1. Wstęp

2. Woda w przyrodzie 17

2.1. Zasoby wodne 17
2.2. Zasoby wodne Polski 21
2.3. Wody naturalne - ich charakterystyka, znaczenie i zanieczyszczenie 23
2.4. Ilościowe i jakościowe podstawy wyboru wód do zaopatrzenia w wodę do picia 26
2.5. Jakość wody do picia w przepisach WHO i UE oraz w przepisach polskich 35

2.6. Stan wiedzy i tendencje rozwojowe technologii uzdatniania wody 41
2.6.1. Główne uwarunkowania w oczyszczaniu wody do picia 41
2.6.2. Poziom rozwoju technologii uzdatniania wody 44
2.6.3. Systemy technologiczne współczesnych zakładów uzdatniania wody oraz tendencje rozwojowe 46

2.6.3.1. Wody powierzchniowe 46
2.6.3.2. Wody infiltracyjne 50
2.6.3.3. Wody podziemne 52

2.6.4. Dezynfekcja i jakość wody w sieci wodociągowej 55
2.6.5. Wnioski końcowe 58

3. Membranowe techniki separacji mieszanin 65

3.1. Wprowadzenie 65
3.2. Procesy separacji w inżynierii środowiska 67

3.3. Membrany i procesy membranowe 72
3.3.1. Membrany 75
3.3.2. Procesy membranowe 88

3.3.2.1. Ciśnieniowe techniki membranowe 90
3.3.2.2. Dyfuzyjne techniki membranowe 101
3.3.2.3. Prądowe techniki membranowe 109

3.4. Konstrukcja modułów membranowych 112
3.4.1. Moduły z membranami o przekroju kołowym 113
3.4.2. Moduły z membranami płaskimi 119
3.4.3. Podsumowanie 123

3.5. Projektowanie systemów membranowych 125
3.6. Transport masy w ciśnieniowych procesach membranowych 131

3.6.1. Permeacja cieczy przez membrany półprzepuszczalne 131
3.6.2. Transport masy w warstewkach przymembranowych 141

3.6.2.1. Polaryzacja stężeniowa 143
3.6.2.2. Zjawisko powlekania (blokowania) membran - „fouling" 149
3.6.2.3. Transport i „fouling" koloidów i zawiesin 155
3.6.2.4. Osady substancji mineralnych w procesach filtracji membranowej (skaling) 161
3.6.3. Modele transportu masy w warstewkach przymembranowych wykorzystywane w filtracji membranowej wód naturalnych 164
3.6.3.1. Model Hermii 164
3.6.3.2. Model „strumienia krytycznego" 168
3.6.3.3. Model odnawiania powierzchni 171
3.6.4. Metody zapobiegania niekorzystnym zjawiskom powodującym zmniejszenie wydajności membrany 175
3.6.4.1. Ocena stopnia powlekania membran („foulingu") 176
3.6.4.2. Wstępne przygotowanie nadawy przed filtracją membranową 177
3.6.4.3. Czyszczenie i mycie membran 181
3.6.4.4. Optymalizacja parametrów procesowych filtracji membranowej 184
3.6.4.5. Modyfikacja własności powierzchniowych membrany 185
3.6.4.6. Podsumowanie 187

4. Systemy membranowe w uzdatnianiu wód naturalnych 199

4.1. Wprowadzenie 199

4.2. Odsalanie wód powierzchniowych i podziemnych 209
4.2.1. Metody odsalania 210
4.2.1.1. Metody termiczne 212

4.2.1.2. Odwrócona osmoza 214
• Wstępne oczyszczanie wody przed odsalaniem 215
• System membranowy 219
• Końcowe uzdatnianie wody odsolonej 222
• Odzysk energii 222

4.2.1.3. Elektrodializa 222
4.2.1.4. Destylacja membranowa 225
4.2.1.5. Hybrydowe procesy odsalania 228

4.2.2. Rozważania energetyczne procesu odsalania 231
4.2.3. Koszty odsalania 234
4.2.4. Odsalanie a środowisko 238
4.2.5. Rozwój przemysłu do odsalania 239
4.2.6. Podsumowanie 242

4.3. Wykorzystanie nanofiltracji i odwróconej osmozy w uzdatnianiu wody do picia i na potrzeby gospodarcze 250
4.3.1. Nanofiltracja i odwrócona osmoza a mechanizmy separacji składników roztworów 251
4.3.2. Modele matematyczne w analizie wysokociśnieniowych procesów membranowych 258
4.3.2.1. Równanie Kedem-Katchalsky'ego i jego modyfikacje 259
4.3.2.2. Model Nernsta-Plancka 264
4.3.3. Nanofiltracja i odwrócona osmoza w uzdatnianiu wody 268

4.3.3.1. Zmiękczanie wody 268
• Zmiękczanie wody gruntowej 272
• Zmiękczanie wody powierzchniowej 273
• Badania prowadzone w Politechnice Śląskiej 273

4.3.3.2. Usuwanie związków organicznych 278

4.3.3.3. Usuwanie mikrozanieczyszczeń 283
• Pestycydy 283
• Trihalometany i inne chlorowcopochodne węglowodorów 286
• Wielopierścieniowe węglowodory aromatyczne 288
• Usuwanie ftalanów 290
• Endocrine disruptors - steroidowe hormony płciowe 292

4.3.3.4. Zastosowania specjalne 295
4.3.4. Przykłady zastosowania nanofiltracji w procesie uzdatniania wody 301
4.3.5. Koszty 309
4.3.6. Wnioski 310

4.4. Ultrafiltracja i mikrofiltracja w uzdatnianiu wód podziemnych i powierzchniowych 323
4.4.1. Wprowadzenie 323
4.4.2. Ultrafiltracja 325
4.4.3. Mikrofiltracja 328
4.4.4. Usuwanie zanieczyszczeń z wody metodą bezpośredniej ultrafiltracji i mikrofiltracji 331

4.4.4.1. Usuwanie substancji rozproszonych i mikroorganizmów 331
4.4.4.2. Usuwanie naturalnej substancji organicznej (NOM) 334
4.4.4.3. Usuwanie toksycznych mikrozanieczyszczeń i lotnych związków organicznych 343
4.4.4.4. Metale 349
4.4.5. Fouling membran UF i MF 353
4.4.5.1. Wpływ właściwości naturalnej substancji organicznej na „fouling" 354
4.4.5.2. Wpływ substancji nieorganicznej na „fouling" 355
4.4.5.3. Wpływ materiału membrany na „fouling" 356
4.4.5.4. Zapobieganie „foulingowi" membrany 356
4.4.5.5. Podsumowanie 357
4.4.6. Badania ultrafiltracji i mikrofiltracji wód naturalnych w różnych układach modułów i membran wykonane w Politechnice Śląskiej 358
4.4.6.1. Wydajność procesu 358
4.4.6.2. Modelowanie wydajności procesu 361
4.4.6.3. Efekty uzdatniania wody w procesach filtracji membranowej 367
4.4.7. Schematy prowadzenia procesu UF/MF wód naturalnych na skalę przemysłową 369
4.4.8. Proces hybrydowy koagulacja - ultrafiltracja/mikrofiltracja 374
4.4.8.1. Wprowadzenie 374
4.4.8.2. Proces hybrydowy koagulacja - UF/MF 377
4.4.8.3. Mechanizm polepszenia wydajności w układzie koagulacja - UF/MF 379
4.4.8.4. Sposoby prowadzenia procesu hybrydowego koagulacja - UF/MF 383
4.4.8.5. Badania prowadzone w Politechnice Śląskiej 390
4.4.8.6. Podsumowanie 402
4.4.9. Proces hybrydowy adsorpcja na węglu aktywnym -ultrafiltracja/mikrofiltracja 404

4.4.9.1. Zalety stosowania PAC w porównaniu z adsorpcją na granulowanym węglu aktywnym 405
4.4.9.2. Sposoby prowadzenia procesu hybrydowego adsorpcja PAC - UF/MF 406
4.4.9.3. Rola węgla aktywnego w procesie hybrydowym 408
4.4.9.4. Kryteria wyboru pylistego węgla aktywnego 414
4.4.9.5. Modelowanie adsorpcji substancji organicznej i mikrozanieczyszczeń w procesie hybrydowym PAC-UF/MF 418
4.4.9.6. Badania wykonane w Politechnice Śląskiej 424
4.4.9.7. Uwagi końcowe 429
4.4.10. Inne procesy hybrydowe 430
4.4.10.1. Bioreaktory membranowe - usuwanie azotanów 430
4.4.10.2. Układ hybrydowy filtracj a biologiczna - ultrafiltracj a/mikrofiltracj a 447
4.4.10.3. Układ hybrydowy ozonowanie - ultrafiltracja/mikrofiltracja 450
4.4.10.4. Zmiękczanie jako metoda ograniczenia „foulingu" przed ultraf iltracj ą lub mikrofiltracją 458
4.4.11. Pracujące instalacje w pełnej skali technicznej 460
4.4.11.1. Technologia Aąuasource 461
4.4.11.2. Efektywność wybranych, dużych instalacji technicznych 466
4.4.12. Koszty produkcji wody do picia za pomocą niskociśnieniowych technik membranowych 473
4.4.12.1. Czynniki określające wielkość kosztów produkcji wody 473
4.4.12.2. Modelowanie kosztów niskociśnieniowych procesów membranowych 479
4.4.13. Podsumowanie 485

5. Zaawansowane techniki membranowe w przygotowaniu wody dla energetyki 503

5.1. Wprowadzenie 503
5.2. Układ hybrydowy odwrócona osmoza-wymiana jonowa 507
5.3. Układ hybrydowy odwrócona osmoza-elektrodejonizacja 512
5.4. Układ hybrydowy elektrodializa odwracalna-wymiana jonowa 515

5.5. Układ kilkustopniowej odwróconej osmozy 517
5.5.1. Elektrociepłownia „Żerań" 519
5.5.2. Elektrociepłownia „Grudziądz" 521
5.5.3. Elektrociepłownia „Energotor Toruń" 523
5.5.4. Elektrociepłownia „Rydułtowy" 525
5.5.5. OPEC „Gliwice" 526

5.6. Wykorzystanie ultrafiltracji i mikrofiltracji 529
5.6.1. Układy hybrydowe z wykorzystaniem ultrafiltracji, odwróconej osmozy i wymiany jonowej 529
5.6.2. Układy hybrydowe z wykorzystaniem ultrafiltracji, odwróconej osmozy i elektrodejonizacji 532
5.6.3. Wykorzystanie ultrafiltracji/mikrofiltracji w obiegach chłodzących w energetyce 533
5.6.4. Wykorzystanie ultrafiltracji/mikrofiltracji do usuwania krzemionki koloidalnej 536

5.7. Trój membranowy system demineralizacyjny 537
5.8. Podsumowanie 538

6. Uzdatnianie wód kopalnianych 543

6.1. Wprowadzenie 543

6.2. Otrzymywanie wody do picia 545
6.2.1. Stacja uzdatniania KWK „Pokój" 545
6.2.2. Stacja uzdatniania „Rydułtowy" 549
6.2.3. Stacja uzdatniania wody dołowej KWK „Piast" dla celów pitnych 552

6.3. Utylizacja wód kopalnianych silnie zasolonych 554
6.3.1. Utylizacja wód kopalnianych metodą odsalania z wykorzystaniem odwróconej osmozy 556
6.3.2. Wykorzystanie nanofiltracji jako metody usuwania jonów dwuwartościowych z wody kopalnianej przed odsalaniem ..559
6.3.3. Filtracja membranowa słonych wód kopalnianych z równoczesną krystalizacją soli siarczanowych 560
6.4. Podsumowanie 567