเปื้อนของเมมเบรนที่ไม่สามารถย้อนกลับได้ต่ำมาก ที่ปริมาณเกลืออะลูมิเนียม 3 มก. Al/L อัตราการเปรอะเปื้อนของเมมเบรนจะถึงระดับที่เหมาะสม โดยมีแรงดันรอบเดียว-เพิ่มขึ้นเพียงประมาณ 40 มิลลิบาร์ เมื่อรวมกับการล้างย้อนตามปกติ จะสามารถรักษาการทำงานที่เสถียรในระยะยาว-ได้

เป็นที่น่าสังเกตว่าความเข้มข้นของโลหะที่ตกค้างในน้ำทิ้งเป็นตัวบ่งชี้ขีดจำกัดหลักสำหรับการทำงานของกระบวนการ ภายในช่วง pH ที่เหมาะสมที่สุดที่ 4.5–5.5 สำหรับการกำจัด NOM ความเข้มข้นของอะลูมิเนียมและเหล็กที่ตกค้างจะเกิน 150 ไมโครกรัม/ลิตรได้อย่างง่ายดาย (ขีดจำกัดสำหรับอะลูมิเนียมใน "มาตรฐานสำหรับคุณภาพน้ำดื่ม GB5749-2022" คือ 200 ไมโครกรัม/ลิตร และสำหรับเหล็กคือ 300 ไมโครกรัม/ลิตร) ในทางวิศวกรรมภาคปฏิบัติ จำเป็นต้องรักษาสมดุลของค่า pH และปริมาณสารตกตะกอน โดยคำนึงถึงทั้งประสิทธิภาพในการกำจัดและความปลอดภัยของน้ำทิ้ง

การเปรียบเทียบระหว่างโหมดการปรับสภาพทั้งสามโหมดเผยให้เห็น:

อัตราการกำจัดสีและ DOC อยู่ที่ประมาณ 80% โดยมีความแตกต่างเล็กน้อย

อัตราการเปรอะเปื้อนของเมมเบรนแบบกลับไม่ได้มีความใกล้เคียงกัน (0.06–0.10 มิลลิบาร์/ชม.)

ความขุ่นของน้ำทิ้งยังคงอยู่ต่ำกว่า 0.1 NTU อย่างสม่ำเสมอ

โหมดทั้งสามโหมดไม่แสดงความแตกต่างที่มีนัยสำคัญในประสิทธิภาพการกำจัด NOM แต่โหมดการจับตัวเป็นก้อนแบบท่อออนไลน์ซึ่งมีเวลากักเก็บไฮดรอลิกสั้นเป็นพิเศษ-เพียง 45 วินาที และการออกแบบที่เรียบง่ายโดยไม่ต้องใช้ถังปฏิกิริยา กลายเป็นตัวเลือกที่ดีที่สุด

การศึกษานี้ยืนยันว่ากระบวนการ-การจับตัวเป็นก้อน + เมมเบรนเซรามิกสามารถนำไปใช้ได้อย่างเต็มที่กับความต้องการในการทำให้น้ำผิวดินบริสุทธิ์ที่มี NOM สูง (ปริมาณออกซิเจนตามปกติ): ปริมาณการตกตะกอนที่ต่ำทำให้ได้การบำบัดที่เป็นไปตามข้อกำหนด เมมเบรนเซรามิกสามารถล้างทำความสะอาดได้และมีอายุการใช้งานยาวนาน และการใช้พลังงานในการดำเนินงานยังต่ำกว่ากระบวนการแบบเดิมมาก โหมดการตกตะกอนแบบท่อออนไลน์ทำลายข้อจำกัดของพื้นที่ขนาดใหญ่ที่มีอยู่ในกระบวนการบำบัดน้ำแบบดั้งเดิม โดยให้การสนับสนุนทางเทคนิคสำหรับการสร้างโรงผลิตน้ำดื่มอัจฉริยะขนาดกะทัดรัด

เมื่อต้องเผชิญกับมาตรฐานคุณภาพน้ำดื่มที่เข้มงวดมากขึ้นเรื่อยๆ และความท้าทายจากมลพิษทางน้ำที่มาจากต้นทาง กระบวนการ-ปรับสภาพเมมเบรนเซรามิกแข็งตัวจะช่วยรักษาสมดุลระหว่างประสิทธิภาพการบำบัดด้วยต้นทุนทางวิศวกรรมโยธาที่ลดลง ด้วยข้อได้เปรียบหลักในการกำจัด-ประสิทธิภาพสูง มลพิษต่ำ การออกแบบที่กะทัดรัด และการใช้พลังงานต่ำ ทำให้เป็นแนวทางใหม่สำหรับพืชน้ำที่ต้องจัดการกับแหล่งน้ำที่มี-สารอินทรีย์-สูง (เช่น น้ำในอ่างเก็บน้ำทางตอนใต้และน้ำในแม่น้ำบางส่วนทางตอนเหนือ)