VOORKOMEN VAN MEMBRAAN FOULING

Transcriptie

1 VOORKOMEN VAN MEMBRAAN FOULING CHRIS DOTREMONT VITO BMG WORKSHOP 14 APRIL

2 INHOUD Oorzaken fluxdaling Fouling Concentratie polarizatie Minimalisatie fouling bij MF/UF Oppervakte waters MBRs RO/NF 2

4 ZUIVER CONCENTRATIE WATER FLUX VERSUS PROCES POLARISATIE FLUX Ontstaan van een limiet- plateauflux Flux Zuiver water Oplossing TMP

5 FLUXDALING Praktijk: overgang van zuiver water naar procesoplossing UF: fluxdaling tot 5 % van initiële waterflux MF: fluxdaling tot 1 % van initiële waterflux Flux Jw concentratiepolarisatie fouling flux flux flux = = = drijvende R m m m drijvende kracht R + R drijvende R + R cp kracht cp kracht + R f tijd

6 OORZAKEN FLUXDALING FLUXDALING CONCENTRATIE-POLARISATIE wordt veroorzaakt door het weerhouden van de stof - treedt snel op - reversibel FOULING - wordt veroorzaakt door: poriënverstopping (vnl. bij MF) adsorptie op de poriënwanden afzetting van de opgeloste stof - treedt pas op na lange duur - irreversibel

7 CONCENTRATIE-POLARISATIE Het ontstaan van een concentratieprofiel voeding boundary layer J.C membraan c g J.C p c b D. dc dx x d 0 c p

8 OORZAKEN FLUXDALING: FOULING EN CONCENTRATIE POLARISATIE (CP) Theoretisch J i.f.v. P geeft een rechte : Realiteit P grensflux : J R tot opbouw weerstanden aan membraanoppervlak» membraan (m)» concentratiepolarisatie (cp)» adsorptie (a)» gellaagvorming (g)» porieblokkering (p) R p R a R m R g R cp

9 MINIMALISATIE VAN FOULING VAN FOULING Meest gebruikte methodes:» Hydrodynamische condities aan het membraanoppervlak (vnl. turbulenties)» Voorbehandeling van de voeding» Juiste membraan/module selectie

11 MINIMALISATIE VAN FOULING VAN BIJ MF/UFOULING Dead-end versus cross-flow voeding gellaagdikte DEAD-END M flux permeaat tijd flux CROSS-FLOW voeding M retentaat gellaagdikte permeaat tijd

12 MINIMALISATIE VAN FOULING BIJ MF/UF Cross-flow filtratie (vnl. bij UF)» Problemen groot energieverbruik (pompvermogen = debiet x drukverlies) grote afschuifkrachten» Alternatieven inductie van secundaire stromingspatronen: spacers (spiraal gewonden membranen) statische mixers (tubulaire membranen) gebruik van schotten, e.d. (vlakke membranen) semi-deadend operatie (SDE-O) met terugspoeling voeding back-flush M permeaat

13 MINIMALISATIE VAN FOULINGVAN BIJ MF/UFOULING Back-flush / back-shock (vnl. bij MF) permeaat permeaat voeding retentaat voeding retentaat permeaat FILTRATIE permeaat BACK-FLUSH/ BACK-SHOCK

14 MINIMALISATIE VAN FOULING BIJ MF/UF Frequentie % neg. flux Duur Back-flush: Back-shock: flux met back-flush/ back-shock zonder back-flush tijd

15 MINIMALISATIE VAN FOULINGVAN BIJ MF/UFOULING Geschikte membraankeuze/module» bepaalt in sterke mate vervuiling en reinigbaarheid Geschikte voorbehandeling» Voorfiltratie» Chemische klaring of toevoeging van complexeermiddelen» ph aanpassing» Warmtebehandeling» Gebruik van enzymes en preadsorptie op actieve kool

16 PROCESVOERING MINIMALISATIE VAN FOULING BIJ OPPERVLAKTEWATER BEHANDELING Twee types van bedrijfsvoering: makkelijke waters: SEMI-DEAD-END (SDE-O) Oppervlakte waters Grond-/bronwater moeilijke waters: CROSS-FLOW (CF-O) of SDE-O ondergedompeld Afvalwaters Eutrofische waters Rivier water

17 TMP (bar) PROCESVOERING MINIMALISATIE VAN FOULING BIJ OPPERVLAKTEWATER BEHANDELING Typische karakteristieken voor SDE-O Alternerende filtratie en spoelcycli (backwash) 1,5 T = 20 C Recovery = 95 % 1,5 1,2 1,2 0,9 0,9 0,6 0,6 0,3 0,3 0, ,0 Time (h)

18 TMP (bar) MINIMALISATIE VAN FOULING BIJ OPPERVLAKTEWATER BEHANDELING DOEL SDE-O: stabiele bedrijfsvoering (stabiele TMP/permeabiliteit) 1,5 T = 20 C Recovery = 95 % 1,5 1,2 1,2 0,9 Maar soms loopt het toch mis! 0,9 0,6 0,6 0,3 0,3 0,0 0, Time (h)

19 MINIMALISATIE VAN FOULING BIJ OPPERVLAKTEWATER BEHANDELING Kritische factoren die stabiliteit bij SDE-O beïnvloeden:» stabiele bedrijfsvoering (stabiele TMP/permeabiliteit)» hoge fluxwaarden» hoge wateropbrengst» moeilijke voedingswatertypes (aanwezigheid van veel fijne deeltjes, TOC,colloïden, )» membraan/module type TMP (bar) 1,0 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 T corrected to 25 C Recovery = 90 % 200 lmh min 0,0 0, Time (h) 150 lmh - 10 min 100 lmh - 15 min 1,0 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 TMP (bar) 1,0 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 gecorrigeerde T = 25 C Recovery = 90 % 0,0 0, Proefduur (h) 200 lmh min 150 lmh - 10 min 100 lmh - 15 min 1,0 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1

20 MINIMALISATIE VAN FOULING BIJ OPPERVLAKTEWATER BEHANDELING» Alternatieve spoelingsprocedures voor SDE-O» Forward flush (FF): met voedingswater/membranen met grotere ID!» Air-lift/air scrub (AL/AS): spoeling met lucht/water mengsel langs voedingszijde

21 MINIMALISATIE VAN FOULING BIJ OPPERVLAKTEWATER BEHANDELING Alternatieve spoelprocedures voor SDE-O: AIRLIFT/AIRSCRUB - hoge turbulenties langs membraanoppervlak als gevolg van lucht/water mengsel - membranen met grotere ID noodzakelijk (> 1.5 mm)

22 MINIMALISATIE VAN FOULING BIJ OPPERVLAKTEWATER BEHANDELING SDE-O / IN-LINE DOSERING VAN VLOKMIDDEL Dosering van vlokmiddel (bv.: FeCl 3 ) genereert Fe(OH) 3 en omvat filtratiekoek. Deze gecombineerde koek is meer permeabel (zie FESEM). Hierdoor wordt filtratie stabieler Zonder FeCl 3 Berekende koekporositeit: 37 % (zonder) en 93 % (met) Met FeCl 3 (0.7 mg Fe/l)

23 MINIMALISATIE VAN FOULING BIJ OPPERVLAKTEWATER BEHANDELING Mogelijkheden IN-LINE dosering van vlokmiddel Uitstellen van reinigingsactie Membraan natuur wordt minder belangrijk 1,0 1,0 0,9 0,9 TMP (bar) 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 zonder FeCl 3 3 mg Fe 3+ /L Effect van uitvallen van dosering 0,2 0,2 0,1 0,0 0,1 0, Time (h) TMP (bar) 1,0 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 1,0 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,3 0,2 0,2 0,1 0,1 0,0 0, Time (h)

24 MINIMALISATIE VAN FOULING BIJ OPPERVLAKTEWATER BEHANDELING Conclusies van IN-LINE dosering van vlokmiddel bij SDE-O» Mogelijkheid van flux- en/of wateropbrengstverhoging;» MF/UF wordt haalbaar voor meerdere toepassingen;» Membraannatuur is minder belangrijk;» Uitstellen van reinigingsactie: (lager verbruik chemicaliën / verlengde membraanlevensduur)» Bijkomende verwijdering van organische en anorganische substanties (TOC/fosfaat/As/ ; (interessant voor RO nabehandeling (polishing))

25 FOULING BIJ MBR Extra complexiteit door actief slib!! 25

26 FOULING BIJ MBRS Vervuilende componenten variabel in» Afmeting» Oppervlaktelading» Chemische structuur Organische componenten» Extracellulaire polymere substanties» Vet, olie,..» Grootste bijdrage = colloidaal materiaal Foulingcontrole» Pretreatment» Werken bij lage flux ~ concept kritische, duurzame flux» Werken bij hoge shear (crossflow, beluchting,...)» Reiniging 26

27 FOULING CONTROLE BIJ MBRS Ondergedompelde MBRs» Relaxatie/filtratie cycli» Backwashing Met permeaat: in situ, automatisch elke paar min Met chemicaliën: in situ of on air, automatisch vb. dagelijks Chemische reiniging» Onderhoudsreiniging: in situ, ex situ, on air (lage concentraties, korte contacttijd, wekelijks)» Intensieve reiniging: ex situ (hoge concentraties, lange contacttijd, 1-2 x/jaar) 27

28 FOULING CONTROLE BIJ MBRS 28

30 FOULING BIJ RO/NF Beperkende factoren Afbraak Afzettingen Performantie verminderend Zuur, base Vrije chloor Vrije zuurstof Org. oplosmiddelen Bacteriën Vervuiling Metaal oxiden Colloïden Biologische materies Scaling CaSO 4 CaCO 3 CaF 2 BaSO 4 SiO 2 SrSO 4 Mg(OH) 2 Osmotische druk Viscositeit

31 MEMBRAANDEGRADATIE BIJ RO/NF Degradatie conditie Vrije Chloor ph Bacteriën Vrije Zuurstof Cellulose Acetaat < 1.0 mg/l 4-6 niet resistent resistent TFC- Membranen 0 (gedeeltelijk) 3-10 (4-6) resistent resistent

32 VOORBEHANDELING BIJ RO/NF Scaling Vervuiling Koud / warm (ontkalking) Zeoliet ontharding Aanzuring Antiscalants Coagulatie Clarificatie / uitvlokking Filtratie Oxidatie Zandfiltratie Chlorering Actieve kool H 2 S verwijdering Biocide additie

33 VOORBEHANDELING BIJ MF/UF CaCO 3 CaSO 4 BaSO 4 SrSO 4 CaF 2 SiO 2 Silt Fe Al Bact. Oxidans Org. stof Aanzuring Antiscalant Ontharding met IEX Ontkalking Preventieve reiniging Filtratiemedium Oxidatie - filtratie In-line coagulatie Coagulatie - Uitvlokking MF / UF Kaarsenfilter Chlorering Ontchloring Temp.schok behandeling Preventieve ontsmetting GAC filtratie heel werkzaam mogelijk

34 KARAKTERISERING VOEDINGSWATER Ca 2+ + HCO 3 H + + CaCO 3 Scaling LSI = ph - ph S Langelier Saturation Index (TDS < mg/l) SDSI = ph - ph S Stiff & Davis Stability Index (TDS > mg/l) Vervuiling SDI Silt Density Index

35 SDI SILT DENSITY INDEX Dead-end filtratie over MF membraan (0.45 µm) cte P (30 psi) Volume V = const. V = const. t 1 t 2 15 min. Tijd t t 2 SDI 15 T 15min 1 % min ; V 500 ml 15

36 KWALITEITSVEREISTEN VOEDINGSWATER RO/NF Scaling Vervuiling Parameter Waarde Parameter Waarde LSI (TDS < mg/l) SDSI (TDS > mg/l) < 1.0 met antiscalant < 0.0 zonder antisc. < 0.5 met antiscalant < 0.0 zonder antisc. SDI 15 Troebelheid IJzer < 5 < 1 < 0.05 mg/l Barium < 0.05 mg/l Mangaan < 0.1 mg/l Strontium < 0.1 mg/l H 2 S < 0.1 mg/l Silica, reactief mg/l Organische stoffen < 10 mg/toc

37 VITO S FUNCTIONALIZED CERAMIC MEMBRANES Post-synthesis grafting based on organometallic chemistry: Grignard chemistry 37

38 VITO S FUNCTIONALIZED CERAMIC MEMBRANES Unparalleledly low irreversible fouling tendency! Grafting of small R-groups on commercial TiO 2 NF membranes Virtually no irreversible fouling by humic acids Same behaviour for laminarin, meat peptone and other model foulants Validated on various industrial waste/process streams 38

39 VITO S IPC MEMBRANES First fully backwashable flat sheet membranes for MBR applications 3D spacer fabric for membrane support with a thickness of only 3mm Double coated Hollow space serves as permeate drainage channel Membrane well anchored on textile fabric 39

40 MTC (l/hm²bar) Flux (l/hm²) VITO S IPC MEMBRANES Domestic waste water: IPC-PVDF (30 m²) gross recovery 90 % 800 MBR-pilot, IPC-PVDF module, flux 55 l/hm² av. MTC av. flux /08/15 1/09/15 2/09/15 3/09/15 4/09/15 5/09/15 6/09/15 7/09/15 8/09/15 Time 40

41 VITO S IPC MEMBRANES Domestic waste water - critical flux summary IPC Cycle time (minutes) Recovery (%) Gross critical flux (l/h.m²) Net critical flux (l/h.m²) , Benchmark Cycle time (minutes) Recovery (%) Gross critical flux (l/h.m²) Net critical flux (l/h.m²)

42 42