Transcript Nytt membrankoncept för humusrika ytvatten – kapillär

Nytt membrankoncept för
humusrika ytvatten –
kapillär nanofiltration
Kristina Dahlberg / Processingenjör Norrvatten
Acknowledgements
Special thanks to:
Alexander Keucken, Research Manager, VIVAB
Kenneth M. Persson, Research Manager, Sydvatten AB
Angelica Lindén, PhD student, Sydvatten AB
Elin Lavonen, PhD student, SLU
Stephan Köhler, Professor, Aquatic Sciences/ SLU
Tom Spanjer, R&D Technologist, Pentair
Remon Dekker, R&D Manager Water, Pentair
Per Ericcson, Senior Adviser, Norrvatten
Roland West, Electrician, Norrvatten
Laboratory personnel, Norrvatten
Roger, Cornelius etc., Technicians, Norrvatten
IWA NOM5 Down Under - Perth 2013
Innehåll
• Introduktion
– Norrvatten och NOM problematiken
– SVU-projektet: “GenoMembran”
– Hollow Fiber Color (HFc): koncept
• Metodik
– Testanläggningar: Nanofiltrering (NF) och granulerat aktivt kol (GAC)
– Processövervakning
– NOM-karakterisering
• Resultat
– Retention av NOM och mineraler
• Slutsatser
Norrvatten & Görvälnverket
• Försörjer 13 kommuner – ca en halv miljon människor med dricksvatten
• Produktion ~120 000 m3/dygn
NORRTÄLJE
SOLLENTUNA
NOM (Naturligt organiskt material)
Nedbrytningsprodukter från växt- och djurriket – 1000-tal olika föreningar
Ökning i svenska vattendrag sedan 70-talet
Absorbans (medel) 1970-2005 i 28 större vattendrag
Varför ta bort humusämnen(NOM)?
Minskad effekt av
UV desinfektion
Ökande
halter av
NOM
Minskad effekt
på klorbaserad
desinfektion…
… och ökning
av DBP
Ökande problem med lukt, smak och färg
Ökande co-transport av skadliga substanser
Risk för ökning av biologisk tillväxt i distributionssystemet
Ökad fouling i
kolfilter
→ minskad
kemisk barriär
Minskat skydd
vid föroreningar
(tex. Olja, diesel
etc.)
Görvälnverket Beredningsprocess
GAC – Kemisk barriär?
• NOM – adsorberas av kolet och
därmed påverkas adsorptionsförmåga av mikroföroreningar (t.ex.
PFOS, läkemedelsrester etc.)
• Efter bara en månad minskar
avskiljningsförmåga för störande
kemiska ämnen avseevärd (t.ex. låga
halter av petroleumprodukter)
• Fortfarande god reduktion av lukt
och smak (ng/l), orsakad av
algmetaboliter som geosmin, efter 4
års kontinuerlig drift.
SVU-projekt GenoMembran
Projekt för humusrening med membranteknik 2012-2014
Övergripande Mål
• Att utvärdera membranfiltrering för humusrika råvatten.
Tillvägagångssätt
• Pilotstudier med olika typer av membran (UF och NF), både kommersiella
membran och modifierade prototyper.
• Parallela testkörningar vid fyra vattenverk I Sverige på olika gegrafiska
platser.
GenoMembran
•
•
•
•
Norrvatten
Tekniska verken
VIVAB
Sydvatten
GenoMembran
“GenoMembran” omfattar tre delområden:
– Vattenkvalitet
• Långtgående NOM karakterisering av rå- och dricksvatten (HPSEC, FT-ICRMS, 3D-EEM fluorescens)
– Modellering
• Realtids beräkningar av råvattenkvalitetsförändringar för aktuella vattentäkter
(temperatur <=> humus), framtidsprognoser för pågående brunifiering
– Separation
• Utvärdering av membranprocesser för NOM-avskiljning, jämförelser mellan olika
koncept baserade på UF/NF-applikationer
Water Sources
Water Quality
The Color removal package (CRP)
• KEY Principles CRP:
MEMBRANE CHARACTERISTICS:
- Hollow fiber 0.8mm
• Removal of organic matter for
- Inside-out filtration
drinking water production
- Chlorine resistant
- DOC
- MWCO of 1000 Da.
- UV254
- 1-step production, no risk of
- Color (Pt-Co)
loosing top-layer
• Minimal removal of hardness
- Drinking water approvals
(NSF Std.61, ACS, DWI Reg.31)
Surface water
NOM in water
Cross section membrane
Hollow Fiber Nanofiltration
A nanofiltration solution applying hollow fiber membranes
PENTAIR X-FLOW: Membranportfölj
Membrankoncept– HFc COLOR
Maximerad NOM-reduktion: DOC, UV254 , Color (Pt-Co)
Begränsad minskning av hardheten: Mg2+, Ca2+
Görvälnverket Pilotförsök
Quickscan: Försöksuppställning och drift
GAC
HFc
NF80pilot - uppställning
Pilotförsök NF80
Jan - Jun 2014
NF80pilot - drift
Fully automated pilot plant allowing remote access by
modem
Design
•
•
Feed section including coagulant and chemical
dosing for precipitation and pH correction
Membrane system can be operated both in deadend or cross-flow filtration
Equipment
•
•
NF 80 Container pilot
One element of 8” HFW 1000 Nano membrane
module
Pre-programmed automatic cleaning sequences
• Hydraulic cleaning combining backwash with
forward flush
• CEB, flushing with permeate and soaking with
cleaning agents (caustic and acidic cleaning
protocols)
Uppföljning med hjälp av analyser
Quickscan: Membranprestanda
Quickscan: on-line UV/Vis Spektroskopi
Rapid NOM-fractionation set-up
DOC = VHA + SHA + CHA + NEU
•
VHA/SHA
– Hydrofoba, högmolekulära, färgade humusfraktioner av DOC
– Lättfällt/koagulerbart
– Indikerar max. uppnåbar reningseffekt för DOC genom koagulering
•
CHA/NEU
– Hydrofila, lågmolekulära icke humusfraktioner
– Biologisk nedbrytbara fraktioner, avgörande för vattnets biostabilitet/tillväxtpotential
– Rapid
NEU är i NOM
allmänhet
svår koagulerbara
fraktioner
fractionation
set-up
DOC = VHA + SHA + CHA + NEU
VHA
SHA
Chow et al, 2004
CHA
Rapid NOM fractionation set-up
NEU
DOC = VHA + SHA + CHA + NEU
Chow et al, 2004
Rapid NOM fractionation, SINTEF
9.0
INLET Surface water Mälaren
Filtrate (Rapid Sandfiltration)
GAC-filtrate (full-scale)
OUTLET Drinking Water
Pipe "Rosersberg" (Distribution networks)
Permeate (HFc-test module)
8.5
8.0
7.5
7.0
6.5
6.0
- Signifikant effekt av koagulation
- Ingen nämnvärd effekt av kolfilter
(GAC)
- Påtaglig effekt av kapillär NF
- Ingen biologisk nedbrytning i
ledningsnät
DOC (mgC/l)
5.5
5.0
4.5
4.0
3.5
3.0
2.5
2.0
1.5
1.0
0.5
0.0
VHA
SHA
CHA
NEU
DOC
Rapid NOM fractionation, SINTEF (2)
100
Provtagning: 28.01.2013
Filtrate (Rapid Sandfiltation)
GAC-filtrate (full-scale)
OUTLET Drinking Water
Pipe "Rosersberg" (Distribution networks)
Permeate (HFc-test module)
NOM fraction Removal (%)
80
60
40
20
0
VHA
SHA
CHA
NEU
DOC
Quickscan: NOM-retention
Quickscan: TMP/Konduktivitet
Slutsatser
Kombinerar kapillära NF de goda egenskaperna av både
hållrumsmembran (UF) spirallindade NF membran?
HFC color
UF + Coag
SW-NF
HF-NF
Backwashable



Chlorine resistant (chemical tolerant)



High DOC removal



Limited Hardness removal



No Brine waste



No Coagulant for DOC removal



Online integrity test



Minimal pre-treatment required



Pilot trials
Slutsatser
Kombinerar kapillära NF de goda egenskaperna av både
hållrumsmembran (UF) spirallindade NF membran?
HFC color
UF + Coag
SW-NF
HF-NF
Pilot trials
Backwashable



OK
Chlorine resistant (chemical tolerant)



OK
High DOC removal



OK
Limited Hardness removal



OK
No Brine waste



OK
No Coagulant for DOC removal



OK
Online integrity test



OK
Minimal pre-treatment required



OK
Tack!
NF80-pilot: Hydraulic performance
B/D-experiments
Change of intake depth
: 4 m (4/2 -14)
Extended CEFF interval: 2 d
Change of intake depth :
22 m (25/2 -14)
Jf: 17,5 lmh
Jf: 20,0 lmh
Jf: 18,75 lmh
Jf: 15 lmh
 Membrane performance still stable with Jf: 20 lmh from 04.03.2014
 Some build-up in resistance during the filtration and hydraulic cleaning
cycle due to fouling which is removed with CEFF.
Capilary NF pilot trial at Görvälnverket
• On-going pilot trial 2012-2013
ADVantages CRP
• Effective Removal NOM without hardness
• Reliable and Robust 1-step solution
• Highly tolerant against feed water quality upsets
• Guaranteed Permeate Quality by Airflow Integrity Test (AIT)
• Scalable system; to be integrated in the process
• Very low chemical consumption
• Lower GAC regeneration interval
• No brine waste
• Process intensification
• Minimal pre-treatment required
• Backwashable membrane
• High LOG removal (log 6+ viruses)
• Substantial savings in CAPEX and OPEX
33
HFc – Membranets struktur
Tvärsnitt
Övre skikt
• Asymmetriskt (void free, sponge structure)
• Integrerad top-layer (100 nm) möjliggör hydraulisk rengöring genom
backspolning
• Strukturen blir tätare gentemot membranytan (fördelaktigt för IN-UT filtrering)
• Specifik “backbone structure” (minskar det totala filtreringsmotståndet över
membranet)
• Modifierad PES-polymerblandning (hög kemisk beständighet/klor resistens)
TOC trend i Östra Mälaren
Halt TOC (mg/L) i Lovö vattenverks råvattenintag från Mälaren över tid
(årsmedelvärden i blått). (Data från Lovö VV)