Nytt membrankoncept för humusrika ytvatten – kapillär
Download
Report
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)