Cząsteczki, kamień i rozwój mikroorganizmów - blokowanie się membran (fouling)

Cząsteczki

Zanieczyszczenie membran cząsteczkami dotyczy substancji zawieszonej oraz materii koloidalnej znajdującej się w wodzie i absorbowanej przez membrany. Cząsteczki stałe blokują (czopują) membrany, powodując trudności w przepływie wody oczyszczanej. Kiedy membrana jest zaczopowana, potrzebne jest zastosowanie wyższego ciśnienia w celu "przepchnięcia" wody przez filtry i jej oczyszczenia. Zwiększa to koszty energii.

Kamień

Tworzenie się kamienia oznacza gromadzenie się cząsteczek na membranie, co z kolei doprowadza do jej zablokowania. Jest to efekt niepożądany, który może zachodzić podczas procesu nanofiltracji i Osmozy Odwróconej. Tworzenie się kamienia doprowadza do zwiększonego zużycia energii i krótszego czasu użytkowania membran, ze względu potrzebę częstszego czyszczenia membran.
Nanofiltracja i Odwrócona Osmoza to procesy często stosowane w produkcji wody pitnej z wody powierzchniowej lub gruntowej. Podczas tych procesów zachodzi przekształcenie wody oczyszczanej do wody pitnej. Pozwala to na ograniczenie zużycia surowców oraz energii. Zależnie od stopnia przekształcenia około 75 do 90 procent wody dostarczanej do systemu przekształcane jest do wody pitnej.

W czasie tego procesu, sole przechodzą do koncentratu. Sole nieorganiczne, takie jak węglan wapnia i siarczan baru, które nie są rozpuszczalne w wodzie, mogą osiągnąć stężenie wyższe od tzw. punkt wysycenia. To powoduje ich strącanie, które pojawia się częściej przy wysokim stopniu przekształcania/ oczyszczania wody.

Kamień powoduje zmniejszenie wartości nominalnej przepływu. Tak jak wcześniej wspomniano, w konsekwencji trudności w przepływie wody przez system membran, rośnie zużycie energii. Zwiększona musi być także częstotliwość czyszczenia membran a trwałość membran spada. Ostatecznie koszty oczyszczania wody w tym systemie stają się znacznie bardziej wysokie.  
Dodatek kwasów lub antyskalantów w procesie filtracji może zapobiegać strącaniu się soli. Kwasy zmniejszają zjawisko przesycania węglanu wapnia, podczas gdy antyskalanty obniżają poziom strącania chemicznego. System filtracji działa optymalnie przy maksymalnym poziomie przekształcania wody i minimalnej dawce kwasów i antyskalantów, bez powstawania kamienia.
 

Gromadzenie się i rozwój bakterii (biofouling)

Zanieczyszczenie biologiczne membran, znane pod angielską nazwą "biofouling", pojawia się najczęściej podczas procesu nanofiltracji i Osmozy Odwróconej. Wynika to z faktu, że membrany nie mogą być poddane dezynfekcji z użyciem chloru w celu zabicia bakterii. "Biofouling" w systemach membran nano filtracji i Odwróconej Osmozy to prawdopodobnie najmniej poznane zanieczyszczenie pojawiające się w systemach membranowych. Może być określone jako wzrost i rozwój bakterii w obrębie membran. Mikroorganizmy te negatywnie wpływają na systemy nanofiltracji i Osmozy odwróconej, często w sposób nieodwracalny.

Rodzaj mikroorganizmów, czynniki wpływające na ich wzrost i ich ilość w systemie membran zależy w dużym stopniu od parametrów, takich jak temperatura, obecność światła słonecznego, pH, stężenie tlenu rozpuszczonego i obecność organicznych i nieorganicznych składników odżywczych.
Mikroorganizmy mogą dostać się do systemu wraz z wodą, powietrzem lub jednocześnie z wodą i powietrzem.
Bakterie tlenowe/areobowe (zależne od dostępu tlenu) żyją zwykle w wodach ciepłych, płytkich, z dostępem do światła słonecznego, o wysokiej zawartości tlenu rozpuszczonego, pH pomiędzy 6.5 a 8.5, przy obfitości organicznych i nieorganicznych składników odżywczych.

Natomiast bakterie beztlenowe/anareobowe (niezależne od dostępu tlenu) obecne są zwykle w systemach zamkniętych, z małą ilością tlenu rozpuszczonego lub brakiem tlenu, stając się aktywne przy wystarczającej obecności składników odżywczych (może być to materia organiczna, pozostałości po obumarłych algach).

Oba typy bakterii mogą być obecne w tym samym systemie. Istnieją bakterie, które mogą przechodzić z formy aerobowej do beztlenowej i odwrotnie. Natura rozwiajających się mikroorganizmów zależy od warunków w wodzie. 
 

"Biofouling" pojawia się w największym stopniu podczas oczyszczania wstępnego procesu Osmozy Odwróconej oraz w częściach systemu membran, gdzie zachodzi rozwój alg. Części systemu wystawione na światło dzienne lub wciąż zawierające wodę przyczyniają się do rozprzestrzeniania alg.   

Światło dzienne odgrywa istotną role w procesie fotosyntezy i wzrostu alg. Ilość światła określa ilość produkowanego tlenu. Bakterie tlenowe, zależne od dostępu tlenu, potrzebują tlenu produkowanego przez algi jeśli ilość tlenu rozpuszczonego w wodzie dostarczanej do systemu filtracji nie jest dla nich wystarczająca do przeprowadzania metabolizmu. Obumierające algi stanowią pożywienie dla bakterii uwalniając składniki pokarmowe potrzebne bakteriom do wzrostu i rozwoju w systemie membran.

Innym typem "biofouling" w systemach membran jest przyleganie bakterii do wewnętrznych ścianek rurowania. "Zakręty" i "ślepe zaułki" to miejsca w rurociągach, do których bakterie mogą dobrze przylegać. Po tym jak bakteria przyczepia się do ścianki, jest to pierwszy element tworzącego się biofilmu. Biofilm powiększa się podczas namnażania się bakterii i absorbowania martwej materii organicznej przez struktury biofilmu. Biofilm wpływa na przepływ wody przyciągając również małe cząsteczki substancji zawieszonej oraz mikroorganizmy. Staje się on spójną całością, bardzo trudną do usunięcia. W końcu, części biofilmu zostają uwolnione i rozprzestrzeniają się po całym systemie filtracji, łącznie z membranami. Kiedy przylegają do membran, zaczynają się namanażac, zużywając składniki odżywcze znajdujące się w wodzie doprowadzanej do systemu. W rezultacie, biofilm rozwija się na membranach, co utrudnia przepływ wody przez filtry. Powoduje to zwiększenie ciśnienia, nakładów energii i kosztów oraz doprowadzić może do nieodwracalnego zniszczenia membran.
Zdarza się także, że niektóre materiały, z których zbudowane są membrany to odpowiednie środowisko dla wzrostu mikroorganizmów, co z kolei doprowadzić może do zniszczenia membran w bardzo krótkim czasie.

Technologia membran