29 Mikrofiltrasyon ve ultrafiltrasyon

29.1 Membran yapısı ve ayırma mekanizması

Mikrofiltrasyon ve ultrafiltrasyon, suyu bir membran yüzeyinden geçirerek belirli parçacık ve büyük molekül gruplarını ayırır. Membrandan geçen akışa filtrat veya permeat denir; tutulmuş bileşenler besleme tarafında kalır ve seçilen işletme düzenine göre uzaklaştırılır. Bu ayrım, suda çözünmüş bütün maddelerin de tutulduğu anlamına gelmez. Bir membranın bulanıklığı azaltması ile çözünmüş tuzları azaltması farklı görevlerdir. MF ve UF'yi değerlendirirken ilk soru, suyun ne kadar berraklaştığından önce hangi bileşenin hangi mekanizmayla ayrılmasının amaçlandığıdır.

Gözenekli membranlarda boyut etkisi önemlidir; fakat gerçek yüzey, bütün delikleri aynı olan kusursuz bir elek gibi düşünülmemelidir. Gözeneklerin dağılımı, parçacıkların biçimi ve yüzeyde biriken tabaka ayırmayı etkileyebilir. UF için kullanılan moleküler kütle kesim değeri de bir sınama tanımıdır. Hangi işaretleyici maddeyle, hangi derişimde ve hangi tutma ölçütüyle belirlendiği bilinmeden farklı ürünlerdeki aynı sayılar tam eşdeğer sayılmaz. Bu değer, belirli bir kirleticinin bütün çalışma süresince kesinlikle geçmeyeceğini kanıtlayan bir mühür değildir.

Membran malzemesi ile onu taşıyan modül ayrı fakat bağlantılı işlevlere sahiptir. Ayırıcı tabaka seçiciliği sağlar; destek yapısı, bağlantılar ve sızdırmazlık parçaları suyun bu tabakayı izleyerek geçmesini mümkün kılar. Membrandaki iyi ayırma, suyun modül içinde başka bir yoldan ürüne karışmasını önleyemiyorsa sistem başarısı düşebilir. Bu nedenle değerlendirme, yalnız membran numunesinin laboratuvar özelliğine değil, kurulmuş modülün bütünüyle çalışmasına yönelir. Bütünlük testinin ayrı bir işletme konusu olmasının nedeni de budur. Bir malzeme için hazırlanmış sınama raporu ile belirli bir ünitenin işletme kaydı bu yüzden farklı belgeler olarak okunur. Birincisi ayırma yeteneğine ilişkin kanıt sağlarken ikincisi o yeteneğin kullanılabildiği çalışma durumunu izlemeye yardım eder. İkisinin birlikte bulunması değerlendirmeyi güçlendirir.

29.2 Modül türleri ve akış düzenleri

Membranlar ince lifler, tüpler, düz tabakalar veya başka geometriler halinde bir modüle yerleştirilebilir. Geometri, aynı hacimde sağlanabilen alanı, suyun izlediği yolu ve birikmiş maddelerin uzaklaştırılmasını etkiler. İçi boş lifli bir sistemde su lifin içinden dışına ya da dışından içine geçirilebilir; hangi düzenin kullanıldığı ürün tasarımında tanımlanır. Bu yüzden yalnız dış görünüşten işletme yönü veya temizleme davranışı çıkarılmaz. Sistemi anlamak için besleme, permeat ve atık bağlantılarının gerçek akış şeması okunur.

Doğrudan filtrasyon düzeninde üretim sırasında beslemenin büyük bölümü membrana yönelir ve tutulan madde yüzeyde birikir. Çapraz akışta ise beslemenin bir bölümü membran boyunca ilerlerken bir bölümü permeat olarak ayrılır. Yüzeye paralel hareket birikimi etkiler, ancak yüzeyin hiç kirlenmeyeceğini göstermez. Ayrıca bir çevrimde sürekli konsantre çıkmaması, bütün işletmenin atıksız olduğu anlamına gelmez; geri yıkama ve boşaltma dönemleri hesap sınırına katıldığında uzaklaştırılan su ve madde yeniden görünür hale gelir.

Basınçlı bir muhafaza içinde çalışan modülle suya daldırılmış ve ürün tarafında emiş uygulanan modülün hidrolik düzenleri farklıdır. Her ikisinde de ayırmayı sağlayan, membranın iki tarafı arasındaki itici etkidir; yalnız pompanın konumu değişmiş gibi düşünmek bütün ayrıntıyı açıklamaz. Geri yıkama, hava kullanımı, boşaltma ve duruş adımları modülün yapısıyla uyumlu olmalıdır. Başka bir sistemde görülen işlemi kopyalamak yerine, seçilmiş düzenin akış yolları ve işletme sınırları üzerinden değerlendirme yapılır. Bir devridaim hattı varsa aynı su modüle yeniden gelebilir. Böyle bir düzende modülden geçen toplam debi ile tesise giren yeni suyun debisi birbirine karıştırılmamalıdır. Ölçümün hangi bağlantıda yapıldığı, hesaplanan akışın anlamını doğrudan belirler.

29.3 Basınç akı ve geri yıkama

Bir membranın ne kadar su geçirdiğini yalnız pompa basıncıyla açıklayamayız. Transmembran basınç, besleme tarafının temsil edilen basıncı ile permeat tarafının basıncı arasındaki farktır. Çapraz akışlı bir düzen için giriş ve çıkış basınçlarının ortalamasından permeat basıncının çıkarılması kullanılan basit yaklaşımlardan biridir; farklı düzenlerde ölçüm noktaları değişebilir. Besleme hattındaki tek manometre, permeat tarafındaki basıncı veya modül boyunca oluşan kaybı göstermediğinden tek başına bu farkı vermez.

Akı, membran alanı başına geçen ürün suyu debisidir. Aynı koşullarda aynı akıyı sürdürmek için daha yüksek transmembran basınç gerekmesi, geçişe karşı direncin arttığına işaret edebilir. Ancak sıcaklık ve besleme değişimi de okumaya katılır. Sabit basınçta çalışan bir sistemde değişim daha düşük debi olarak görünürken, sabit debi kontrolünde basınç artışı öne çıkabilir. Bu nedenle eğilim kaydı, sistemin hangi büyüklüğü sabit tutmaya çalıştığını da göstermelidir; farklı kontrol biçimlerinin ham değerleri doğrudan karşılaştırılmaz.

Geri yıkama, tutulan maddelerin uzaklaştırılmasına yardım ederken su ve zaman tüketir. Brüt permeat miktarı ile kullanıcıya verilebilen net miktar bu nedenle aynı olmayabilir. Hesapta aynı zaman penceresi seçilir ve bu pencere içindeki geri yıkama, temizlik ve boşaltma tüketimleri açıkça gösterilir. Aşağıdaki örnek yalnız hacim hesabını görünür kılar. Gerçek bir işletmede geri yıkamanın başarısı; sonraki basınç, akı, ürün kalitesi ve bütünlük göstergeleriyle değerlendirilir; yalnız kullanılan suyun azlığı, iyi temizlik yapıldığını kanıtlamaz. Üretim anındaki yüksek debiyi bütün güne yayarak günlük kapasite yazmak da aynı nedenle yanıltabilir. Duruşlar değerlendirme süresinin içinde kalır. Net miktarın hangi süreye bölündüğünün belirtilmesi, farklı çevrimleri karşılaştırırken gerekli olan ortak zemini sağlar.

Örnek hesap 23 — Brüt permeattan net su miktarına

Varsayımsal bir saatlik hacim bilançosu; önerilen geri yıkama düzeni değildir.

Ortak gözlem süresi = 1 h; üretilen brüt permeat = 2,00 m³.

Aynı permeattan geri yıkamaya ayrılan hacim = 0,15 m³.

Aynı permeattan temizlik ve boşaltmaya ayrılan ek hacim = 0,05 m³.

İki tüketim kalemi birbirini içermiyor. Dönem başı ve sonunda depolanan ürün suyu miktarı aynı; başka kayıp veya dışarıdan eklenen ürün suyu yok.

Net kullanılabilir ürün hacmi:

$\text{Vnet = 2,00 − 0,15 − 0,05 = 1,80 }\text{m}^{\text{3}}$

Aynı gözlem süresi üzerinden ortalama net debi:

$\text{Qnet = 1,80 }\text{m}^{\text{3}}\text{ / 1 h = 1,80 }\text{m}^{\text{3}}\text{/h}$

Brüt üretimin tamamı teslim edilebilir su değildir. Net değer, çevrimin kendi su kullanımını da hesaba katar.

Bu sonuç ham su geri kazanımını vermez; toplam ham su girişi bilinmiyor. Temizliğin yeterliliği veya membranın bütünlüğü de hacim farkından anlaşılamaz.

Net ürün kavramı:. Girdiler ve işlem özgündür.

29.4 Bütünlük testi ve mikrobiyolojik bariyer

Mikrobiyolojik bariyer iddiası, hedef organizmanın sınandığı koşullarla birlikte okunur. Bir membranın testte gösterdiği tutma, kurulmuş sistemde aynı düzeyin sürekli sağlandığını tek başına ortaya koymaz. WHO, membran performansını gözenek özelliğinin yanında filtre ortamı ve contaların bütünlüğüyle de ilişkilendirir. Bu nedenle ürün değerlendirmesi ile işletme boyunca bütünlük izlemesi birbirini tamamlar. İlk soru cihazın uygun koşullarda ne yapabildiği, ikincisi ise o koşulları sağlayan bariyerin bugün yerinde ve işler durumda olup olmadığıdır.

Doğrudan bütünlük yöntemleri, modüldeki kaçak veya açıklığa bağlı fiziksel değişimi sınamaya çalışır. Basıncın korunmasını izleyen testler bunun örneklerindendir. Dolaylı yöntemler ise ürün bulanıklığı veya parçacık sayısındaki değişimden hareketle sorun olasılığını araştırır. Her ölçümün algılama sınırı ve kapsamı vardır; bir göstergenin değişmemesi, bütün olası kusurların dışlandığı anlamına gelmez. Test yöntemi, modül tasarımı ve iddia edilen bariyer performansıyla ilişkilendirilir; yalnız testin adını bilmek yeterli değildir.

Bütünlük testinin sonucu bir işletme kararına bağlanmalıdır. Sonucun kabul edilebilir olup olmadığı, testin geçerli koşullarda yapıldığı ve izlenen modülleri gerçekten kapsadığı gösterilerek değerlendirilir. Başarısız veya geçersiz bir testin ardından su üretimini sürdürmekle ilgili karar, tanımlanmış kontrol planına göre verilir. Onarım sonrasında yeniden doğrulama da aynı zincirin parçasıdır. Böylece bütünlük kaydı yalnız saklanan bir sayı olmaktan çıkar; hangi ürün akışının hangi bariyer durumunda üretildiğini anlamaya yarayan izlenebilir bir kanıta dönüşür. Bakım sırasında devreden çıkarılan bir modülün tekrar bağlanması da kayıtlı sistem durumunu değiştirir. Son testin hangi düzen için geçerli olduğunun anlaşılması, bu tür değişikliklerin kaybolmamasına bağlıdır. Kontrol planı, ölçüm kadar değişimin belgelenmesini de kapsar.

Özgün kanıt karşılaştırması; bir test yöntemi için kabul eşiği veya zorunlu sıklık verilmez.

29.5 Ön arıtma ve kullanım alanları

Ön arıtmanın görevi, membranın taşıyacağı yükü yönetmektir. Ham sudaki parçacıkların veya belirli organik maddelerin önceki basamaklarda azaltılması, membranın karşılaştığı koşulları değiştirebilir. Buna karşılık eklenen kimyasalların ve oluşan flokların sonraki basamağa nasıl ulaştığı da hesaba katılır. Bir işlem başka bir işlemi destekleyebildiği gibi, kötü çalışması sonraki bariyerin yükünü artırabilir. Bu nedenle MF veya UF seçimi, önündeki ve arkasındaki ünitelerden bağımsız bir cihaz seçimi olarak yapılmaz.

MF ve UF, uygun koşullarda parçacıkların ve bazı mikrobiyolojik hedeflerin kontrolünde veya RO önünde hazırlık amacıyla kullanılabilir. Fakat çözünmüş sodyum ve klorürün azaltılması gibi bir amaç doğrudan bu yöntemlerin temel görevine yüklenmez. Aynı suyun bulanıklığı azalırken iletkenliği yaklaşık aynı kalabilir. Bu gözlem, hedef parçacık ayırmasıysa beklenebilir bir sonuçtur; hedef tuz giderimiyse yöntem seçiminin yeniden düşünülmesi gerekir. Başarı ölçütü, süreç başlamadan tanımlanmalıdır.

Uygunluk değerlendirmesinde anlık berraklık kadar sürdürülebilir işletme de önemlidir. Kaynak suyunun değişkenliği, geri yıkama sonrası toparlanma, net su üretimi ve bütünlük izlemesinin uygulanabilirliği birlikte incelenir. Ham suyla yürütülen yeterli kapsamlı deneme, bu soruların gerçek sistemde yanıtlanmasına yardım eder. Membrandan sonraki depo veya dağıtımda yeniden kirlenme olasılığı da değerlendirmede kalır; fiziksel ayırma, ileride oluşabilecek her bulaşmaya karşı suda kalıcı bir dezenfektan etkisi bırakmaz. Sistem başarısı, ayırma ile sonraki su yönetiminin birlikte işlemesine bağlıdır. Denemenin yalnız kolay bir kaynak dönemini kapsaması, yağışlı veya yüksek yük taşıyan dönemlerdeki davranışı açıklamayabilir. Bu yüzden süre seçimi takvimdeki gün sayısından çok, karşılaşılması beklenen koşulların yeterince temsil edilip edilmediğiyle değerlendirilir.