מיקום המיקרופילטרציה בין שיטות הסינון

מיקרופילטרציה נמצאת בין סינון חלקיקים רגיל לבין אולטראפילטרציה מבחינת טווחי ההפרדה המקובלים. עם זאת, גבולות הקטגוריות אינם חדים, ולעיתים קיימת חפיפה בין מוצרים המתוארים כ־MF ובין מוצרים המתוארים כ־UF.

מבנה הממברנה וחומרי הייצור

ממברנות MF עשויות מחומרים פולימריים או קרמיים. סוג החומר משפיע על ההתאמה למים, על תגובת המשטח לחלקיקים ועל העמידות לחום, למחמצנים ולחומרי ניקוי.

אין חומר אחד שמתאים לכל יישום. גם ממברנות המיוצרות מאותו פולימר יכולות להיות שונות בגודל הנקבוביות, במבנה הפנימי, במטען פני השטח ובעמידות שלהן.

ממברנות סיבים חלולים

מערכות Hollow Fiber כוללות מספר רב של סיבים דקים שבתוכם חלל למעבר מים. זרימת המים עשויה להיות מבחוץ פנימה או מבפנים החוצה, בהתאם לתכנון המערכת.

התצורה מאפשרת שטח ממברנה גדול יחסית לנפח המודול. במערכות מתאימות אפשר לבצע שטיפה לאחור כדי להסיר חלק מהמשקעים.

מחסניות מקופלות וממברנות שטוחות

Pleated Cartridges מכילות ממברנה המקופלת לשכבות, כדי להגדיל את שטח הסינון בתוך מארז קומפקטי.

יריעות שטוחות משמשות גם במודולים תעשייתיים ובמערכות טיפול ייעודיות. התצורה משפיעה על שטף המים, תחזוקה ויכולת ניקוי.

מנגנוני ההפרדה של חלקיקים

המנגנון המרכזי של MF הוא הדרה מרחבית (Size Exclusion): חלקיק גדול מספיק ביחס למעברים הזמינים בממברנה אינו יכול לעבור דרכם.

אולם בפועל מתרחשים מנגנוני לכידה נוספים, ולכן תוצאת הסינון מורכבת יותר מתיאור של מסננת בעלת חורים בגודל קבוע.

שכבת החלקיקים על הממברנה

במהלך הסינון עשויה להצטבר שכבת חלקיקים המכונה Cake Layer. שכבה זו יכולה במקרים מסוימים להגדיל את יכולת הלכידה של חלקיקים קטנים, אך גם להגדיל את ההתנגדות למעבר המים.

לכן שינוי ביעילות הלכידה לאורך זמן אינו בהכרח עדות לשיפור הממברנה. הוא עשוי לנבוע משכבת משקע זמנית שמשתנה כאשר משנים את הזרימה או מבצעים שטיפה.

דירוג מיקרון – נומינלי, מוחלט ויעילות לכידה

אחת השאלות החשובות בבחירת מסנן היא המשמעות של המספר המופיע עליו: 1 מיקרון, 0.5 מיקרון או 0.2 מיקרון.

המספר מתייחס לגודל חלקיקים או נקבוביות לפי שיטת דירוג מסוימת. הוא אינו מציין לבדו את אחוז החלקיקים שיילכדו בתנאי אמת.

דירוג נומינלי – Nominal

דירוג נומינלי מתייחס בדרך כלל ליכולת לכידה של חלקיקים בגודל מסוים בתנאי בדיקה מוגדרים. אולם אין הגדרה אחידה של אחוז הלכידה בכל ענפי המסננים והיצרנים.

לכן שני מסננים בעלי דירוג נומינלי זהה אינם בהכרח בעלי יעילות לכידה זהה.

דירוג מוחלט – Absolute

דירוג מוחלט משמש בקטגוריות מסננים מסוימות לתיאור רמת לכידה גבוהה לפי פרוטוקול מוגדר.

אך גם המונח Absolute אינו מהווה בפני עצמו הבטחה לסילוק 100% מכל החלקיקים בכל תנאי השימוש.

יחס בטא – Beta Ratio

בחלק מתחומי הסינון משתמשים ביחס בטא להשוואת מספר החלקיקים בכניסה למסנן וביציאה ממנו, עבור גודל חלקיק מוגדר.

יחס בטא שימושי רק כאשר ידועים גודל החלקיק, פרוטוקול הבדיקה והתנאים שבהם בוצעה המדידה. אין להניח שהוא נבדק או פורסם לכל מסנן מים ביתי.

הפחתת חיידקים במיקרופילטרציה

חיידקים רבים גדולים יותר מהנקבוביות של ממברנות MF צפופות, ולכן ממברנות תקינות יכולות להפחית אותם באמצעות מחסום פיזי.

יכולת הלכידה תלויה בגודל וצורת התא, בגמישותו, בתנאי ההפעלה, במבנה הממברנה ובשלמות המערכת.

חיידקים שנחקרו בהקשר של סינון ממברנלי

• E. coli וקוליפורמים: חיידקים המשמשים גם כמדדים מיקרוביולוגיים לאיכות מים.
• Pseudomonas aeruginosa: חיידק סביבתי בעל חשיבות במערכות מים וביופילם.
• Legionella pneumophila: חיידק בעל חשיבות במערכות מים, במיוחד בשל סיכוני חשיפה לאירוסולים במערכות מתאימות.
• Campylobacter ו־Salmonella: חיידקים פתוגניים שניתן לחקור את לכידתם בתנאי אתגר.

אין ערך LRV אחד שמתאים לכל החיידקים, לכל הממברנות ולכל תנאי העבודה.

גם מסנן המפחית היטב חיידק אחד אינו מוכיח בהכרח יכולת הפחתה זהה עבור חיידק אחר.

חיידקים קטנים ויכולת חדירה

יש חיידקים קטנים או בעלי צורה וגמישות המאפשרות להם להתנהג אחרת במסלולי מעבר צרים. גם תנאי הגידול של האורגניזם עשויים להשפיע על ממדיו.

לכן מבחני סינון סטרילי מבוצעים באמצעות אורגניזמי אתגר מוגדרים, בתנאים מבוקרים, ולא על סמך גודל נקבוביות בלבד.

מיקרופילטרציה ונגיפים

נגיפים רבים קטנים באופן משמעותי מהנקבוביות האופייניות של ממברנות MF. לכן ממברנות MF רגילות אינן נחשבות למחסום פיזי אמין עבור נגיפים חופשיים במים.

מחקרים מסוימים מצאו הפחתת נגיפים במערכות MF בתנאים מוגדרים. הפחתה כזו יכולה לנבוע מספיחה, הצטברות שכבת חלקיקים, אגרגציה או קדם־טיפול.

עם זאת, מנגנונים אלה עשויים להשתנות במהלך ההפעלה, בעקבות שטיפה או שינוי בכימיית המים.

השפעת שכבת משקע על נגיפים

כאשר שכבת חלקיקים נוצרת על הממברנה, היא עשויה לשפר באופן זמני את לכידתם של נגיפים או חלקיקים קטנים.

אולם אין לתכנן הגנה מיקרוביולוגית לפי ההנחה ששכבת משקע מקרית תישאר בעלת אותן תכונות לאורך כל חיי המסנן.

פרוטוזואה, ציסטות ואואוציסטות

אחד השימושים החשובים של סינון ממברנלי הוא הפחתת אורגניזמים גדולים יחסית, כגון ציסטות Giardia ואואוציסטות Cryptosporidium.

ממדיהם מאפשרים לממברנות MF מתאימות לשמש מחסום פיזי יעיל עבורם, בתנאי שהממברנה והמערכת תקינות.

עם זאת, קביעת ערך הפחתה רגולטורי אינה מבוססת רק על דירוג הנקבוביות.

בהנחיות EPA למערכות סינון ממברנלי, הכרה בביצועי הפחתת Cryptosporidium מבוססת על מבחן אתגר מתאים, בצירוף יכולת לאמת את שלמות המערכת לאורך פעולתה.

סינון פיזי, חיטוי ועיקור

חשוב להבחין בין הוצאת מיקרואורגניזם מהמים לבין פגיעה ביכולת ההתרבות או ההדבקה שלו.

ממברנת MF עשויה לשמש חלק ממערכת טיפול בעלת מספר מחסומי הגנה, אך אין לראות בה תחליף אוטומטי לתהליך חיטוי הנדרש לפי מקור המים והתקנות הרלוונטיות.

זיהום לאחר הממברנה

גם כאשר הממברנה מצליחה להפחית מיקרואורגניזמים, ייתכן זיהום מחדש בשלבי הטיפול הבאים:

• מכל אגירה שאינו מתוחזק כראוי.
• צנרת אחרי המסנן.
• פיית ברז או חיבורים מזוהמים.
• מים עומדים לאורך זמן.
• מארז או אטם שנפגעו.

לכן תוצאת בדיקה ביציאה מממברנה אינה בהכרח זהה לאיכות המים בנקודת השתייה.

מדידת יעילות מיקרוביולוגית באמצעות LRV

LRV הוא קיצור של Log Reduction Value, מדד המתאר ירידה לוגריתמית בריכוז אורגניזם או סמן מוגדר.

Cin מייצג את הריכוז בכניסה למערכת, ו־Cout את הריכוז ביציאה ממנה.

דוגמת חישוב

נניח שבמי הכניסה נמצאו מיליון יחידות של אורגניזם בדיקה ליחידת נפח. ביציאה נמצאו 100 יחידות באותו נפח.

התוצאה היא הפחתה של 4-log, השקולה ל־99.99%.

גבולות גילוי ומשמעותם

כאשר לא נמצא אורגניזם בדגימת היציאה, אין פירוש הדבר שהריכוז בהכרח אפס. ייתכן שהוא נמוך מגבול הגילוי של שיטת הבדיקה.

במקרה כזה אפשר לעיתים לקבוע גבול תחתון לשיעור ההפחתה, בהתאם לריכוז האתגר וליכולת המדידה.

בדיקות שלמות הממברנה

גם ממברנה בעלת יכולת לכידה גבוהה יכולה לאבד את ביצועיה בעקבות פגם נקודתי.

קרע בסיב אחד, דליפה באטם או תקלה בחיבור עשויים לאפשר מעבר מים שלא עברו את מחסום הממברנה כנדרש.

בדיקת ירידת לחץ

Pressure Decay Test מבוססת על הפעלת לחץ מתאים ומעקב אחר השינוי בו לאורך זמן.

תוצאה חריגה עשויה להצביע על דליפה או על פגיעה בשלמות. הרגישות תלויה בשיטת הבדיקה ובמערכת הנבדקת.

בדיקת Bubble Point

הבדיקה מבוססת על הקשר בין לחץ, מתח פנים ומעבר גז דרך ממברנה רטובה.

היא משמשת ביישומים מתאימים לבחינת מאפייני נקבוביות או שלמות ממברנה.

ניטור עקיף

מדדים כגון עכירות, מספר חלקיקים ושינויים בתנאי זרימה יכולים לסייע בזיהוי בעיות תפעוליות.

עם זאת, הם אינם בהכרח רגישים מספיק כדי לזהות כל פגם שעלול לפגוע ביכולת ההפרדה המיקרוביולוגית.

הידראוליקה, לחץ ושטף מים

מיקרופילטרציה פועלת בדרך כלל בעזרת הפרש לחצים או יניקה דרך הממברנה.

כמות המים העוברת תלויה בשטח הממברנה, בחדירות שלה, בצמיגות המים, בהפרש הלחצים ובהתנגדות שנוצרת כתוצאה מהצטברות חלקיקים.

שטף מים – Flux

שטף מוגדר כנפח המים העובר ביחידת זמן דרך יחידת שטח ממברנה. יחידה מקובלת היא ליטר למטר רבוע לשעה, LMH.

J הוא השטף, Q הוא נפח המים ליחידת זמן, ו־A הוא שטח הממברנה הפעיל.

השפעת ירידת לחץ

כאשר הממברנה נסתמת, נדרשת לעיתים עלייה בלחץ כדי לשמור על שטף קבוע.

במערכת שפועלת בלחץ קבוע, הצטברות חלקיקים עשויה לגרום לירידה הדרגתית בזרימת המים.

שני מצבי ההפעלה יכולים לשמש למעקב אחר מצב המערכת, אך אינם מודדים לבדם יעילות הפחתה מיקרוביולוגית.

סינון Dead-End לעומת Crossflow

Dead-End נפוץ במחסניות ביתיות ובחלק מהמערכות העירוניות. Crossflow נפוץ ביישומים שבהם נדרש ניהול שונה של עומס חלקיקים.

עם זאת, חלק ממערכות הסיבים החלולים במתקני מים פועלות גם בתצורות Dead-End מחזוריות עם שטיפות לאחור. אין לשייך את כל מתקני המים העירוניים לתצורת Crossflow בלבד.

הצטברות משקעים ותחזוקת ממברנות

Fouling הוא מונח המתאר הצטברות חומרים הפוגעת במעבר המים או בהתנהגות הממברנה.

שטיפה לאחור

במערכות המתוכננות לכך, Backwash יכולה להסיר חלק מהחומרים שהצטברו על פני הממברנה.

לא כל מסנן ביתי ניתן לשטיפה לאחור, ולא בכל ממברנה שטיפה כזו מותרת.

ניקוי כימי

בחלק מהמתקנים משתמשים בניקוי כימי או בחיטוי בהתאם לחומר הממברנה ולסוג המשקע.

תכשיר ניקוי המתאים לממברנת PVDF מסוימת אינו בהכרח מתאים לממברנה אחרת.

החלפת מחסנית

במסננים ביתיים רבים מחסנית הסינון מיועדת להחלפה לאחר תקופת שימוש או נפח מים מוגדר, בהתאם למפרט היצרן.

אין להסיק שמסנן עדיין תקין מבחינה מיקרוביולוגית רק משום שזרימת המים דרכו טובה.

מיקרופילטרציה ומזהמים מומסים

MF אינה מיועדת להפרדת יונים מומסים או מולקולות קטנות העוברות דרך הנקבוביות יחד עם המים.

מד TDS אינו בודק ביצועי MF

מכיוון שמיקרופילטרציה אינה מסירה את רוב המלחים המומסים, מד TDS עשוי להציג תוצאה דומה לפני המסנן ואחריו.

תוצאה זו אינה מוכיחה שהמסנן אינו פועל, וגם אינה מוכיחה שהמים בטוחים מבחינה מיקרוביולוגית.

מיקרופילטרציה במערכות ביתיות

מסנני MF יכולים להופיע כחלק ממערכות סינון נקודתיות, במחסניות ממברנה, במסנני סיבים חלולים או במערכות המשלבות כמה טכנולוגיות טיפול.

הבדל בין מסנן משקעים לממברנת MF

מסנן פוליפרופילן מדורג, למשל 5 או 1 מיקרון, מיועד בדרך כלל ללכידת משקעים.

עצם דירוג המיקרון אינו מוכיח שהמסנן מתאים להפחתת חיידקים או ציסטות.

מערכת בעלת טענת הפחתה מיקרוביולוגית צריכה לעבור בדיקות המתאימות לטענה זו.

מסננים קרמיים

מסנן קרמי עשוי לפעול כמחסום פיזי לחלקיקים וחיידקים. אולם גם כאן הביצועים נקבעים לפי גודל הנקבוביות, שלמות החומר, התקנת המסנן ובדיקות האימות.

אין להניח שמסנן קרמי בטוח יותר ממסנן פולימרי רק בשל סוג החומר.

שילוב עם פחם פעיל

פחם פעיל עשוי להפחית כלור, טעם וריח וחלק מהתרכובות האורגניות. ממברנת MF מכוונת בעיקר להפרדת חלקיקים.

שילוב הטכנולוגיות עשוי להרחיב את מטרות הטיפול, אך אינו מבטיח הסרת כל סוגי המזהמים או הפתוגנים.

שימושים עירוניים ותעשייתיים

במתקני טיפול מרכזיים אפשר להשתמש במיקרופילטרציה להפחתת עכירות, חלקיקים ומיקרואורגניזמים, לעיתים כשלב מקדים לתהליכים נוספים.

במערכות מסוימות משלבים MF עם קרישה, חיטוי או טכנולוגיות ממברנליות נוספות.

קדם־טיפול לממברנות RO

סינון חלקיקים ומיקרואורגניזמים לפני מערכת RO יכול לסייע בהפחתת חלק מהעומסים על הממברנות.

עם זאת, ההחלטה אם להשתמש ב־MF, UF או בסינון גרנולרי אחר תלויה בהרכב מי המקור ובתכנון המתקן.

יישומים בישראל

בישראל קיימת פעילות מחקרית והנדסית בתחומי סינון ממברנלי, טיפול בשפכים, השבת מים וקדם־טיפול למערכות הפרדה.

אולם אין בסיס לקבוע מתוך הנתונים שנבחנו היקף ארצי מאומת של שימוש ב־MF במתקני מי שתייה, או להניח שכל מתקן המבוסס על UF משתמש גם ב־MF.

תקנים ובדיקות ביצועים

בתחום סינון המים קיימים תקנים המתייחסים למטרות שונות. יש להבחין בין בטיחות החומרים, הפחתת חלקיקים, הפחתת מזהמים והפחתה מיקרוביולוגית.

NSF/ANSI 244

תקן זה מתייחס למכשירי סינון מכניים המיועדים לטיפול מיקרוביולוגי משלים במים שכבר עומדים בדרישות הבטיחות המיקרוביולוגית.

הוא נועד לספק הגנה נוספת במקרים של חדירה מקרית או זמנית של זיהום, ולא לשמש אישור אוטומטי להפיכת מים מזוהמים למים ראויים לשתייה.

NSF P231

פרוטוקול זה מיועד לבחינת מטהרי מים מיקרוביולוגיים מול קבוצות מוגדרות של אורגניזמים.

יש לבדוק את דגם המערכת ואת היקף האישור בפועל, ולא להסיק מהאזכור של P231 שכל מסנן מאותה משפחה עומד בדרישות.

דרישות בישראל

מערכות לטיפול במי שתייה בישראל עשויות להיות כפופות לדרישות שונות הנוגעות לבטיחות חומרים, לאיכות מים ולהתקנה.

יש לבחון את התקנים וההוראות המקומיות החלים על סוג המוצר והשימוש. הסמכה זרה אינה מחליפה אוטומטית את הדרישות בישראל.

שיטות מדידה והערכת ביצועים

כאשר נדרשת הוכחה להפחתת אורגניזם מסוים, יש לבצע בדיקה ייעודית בהתאם לפרוטוקול הרלוונטי.

טענות מסחריות מול משמעותן המדעית

רמת הראיות המדעיות