Biofilm na membranach

Biofilm na membranach odwróconej osmozy – jak rozwiązać problem?

Powstawanie biofilmu na membranach odwróconej osmozy to zjawisko powszechne ale możliwe do kontrolowania za pomocą prostych, ekologicznych i ekonomicznie uzasadnionych rozwiązań.

Zanieczyszczenie membrany odwróconej osmozy, to główna przeszkoda dla skutecznego działania układów filtracji w procesie odwróconej osmozy (RO).

Problem wynika z gromadzenia się substancji na powierzchni membrany lub w porach membrany. Zanieczyszczenie membrany spowodowane jest zazwyczaj zanieczyszczeniem mineralnym, organicznym oraz bezpośrednim zanieczyszczeniem biologicznym na skutek biofoulingu. Pierwsze dwa wiążą się z zarodkowaniem powierzchniowym i wytrącaniem soli mineralnych oraz adsorpcją rozpuszczonej materii organicznej, podczas gdy powstawanie warstwy biologicznej czyli biologicznego biofilmu jest spowodowane nie tylko odkładaniem się ale i wzrostem mikroorganizmów tworzących silnie przylegające struktury biologiczne.

Biofouling – proces, w którym organizmy kolonizują wszystkie formy zanurzonego w wodzie podłoża, negatywnie wpływa na materiały i struktury, a nawet może zniszczyć instalacje stworzone przez człowieka. Bakterie, grzyby i okrzemki, gwałtownie niszczą membrany RO i powodują nagły wzrost różnicy ciśnień przez ograniczenie przepływu wody przez strukturę membrany, co ostatecznie wpływa na proces usuwania soli rozpuszczonych w wodzie.

Proces tworzenia biofilmu jest niestety częściowo procesem nieodwracalnym, który trwale uszkadza powierzchnię membrany RO. Wymusza to okresowe czyszczenie chemiczne w celu uwolnienia membrany z nagromadzonych osadów, co jednak zmniejsza żywotność membrany RO i stanowi dużą część kosztów eksploatacji instalacji odsalania wody.

Skutki powstawania biofilmu

Niestety biofilm ze względu na swoją przestrzenną strukturę i skład powoduje, że w instalacjach filtracji pojawia się szereg problemów związanych z eksploatacją i trwałością elementów filtracyjnych.

Zmniejszenie efektywności: osady biologiczne zwiększają opór i zmniejszają efektywną powierzchnię filtracji. Spada ilość uzyskiwanego permeatu i wzrost ilości koncentratu.  

Zwiększenie zużycia energii: na skutek wzrostu ciśnienia powstającego na membranach.  

Dezynfekcja pomaga usunąć biofilm z membran odwróconej osmozy

Istnieje wiele sposobów stosowanych do rozwiązania problemu powstawania i usuwania biofilmu z membran RO. Wszystkie one związane są z dezynfekcją wody i zapobieganiem namnażania mikroorganizmów. Dla użytkownika RO, idealny środek dezynfekujący powinien być niedrogi, nieszkodliwy, wysoce skuteczny w eliminacji drobnoustrojów bez wpływu na wydajność odsalania i materiał membran. Aktualnie stosowane są technologie chemiczne sugerowane przez firmy serwisujące i fizyczne wybierane przez użytkowników.

Stosuje się dezynfekcję chemiczną;

• za pomocą chloru i jego pochodnych jako efektywnych środków biobójczych,
• poprzez wprowadzanie jonów srebra i miedzi mających również działanie biobójcze,
• ozonowaniu wody aktywnym środkiem utleniającym (w tym przypadku woda musi być przed wprowadzeniem do instalacji RO poddana filtracji na węglu aktywnym),
• przy pomocy fotokatalizy na dwutlenku tytanu co powoduje przekształcenie energii świetlnej w energię chemiczną inicjującą reakcję rozkładu materiału biologicznego.

Równie często stosowane są metody dezynfekcji fizycznej, mniej inwazyjne i tańsze w implementacji;

• wprowadzenie sygnału fali elektromagnetycznej do cieczy w celu destrukcji mikroorganizmów i możliwości ich namnażania w obszarze działania pola elektromagnetycznego,
• napromieniowanie mikroorganizmów zawieszonych w wodzie światłem UV (działanie tylko lokalne).

Chlor i związki chloru przeciwko biofilmowi

Aby zapobiec biofoulingowi membran RO, chlorowanie było dotychczas powszechnie stosowane do ochrony instalacji RO. Najczęściej stosowane membrany RO w przemysłowych zastosowaniach procesu odsalania wykonane są z wielowarstwowych kompozytów cienkowarstwowych PA (TFC). Oferujący to rozwiązanie sugerują, że jest niedrogie ale pomijają fakt drastycznego obniżania trwałości membran. Membrany typu PA mają jednak bardzo niską tolerancję na chlor. Wolne jony chloru uszkadzają membranę, powodując gwałtowny wzrost strumienia wody i zmniejszenie retencji soli. Chociaż chlorowanie może zapobiegać do pewnego stopnia powstawaniu biofilmu na membranach RO, to ma kilka poważnych wad. Wiele substancji ubocznych powstałych podczas dezynfekcji chlorem ma działanie rakotwórcze stwarzając poważne zagrożenie dla zdrowia ludzkiego. Dodatkowo, chlorowanie nie jest skuteczne przeciwko wszystkim typom drobnoustrojów. Czynnikiem krytycznym przy tym rozwiązaniu jest fakt, że aktywne związki chloru atakują sieć polimerów membran RO, co powoduje, że z czasem stają się one słabsze, co zwiększa koszty operacyjne.

Dezynfekcja za pomocą obróbki UV i ozonu

jako realnej alternatywy dla chlorowania była szeroko badana, ponieważ nie tworzy szkodliwych produktów ubocznych i jest skuteczna wobec większości drobnoustrojów obecnych w wodzie. Jednakże techniki te mają swoje własne ograniczenia, takie jak nieskuteczność w stosunku do zawieszonych ciał stałych a ponadto są technikami energochłonnym.

Dezynfekcja za pomocą jonów srebra i miedzi

Proces jest wysoko skuteczny przy odpowiednio wysokich poziomach jonizacji wody. Wadą dezynfekcji srebrem i miedzią jest koszt procesu. Dodatkowo nawet niewielkie ilości srebra, zwłaszcza w postaci nanocząstek, może przedostawać się do organizmu ludzi, powodując poważne problemy zdrowotne (uszkodzenie wątroby i nerek). Skuteczność procesu dezynfekcji srebrem zależy również od poziomu chloru i azotanów obecnych w wodzie. Srebro silnie reaguje z tymi anionami, tworząc związki srebra w wodzie, znacznie zmniejszając skuteczność dezynfekcji.

Fotokataliza jako metoda dezynfekcji

Techniki takie jak fotokataliza dały obiecujące wyniki w zakresie dezynfekcji, ponieważ są skuteczne przeciwko zanieczyszczeniom organicznym. Ponadto są efektywne w walce z mikrobami i nie wytwarzają szkodliwych produktów ubocznych. Wykorzystując naturalne światło słoneczne, nanomateriały mogą znacznie zmniejszyć poziom zanieczyszczenia w wodzie ze względu na ich wysoką reaktywność, a tym samym mogą zapobiec biofoulingowi membran RO. Jednak ich zastosowania są w większości ograniczone do skali laboratoryjnej.

Dezynfekcja sygnałem elektromagnetycznym

HydroFLOW INDUSTRIAL z technologią Hydropath

Rozwiązaniem, które proponuje firma Hydropath Technology Ltd. jest zabezpieczenie membran opracowaną przez tę firmę technologią wykorzystującą sygnał elektryczny wysokiej o częstotliwości około 150 kHz.

Służą do tego elektroniczne uzdatniacze wody HydroFLOW.

To rozwiązanie nie posiada wielu wad innych technologii stosowanych do zabezpieczania membran odwróconej osmozy przez biofoulingiem. Jest jednocześnie skuteczne w znacznie szerszym zakresie.

Chroni membrany RO wykonane z dowolnego materiału przed osadami mineralnymi (scaling) i biologicznymi (biofouling).

Technologia jest niechemiczna. Nie wpływa na parametry wody oraz nie ma negatywnego wpływu na materiały z których wykonywane są membrany osmotyczne i obudowy membran.

Modulowany sygnał elektryczny wprowadzony do cieczy za pomoca opasek z ferromagnetyków:

• tworzy w oparciu o zdysocjowane jony minerałów zarodki krystalizacji w wodzie, co sprawia że nie powstaje twardy osad mineralny na powierzchniach,
• pomaga w usuwaniu już wykrystalizowanych osadów mineralnych,
• eliminuje mikroorganizmy zawieszone w wodzie poprzez degradaję ich błony komórkowej,
• zapobiega rozwojowi biofoulingu i ma wpływ na usuwanie biofilm w całym obszarze działania sygnału.

Sygnał elektryczny inicjuje powstawanie mikrokryształów minerałów (4-10 µm) bezpośrednio w cieczy (krystalizacja homogeniczna). Dodatkowy efekt działania sygnału elektrycznego związany jest  z przekazaniem niewielkiego ładunku elektrycznego do komórek mikroorganizmów zawieszonych w wodzie lub już kolonizujących powierzchnie otoczone wodą. Pojawia się zjawisko, w którym komórka mikroorganizmu posiadająca niewielki ładunek elektryczny, otaczana jest warstewką cząsteczek czystej wody. Taki efekt związany z potencjałem elektrycznym, wywołuje powstawanie sił osmotycznych na powierzchni ścian komórkowych. Czysta woda wnika do wnętrza komórki w celu wyrównania stężeń cieczy. Powoduje to gwałtowny wzrost objętości komórki i uszkodzenie błony komórkowej. Konsekwencją jest trwałe wyeliminowanie mikroorganizmu.

Czego można oczekiwać po zamontowaniu HydroFLOW na instalacji odwróconej osmozy?

• zwiększenie trwałości membran osmotycznych o około 30 %,
• obniżenie kosztów eksploatacji poprzez wyeliminowanie wstępnej obróbki wody przed stacją RO (chlorowanie, ozonowanie, filtracja na węglu aktywnym),
• utrzymywanie wysokiej sprawności i wydajności membran RO w długim okresie czasu.

Koszty eksploatacyjne technologii Hydropath są pomijalnie niskie. Urządzenia HydroFLOW, emitujące sygnał elektryczny nie wymagają serwisowania, przeglądów i stałego dozoru.

Zastosowania w przemyśle i przeprowadzone badania laboratoryjne, wykazują wysoką skuteczność technologii i jej opłacalność.

Zwrot z inwestycji w urządzenia HydroFLOW z technologią Hydropath, zależy od kilku czynników. Są to jakość wody surowej, wydajność instalacji – przepływ, koszty stosowanych aktualnie śr. chemicznych, koszty i częstotliwość serwisowania, koszty samych membran. Zasadniczo w przeprowadzonych wdrożeniach przemysłowych nie był dłuższy niż kilkanaście miesięcy.

Przykład zastosowania urządzenia HydroFLOW w stacji RO o wydajności obliczeniowej 25 ton wody /h.

UWAGA. Wydajność instalacji spadła do wydajności 12 ton/ h po wykonaniu chemicznego czyszczenia membran.

Po instalacji i pierwszym dniu stosowania HydroFLOW wydajność wzrosła o 50% a po 15 dniach osiągnęła 96% wydajności projektowanej!

Dodatkowo przewodność permeatu uległa obniżeniu trzykrotnie!

Pozostałe efekty działania HydroFLOW widoczne są na poniższym wykresie.

Wykresy przedstawiają efekty działania membrany osmotycznej po zastosowaniu technologii Hydropath.

Jaka jest poprawa efektywności działania membran osmotycznych przy zastosowaniu technologii Hydropath?

• wydajność z 12t/h do 24t/h – 100% (odpowiada to zwiększeniu wydajności z 103.680 t/rok do 207.360 t/rok)
• roczna oszczędność zużycia energii dostarczanej do pomp – 172.800 kWh
• oszczędność na zrzucie koncentratu z 17t/h do 15t/h – ścieki
• jakość – obniżenie przewodności 3 krotne

Opis technologii oraz przykłady wdrożeń dostępne są na stronie www.hydropath.pl. Mogą je również udostępnić pracownicy Hydropath sp. z o.o..

Opracowanie na podstawie materiałów własnych oraz pochodzących z portalu www.nature.com

1. Paul, D. The history of industrial water recycling to achieve zero liquid discharge. Natl. Water Supply Improv. Assoc. 2, 21–50 (1984)
2. Ridgway, H. F. Biological fouling of separation membranes used in water treatment applications. (AWWA Research Foundation, Denver, Colorado, 2003)
3. Roy, P. K., Kumar, D., Ghosh, M. & Majumder, A. Disinfection of water by various techniques–comparison based on experimental investigations. Desalin. Water Treat. 57, 28141–28150 (2016).

Marek CEO

Zobacz pełny biogram