Σχεδιασμός, κατασκευή και δοκιμή υβριδικής μονάδας οζονισμού-κεραμικών μεμβρανών
Creators: name: Στυλιανού, Στυλιανός Κωνσταντίνου
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2013
Subjects: Υβριδικά συστήματα μεμβρανών
Οζονισμός
Κεραμικές μεμβράνες
Hybrid membrane systems
Ozonation
Ceramic membranes

description: Σήμερα η επεξεργασία των υδάτων λαμβάνει χώρα κυρίως σε κεντρικές μονάδες επεξεργασίας. Ωστόσο, υπάρχουν αρκετές περιπτώσεις π.χ. εμφάνιση βαρέων μετάλλων, φυτοφάρμακα, κ.α., οι οποίες απαιτούν ειδική/συμπληρωματική επεξεργασία πριν το παραγόμενο νερό μπορέσει να επαναχρησιμοποιηθεί. Ο σχεδιασμός βελτιστοποιημένων ευέλικτων διεργασιών που θα επιτρέπουν την επιτόπου επεξεργασία του ρυπασμένου νερού μπορεί να αποτελέσει την λύση στο προαναφερθέν πρόβλημα. Στόχος της μεταπτυχιακής διπλωματικής είναι ο συνδυασμός σε ένα υβριδικό σύστημα δυο πετυχημένων διεργασιών επεξεργασίας του νερού: οζονισμού και κεραμικών μεμβρανών μικροδιήθησης/νανοδιήθησης. Μια νέα εργαστηριακής κλίμακας μονάδα σχεδιάστηκε και κατασκευάστηκε ώστε να αξιολογηθεί η δυνατότητα συνδυασμού του οζονισμού και της διήθησης μεμβρανών σε μια υβριδική διάταξη για την επεξεργασία υδάτων. Η μονάδα αποτελείται από δυο δοχεία μεμβρανών συνδεδεμένα σε σειρά. Κεραμικές κυλινδρικές μεμβράνες Al2O3, εγκάρσιας ροής με μέγεθος πόρων 0,1 μm και 3-5 nm χρησιμοποιήθηκαν σε κάθε δοχείο. Στο πρώτο δοχείο, το οποίο λειτουργεί ως μέσω επαφής τους όζοντος με το νερό, λαμβάνει χώρα ο οζονισμός του ρυπασμένου νερού. Μια περισταλτική αντλία χρησιμοποιείται για να οδηγεί το ρυπασμένο νερό στο εσωτερικό της κεραμικής μεμβράνης σε ατμοσφαιρική πίεση, ενώ το αέριο όζον μεταφέρεται στο νερό μέσω των μικρών πόρων της μεμβράνης σε πολύ μικρές παροχές (0,03 L/min), με αποτέλεσμα το σχηματισμό πολύ μικρών φυσαλίδων. Στόχος είναι η λειτουργία του οζονισμού χωρίς φυσαλίδες (Bubble-less ozonation). Η χρήση της κεραμικής μεμβράνης για τη μεταφορά του όζοντος βελτίωσε σε μεγάλο βαθμό την κατανάλωση του όζοντος (σχεδόν πλήρης) αυξάνοντας την αποτελεσματικότητα της διεργασίας σε σχέση με τις συμβατικές μεθόδους (π.χ. με στήλες φυσαλίδων), ενώ το υλικό της μεμβράνης την καθιστά ανθεκτική στην επίδραση του όζοντος σε αντίθεση με τις συνήθως χρησιμοποιούμενες πολυμερικές μεμβράνες, οι οποίες καταστρέφονται από το όζον. Στο δεύτερο δοχείο όπου τοποθετείται μια μεμβράνη μικροδιήθησης ή νανοδιήθησης απομακρύνονται αιωρούμενα σωματίδια και μακρομόρια αντιστρέφοντας τη διαφορά πίεσης. Το οζονισμένο νερό οδηγείται στο εσωτερικό της μεμβράνης και η διαφορά πίεσης ρυθμίζεται στα 0,2-0,5 bar για τη μικροδιήθηση και στα 3-4 bar για τη νανοδιήθηση. Δοκιμές πραγματοποιήθηκαν με απιονισμένο ή με νερό βρύσης επιρυπασμένο με χουμικά οξέα, καολίνη, αρσενικό ή MTBE. Η ταυτόχρονη χρήση οζονισμού και μεμβρανών διαχωρισμού αύξησε το ποσοστό απομάκρυνσης του χουμικού οξέος (σχεδόν πλήρης απομάκρυνση) και περιόρισε σε μεγάλο βαθμό την έμφραξη των κεραμικών μεμβρανών (σε ποσοστό 30%). Το ποσοστό απομάκρυνσης του As(III) αυξήθηκε και έφτασε το 50% με την υβριδική μονάδα, ωστόσο δεν επιτεύχθηκαν συγκεντρώσεις μικρότερες από τα επιτρεπόμενα όρια (10 mg/L). Το MTBE εμφανίζει ανθεκτικότατα στην οξείδωση/διάσπαση του από το όζον και παράλληλα δεν μπορεί να απομακρυνθεί από τη μεμβράνη νανοδιήθησης.
description: Nowadays the treatment of wastewaters takes place mainly at central treatment plants; however, there are several cases, e.g. occurrence of heavy metals, pesticides, etc. residual pollutants, which require specific/ supplementary treatment before the treated water can be reused. The design of optimized processes for smaller scale in situ treatment of pre-treated, partially polluted water can be a flexible solution for the aforementioned problem. The studied approach aims to implement a hybrid process that combines two efficient water/wastewater treatment techniques: ceramic membranes microfiltration and ozonation. A new bench-scale experimental apparatus was designed and constructed in order to evaluate the possibility of combining ozonation and membrane filtration in a hybrid process for water and wastewater treatment. The apparatus consists of two ceramic membrane modules, connected in series. Tubular cross-flow Al2O3 membranes with a pore size of 0.1 μm and 5 nm are used for each module. In the first module, which serves as the ozone-water contactor, ozonation of polluted water takes place. A pump is used to drive polluted water within the membrane at atmospheric pressure, while ozone gas is transferred to the water through the small pores of the ceramic membrane with very low flow rates (0.03 L min-1), resulting in formation of micro-bubbles or in a bubble-less ozonation. The use of membrane contactor for ozonation aims to improve the effectiveness of the process and to further reduce the fouling of the membrane by consuming lower amounts of ozone compared to the conventional techniques (e.g. bubble columns). In the second module housing membrane for microfiltration or nanofiltration by reversing the pressure difference suspended particles and macromolecules are being separated. Ozonated water is driven through the inner of the membrane tube by the pump and the trans-membrane pressure of 0.2 - 0.5 bars for microfiltration and 3 - 5 bars for nanofiltration. Experiments carried out with simulated contaminated surface water with humic acid, kaolin, arsenic and MTBE (organic pollutant).