Membraanfiltratie van effluent op praktijkschaal

Transcriptie

1 Membraanfiltratie van effluent op praktijkschaal A.N. Janssen (TUDelft) en W.B.P van den Broek (Evides Industriewater) INLEIDING Achtergrond In Nederland wordt huishoudelijk afvalwater steeds verdergaand behandeld. In de jaren '8-'9 zijn de rioolwaterzuiveringsinstallatie s (rwzi s) geoptimaliseerd voor verwijdering van met name organische zuurstofverbruikende stoffen (<125 mg/l CZV), fosfaat (<1 mg P/l) en stikstof (<1 mg N/l). De vierde Nota Waterhuishouding vereist voor bepaalde gebieden Maximaal Toelaatbaar Risico (MTR) normen voor met name nutriënten (<,15 mg P/l en <2,2 mg N/l) in het rwzi effluent. Met de komst van de Europese Kaderrichtlijn water (KRW) zijn extra zuiveringsinspanningen voor rwzi s vereist om per 215 een goede chemische en ecologische toestand van het ontvangende watersysteem te garanderen. Het gaat hierbij naast de bekende nutriënten nu ook om verschillende organische microverontreinigingen en zware metalen en in de toekomst ook om hormoonverstorende en medicinale stoffen. Deze ontwikkelingen leiden ertoe dat de kwaliteit van rwzi effluent sterk verbetert en hergebruik van effluent een serieuzere optie wordt. Wereldwijd wordt effluent op verschillende locaties (België, Singapore, Groot-Brittannië, Namibië, Koeweit, Australië) ingezet als bron voor ultrapuur water, ketelvoedingswater, industriewater, drinkwater etc. Ook in Nederland zijn voorbeelden van hergebruik van effluent. Sinds 25 wordt er in Tilburg door het bedrijf Samen Stromen (samenwerking van de gemeente Tilburg en Tilburgsche Waterleiding Maatschappij) Werkwater geproduceerd uit rwzi effluent voor een industrietrein in Tilburg Noord. De techniek die wordt toegepast is ultrafiltratie (UF). Ook Evides Industriewater gebruikt op een tweetal locaties effluent als bron voor demiwater. Het effluent van de awzi Sas van Gent wordt door middel van UF en omgekeerde osmose (RO) opgewerkt. In Terneuzen wordt voor dezelfde toepassing microfiltratie (MF) en RO toegepast. Deze twee locaties zullen in dit artikel uitgebreid aan de orde komen als voorbeelden van membraanfiltratie van effluent in de praktijk. Micro- en ultrafiltratie van effluent Eén van de technieken om effluent op te werken tot een hogere water kwaliteit is membraanfiltratie. Afhankelijk van de membraaneigenschappen, zoals structuur en materiaal, kunnen componenten worden tegengehouden door het membraan, dat een selectieve barrière vormt. Om verschillende grootte componenten te scheiden zijn vier type membraanprocessen te onderscheiden: microfiltratie, ultrafiltratie, nanofiltratie en omgekeerde osmose, waarbij respectievelijk de poriegrootte kleiner wordt en hogere drukverschillen moeten worden toegepast om de scheiding te bewerkstelligen (figuur 1). 1

2 Figuur 1. Classificatie van membraanfiltratie en benodigde druk voor het scheiden van de componenten (1). In de waterbehandeling worden micro- en ultrafiltratie toegepast ter vervanging van conventionele zuiveringsprocessen en als voorbehandeling voor omgekeerde osmose. Hierbij is het voordeel dat door micro- en ultrafiltratie een goede en constante filtraat kwaliteit van het te behandelen water kan worden bereikt in termen van deeltjes en microbiologische verwijdering, die onafhankelijk is van de kwaliteit van het ruwe voedingswater. Daarnaast is de toegepaste flux relatief hoog en de transmembraan druk en energiekosten relatief laag. Ten opzichte van microfiltratie zijn de energiekosten voor ultrafiltratie hoger, maar ultrafiltratie is gelijktijdig een zuivering en disinfectie techniek in tegenstelling tot microfiltratie dat hoofdzakelijk wordt toegepast voor deeltjes verwijdering. Laag moleculaire componenten kunnen niet door ultrafiltratie worden tegengehouden en daarom kan deze techniek niet worden toegepast voor de opwerking van effluent om te kunnen voldoen aan de richtlijnen van de Europese Kaderrichtlijn Water voor de prioritaire componenten zoals de verwijdering van zware metalen en hormoonverstorende stoffen. Doel en overzicht artikel Het doel van dit artikel is een overzicht te geven van theorie, praktijk en onderzoek van membraanfiltratie van effluent. Als eerste wordt de principes van membraanfiltratie en membraanvervuiling besproken. Daarna worden de ervaringen en prestaties beschreven van twee full scale membraaninstallaties die effluent opwerken tot demi water. Het betreft hier de UF-RO plant in Sas van Gent en de MF-RO plant in Terneuzen (DECO) die worden beheerd door Evides Industriewater. Als laatste zullen resultaten van onderzoek worden gepresenteerd dat is uigevoerd door de TUDelft op de UF-RO plant in Sas van Gent. 2

3 PRINCIPES VAN MEMBRAANFILTRATIE EN VERVUILING Membraanfiltratie Bij membraanfiltratie van effluent vinden verschillende membraan vervuilingprocessen plaats, die gebaseerd zijn op de gevormde filtratie weerstand, zie figuur 2. De tegengehouden componenten kunnen afhankelijk van hun fysische en chemische eigenschappen een koeklaag (R c ) vormen op het membraanoppervlak, de membraanporiën blokkeren (R pb ) of adsorberen (R a ) aan het membraanoppervlak of in de membraanporiën. Daarnaast kan in specifieke situaties concentratie polarisatie en biofouling plaats vinden. Figuur 2. Schematische weergave van de gevormde filtratie weerstanden (2). Het filtratieproces kan worden beschreven door Darcy (2): J 1 dv P = = (1) A dt η R Waarin: J = flux (m 3 /m 2 ) V = gefiltreerd volume (m 3 ) t = filtratie tijd (s) A = membraanoppervlak (m 2 ) P = transmembraandruk (Pa) η = dynamische viscositeit (Pa s) R = filtratieweerstand (1/m) Met het weerstand in serie model kan voor R worden geschreven: R = R + R + R + R (2) membraan koek blok ker en adsorptie De afgelopen jaren is het duidelijk geworden dat membraanvervuiling een complex fenomeen is dat wordt beïnvloed door de interactie van componenten in het voedingswater en het membraan. Membraanvervuiling is daardoor specifiek voor het toegepaste voedingswater en voor het gebruikte membraan materiaal, module ontwerp en bedrijfsvoering. 3

4 Membraanvervuiling Reiniging De vervuiling die ontstaat op de membranen kan verwijderd worden met behulp van verschillende spoelmethoden, waarbij er globaal twee soorten onderscheiden kunnen worden. De eerste is de back wash (BW) waarbij de stroomrichting in tegengestelde richting is dan tijdens de productie. Om ook hardnekkige vervuiling door met name adsorptie mechanismen te verwijderen kunnen tijdens een BW chemicaliën worden gedoseerd. Deze chemicaliën oxyderen de organische verontreiniging (NaOCl of H 2 O 2 ) of laten verontreinigingen oplossen door de ph aan te passen (HCl of NaOH). Naast de BW wordt de forward flush (FF) toegepast. Hierbij wordt het voedingswater langs het membraan geleid waardoor de vuillaag los gespoeld en verwijderd wordt. In voorkomende gevallen wordt hier lucht gedoseerd om meer turbulente stroming te veroorzaken waardoor de vuillaag beter verwijderd wordt. Een BW en FF worden ongeveer elke 1 tot 2 minuten uitgevoerd. Een chemische reiniging (CC) wordt uitgevoerd om de vervuiling te verwijderen die na mechanische reinigingen nog resteert. Filtreerbaarheid Membraanvervuiling kan worden onderscheiden in korte en lange termijn vervuiling. De korte termijnvervuiling, ofwel de filtreerbaarheid, is gedefinieerd als weerstandstoename over een filtratieperiode tussen twee hydraulische reinigingen. In tegenstelling tot de totale permeabiliteit van het operationele membraansysteem, die afhankelijk is van membraaneigenschappen, hydrodynamische eigenschappen van de module en alle filtratieweerstanden, wordt de filtreerbaarheid vooral bepaald door de actuele invloeden van het membraanmateriaal en de karakteristieken van het voedingswater, zoals chemische samenstelling, concentratie zwevende stof en reologische eigenschappen. Aan de TUDelft is door Roorda (24) een parameter ontwikkeld waarmee de filtreerbaarheid van effluent kan worden gekarakteriseerd. De ontwikkelde parameter heeft de naam Specifieke Ultrafiltratie weerstand (SUR) en gaat uit van koekfiltratie als het belangrijkste filtratiemechanisme. De SUR-waarde is een product van de gemiddelde specifieke koekweerstand en de concentratie deeltjes in het effluent en wordt uitgedrukt als weerstand per meter gefiltreerd water (m -2 ). De SUR wordt verkregen uit de helling van de gemeten filtratiecurve (figuur 3). Een hoge waarde voor de SUR geeft een snelle membraanvervuiling aan, dat wil zeggen een slechte filtreerbaarheid. Over het algemeen wordt gesteld dat een waarde voor de SUR < 1 een goede filtreerbaarheid van het water impliceert. 2 Filtratie curve (V-t) 1 t/v - V volume (ml) tijd/volume (s/ml) SUR tijd (s) volume (ml) Figuur 3. Bepaling van de SUR uit de filtratiecurve. In de linker figuur is de filtratiecurve weergegeven als volume tegen tijd; in de rechter figuur is de getransformeerde filtratiecurve weergegeven, waaruit de SUR af te leiden is als helling van de curve (4). De filtratiecurve zoals weergegeven in figuur 3 wordt gemeten in een testopstelling op laboratoriumschaal. De gebruikte opstelling is weergegeven in figuur 4 en bevat een ultrafiltratie membraan met een membraanoppervlak van circa 1 cm 2. Het filtratieproces wordt dead-end bedreven bij constante druk (,5 bar) en een filtratietijd van 3 minuten. Twee drukvaten zijn 4

5 parallel geplaatst om zo van type voedingswater te kunnen wisselen: gedemineraliseerd water (voor de schoonwaterflux) en het te testen voedingswater (het effluent). De voedingsdruk wordt gemeten met een manometer. De permeaatdruk is gelijk aan de atmosferische druk. Het permeaat wordt opgevangen in een erlenmeyer op een massabalans, waarmee de hoeveelheid gefiltreerd water kan worden gemeten als functie van de tijd. Figuur 4. Schematische weergave van de laboratorium-testopstelling (3) Reversibiliteit In dit artikel is de reversibiliteit gedefinieerd als de blijvende weerstand na een hydraulische reiniging. Als deze weerstand gelijk is aan de membraan weerstand, dan is het filtratieproces volledig reversibel. Omgekeerd wordt gesteld dat het filtratieproces volledig irreversibel is, als de filtratieweerstand vlak voor en na een hydraulische reiniging gelijk is. De reversibiliteit kan worden gekarakteriseerd door het meten van de schoon water flux (SWF) van het schone membraan en voor en na een hydraulische reiniging. Een andere mogelijkheid is de weerstandstoename over een bepaald tijdsinterval te meten, waarbij direct na een hydraulische reiniging de filtratieweerstand wordt bepaald. Figuur 5. Reversibel filtratie proces (a) en een irreversibel filtratie proces (b) (4). 5

6 MEMBRAANFILTRATIE VAN EFFLUENT IN DE PRAKTIJK DECO-zuivering Terneuzen Proces flow diagram Van 2 tot en met 26 is er op de DECO-plant Westerschelde water gebruikt als grondstof voor de membraaninstallatie. Dit opgewarmde water, gebruikt als koelwater voor DOW, had diverse nadelen: hoge benodigde drukken (zeewater), sterk wisselend van kwaliteit (slibopwerveling door scheepvaart) en corrosieproblemen. De installatie is daarom eind 26 omgebouwd en sinds januari 27 wordt effluent van de RWZI De Drie Ambachten in Terneuzen ingezet als grondstof voor de bereiding van demiwater. Een process flow diagram van de omgebouwde installatie is gegeven in figuur 6. De microstrainers zijn verwijderd en de eerste RO-stap is omgebouwd. De opbouw is nu als volgt: microfiltratie (CMF), EWRO (Effluent Water RO) en BWRO (Brakwater RO). Het geproduceerde demiwater met een elektrisch geleidingsvermogen (EGV) <15 µs/cm wordt opgemengd met demiwater geproduceerd met behulp van ionenwisseling op zoet oppervlaktewater. Dit gemengde demiwater wordt vervolgens voor het grootste deel met mengbed ionenwisseling verder gezuiverd tot polished water ten behoeve van de productie van hoge druk stoom. (Biesboschwater) H2SO4 C.M.F.: 8 units Effluent EGV 25 µs/cm NaOH Demi water EGV < 15 µs/cm E.W.R.O.: 2 units B.W.R.O. : 2 units tussenbuffer tussenbuffer A.S. Freshwater Braakman Effluentank NaOCl NH4Cl Lozing op oppervlaktewater Zuivering DDA Nabezinktank Figuur 6. Proces flow diagram (PFD) DECO Terneuzen Voedingswater DECO Het effluent wordt via een buffertank (1 m 3 ) op zuiveringsstation Braakman verpompt naar de DECO-zuivering. Voor de buffertank wordt chloorbleekloog en ammoniumchloride gedoseerd wat samen reageert tot monochlooramine. Deze monochlooramine zorgt voor de beheersing van de microbiologische nagroei in het verdere systeem. De buffertank op zuiveringstation Braakman dient voor de overbrugging van periodes met lage afvoer. Op deze locatie kan ook Freshwater (gefilterd oppervlaktewater) worden bijgemengd als er in de nacht te weinig aanvoer van effluent is om minimaal 1 van de 2 membraanstraten in bedrijf te houden. De aanvoercapaciteit naar de DECO-zuivering is maximaal 66 m³/u. Is de effluentkwaliteit te slecht, zoals bij slibuitspoeling ten gevolge van regenwaterafvoer, dan kan ook volledig worden overgeschakeld op freshwater. De gemiddelde kwaliteit van het effluent is gegeven in tabel 1. 6

7 Tabel 1. Waterkwaliteit voedingswater DECO Terneuzen (rwzi effluent De Drie Ambachten) Parameter Eenheid Minimum Gemiddeld Maximum Temperatuur C ph 7 7,5 8,2 EGV µs/cm Troebelheid FTE 2 4 >5 Onopgeloste mg/l 1 6 >3 bestanddelen BZV 1 mg/l CZV 2 mg/l Totaal fosfaat mg/l P <, Biologisch zuurstofverbruik 2 Chemisch zuurstofverbruik Voor de microfiltratie is vooral de troebelheid en het gehalte onopgeloste bestanddelen van belang. Een hoog gehalte zal leiden tot een snellere opbouw van druk waardoor vaker teruggespoeld moet worden. Als de kwaliteit van het effluent te slecht is komt de drukval na een spoeling niet meer terug op het oude niveau. Lukt dit ook niet meer met een CEB (Chemical Enhanced Backwash) dan leidt dit uiteindelijk tot capaciteitsverlies. Om dat te voorkomen wordt de inname van effluent gestaakt bij een te hoge troebelheid. Voor de verdere zuiveringstappen (RO) is ook het zoutgehalte en vooral het calcium- en fosfaatgehalte van belang i.v.m. mogelijke scaling. Om scaling te voorkomen kan er zuur worden gedoseerd om de ph onder de 7,7 te houden. Microfiltratie De microfiltratie installatie bestaat uit 8 (7 in bedrijf) CMF-skids (Continuous Micro Filtration) van ieder 78 modules. Iedere module bestaat uit circa 2. vezels (polypropyleen,,25/,55 mm binnen/buiten diameter,,2 µm poriediameter) met een totaal filtrerend oppervlak van 33 m² per module (26 m²/skid). Figuur 7. Foto van Continous Micro Filtration skid (links) en membraan module (rechts) 7

8 De filtratie bij het CMF-systeem is van buiten naar binnen. Na een bepaalde filtratieperiode wordt de module gereinigd middels een backwash. De backwash wordt als volgt uitgevoerd: - Verdringing filtraat aan de binnenzijde van de vezels met lucht - Filtraatkant wordt op druk gebracht met lucht (6 bar) - Afvoerkant gaat open (hierdoor stroomt de lucht met hoge snelheid door de poriën van de membranen en neemt het vuil aan de buitenkant mee) - Toevoer voeding open (voor het afvoeren van het vuil) - Lucht af - Filtraatkant open - 2 x een rewet om lucht uit de membraanporiën te verwijderen: - Filtraatkant op druk brengen (6 bar) om lucht in poriën te comprimeren - Druk aflaten aan filtraatkant (lucht uit poriën verwijderen) - Filtreren om lucht te verwijderen (buiten- en binnenkant membranen) Tijdens de backwash van een CMF wordt geen filtraat gebruikt om terug te spoelen maar wordt lucht gebruikt om het vuil los te maken en voedingswater om het vuil te verwijderen. Al het geproduceerde filtraat is dus netto opbrengst. In figuur 8 is het effect te zien van een te laag ingestelde druk van de spoellucht: de permeabiliteit daalt snel. Na herstel van de juiste instelling neemt de permeabiliteit weer toe. 1 CMF 5 Effect druk spoellucht 9 8 Permeabiliteit (l/m2.bar) verhoging luchtdruk van 4,5 naar 6 bar Figuur 8. Effect druk spoellucht op permeabiliteit (Flux ca 25 l/m²/u) Niet al het vuil kan met de backwash worden verwijderd en daarom dient er periodiek chemisch gereinigd te worden. Zo wordt er iedere 8 uur een CEB (Chemical Enhanced Backwash) uitgevoerd met natronloog gedoseerd in demiwater. Dit heeft als doel de microbiologie op de membranen af te doden en de organische vervuiling te verwijderen. Een reiniging met chloor zou ook effectief zijn maar deze membranen zijn niet bestand tegen vrij chloor. Om de 4 CEB s wordt natronloog vervangen door een speciaal basisch product (Divos 19: o.a. bisfosfonaten en KOH). Verder vindt eens per week een zure reiniging (Divos 25: citroen-, fosfor- en glycolzuur) plaats om eventuele kalk- en andere minerale afzetting te verwijderen. Het is de kunst om deze reinigingen optimaal af te stemmen op de vervuiling van de membranen. 8

9 Integriteit membranen De integriteit van de membranen wordt bewaakt door een drukhoudtest (Pressure Decay Test). Deze drukhoudtest wordt bij de CMF-skids automatisch 1 keer per dag uitgevoerd. Daartoe wordt er lucht aan de binnenkant van de membranen gezet met een druk van 1,2 bar. De druk mag maximaal met,7 bar per minuut afnemen. Gaat dit sneller, dan zijn er lekkende modules. In die situatie dient de bewuste module opgespoord te worden met een sonic-test. Hiertoe wordt ook weer luchtdruk aangebracht aan de binnenzijde van de membranen en wordt per module beluisterd of deze lek is. Vervolgens kan deze module worden geïsoleerd en eventueel worden gerepareerd of vervangen. Waterkwaliteit permeaat CMF s De chemische kwaliteit van het water verandert niet tijdens de microfiltratie. Alleen de onopgeloste bestanddelen worden verwijderd. Als de integriteit van de membranen in orde is dan zal de filtraatkwaliteit wat dat betreft ook in orde zijn. Enerzijds wordt de integriteit van de membraaninstallatie bewaakt door de Pressure Decay Test en anderzijds via een Silt Density Index (SDI) monitor op het permeaat. De SDI ligt normaliter tussen de 3 en 4. Van belang is te realiseren dat, hoewel de meeste bacteriën worden tegengehouden door de microfiltratie, het systeem hierna (leidingen, opslagtanks) niet steriel is. Door de voedingsstoffen die in het water aanwezig zijn zal er nagroei kunnen optreden. Deze vervuiling kan op den duur loslaten en tot problemen leiden in de navolgende zuiveringsstappen als het tussenliggende systeem niet periodiek wordt gereinigd. UF-RO plant Sas van Gent Proces flow diagram In de zuivering te Sas van Gent wordt effluent van de afvalwaterzuivering van een graanverwerkend bedrijf opgewerkt tot demiwater. Het effluent wordt via een dubbellaagsfilter (DLF) geleid over 4 UF-skids ter verwijdering van de zwevende stoffen en vervolgens ontzout via een dubbele RO-installatie. Tussen beide RO-stappen vindt er nog ontzuring plaats door middel van een ontgassingtoren. Effluent water EGV 6 micros/cm U.F.: 4 units Drinkingwater D.L.F.: 1 unit reservoir R.O.1 : 2 units reservoir FeCl A.S. zuur FeCl Cl2 reservoir degassing tower : 2 units Demi water EGV < 1 micros/cm R.O.2 : 2 units Figuur 9. PFD Demiwaterzuivering Sas van Gent 9

10 Voedingswater Het effluent kan behoorlijk variëren in gehalte aan zwevende stof. Om de grootste variatie tegen te gaan wordt het effluent eerst gefiltreerd over een dubbellaagsfilter (antraciet/zand). Voor dit filter wordt 2,5 mg/l ijzer gedoseerd om de afvang van zwevende stof te verbeteren en het fosfaatgehalte te verlagen. Het fosfaatgehalte wordt verlaagd ter voorkoming van calciumfosfaatscaling in de RO-stap. Door de ijzerdosering en de filtratiestap wordt de filtreerbaarheid van het water in de navolgende ultrafiltratiestap sterk verbeterd. De grenswaarde voor de troebelheid om het effluent nog in te kunnen zetten is vastgelegd op 3 Nephelometric Turbidity Units (NTU). Tabel 2. Waterkwaliteit effluent AWZI Terneuzen. Parameter Eenheid Minimum Gemiddeld Maximum Temperatuur C PH 7,8 8,3 8,5 EGV µs/cm Troebelheid NTU Onopgeloste mg/l 12 bestanddelen Waterstofcarbonaat mg/l Calcium mg/l Ortho-fosfaat mg/l P,1,7 2, Er worden diverse eisen gesteld aan het effluent, niet alleen aan het zoutgehalte (van belang voor scaling en de uiteindelijk te bereiken demiwaterkwaliteit) maar ook aan parameters waarvan in de praktijk is gebleken dat deze een invloed hebben op de zuivering. Zo is gebleken dat het zuurstofgehalte erg van belang is. Als de beluchters in de afvalwaterzuivering maximaal zijn uitgestuurd dan blijken de membranen sneller te vervuilen. Dit kan te maken hebben met de verminderde biologische stabiliteit van het water. Ook dient de kwaliteit van het effluent dusdanig te zijn dat er geen zuurstofloosheid ontstaat in het filtraat van het dubbellaagsfilter. Bij zuurstofloosheid kan er tweewaardig ijzer ontstaan wat bij menging met zuurstofhoudend water tot afzetting kan leiden op ongewenste plaatsen. Ultrafiltratie Voor de ultrafiltratie vindt er nog een dosering van 1 mg/l ijzer plaats voor een betere prestatie van de UF. Door deze dosering worden de laatste kleine slibdeeltjes samengevoegd tot grotere vlokjes (flocculatie) waardoor de UF membranen minder snel vervuilen. Daarnaast wordt er nog een continue chloordosering van,5 mg/l toegepast om de biofouling te beperken. Het nog aanwezige ammonium en organische materiaal zorgt er voor dat er na de ultrafiltratie nauwelijks meer vrij chloor aanwezig is in het water. De ultrafiltratiestap van het type Xiga UFC M5 bestaat uit 4 skids. 2 Skids bevatten 6 drukbuizen de andere 2 skids 8 drukbuizen. Iedere drukbuis bevat 3 modules van 35 respectievelijk 4 m 2 membraanoppervlak. Iedere module bevat circa 1. vezels. Het membraanmateriaal is polyethersulfon (PES) wat, i.t.t. polypropyleen redelijk goed bestand is tegen chloor (25. ppm-uur (5). De vezels hebben een interne diameter van,8 mm en een poriegrootte van 2-25 nm (MWCO=2 kda). In figuur 1 is een dwarsdoorsnede gegeven van een membraanmodule. 1

11 Figuur 1. Doorsnede membraan UF-module (5). De filtratie is dead end, inside out (filtration mode, figuur 11) en met overdruk. Na een bepaalde filtratietijd (21-26 min) of het bereiken van een bepaalde drukval (1 kpa) vindt er een terugspoeling plaats (backwash mode, figuur 11). De filtratie gebeurt met een flux van 5-6 l/m 2 /u, het terugspoelen met 25 l/m 2 /u resulterend in een recovery van 8-85%. Oorspronkelijk werd de ultrafiltratie teruggespoeld met haar eigen permeaat. Het terugspoelen gebeurt nu met concentraat van de 2 e RO-stap. Doordat dit water geen calcium meer bevat, vindt de reiniging beter plaats. Vooral bij de chemische reinigingen (chloor, loog) ontstaat er zo geen kalkneerslag. Figuur 11. Overzicht waterflow in XIGA UF module (5). Er vinden momenteel 3 verschillende chemische reinigingen plaats. Enkele keren per dag vindt er een CEB (Chemical Enhanced Backwash) plaats met chloorbleekloog ten behoeve van de afdoding van de microbiologie. Verder vindt er om de paar dagen een zure en eens per week een speciale basische reiniging plaats. Bij deze reinigingen wordt er de chemicaliën ingespoeld en na een weektijd van 1 min weer uitgespoeld. Deze reinigingen zijn een punt van optimalisatie wat ook afgestemd dient te worden op de waterkwaliteit van het effluent die in de loop der tijd kan veranderen. In figuur 12 is te zien hoe de permeabiliteit verdubbelt door een CIP (Cleaning In Place) met oxaalzuur en zoutzuur. Waarschijnlijk was de lage permeabiliteit het gevolg van afzetting van calciumcarbonaat. Verder is te zien dat rond 21 februari de permeabiliteit van de UF4 zakt op het 11

12 moment dat de troebelheid van de voeding (= filtraat dubbellaagsfilter) duidelijk verhoogd is. De kwaliteit van het effluent was toen zo slecht dat de TMP van dit skid opliep van,2 bar (normale TMP) tot 1 bar. De inname van effluent is toen gestopt en er is overgeschakeld op drinkwater als voeding voor de RO-installatie. Na 3 dagen is weer overgeschakeld op effluent en dan is te zien dat de permeabiliteit zich in de loop van een week zich weer herstelt. Demiwaterzuivering Sas van Gent Permeabiliteit 1 C Permeabiliteit (l/m²/u*bar) 15 UF4 Troebelheid na DLF 15 Troebelheid (FTE) 1 1 CIP met oxaalzuur en HCl Figuur 12. Troebelheid voeding UF en permeabiliteit van één UF skid (flux is 5 6 l/m 2 /h). Integriteit membranen De integriteit van deze membranen wordt periodiek bepaald met een drukhoudtest en indirect door de SDI-meting op het permeaat. Bij de drukhoudtest wordt langzaam 1 bar luchtdruk aan de permeaatkant gezet. Na 2 min (wachttijd ten behoeve van verdringing van het permeaat) start de meting. Is het verloop in de druk groter dan,5 bar/min dan is er een membraan lek. Om dit membraan op te sporen kan een module er uit gehaald worden en ondergedompeld in een bak met water. Wordt er dan weer lucht van,2-,3 bar op gezet dan is het lekke membraan te lokaliseren door de ontwijkende luchtbellen. Het betreffende membraanrietje wordt vervolgens afgedicht door het plaatsen van een kunststof of stalen pennetje bij de uitloop van het rietje in de potting (eind van de rietjes waar deze zijn ingegoten in hars). De kunststof pennetjes worden gedoopt in een lijm en in het bewuste rietje geplaatst. Uit ervaring blijkt dat een deel van deze kunststof pennetjes in de loop der tijd weer kunnen loslaten. Met de stalen pennetjes zijn betere resultaten bereikt. Twee van de 4 skids zijn ondertussen voorzien van nieuwe 4 m² modules (SXL225 ipv S225) met iets andere membranen (o.a. hogere permeabiliteit). Deze nieuwe modules vertonen na een jaar gebruik nog geen lekken terwijl de oude modules circa 6-9 lekke rietjes per jaar opleveren. 12

13 ONDERZOEK TUDELFT IN DE PRAKTIJK Algemeen De TUDelft voert in het kader van het onderzoeksproject Ultrafiltratie van effluent onderzoek uit op de locatie Sas van Gent. Op deze locatie is de prestatie van de UF erg afhankelijk van de kwaliteit van het effluent. Door batch processen, schoonmaken processen etc. is de afvalwater stroom naar de awzi wat betreft samenstelling en hoeveelheid erg variërend. Deze variatie beïnvloedt het zuiveringsproces en daarmee ook de kwaliteit van effluent. Voor een goede bedrijfsvoering van een UF is belangrijk om inzicht te hebben in deze variatie. Wanneer de kwaliteit van het effluent voor de UF kan worden gemeten kan mogelijk vooraf in het UF proces worden ingegrepen of gestuurd. Uiteindelijk zal dat resulteren in een stabiele bedrijfsvoering en een langere levensduur voor de membranen. Tijdens het onderzoek van de TUDelft is onderzocht of de SUR meting een geschikt instrument is om de kwaliteit van effluent te beoordelen. Daarnaast is gekeken naar de relatie tussen SUR waarden en de prestatie van een de UF. Onderzoek Gedurende het onderzoek zijn twee verschillende experimenten uitgevoerd. Tijdens het eerste experiment is het effect van de verschillende voorbehandelingsstappen op de filtreerbaarheid van het effluent onderzocht. Zoals al eerder beschreven bestaan de voorbehandelingsstappen uit coagulatie (2,5 mg/l Fe 3+ ), dubbellaagsfiltratie en een tweede coagulatie (1, mg/l Fe 3+ ). Gedurende een periode van drie maanden (6/9/26 7/12/26) zijn tweemaal per week op dezelfde tijd monsters genomen van het ruw awzi effluent, effluent na coagulatie (2,5 mg/l Fe 3+ ), filtraat van dubbellaagsfilter en voedingswater UF. Direct na het nemen van de monsters is de SUR waarde gemeten. Tijdens het tweede experiment is de relatie onderzocht tussen de SUR waarde van het voedingswater van de UF en de TMP toename in 2 membraan skids (UF1 en UF4) tijdens een filtratierun. Gegevens van de procescomputer werden gebruikt om de helling van de TMP toename te bepalen en te vergelijken met de SUR waarde (figuur 13). De helling van de TMP toename werd gebruikt als de R 2 van de lijn,7 was. Daarnaast is de toename van TMP genormaliseerd voor TMP (6 l/m 2 h) and flux (2 C).,6 TMP (bar),5,4,3,2,1 TMP increase SUR measurement 13:26 13:55 14:24 14:52 15:21 15:5 16:19 Time (h) Figuur 13. Voorbeeld van filtratie runs en tijdstip van SUR meting. 13

14 Resultaten SUR en effect van voorbehandeling In figuur 14 is het effect van voorbehandeling op de SUR waarde weergegeven. Tijdens de onderzoeksperiode is de bron van effluent veranderd. Van 6/9/26 11/1/26 is het effluent voor inname gedurende 2 3 dagen gebufferd in een vijver. Van 13/1/26 7/12/26 is het effluent direct na de nabezinker ingenomen. 25 pond passage secondary clarifier effluent 2 SUR (1^12 m^-2) Date Raw w w tp effluent coagulated w w tp effluent Dual media filtrate UF feed w ater Figuur 14. SUR waarden voor en na verschillende voorbehandelingsstappen. Figuur 14 laat een significante afname van SUR waarden zien tijdens voorbehandeling. Van de voorbehandelingsstappen heeft de eerste coagulatie het grootste effect. De gemiddelde SUR afname is 23%. Het effect van het dubbellaagsfilter is kleiner (9%). De tweede coagulatie verlaagd de SUR gemiddeld met 1%. Deze resultaten zijn in overeenstemming met eerder onderzoek. Roorda (24) vond op verschillende lokaties in Nederland ook een gemiddelde SUR afname van 2-3% tijdens coagulatie gevolgd door dubbellaagsfiltratie. In figuur 14 ziet men ook een periode (13/1/26 14/11/26) waarin de voorbehandelingsstappen weinig effect hebben. Gedurende deze periode was de SUR waarde van het ruwe effluent ongeveer m -2. Dit betekent dat het water heel goed filtreerbaar was. Mogelijk kan in deze periode de dosering van coagulant worden aangepast. Een lagere dosering kan waarschijnlijk eenzelfde effect bewerkstelligen. SUR en helling TMP In figuur 14 en 15 zijn de gemeten SUR waarden gerelateerd aan de hellingen van de TMP toename. Figuur 14 laat de relatie zien voor de periode 6/9/26 11/1/26 en figuur 15 voor de periode 13/1/26 7/12/26. Gedurende de eerste periode is het effluent gebufferd in de vijver en tijdens de laatste periode is het effluent gelijk na de nabezinker ingenomen. 14

15 ,12,12 Increase TMP (bar/filtration cycle),1,8,6,4,2 y =,21x +,24 R 2 =,7216 Increase TMP (bar/filtration cycle),1,8,6,4,2 y =,111x -,216 R 2 =,5397, 2, 4, 6, 8, 1, 12, SUR (1^12 m^-2), 2, 4, 6, 8, 1, 12, SUR (1^12 m^-2) Figuur 14. Relatie tussen SUR waarden en helling TMP toename van UF skid 1 (links) en UF skid 4 (rechts) in de periode 6/9/26 11/1/26. Figuur 14 laat een verschillende relatie zien voor beide UF skids. De invloed van de SUR waarde op de TMP toename is voor UF skid 4 groter dan voor UF skid 1. De leeftijd van de membranen verklaart dit verschil. In UF skid 1 zijn een half jaar voor het onderzoek nieuwe membranen geplaatst. De membranen in UF skid 4 zijn al vier jaar oud en daarom in slechtere staat en meer vervuild. De extra weerstand door de vervuiling vereist een hogere TMP voor eenzelfde flux. Het verschil in correlatie is ook te verklaren door de leeftijd van de membranen. SUR metingen worden uitgevoerd met schone membranen en dit zien we terug in de correlatie. UF skid 1 met de membranen van een half jaar heeft een betere correlatie dan UF skid 4 waarvan de membranen ouder en meer vervuild zijn.,4,35 Increase TMP (bar/filtration cycle),3,25,2,15,1 y =,41x +,2 R 2 =,8952,5, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, SUR (1^12 m^-2) Figuur 15. Relatie tussen SUR waarden en helling TMP toename van UF skid 1 in de periode 13/1/26 7/12/26. Figuur 6 bevestigt de bevindingen van figuur 15. Van UF skid 4 kon geen vergelijking worden gemaakt omdat de R 2 van de TMP hellingen kleiner dan.7 waren. Hoe dan ook de resultaten laten zien dat er een relatie is tussen de helling van TMP toename en de SUR waarde. Dit is echter wel afhankelijk van de leeftijd van de membranen. 15

16 Conclusies Het effect van voorbehandeling is afhankelijk van de SUR waarde van ruw effluent in Sas van Gent. Het effect wordt minder bij lagere SUR waarden. De relatie tussen de SUR waarden en helling van TMP toename is aangetoond voor UF skid 1. Deze relatie is waarschijnlijk wel afhankelijk van de conditie van de membranen. De bevindingen tijdens het onderzoek laten zien dat de SUR een waardevolle parameter is voor het monitoren van de kwaliteit van effluent. Daarnaast kan de SUR worden toegepast voor het monitoren en sturen van voorbehandeling en kan de geschiktheid van waterbronnen voor ultrafiltratie worden beoordeeld. DANKWOORD Het onderzoek in het kader van het onderzoeksproject ultrafiltratie van effluent wordt financieel ondersteund door Evides Industriewater, Witteveen+Bos en Veolia Water. LITERATUUR (1) J.C. van Dijk en J.Q.J.C. Verberk, Collegedictaat gz447, TU Delft, november 2 (2) Mulder, Marcel (1996) Basic principles of Membrane Technology, Kluwer Academic Publishers, Dordrecht. (3) Te Poele, S. (25) Foulants in ultrafiltration of wwtp-effluent, PhD thesis Delft University of Technology, Delft. (4) Roorda, J.H. (24) Filtration characteristics in dead-end ultrafiltration of wwt-effluent, PhD thesis, Delft University of Technology, Delft. (5) The XIGA TM Concept and Operation Manual 16