VÍZGAZDÁLKODÁS ÉS SZENNYVIZEK
3.5
Kisnyomású, üreges szálas membránok alkalmazása a vízfertőtlenítésben Tárgyszavak: membrán; vízkezelés; fertőtlenítés.
A membránpiacban bekövetkező exponenciális növekedés eredményeképpen a vízkezelési eljárásokhoz új membránok kifejlesztése várható. A membránokat hagyományosan a névleges pórusméret vagy vágási érték (MWCO) alapján jellemzik, bár ezek a paraméterek nem adnak hiteles képet a mikrobás eltávolítási lehetőségekről. Ebben az összeállításban a membránok mikroorganizmus-eltávolító képességét laboratóriumi körülmények között, előzetesen kifejlesztett osztályozó rendszer segítségével vizsgálják.
Vizsgálati anyagok és módszerek Az 1. ábrán a vizsgálathoz alkalmazott kisnyomású membrántesztelő egység vázlatos ábrázolása látható. A berendezés membránmodulból, hozzá tartozó csővezetékből és csatlakozókból, (Bourdon-csöves) nyomásmérőkből, tartályokból és szivattyúkból (vagy nitrogéntartályokból) áll. A folyamathoz öt különálló tartály szükséges: egy tartály szolgálja a mikrobás táplálást; három klórt vagy más biocid hatóanyagot, nátriumtioszulfátot, illetve foszfátpuffert tartalmazó tartályt alkalmaztak a kísérleti futtatások közötti visszaöblítéshez és/vagy membránmodul-tisztításhoz, az ötödik tartályba pedig a hulladéköt gyűjtötték össze. A rendszer nyomásának biztosításához túlnyomásos nitrogéngázt alkalmaztak, mivel a mechanikai szivattyúzás zavaró hatást okozhatott a megfelelő nyomás fenntartásában. A tesztelést megelőzően az összes vizsgált szervezetet beoltották a tápvízbe, amely desztillált, deionizált vízből készült foszfátpuffert (pH = 7,0) tartalmazott. A víz minőségének ellenőrzéséhez meghatározták a pH-t, zavarosságot, részecskeszámot és konduktivitást. Az összes szer-
ves szén (karbon) és feloldott szerves szén aránya a vizsgálatban rendszerint kisebb volt, mint 0,1 mg/l. A tápvíz zavarossága nem lépte túl a 0,1 NTU (nefelometrikus zavarosság egység) értéket. A részecskeszám a 2–50 A mikrobás tesztelések első lépéseként, a szervezetek tápvíztartályba történő beoltása előtt beállították a megfelelő hidraulikus üzemeltetési körülményeket (transzmembránnyomást és fluxust).
mikrobás adagolás
folyadékszakasz ürítővezeték
mintavételi csap
nitrogénszakasz csatlakozó csatlakozó foszfátpuffer
hulladéktartály
nátriumtioszulfát
zárt szelep klór
nyomáscsökkentő nyomásmérő membránmodul
1. ábra Kisnyomású membránszűrőegység vázlatos ábrázolása – kívülről befelé való áramlási konfiguráció, nyomásvezérlésű A soron következő membránmodul tesztelését megelőzően az új modult és a hozzátartozó csővezetékeket öt hidraulikus cikluson keresztül visszaöblítették szabad klórral (vagy más megfelelő biocid hatóanyaggal), nátrium-tioszulfát (vagy egyéb, erre a célra alkalmas) pufferrel és foszfátpufferrel. Ezután kezdhették a következő kísérletet. A membrán épségét minden egyes szakasz után ellenőrizték. Az 1. táblázat a tanulmányban alkalmazott különböző mikroorganizmusokat mutatja be.
1. táblázat A kisnyomású membránok mikrobás kísérletei számára alkalmazott mikroorganizmusok Mikroorganizmus típusa
Mikroorganizmus
Hozzávetőleges méret (µm)
Baktérium
Escherichia coli Pseudomonas diminuta
1–10 0,6–1
Vírus
MS2 bakteriofág hepatitis A PRD1 bakteriofág
0,027 0,024 0,07
Vizsgálati eredmények MS2 bakteriofág eltávolítása szelektált kisnyomású membránok felhasználásával A kezdeti vizsgálatok az MS2 bakteriofág többféle membránnal való eltávolítását helyezték előtérbe. A 2. táblázat az itt ismertetett vizsgálatban alkalmazott kisnyomású membránok paramétereit ismerteti. A vizsgálatban összesen hét darab, PVDF vagy módosított poliszulfon (mPS) összetételű membránkészletet értékeltek, amelyek kívülről befelé való adagolás–áramlás konfigurációval rendelkeztek, vágási értékük vagy pórusméretük 10 kDa-tól (kDa = kilodalton) 0,2 µm-ig terjedt. Az összes membránt laboratóriumi méretű berendezés segítségével tesztelték a PVDF 0,035 µm membrán kivételével, amelyet kisüzemi kísérleti rendszerben üzemeltettek, s emiatt ebben az esetben nagyobb membránterületet (1,0 m2) alkalmaztak a többi membránéhoz (0,1 m2) viszonyítva. Amint a 2. táblázatból is látható, a membránok különböző tisztított vízfluxussal üzemeltek, amelyek megfeleltek a gyártók által jelentett vágási értékeknek vagy pórusméreteknek. A 2. ábra a membránok MS2-bakteriofág-eltávolítását mutatja. A legkevesebb bakteriofágot (<1,0 log) a PVDF 0,1 µm és mPS 0,2 µm membrán távolította el. Az mPS 100 kDa és 300 kDa membrán a bakteriofágot a vizsgálat érzékenységi határértékéig távolította el. A vizsgálatok alapján az mPS 10 kDa membrán kevésbé hatékonynak bizonyult, mint a nagyobb vágási értékű „lazább” membránok.
2. táblázat A tanulmányban alkalmazott membránok Paraméter Modul jelölése Jelentett vágási érték (MWCO) (kD) Névleges pórusméret (µm) Alapanyag Geometria Áramlási konfiguráció Membránfelszín (m2) Külső átmérő (mm) Belső átmérő (mm) Maximális üzemeltetési transzmembránnyomás (TMP) (bar) Tisztított víz Js (L/m2/óra/bar)
MPs 10 kD 10
mPS 100 kD 100
MPSa 100 kD 100
Membrán mPs 300 kD 300
n/A
n/a
n/a
n/a
0,035 µm
0,1
0,2
Modofied PS HF O/I 0,1 0,72 0,38 2,4
Modified PS HF O/I 0,1 0,72 0,38 2,4
Modified PS HF O/I 0,1 0,72 0,38 2,4
Modified PS HF O/I 0,1 0,72 0,38 2,4
PVDF
PVDF
Modified PS HF O/I 0,1 0,72 0,35 02,4
200
250
160
200
60
n/a = nem alkalmazható
HF = üreges szálas
7
PVDF 0,035 µm n/a
PVDF 0,1 µm n/a
mPs 0,2 µm n/a
HF O/I 1 0,7 0,4 0,7
HF O/I 0,1 0,65 0,39 1
370
400
O/I = kívülről/befelé
nagyobb, mint az eltávolítási határérték
log eltávolítás, -log(N/N0)
6 5 4 3 2 1 0 mPS 0,2 µm
PVDF 0,1 µm PVDF 0,035 µm
mPS 300 kD
mPSa 100 kD
mPSb 100 kD
mPS 10 kD
membrán
2. ábra MS2 bakteriofág eltávolítása szelektált kisnyomású membránokkal
A mikroorganizmus típusának a mikrobás eltávolításra kifejtett hatása Az itt ismertetett vizsgálatban a tanulmányban a mikroorganizmusok közül a vírusokat és a baktériumokat tanulmányozták. A protozoákra nem terjesztették ki a membránszűrést; mivel azonban ezek a szervezetek megegyező méretűek (1−15 µm) vagy nagyobbak, mint a legtöbb baktérium (0.2−10 µm), eltávolításuk méretkizárásos alapon hasonló vagy nagyobb mértékű lenne, mint a baktériumoké. A 3. ábra vírusok és baktériumok eltávolításának eltéréseit mutatja a PVDF 0,1 µm membrán alkalmazásával. Az MS2 bakteriofág esetében többszörös összehasonlító (páros) vizsgálatokat végeztek. nagyobb, mint az eltávolítási érzékenységi határérték
mikrobás eltávolítás, -log(N/N0)
8 7 6 5 4
0,1 mM foszfátpuffer, pH = 5–7 T = 25 °C transzmembránnyomás = 0,1–1,0 bar (1,5–15 psi) eltávolítási érzékenységi határérték bakteofágok és vírus esetében > 4,0 log
3 2 1 0 MS2 páros vagy többszörös összehasonlító vizsgálat
MS2 páros vagy többszörös összehasonlító vizsgálat
PRD1
PV1
P. dimimuta
E.coli
mikroorganizmusok
3. ábra Kiválasztott mikroorganizmusok eltávolítása PVDF 0,1 µm membránnal A 3. ábra alapján látható, hogy a membrán az E. coli és P. diminuta baktériumra csak 106 CFU/ml-nél nagyobb koncentráció esetén fejtett ki hatást. Az összes kísérletre érvényes, hogy a megfigyelt víruseltávolítással szemben a baktériumok eltávolítása az érzékenységi határok közelében történt. A PVDF 0,1 µm membrán esetében kevesebb, mint 1 log bakteriofág- és víruseltávolítást észleltek. A felállított oszlopdiagramok alapján látható, hogy a vizsgált membrán a PRD1-bateriofágot nagyobb mértékben távolította el, mint az MS2-bakteriofágot és a
Poliovírus 1 (PV1) mikroorganizmust, feltehetően nagyobb mérete következtében (a PRD1-bakteriofág 70 µm, az MS2-bakteriofág 24 µm, PV1 pedig 25 µm). Varianciaanalízis alapján statisztikai eltérést észleltek a három vírus eltávolítása között p = 3,2 × 10–4 esetén. Az eltérés MS2és PRD1-bakteriofág eltávolítása között szignifikáns volt p = 9,1 × 10–5 esetén. Nem tapasztaltak statisztikai eltérést PRD1-bakteriofág és PV1, illetve MS2-bakteriofág és PV1 eltávolítása között.
mikrobás eltávolítás, -log(N/M0)
7
nagyobb, mint az eltávolítási érzékenységi határérték
mPS 10 kD mPS 100 kDa
6 5 4 3 2 1 0 MS2
PDD1
PV1
HAV
FCV
vírus
4. ábra Kiválasztott enterális vírusok és bakteriofág eltávolítása két kisnyomású membránnal (mPS 10 kDa és mPS 100 kDa) Egyes specifikus vírusok eltávolítására nagyobb hangsúlyt helyeztek két mPS-membrán felhasználásával (mPS 10 kDa és mPS 100 kDa). A 4. ábra MS2, PRD1, PV1, Hepatitis A vírus (HAV) és macska calicivírus (FCV) eltávolítását mutatja pH = 7 értéknél 25 °C-on. Az adatok alapján az mPS 100 kDa membrán a PV1, HAV és FCV enterális vírusokat és a PRD1-bakteriofágot eltávolítási érzékenységi határértéküknél, az MS2bakteriofágot pedig ezen határértékek közelében távolította el, mindegyik esetben nagyobb, mint 4 log értékkel. Összehasonlításképpen, az mPS 10 kDa membrán alkalmazásakor az MS2-bakteriofág, PV1 és HAV vírus eltávolítása 3,0 és 4,0 log érték között helyezkedett el. A vizsgálatban MS2-bakteriofág és HAV eltávolítása nem tért el egymástól szignifikánsan (P = 0,41), ezzel szemben azonban szignifikáns eltéréseket észleltek MS2 és PRD1 bakteriofág eltávolítása (p = 3,0 × 10–4), illetve MS2-
bakteriofág és PV1 eltávolítása között (p = 2,8 × 10–4). Fontos megjegyezni, hogy az mPS 10 kDa membrán kevésbé hatékonynak bizonyult az MS2-bakteriofág eltávolításában, mint a nagyobb vágási értékű „lazább” membránok.
A vizsgálati eredmények összefoglalása Az ismertetett vizsgálatban a membránokat mikrobás eltávolítási jellemzőik alapján értékelték. A 0,1 µm PVDF membrán az E. coli és P. diminuta baktériumot a detektálási határértékeknek megfelelően távolította el, a vizsgált vírusok esetében azonban ez az érték kisebb, mint 1 log. A vizsgálatban öt darab, 10 000 Da-tól 300 000 Da-ig terjedő vágási értékű üreges szálas módosított poliszulfon membránt és egy 0,2 µm névleges pórusméretű membránt is értékeltek. A 10 000 vágási értékű membrán kevesebb vírust távolított el, mint a két 100 000 vágási értékű vagy az egy 300 000 vágási értékű. Összefoglalásképpen a vizsgálat adatai arra utalnak, hogy a vágási érték és a specifikus fluxus nagyságából nem lehet minden esetben megfelelő módon következtetni a víruseltávolítás mértékére. Összeállította: Molnár Kinga Jacangelo, J. G.; Madec, A.: Advances in the use of low−pressure, hollow fiber membanes for the disinfection of water. = Water Science and Technology: Water Supply, 5. k. 5. sz. 2005. p. 109–115. Thomas Clasen, Th.; Nadakatti, S.; Menon, Sh.: Microbiological performance of a water treatment unit designed for household use in developing countries. = Tropical Medicine & International Health, 11. k. 9. sz. 2006. szept. p. 1399–1405.
Röviden… Vízmegtakarítás a települési vízgazdálkodásban Az éghajlatváltozással kapcsolatos hazai kutatások eredményei megegyeznek abban, hogy a jövőben szárazabbá válik Magyarország időjárása – a csapadékhiány elsősorban a nyári félévben jelent majd problémát. Mivel közvetlen vagy közvetett módon a csapadékvizek mennyiségétől függnek a felszíni és a felszín alatti vízkészletek, általános, időszakos vízhiány alakulhat ki Magyarországon. Mit lehet tenni a lakossági vízfogyasztással akkor, amikor a vizekkel kapcsolatos költségek egyre növekednek, a víz-
készletek pedig várhatóan csökkennek? A félszáraz klímájú országokban több évezredes múltja van a csapadékvizeket összegyőjtő ciszternák, víztározók építésének. Az utóbbi évtizedekben olyan országokban is megjelent a csapadékvízgyűjtés és -felhasználás, ahol a klimatikus viszonyok ezt nem okvetlenül indokolják (Hollandia, Németország). Magyarországon a csapadékvizek és a települések kapcsolatáról viszont csak a károkozások nyomán hallunk, pedig az ország bizonyos részein lehet a jövőben létjogosultsága a csapadékvizek települési hasznosításának. Az esővíz hasznosítása természetesen új szemléletű településfejlesztést igényel. Túl kell lépni azon, hogy minden esetben a vizek gyors levezetése a fontos. A csapadékvíz gyakorlatilag ingyen áll rendelkezésünkre, és számos olyan háztartási tevékenység van, amelynek ellátására – elhanyagolhatónak tekinthető kezelés után – alkalmas. Azt, hogy a csapadékvíz-gazdálkodás nem fantázia szüleménye magyarországi viszonyok között, egy kérdőíves felmérés alapján igazolható. A pest megyei Nagykovácsiban ugyanis nagy jelentőségre tett szert a települési csapadékvíz-felhasználás. A falu esete ráirányíthatja a figyelmet arra, hogy mit jelenthet a jövőben településeink számára a csapadékvíz. (II. Kárpát-medencei Környezettudományi Konferencia, 2006. június 1–2., Pécs – előadás összefoglalója)
Vízbázisvédelem az uránipari tevékenység által szennyezett vizek tisztításával A MECSEK-ÖKO Zrt. Vízkezelő Üzeme a korábbi bányászati és uránércfeldolgozási tevékenységből visszamaradt objektumokból, illetve környezetükből hoszszabb időszakon keresztül megjelenő szennyezett vizeket urán- és sómentesiti, majd egy ponton a pécsi vízbe szabályozott módon kibocsátja. Ehhez a tevékenységéhez olyan ipari, számítógépes vezérlésirányítást és egységes vízkormányzó rendszert működtet, amely mindenki számára ellenőrizhető módon, nagy biztonsággal szolgálja a tevékenység környezetkímélő, eredményes voltát. A vízkezelés és kormányozás elsődleges célja a területen található pellérdi- és tortyogói ivóvízbázis védelme. A Vízkezelő Üzem három fő egységből áll: 1. Bányavízkezelő, ahol a magas urántartalmú bányavizek és a meddőhányók alól szivárgó magas urántartalmú vizek uránmentesítése történik. 2. Zagytéri vízkezelő, ahol a zagytározók környezetében található magas szervetlen sótartalmú talaj- és rétegvizek és a zagytározói szivárgó vizek kezelése történik. 3. Egységes vízkormányozó rendszer, amelyben az előbb említésre került vízfajtákon felül a bányatérségből az É-i és K-i tárón kifolyó – kémiai kezelést egyenlőre nem igénylő (de a bányaüregek feltelését követően valószínűsíthetően a víz oldott urántartalma olyannyira megemelkedik, hogy uránmentesíteni kell) – bányavíznek az egységes és ellenőrzött rendszerben történő kezelése folyik. A rendszer biztosítja, hogy a környezetre és a víz-
bázisra veszélyt jelentő összetételű víz csak a veszélyt jelentő komponenseknek a jogszabályokban előírt koncentrációértéke alatt kerülhet ki a pécsi vízbe, mint felszíni befogadóba. (II. Kárpát-medencei Környezettudományi Konferencia, 2006. június 1–2., Pécs – előadás összefoglalója)
