Der Klimawandel hat durch verschiedene komplexe Mechanismen tiefgreifende Auswirkungen auf den Gehalt und die Eigenschaften von NOM im Oberflächenwasser und macht NOM zu einem Hauptschadstoff bei der Trinkwasseraufbereitung. Wasserquellen mit hohem -NOM weisen im Allgemeinen eine hohe Farbe und einen hohen DOC (Dosen pro Flächeneinheit) auf. NOM verursacht nicht nur Farb- und Geruchsprobleme in Gewässern, sondern reagiert auch mit Desinfektionsmitteln unter Bildung krebserregender Nebenprodukte.
Herkömmliche Verfahren zur Trinkwasseraufbereitung weisen eine begrenzte Effizienz bei der NOM-Entfernung auf, während herkömmliche organische Membranverfahren unter Nachteilen wie Anfälligkeit für Verschmutzung und schlechter Korrosionsbeständigkeit leiden. Die mit der Koagulation gekoppelte Keramikmembran bietet eine innovative, kompakte und hochstabile Lösung mit geringem -Energieverbrauch-für die Reinigung von Oberflächenwasser mit hohem -NOM-Gehalt.
Drei Vorbehandlungsmethoden: Von traditionell bis zur ultimativen Kompaktheit
Ein europäisches Forschungsteam hat drei Modelle für die Koagulations- und Flockungsvorbehandlung entworfen und verglichen und so eine kontinuierliche Optimierung des Prozessablaufs bei gleichzeitiger Sicherstellung der Behandlungswirksamkeit erreicht:
1. Traditionelle Zwei-Tank-Koagulation/Flockung
Als klassischer Behandlungsmodus verwendet dieser Prozess ein zweistufiges Reaktionsdesign: einen Tank für schnelles Mischen und einen Tank für langsame Flockung. Rohwasser und Koagulans werden im Schnellmischtank gründlich gemischt, bevor sie in den Flockungstank gelangen, um das Flockenwachstum abzuschließen, mit einer hydraulischen Gesamtretentionszeit (HRT) von 21 Minuten. Dieser Modus bietet eine gründliche Reaktion, erfordert jedoch eine große Stellfläche und ist mit hohen Baukosten verbunden.
2. Schnellmischmodus
Dieser Modus vereinfacht den Prozessablauf, da der langsame Flockungstank entfällt und nur die schnelle Mischeinheit beibehalten wird. Das Koagulationsmittel und das Rohwasser werden gemischt und gelangen direkt in das Membranmodul, wodurch die hydraulische Verweilzeit auf 7 Minuten verkürzt wird. Während die grundlegende Wirksamkeit der Behandlung erhalten bleibt, vereinfacht es die Gerätekonfiguration erheblich.
3. Online-Rohrflockungsmodus
Dies ist die innovativste Kompaktlösung in dieser Studie. Der Prozessablauf ist wie folgt: Rohwasser + Koagulans → Membran-Speisepumpenmischung → Rohrflockungsmittel → Keramikmembran → Permeat. Während des gesamten Prozesses gibt es keinen Reaktionstank; Die Vermischung und Flockung erfolgt über Rohrleitungen. Die hydraulische Verweilzeit (HRT) beträgt nur 45 Sekunden und der G--Wert wird auf 330 s⁻¹ geregelt. Es hat den kleinsten Platzbedarf unter den drei Modi.
Kernparameter: Keramikmembran-Hardwareunterstützung
Das Experiment verwendete eine Keramikmembran, die aufgrund ihrer anorganischen Materialeigenschaften mit chemischer Beständigkeit und hoher mechanischer Festigkeit zur zentralen Hardware-Unterstützung für einen stabilen Prozessbetrieb wurde.
Experimentelle Ergebnisse: Hohe-Effizienz bei der Entfernung + geringe-Verschmutzung, doppelte Vorteile
In der Studie wurden DOC, Farbe und UV₂₅₄ als NOM-Bewertungsindikatoren und die Transmembrandruckdifferenz (TMP) als Membranverschmutzungsbewertungsindikator verwendet, um Art, Dosierung und pH-Wert der Gerinnungsmittel zu optimieren.
Das Experiment verglich Polyaluminiumchlorid und Eisenchlorid und die Ergebnisse waren recht aufschlussreich:
DOC-Entfernung:
Aluminiumsalze erreichten bei einem pH-Wert von 5,5 eine Entfernungsrate von 50–85 %, die mit zunehmender Dosierung zunahm.
Eisensalze erreichten eine maximale Entfernungsrate von 87 % bei pH 4,5 und 10 mg/L.
Farbentfernung:
Aluminum salts were optimally removed at pH 5.5, with a dosage as low as 2 mg/L achieving a removal rate >90%.
Eisensalze wurden bei einem pH-Wert von 5,0 optimal entfernt und erforderten 6... Um gleichwertige Ergebnisse zu erzielen, sind Konzentrationen über mg/L erforderlich.
Ein zentrales Ergebnis der Studie ist, dass mehr Gerinnungsmittel nicht unbedingt besser ist.
Bei 2 mg/L Aluminiumsalz: unzureichende Ladungsneutralisierung, kleine Flocken und leichtes Verstopfen der Membranporen.
Bei 5 mg/L Aluminiumsalz kann es zu einer erneuten Ladungsstabilisierung kommen oder die Membranoberflächenbelastung ist möglicherweise zu hoch.
Bei 3 mg/L Aluminiumsalz ist die Membranverschmutzung am geringsten und der Betrieb am stabilsten.
Das bedeutet, dass eine Optimierung der Dosierung wichtiger ist, als sie blind zu erhöhen.
Bezüglich der Membranverschmutzung weist es eine äußerst hohe Stabilität auf, mit einer sehr geringen irreversiblen Membranverschmutzung. Bei einer Aluminiumsalzdosis von 3 mg Al/L erreicht die Membranverschmutzungsrate ein optimales Niveau, wobei der Druckanstieg in einem einzigen Zyklus nur etwa 40 mbar beträgt. In Kombination mit einer regelmäßigen Rückspülung kann ein langfristig stabiler Betrieb aufrechterhalten werden.
Es ist erwähnenswert, dass die Restmetallkonzentration im Abwasser ein zentraler limitierender Indikator für den Prozessbetrieb ist. Im optimalen pH-Bereich von 4,5–5,5 für die NOM-Entfernung überschreiten die Restkonzentrationen von Aluminium und Eisen leicht 150 µg/L (die Grenzwerte für Aluminium in den „Standards for Drinking Water Quality GB5749-2022“ liegen bei 200 µg/L und für Eisen bei 300 µg/L). In der praktischen Technik ist es notwendig, den pH-Wert und die Dosierung des Koagulationsmittels auszugleichen und dabei sowohl die Effizienz der Entfernung als auch die Sicherheit des Abwassers zu berücksichtigen.
Der Online-Röhrenflockungsmodus ist die bevorzugte Option
Der Vergleich der drei Vorbehandlungsmodi ergab:
Die Farb- und DOC-Entfernungsraten lagen beide bei etwa 80 %, mit vernachlässigbaren Unterschieden.
Die Raten der irreversiblen Membranverschmutzung waren ähnlich (0,06–0,10 mbar/h).
Die Trübung des Abwassers blieb konstant unter 0,1 NTU.
Die drei Modi zeigten keinen signifikanten Unterschied in der NOM-Entfernungseffizienz, aber der Online-Röhrenflockungsmodus mit seiner ultrakurzen hydraulischen Verweilzeit von 45 Sekunden und dem minimalistischen Design ohne Reaktionstank erwies sich als optimale Wahl.
Diese Studie bestätigt, dass das Koagulations--Flockungs- und Keramikmembranverfahren vollständig auf die Reinigungsanforderungen von Oberflächenwasser mit hohem NOM (normalerweise Sauerstoffgehalt) anwendbar ist: Durch eine niedrige Koagulansdosierung wird eine konforme Behandlung erreicht; die Keramikmembran ist waschbar und hat eine lange Lebensdauer; und sein Betriebsenergieverbrauch ist weitaus geringer als bei herkömmlichen Verfahren. Der Online-Röhrenflockungsmodus überwindet die Beschränkungen der großen Stellfläche, die herkömmliche Wasseraufbereitungsverfahren mit sich bringen, und bietet technische Unterstützung für den Bau kompakter, intelligenter Trinkwasseranlagen.
Abschluss
Angesichts immer strengerer Trinkwasserqualitätsstandards und der Herausforderungen der Quellwasserverschmutzung bietet der Vorbehandlungsprozess mit Koagulation-Keramikmembranen ein Gleichgewicht zwischen Behandlungseffektivität und geringeren Baukosten. Mit seinen Hauptvorteilen einer hoch-effizienten Entfernung, geringer Umweltverschmutzung, kompakter Bauweise und geringem Energieverbrauch bietet es einen neuen Ansatz für Wasserwerke, die mit Wasserquellen mit hohem -organischen-Gehalt (z. B. Reservoirwasser im Süden und etwas Flusswasser im Norden) arbeiten.
