Efektywność rozdziału
Rodzaj membrany użytej w procesie ma kluczowy wpływ na efektywność rozdziału. W ciśnieniowych procesach membranowych używa się wyłącznie membran syntetycznych, które różnią się strukturą i funkcjonalnością od membran naturalnych, takich jak np. błony komórkowe. Membrany te mogą być wykonane z materiałów polimerowych lub ceramicznych. Na całym świecie w działających instalacjach membranowych najczęściej wykorzystuje się membrany z materiałów organicznych, takich jak polieterosulfon, polisulfon czy materiały celulozowe. Wyróżniają się one łatwością obróbki, niską ceną oraz szeroką gamą właściwości, niemniej ich zastosowanie może być ograniczone przez różnorodną odporność na działanie silnych kwasów, zasad, środków utleniających oraz ich podatność na rozkład biochemiczny [5].

Membrany ceramiczne stanowią alternatywę dla membran polimerowych, oferując szereg zalet, takich jak wysoka odporność na działanie czynników mechanicznych, chemicznych, biologicznych i termicznych, możliwość sterylizacji parą, długa trwałość oraz możliwość ponownego wykorzystania zużytych membran w innych gałęziach przemysłu, jako materiał ceramiczny [6]. Ich szerokie zastosowanie przekłada się na oszczędność surowców i energii.

Głównym problemem związanym z ich eksploatacją, poza łamliwością, jest różnica w rozszerzalności termicznej membran i ich obudów, co może prowadzić do trudności w uszczelnianiu obiegów koncentratu i permeatu.
Obecnie, dzięki poprawie właściwości produkowanych membran oraz spadającym kosztom zarówno samych membran, jak i całych instalacji, coraz częściej stosuje się procesy membranowe do oczyszczania ciekłej frakcji pofermentu. Typowe etapy tego procesu, wykorzystujące separację membranową, zostały przedstawione na rysunku 2.
 
RYS. 2 Typowe etapy procesu oczyszczania pofermentu z wykorzystaniem procesów membranowych [7]

Według danych literaturowych zastosowanie procesów membranowych, takich jak ultrafiltracja (UF), nanofiltracja (NF) i odwrócona osmoza (RO) do oczyszczania cieczy pofermentacyjnej z różnych źródeł, pozwala na skuteczne usuwanie zanieczyszczeń: metali ciężkich, azotu, fosforu, związków organicznych oraz mikroorganizmów. Dzięki temu możliwe jest uzyskanie wody o wysokiej jakości, do ponownego wykorzystania, co sprzyja realizacji zasad nowoczesnej gospodarki cyrkulacyjnej. 

Korzyści środowiskowe i technologiczne zastosowania UF-RO
Zastosowanie procesów membranowych nie tylko przyczynia się do odzyskiwania wody, ale również do poprawy jakości pozostałości pofermentacyjnych, które mogą być wykorzystane jako koncentraty składników odżywczych w rolnictwie.
Dodatkowo, sekwencyjne stosowanie różnych procesów membranowych, takich jak UF w połączeniu z RO, wykazuje się wysoką skutecznością w usuwaniu zanieczyszczeń mikrobiologicznych czy chemicznych. Jest to najczęściej używana metoda dalszego przetwarzania cieczy pofermentacyjnej. Procesy w układzie UF-RO skutkują redukcją azotu ogólnego, azotu amonowego, potasu oraz związków fosforu, co jest szczególnie istotne w kontekście ochrony środowiska i spełniania wymagań prawnych dotyczących jakości wody. Zastosowanie tej technologii w biogazowniach, które przetwarzają osady ściekowe lub frakcję organiczną odpadów komunalnych, pozwala na odzyskiwanie dużej ilości wody, zmniejszając tym samym zapotrzebowanie na zasoby wodne. Odzyskana w ten sposób woda może zostać wykorzystana np. w rolnictwie do podlewania roślinności lub przygotowywania nawozów sztucznych.

Wyzwania eksploatacyjne i potrzeba wstępnego oczyszczania
Pomimo wielu korzyści uzyskanych podczas oczyszczania cieczy pofermentacyjnej, procesy membranowe niosą ze sobą pewne wyzwania eksploatacyjne, z których najistotniejszym jest zjawisko foulingu, czyli blokowania membran. Znacząco wpływa to na spadek efektywności procesów i wymaga regularnego czyszczenia membran. Problem ten może zostać złagodzony poprzez odpowiednie wstępne oczyszczanie cieczy pofermentacyjnej, co pozwala na zmniejszenie zjawiska blokowania i przedłużenie żywotności membran. Często badacze wskazują, że wstępne oczyszczanie roztworu w procesie MF pozwala na 10-krotne zwiększenie strumienia permeatu, a tym samym na ograniczenie zjawiska blokowania. 

Dzięki technologii membranowej możliwe jest uzyskanie wysokiej jakości permeatu, który może być ponownie wykorzystany, zmniejszając tym samym ilość odpadów oraz poprawiając efektywność procesów oczyszczania w biogazowniach i innych instalacjach przetwarzających ciecz pofermentacyjną. Literatura przedmiotu pokazuje, że sekwencjonowanie procesów membranowych, w tym połączenie UF i RO, daje najlepsze rezultaty w usuwaniu zanieczyszczeń i odzyskiwaniu wody, co stanowi ważny element w dążeniu do zrównoważonego zarządzania zasobami wodnymi w przemyśle i rolnictwie.

 

***

Zarządzanie masą pofermentacyjną stanowi poważne wyzwanie z wielu powodów. Z tego względu rośnie zainteresowanie nie tylko usprawnianiem technologii przetwarzania odpadów w biogazowniach, ale także poszukiwaniem nowych oraz udoskonalaniem istniejących metod zagospodarowania pofermentu. Biorąc pod uwagę, że poferment może być nie tylko alternatywnym nawozem, ale również źródłem wody, kluczowe jest dobranie właściwej technologii oczyszczania. Jak wynika z przedstawionych informacji, procesy membranowe stanowią skuteczną metodę oczyszczania cieczy pofermentacyjnej, usuwając różnego typu zanieczyszczenia. Stosowanie odpowiednich sekwencji membranowych pozwala na uzyskanie wysokiej jakości permeatu, który może być ponownie wykorzystywany. Niemniej wyzwaniem pozostaje zjawisko foulingu, mogace negatywnie wpłynąć na efektywność procesu. Aby zminimalizować ryzyko blokowania membran należy wdrożyć odpowiednie metody wstępnego oczyszczania oraz optymalizacji warunków eksploatacyjnych. Mimo tych trudności, procesy membranowe wykazują duży potencjał w poprawie zarówno jakości wody, jej odzysku ze ścieków (w tym z cieczy pofermentacyjnej), jak i w zarządzaniu zasobami wodnymi.

Literatura
1.    Gienau, T.; Brüß, U.; Kraume, M.; Rosenberger, S. Nutrient Recovery from Biogas Digestate by Optimised Membrane Treatment. Waste and Biomass Valorization 2018, 9, 2337–2347, doi:10.1007/s12649-018-0231-z
2.    Iwashita, T.; Katayanagi, H.; Miki, N. Needle-Type in Situ Water Content Sensor with Polyethersulfone Polymer Membrane. In Proceedings of the Sensors and Actuators, B: Chemical; 2011; Vol. 154.
3.    Peter-Varbanets, M.; Zurbrügg, C.; Swartz, C.; Pronk, W. Decentralized Systems for Potable Water and the Potential of Membrane Technology. Water Research 2009, 43.
4.    Światczak, P.; Cydzik-Kwiatkowska, A.; Zielińska, M. Treatment of Liquid Phase of Digestate from Agricultural Biogas Plant in a System with Aerobic Granules and Ultrafiltration. Water (Switzerland) 2019, 11, 104, doi:10.3390/w11010104.
5.    Warsinger, D.M.; Chakraborty, S.; Tow, E.W.; Plumlee, M.H.; Bellona, C.; Loutatidou, S.; Karimi, L.; Mikelonis, A.M.; Achilli, A.; Ghassemi, A.; et al. A Review of Polymeric Membranes and Processes for Potable Water Reuse. Progress in Polymer Science 2018, 81, 209–237, doi:10.1016/j.progpolymsci.2018.01.004.
6.    He, Z.; Lyu, Z.; Gu, Q.; Zhang, L.; Wang, J. Ceramic-Based Membranes for Water and Wastewater Treatment. Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects 2019, 578, 123513, doi:10.1016/j.colsurfa.2019.05.074.
7.    Drosg, B.; Fuchs, W.; al Seadi, T.; Madsen, M.; Linke, B. Nutrient Recovery by Biogas Digestate Processing; 2015.