A ultrafiltração não é uma panaceia. 70%-80% do entupimento do sistema de ultrafiltração decorre de falhas no pré-tratamento. Muitos projetos tratam a ultrafiltração como um “último recurso”, simplificando e economizando no pré-tratamento. Independentemente de serem utilizadas membranas de fibra oca, chapa plana, tubulares ou cerâmicas, ocorrerão rápidos aumentos diferenciais de pressão, limpeza química frequente e redução significativa da vida útil da membrana.
Os processos comuns de pré-tratamento de ultrafiltração incluem: sedimentação por coagulação, filtração-multimídia, filtração de carvão ativado, filtros de disco, filtros auto-limpantes, pré-microfiltração de ultrafiltração, carvão ativado com ozônio-biológico e pré-tratamento amaciante. A combinação de pré-tratamento varia muito dependendo da qualidade da água afluente (água de mina, rejeitos químicos de carvão, efluente secundário municipal, águas superficiais).
I. Comparação detalhada de processos de pré-tratamento
1. Coagulação-Sedimentação (Esclarecimento da Coagulação)
Princípio do processo: A adição de PAC/PAM causa floculação de colóides, sólidos em suspensão, algum fósforo e grandes moléculas orgânicas, conseguindo a separação de sólidos-líquidos por meio de sedimentação.
Vantagens: Excelente remoção de sólidos suspensos, colóides e turbidez; remove alguma matéria orgânica hidrofóbica; operação madura, adequada para projetos-de grande escala; investimento relativamente controlável.
Desvantagens: Elevados requisitos para controle de dosagem de reagentes; o excesso de reagentes pode introduzir sais residuais de alumínio e floculantes poliméricos, causando diretamente entupimento irreversível do sistema de ultrafiltração; grande descarga de lodo; grande pegada; o efeito de floculação se deteriora em ambientes-de baixa temperatura.
Compatibilidade de afluentes típica: águas superficiais, águas de minas, águas residuais industriais de alta{0}turbidez.
Combinação com ultrafiltração: etapa de pré{0}}tratamento mais comumente usada para ultrafiltração de fibra oca sob pressão externa; a adição excessiva de PAM é estritamente proibida, pois o PAM residual é um assassino para a ultrafiltração.
Pontos de Projeto e Operação: Controlar a turbidez do efluente menor ou igual a 5 NTU; controlar rigorosamente a dosagem de PAM, minimizar o uso de PAM aniônico; prolongar adequadamente o tempo de floculação no inverno em baixas temperaturas.
2. Filtração-multimídia (areia de quartzo + antracite)
Princípio do processo: Filtragem por pressão gravitacional, contando com a camada de meio filtrante para reter sólidos finos em suspensão e colóides.
Vantagens: Remove partículas finas remanescentes após a sedimentação; operação estável; familiar ao pessoal de manutenção; adequado para grandes volumes de água; pode ser retrolavado e regenerado.
Desvantagens: Fraca resistência a cargas de choque; grandes flutuações na turbidez do influente, propensas ao escoamento do meio; aglomeração de mídia e partículas finas de areia entrando no sistema de ultrafiltração após a aglomeração, arranhando as fibras da membrana; capacidade de remoção quase nula de matéria orgânica dissolvida.
Compatibilidade típica de afluentes: Efluente após coagulação e sedimentação; água de mina, água recuperada municipal.
Compatibilidade com ultrafiltração: unidade de pré-{0}}filtro padrão para ultrafiltração de pressão externa do tipo-pressão; não pode ser usado como único pré-tratamento para ultrafiltração.
Considerações de projeto e manutenção: Verifique regularmente o meio filtrante para evitar escoamento; garantir uma intensidade de retrolavagem razoável; investigue imediatamente qualquer aumento repentino na turbidez do efluente para evitar que a areia entre no compartimento da membrana de ultrafiltração.
3. Filtração de carvão ativado (Carvão Ativado Granular GAC)
Princípio do Processo: A adsorção remove algum ácido húmico, cor e alguma matéria orgânica hidrofóbica.
Vantagens: Reduz a carga orgânica, diminui a incrustação orgânica do sistema de ultrafiltração; remove algum cloro residual.
Desvantagens: Não é possível remover sólidos suspensos; propenso ao crescimento microbiano nas fases posteriores da operação, com efluentes transportando grandes quantidades de bactérias e detritos biológicos, causando grave bioincrustação no sistema de ultrafiltração; o carvão ativado requer regeneração ou substituição regular; influentes oleosos podem facilmente causar deterioração e aglomeração de carvão ativado.
Compatibilidade típica de afluentes: Águas superficiais, algumas águas residuais químicas, águas com alto conteúdo orgânico.
Uso com ultrafiltração: A ultrafiltração por pressão externa pode ser aprimorada com pré-tratamento; não recomendado para águas residuais com alto teor de óleo ou SS.
Considerações de projeto e manutenção: Retrolavagem regular; controlar o tempo de contato com leito vazio; esteja alerta para surtos microbianos no tanque de carvão ativado; substitua o carvão ativado imediatamente quando ele se tornar ineficaz.
4. Filtro-autolimpante
Princípio do processo: Tela de filtro de metal, filtragem automática on-line por escova/sucção, geralmente com uma precisão de 50-200μm.
Vantagens: Operação contínua totalmente automática; pegada pequena; não há necessidade de substituir o meio filtrante; adequado para altas vazões; baixa carga de trabalho de manutenção.
Desvantagens: Intercepta apenas impurezas particuladas grandes, completamente ineficaz contra colóides e sólidos finos em suspensão; não pode reduzir a turbidez; a tela do filtro danificada permite que impurezas entrem diretamente no processo a jusante.
Compatibilidade típica com água de entrada: Protege equipamentos a jusante; pré-filtração para fins de segurança.
Combinação com ultrafiltração: apenas para proteção, não como principal pré-tratamento para ultrafiltração; geralmente colocado depois dos filtros-multimídia e antes do filtro de segurança de ultrafiltração.
Pontos de projeto e manutenção: Permitir margem de vazão na seleção de um modelo; verifique regularmente a integridade da tela do filtro.
5. Filtro de disco (filtro de disco empilhado)
Princípio do processo: Filtração por compressão de disco plástico, precisão 5-100μm, retrolavagem automática.
Vantagens: Maior precisão de filtragem do que filtros autolimpantes-comuns; retrolavagem rápida; pegada pequena; alto grau de automação.
Desvantagens: Ineficaz contra colóides e matéria orgânica dissolvida; água oleosa pode facilmente causar aderência e entupimento do disco; retrolavagem frequente sob condições de alta SS.
Compatibilidade típica com água de entrada: água recuperada, água de mina, após filtração de pré-sedimentação.
Combinação com ultrafiltração: frequentemente usado como pré-filtro em sistemas de ultrafiltração de pressão externa, substituindo alguns filtros-multimídia; não pode ser usado sozinho para água de entrada com alta turbidez.
Considerações de projeto e manutenção: Use com cuidado para águas residuais oleosas; desmonte regularmente e verifique a aderência do disco do filtro.
6. Filtro de segurança (microfiltração, elemento filtrante de 5-10μm)
Princípio do processo: O elemento filtrante intercepta partículas duras e detritos vazados do meio filtrante, protegendo o elemento da membrana de ultrafiltração.
Vantagens: Intercepta areia e impurezas duras trazidas pelo vazamento do meio, protegendo as fibras da membrana contra arranhões físicos.
Desvantagens: Não trata colóides nem matéria orgânica; o elemento filtrante é um consumível; o elemento filtrante deve ser substituído quando a pressão diferencial aumentar; o elemento filtrante danificado permitirá diretamente que impurezas entrem no sistema de ultrafiltração.
Compatibilidade típica com água de entrada: essencial para todos os sistemas de ultrafiltração-de pressão.
Compatibilidade com ultrafiltração: necessária para sistemas de ultrafiltração de pressão externa e interna; geralmente não é necessário para MBRs submersos, sistemas tubulares e membranas cerâmicas.
Considerações de projeto e manutenção: Defina um alarme de pressão diferencial; proibir estritamente a operação quando a pressão diferencial exceder o limite; nunca use elementos de filtro danificados ou de baixa qualidade.
7. Ozônio-Carvão Ativado Biológico (O₃-BAC)
Princípio do Processo: O ozônio oxida grandes moléculas orgânicas, seguido pela degradação de alguma matéria orgânica por carvão ativado biológico.
Vantagens: Reduz significativamente a matéria orgânica influente, reduz significativamente a incrustação orgânica e biológica da membrana de ultrafiltração; remove a cor.
Desvantagens: Alto investimento; alto consumo de produtos químicos durante a operação; dosagem excessiva de ozônio pode danificar a membrana de ultrafiltração orgânica PVDF; controle de processos complexos; altos requisitos para operação e gerenciamento.
Compatibilidade típica com água influente: Águas superficiais, águas residuais municipais com alto teor de matéria orgânica.
Compatibilidade com ultrafiltração: Pré-tratamento profundo de ultrafiltração por pressão externa; o ozônio residual deve ser controlado, pois o ozônio residual que entra na membrana oxidará as fibras da membrana de PVDF.
Considerações de projeto e manutenção: Deve ser implementada desgaseificação suficiente após o tratamento com ozônio para garantir que nenhum ozônio residual entre no sistema de ultrafiltração.
8. Pré-tratamento de amaciamento (resina/cal-amolecimento de carbonato de sódio)
Princípio do Processo: Remove a dureza de cálcio e magnésio e silício, reduzindo a tendência de descamação.
Vantagens: Reduz a incrustação inorgânica na superfície da membrana de ultrafiltração enquanto protege o sistema RO subsequente.
Desvantagens: Sistema complexo; alto consumo de reagentes; a resina requer regeneração; aumento da salinidade no permeado.
Compatibilidade típica de afluentes: água de mina de alta{0}}dureza, água recuperada industrial de alta-dureza.
Combinação com ultrafiltração: o pré-tratamento pode ser selecionado antes da ultrafiltração, usado principalmente para água de alta-dureza; não é uma configuração universal.
II. Combinações de pré-tratamento recomendadas para diferentes fontes de água bruta
1. Efluente biológico secundário municipal (água recuperada)
Recomendado: Sedimentação por coagulação → Filtragem-multimídia → Filtro de segurança → Ultrafiltração por pressão externa
Principais pontos de controle: Sólidos suspensos e microorganismos em efluentes biológicos; PAM excessivo é estritamente proibido.
2. Água de mina (alto teor de sólidos em suspensão, alta dureza)
Recomendado: Esclarecimento de coagulação → Filtragem-multimídia → Filtro de disco → Filtro de segurança → Ultrafiltração por pressão externa
Principais pontos de prevenção e controle: Vazamento de meio filtrante no invólucro da membrana; unidade de amolecimento pode ser adicionada para alta dureza.
3. Águas Superficiais (Água de Reservatório, Rica em Ácido Húmico e Matéria Orgânica)
Recomendado: Coagulação e Sedimentação → Multi-mídia → Filtração com Carvão Ativado → Filtro de Segurança → Ultrafiltração por Pressão Externa; Para conteúdo muito alto de matéria orgânica, o ozônio-BAC pode ser adicionado.
4. Águas residuais com alto teor de petróleo e sólidos (ultrafiltração de dutos/T-MBR)
Recomendado: Separação de Óleo-Flotação → Coagulação e Sedimentação → Ultrafiltração de Duto; As membranas para dutos são altamente resistentes a incrustações e podem eliminar a necessidade de filtração fina em vários-estágios, mas a separação e flotação do óleo são essenciais.
5. Águas Residuais Municipais que Entram Diretamente no MBR Submerso
O tanque de tratamento biológico MBR em si é um processo de pré-tratamento, sendo a parte frontal composta principalmente por uma tela e um tanque de sedimentação primário; filtragem de areia e carvão ativado não são necessários.
III. Equívocos frequentemente usados durante a implementação do projeto
1. Tratar filtros autolimpantes e filtros de disco como o único pré-tratamento para ultrafiltração, sem coagulação e sedimentação ou multimídia, permitindo que os coloides entrem diretamente na membrana, resultando em um aumento no diferencial de pressão.
2. A adição excessiva de PAM ao sistema de coagulação pode não ser visível a olho nu, mas causa incrustações orgânicas irreversíveis na membrana de ultrafiltração e o diferencial de pressão inicial não pode ser restaurado, independentemente da quantidade de limpeza química realizada.
3. A aglomeração e o vazamento de meios filtrantes multimídia permitem que partículas de areia entrem no compartimento da membrana e danifiquem as fibras da membrana, resultando em SDI anormal no permeado.
4. A-falta de retrolavagem a longo prazo do tanque de carvão ativado leva ao crescimento de um grande número de microorganismos, causando bioincrustação contínua da membrana de ultrafiltração.
5. No processo de ozônio-BAC, o ozônio residual não é completamente removido, oxidando a membrana de PVDF e enfraquecendo a resistência da fibra da membrana.
6. Adicionar filtros de areia e carvão ativado ao sistema MBR é um investimento desnecessário e aumenta o risco de entupimento.
O objetivo do pré-tratamento não é tratar a água para atender ao padrão afluente de ultrafiltração, mas atendê-lo de forma consistente e estável. A conformidade ocasional não tem sentido; o valor do pré-tratamento reside na sua capacidade de resistir às flutuações na qualidade da água. A ultrafiltração pode tolerar uma certa quantidade de contaminantes, mas não pode suportar a falha periódica do pré-tratamento.
O pré-tratamento é a primeira linha de defesa em um sistema de ultrafiltração. Diferentes membranas de ultrafiltração apresentam níveis variados de resiliência: membranas tubulares e cerâmicas são as mais resistentes a choques; as membranas de fibra oca pressurizadas externamente são as próximas; e as membranas de fibra oca pressurizadas internamente são as mais vulneráveis.
Ao selecionar uma membrana, você deve primeiro determinar a combinação de pré-tratamento com base na qualidade da água bruta e, em seguida, escolher a configuração da membrana de ultrafiltração, em vez de simplesmente selecionar uma membrana de ultrafiltração e depois adicionar um sistema de pré-tratamento.