Nytt membrankoncept för humusrika ytvatten kapillär nanofiltration. Kristina Dahlberg / Processingenjör Norrvatten

Transkript

1 Nytt membrankoncept för humusrika ytvatten kapillär nanofiltration Kristina Dahlberg / Processingenjör Norrvatten

2 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

3 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

4 Norrvatten & Görvälnverket Försörjer 13 kommuner ca en halv miljon människor med dricksvatten Produktion ~ m 3 /dygn NORRTÄLJE SOLLENTUNA

5 NOM (Naturligt organiskt material) Nedbrytningsprodukter från växt- och djurriket 1000-tal olika föreningar Ökning i svenska vattendrag sedan 70-talet Absorbans (medel) i 28 större vattendrag

6 Varför ta bort humusämnen(nom)? Minskad effekt av UV desinfektion Minskad effekt på klorbaserad desinfektion och ökning av DBP Ökande halter av NOM 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.)

7 Görvälnverket Beredningsprocess

8 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.

9 SVU-projekt GenoMembran Projekt för humusrening med membranteknik 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.

10 GenoMembran Norrvatten Tekniska verken VIVAB Sydvatten

11 GenoMembran GenoMembran omfattar tre delområden: Vattenkvalitet Långtgående NOM karakterisering av rå- och dricksvatten (HPSEC, FT-ICR- MS, 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

12 The Color removal package (CRP) KEY Principles CRP: Removal of organic matter for drinking water production - DOC - UV Color (Pt-Co) Minimal removal of hardness MEMBRANE CHARACTERISTICS: - Hollow fiber 0.8mm - Inside-out filtration - Chlorine resistant - MWCO of 1000 Da. - 1-step production, no risk of loosing top-layer - 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

13 PENTAIR X-FLOW: Membranportfölj Membrankoncept HFc COLOR Maximerad NOM-reduktion: DOC, UV 254, Color (Pt-Co) Begränsad minskning av hardheten: Mg 2+, Ca 2+

14 Görvälnverket Pilotförsök

15 Quickscan: Försöksuppställning och drift GAC HFc

16 NF80pilot - uppställning Pilotförsök NF80 Jan - Jun 2014

17 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 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) NF 80 Container pilot

18 Uppföljning med hjälp av analyser

19 Quickscan: Membranprestanda

20 Quickscan: on-line UV/Vis Spektroskopi

21 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 NEU är i allmänhet svår koagulerbara fraktioner

22 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 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

23 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

24 Tack!

25

26

27 NF80-pilot: Hydraulic performance B/D-experiments Extended CEFF interval: 2 d Jf: 15 lmh Change of intake depth : 4 m (4/2-14) Change of intake depth : 22 m (25/2-14) Jf: 17,5 lmh Jf: 18,75 lmh Jf: 20,0 lmh Membrane performance still stable with Jf: 20 lmh from Some build-up in resistance during the filtration and hydraulic cleaning cycle due to fouling which is removed with CEFF.

28 Capilary NF pilot trial at Görvälnverket On-going pilot trial

29 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 29

30 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)

31 TOC trend i Östra Mälaren 9 TOC mg/l Halt TOC (mg/l) i Lovö vattenverks råvattenintag från Mälaren över tid (årsmedelvärden i blått). (Data från Lovö VV) Datum