El canvi climàtic està afectant profundament el contingut i les característiques de les NOM a les aigües superficials mitjançant diversos mecanismes complexos, fent que les NOM siguin un contaminant bàsic en el tractament de l'aigua potable. Les fonts d'aigua-NOM alts solen mostrar un color elevat i un DOC elevat (dosis per unitat d'àrea). El NOM no només causa problemes de color i olor a les masses d'aigua, sinó que també reacciona amb desinfectants per generar subproductes cancerígens.
Els processos tradicionals de tractament d'aigua potable tenen una eficiència limitada d'eliminació de NOM, mentre que els processos convencionals de membrana orgànica pateixen inconvenients com ara la susceptibilitat a l'encrassement i la poca resistència a la corrosió. La membrana ceràmica juntament amb la coagulació ofereix una solució innovadora, de baix consum-energètic-, compacta i altament estable per purificar aigües superficials d'alt-NOM.
Tres mètodes de pretractament: del tradicional a la màxima compacitat
Un equip d'investigació europeu va dissenyar i comparar tres models de pretractament de coagulació i floculació, aconseguint una optimització contínua del flux del procés alhora que assegurava l'eficàcia del tractament:
1. Coagulació/floculació tradicional de dos-tancs
Com a mode de tractament clàssic, aquest procés utilitza un disseny de reacció en dues-etapes: un dipòsit de mescla ràpida i un dipòsit de floculació lenta. L'aigua bruta i el coagulant es barregen a fons al dipòsit de mescla ràpida abans d'entrar al dipòsit de floculació per completar el creixement del floc, amb un temps total de retenció hidràulica (HRT) de 21 minuts. Aquest mode proporciona una reacció completa, però requereix una gran empremta i uns costos de construcció elevats.
2. Mode de mescla ràpida
Aquest mode simplifica el flux del procés, eliminant el dipòsit de floculació lenta i conservant només la unitat de mescla ràpida. El coagulant i l'aigua bruta es barregen i entren directament al mòdul de membrana, reduint el temps de retenció hidràulica a 7 minuts. Tot i que es manté l'eficàcia bàsica del tractament, simplifica significativament la configuració de l'equip.
3. Mode de floculació tubular en línia
Aquesta és la solució compacta més innovadora d'aquest estudi. El flux del procés és el següent: aigua bruta + coagulant → barreja de bomba d'alimentació de membrana → floculant tubular → membrana ceràmica → permeat. No hi ha tanc de reacció durant tot el procés; la mescla i la floculació es completen a través de canonades. El temps de retenció hidràulica (HRT) és de només 45 segons i el valor G-es controla a 330 s⁻¹. Té la petjada més petita entre els tres modes.
Paràmetres bàsics: suport de maquinari de membrana ceràmica
L'experiment va utilitzar una membrana ceràmica, que, a causa de les seves propietats de material inorgànic de resistència química i alta resistència mecànica, es va convertir en el suport de maquinari bàsic per a un funcionament estable del procés.
Resultats experimentals: eliminació d'alta -eficiència + avantatges dobles de-contaminació baixa
L'estudi va utilitzar DOC, color i UV₂₅₄ com a indicadors d'avaluació NOM i la diferència de pressió transmembrana (TMP) com a indicador d'avaluació de l'encrassement de la membrana, optimitzant el tipus, la dosi i el valor de pH dels coagulants.
L'experiment va comparar el clorur de polialumini i el clorur fèrric, i els resultats van ser bastant aclaridors:
Eliminació de DOC:
Les sals d'alumini van aconseguir una taxa d'eliminació del 50%-85% a pH 5,5, augmentant amb l'augment de la dosi.
Les sals de ferro van aconseguir una taxa màxima d'eliminació del 87% a pH 4,5 i 10 mg/L.
Eliminació de color:
Aluminum salts were optimally removed at pH 5.5, with a dosage as low as 2 mg/L achieving a removal rate >90%.
Les sals de ferro es van eliminar de manera òptima a pH 5,0, requerint 6... Per aconseguir resultats equivalents es requereixen concentracions superiors a mg/L.
Una de les conclusions clau de l'estudi és que més coagulant no és necessàriament millor.
A 2 mg/L de sal d'alumini: neutralització de càrrega insuficient, flóculs petits i obstrucció fàcil dels porus de la membrana.
A 5 mg/L de sal d'alumini: es pot produir una reestabilització de càrrega o la càrrega superficial de la membrana pot ser massa elevada.
A 3 mg/L de sal d'alumini: la contaminació de la membrana és més baixa i el funcionament és més estable.
Això vol dir que optimitzar la dosi és més important que augmentar-la a cegues.
Pel que fa a l'encrassement de la membrana, presenta una estabilitat extremadament forta, amb una incrustació irreversible de membrana molt baixa. Amb una dosi de sal d'alumini de 3 mg Al/L, la taxa de contaminació de la membrana assoleix un nivell òptim, amb un augment de la pressió d'un sol -cicle de només uns 40 mbar. Combinat amb el rentat a contracors regular, es pot mantenir un funcionament estable-a llarg termini.
Val la pena assenyalar que la concentració de metall residual a l'efluent és un indicador limitant bàsic per al funcionament del procés. Dins del rang de pH òptim de 4,5 a 5,5 per a l'eliminació de NOM, les concentracions residuals d'alumini i ferro superen fàcilment els 150 ug/L (els límits per a l'alumini a les "Normes per a la qualitat de l'aigua potable GB5749-2022" són 200 ug/L i per al ferro, 300 ug/L). En enginyeria pràctica, és necessari equilibrar el valor del pH i la dosi del coagulant, tenint en compte tant l'eficiència d'eliminació com la seguretat dels efluents.
El mode de floculació tubular en línia és l'opció preferida
La comparació dels tres modes de pretractament va revelar:
Les taxes d'eliminació de color i DOC van ser al voltant del 80%, amb diferències insignificants.
Les taxes de contaminació de la membrana irreversibles eren similars (0,06-0,10 mbar/h).
La terbolesa de l'efluent es va mantenir constantment per sota de 0,1 NTU.
Els tres modes no van mostrar cap diferència significativa en l'eficiència d'eliminació de NOM, però el mode de floculació tubular en línia, amb el seu temps de retenció hidràulic ultra-breu de 45 segons i un disseny minimalista sense dipòsit de reacció, es va convertir en l'opció òptima.
Aquest estudi confirma que el procés de coagulació-floculació + membrana ceràmica és plenament aplicable a les necessitats de purificació d'aigües superficials amb alt NOM (Normally Oxygen Content): la baixa dosi de coagulant aconsegueix un tractament compatible; la membrana ceràmica és rentable i té una llarga vida útil; i el seu consum d'energia operatiu és molt inferior al dels processos tradicionals. El mode de floculació tubular en línia trenca la limitació de la gran empremta inherent als processos tradicionals de tractament d'aigua, proporcionant suport tècnic per a la construcció de plantes d'aigua potable compactes i intel·ligents.
Conclusió
Davant dels estàndards de qualitat de l'aigua potable cada cop més estrictes i els reptes de la contaminació de l'aigua de font, el procés de pretractament de la membrana de coagulació-ceràmica equilibra l'eficàcia del tractament amb la reducció dels costos d'enginyeria civil. Amb els seus avantatges bàsics d'eliminació d'alta-eficiència, baixa contaminació, disseny compacte i baix consum d'energia, ofereix un nou enfocament per a les plantes d'aigua que tracten fonts d'aigua d'alt contingut-orgànic- (com ara l'aigua dels embassaments al sud i una mica d'aigua del riu al nord).