GenoMembran för avskiljning av NOM i svenska ytvatten. Kenneth M Persson och Alexander Keucken

Transkript

1 GenoMembran för avskiljning av NOM i svenska ytvatten Kenneth M Persson och Alexander Keucken

2 SVU-projekt: GenoMembran 4 universitet - Uppsala, Lund, Chalmers och SLU 5 vattentjänstbolag - 2 industridoktorander och 1 doktorand - Mängder med experter, tekniker, analytiska kemister osv Pentair, Purac, Sintef

3 Personer som direkt verkat i GenoMembranprojektet är: Malin Asplund, Tekniska Verken i Linköping AB (publ) Olof Bergstedt, Göteborg Kretslopp och Vatten Kristina Dahlberg, Norrvatten Malin Delin, Gästrike Vatten Björnar Eikebrokk, Sinteff Per Ericsson, Norrvatten Ingemar Heidfors, Purac AB Andrew Holmes, Purac AB Ann-Sofi Jönsson, Lunds tekniska högskola Alexander Keucken, VIVAB Elin Lavonen, Sveriges lantbruksuniversitet Anna Lövsén, Tekniska Verken i Linköping AB (publ) Thomas Pettersson, Chalmers Britt-Marie Pott, Sydvatten AB Henrik Rydberg, Göteborg Kretslopp och Vatten David Starnberg, Gästrike Vatten Helena Stavklint, Tekniska Verken i Linköping AB (publ) Karolina Stenroth, Gästrike Vatten Stephan Köhler, Sveriges lantbruksuniversitet Angelica Lidén, Lunds tekniska högskola

4

5 Gävle Norrvatten VIVAB (Varberg) Linköping Sydvatten

6 Försöksupplägg Försök med ultrafilterpilot (med Pentair Aquaflex) och nanofilterpilot (med HFW 1000) på Görväln, Kvarnagården, Råberga, Ringsjöverket och Gävle vattenverk Vissa försök också med Koch PMPW 10 och Dow NF 270 Utvärdering av driftdata, vattenkvalitetsdata och barriäreffekt

7 Membrane pore size and retention 100 Fe 80 Retention [%] Colour 20 Ca Mn TOC Nominal membrane pore size [nm] Pore size in NF plants: 1,5-5 nm UF plants: nm

8 NÅGRA RESULTAT

9 Absorbans mot TOC i samma vattenprover för tre av råvattenkällorna och membranpermeat 0,5 0,45 0,4 Absorbans, 254 nm 0,35 0,3 0,25 0,2 0,15 0,1 Bolmen Ringsjön Stångån Linjär (Bolmen) Linjär (Stångån) 0, TOC (mg/l)

10 Resultat vid olika utbyten/rejektnivåer vid NF av vatten vid Råberga vattenverk med HFW 1000 Utbyte TOC (mg/l) Absorbans Färg (mg Pt/l) Hårdhet (dh) Rå Perm Rå Perm Rå Perm Rå Perm 50 % 9,3 1,4 0,28 0, ,6 1,8 75 % 9,2 1,4 0,28 0, <5 2,4 1, % 9,2 3,2 0,28 0, ,3 1,9

11 Hårdhet i permeatet för olika inställningar av flux och tvärströmshastighet vid NF i Råberga vattenverk med HFW ,1 2 1,9 Tvärströmshastighet 1,8 Hårdhet ( dh) 1,7 1,6 1,5 0,25 m/s 0,5 m/s 0,75 m/s 1,0 m/s 1,4 1,3 1, Flux (l/(m 2 h))

12 SLUTSATER

13 Slutsatser Membranteknik kan användas för att reducera NOM i dricksvatten. Ultrafiltrering måste kombineras med förfällning eller direktfällning för att NOM-halten skall minska. Kombinationen UF och förfällning/direktfällning kräver lägre fällningskemikaliedos än bara kemisk fällning, vilket minskar slamproduktionen. UF med förfällning/direktfällning ger ungefär samma resthalt av NOM som kemisk fällning.

14 Slutsatser Nanofiltrering fungerar även utan kemisk fällning. NOMreduktionen blir hög och endast lågmolekylärt organiskt material passerar genom nanofiltermembranen. Retentionen av kalcium och magnesium behöver beaktas. Ultrafilter kan drivas vid mycket högt vattenutbyte och bara låga spolvattenförluster, lägre än 4%, medan nanofiltrering behöver drivas med tvärströmsfiltrering för att fungera. För nanofilter kan spolvatten- och retentatförlusterna bedömas uppgå till % av totalflödet in till vattenverket.

15 Slutsatser Såväl nanofilter som ultrafilter ger en god mikrobiell barriär och har som regel en reduktion bättre än 4-log i alla undersökningar. Ofta är reduktionen nära 6-log också för virus. Skulle bristningar eller brott i membranet föreligga minskar barriärverkan snabbt. Kapaciteten i ultrafilter är högre än i nanofilter, då mera vatten kan beredas per kvadratmeter membranyta i ultrafilter än i nanofilter. Typiska flux är 100 l/m 2 h för ultrafilter och 20 l/m 2 h för nanofilter.

16 Slutsatser Både ultrafilter och nanofilter kan uppföras i mycket kompakta anläggningar, eftersom membranen kan packas i yteffektiva moduler. Membranteknik måste trycksättas för att fungera och därmed krävs elenergi till pumpdriften om inte trycket kan åstadkommas hydrostatiskt från en högt belägen vattentäkt. Den specifika elförbrukningen per producerad dricksvattenvolym är ungefär 0,05-0,12 kwh/m 3 för ultrafilter och 0,2-0,5 kwh/m 3 för nanofilter.

17 Slutsatser De säsongsmässiga variationerna behöver beaktas vid driften av membrananläggningar. Kallt vatten vintertid ger betydligt (30-40 %) lägre flux än varmt vatten sommartid. Om processen ska köras med bibehållet flux behövs en analog ökning av tryckstegringen. I jämförelse mellan de olika vattenverken där membranteknik testades i projektet visade det sig att råvattenkvaliteten har stor betydelse för hur länge membrananläggningen kunde drivas mellan returspolningscyklerna, men permeatkvaliteten var snarlik efter beredning.

18 Slutsatser Vid fällning på ultrafilter krävs försök för att hitta en fungerandefällningskemikalie och dos för de specifika kemiska förutsättningarna. Uppehållstid och kemikaliedos kan båda minskas jämfört med konventionell kemisk beredning. Vid instabila förhållanden i pilotdrift kan järn ge problem med beläggning och är inte alltid ett lämpligt val trots att den ger bättre NOM-retention i bägarförsök. För att säkerställa den mikrobiella barriärverkan behöver integritetstester genomföras regelbundet över membranmodulerna. Integritetstesterna visar om det finns läckande membran i anläggningen.

19 Slutsatser Även om membranen är intakta kan ibland återväxt av mikroorganismer ske i vattnet efter att permeatet samlats upp. Kemiskt desinfektion vid returspolning ger en ökad mikrobiell säkerhet för permeatet. Alternativt kan permeatet behandlas med biologiskt aktivt kol, i långsamfilter eller med UV-desinfektion. Vid design och dimensionering av membranteknik för dricksvattenberedning finns numera förhållandevis mycket erfarenheter på ett generellt plan. Det är dock värdefullt att genomföra pilotkörningar för det specifika vattenverket om membranteknik övervägs som metod.

20 Organiskt kol i dricksvatten / NOM / brunifiering Vilken betydelse har ökningen av NOM? Hur påverkas vattenverken? Ledningssystemet, biofilm, kemiska och mikrobiella processer, korrosion? Smak och lukt? Klimatförändringar och NOM? Metoder för reduktion i reningsverk?

21 Organiskt kol i dricksvatten / NOM / brunifiering Senast under IWA NOM6 startar det svenska membrannätverket för vatten I samband med konferensen inbjudes alla intresserade att vara med

22 Från pilot till fullskalig beredning två stegs UF process på Kvarnagårdens vattenverk Alexander Keucken,

23 DV distribution: Kvarnagårdens VV Vattentäkter: Neden/Mäsen (ytvatten) Ragnhilds källa (grundvatten) Ledningslängd: Råvatten: 20 km Dricksvatten : 603 km Kv. står för 90% distribution av anslutna VA-abonnenter Antal mindre vattenverk: 7 Antal tryckstegringar: 10

24 Ytvatten: fenomen Brunifiering Pågående brunifiering av sjöar och vattendrag i större delar av Skandinavien (södra delar av Sverige) Ökade trender av färgtal och COD i råvatten till Kvarnagården VV Blandvattnet har dämpat effekterna pga. liten andel grundvatten

25 Kvarnagården VV nuvarande beredning Blandat råvatten (yt /grundvatten) Alkalisering (kalk + koldioxid) Snabbfiltrering (sand) Kloramin (ej godkänd säkerhetsbarriär) UV ljus (godkänd primär desinfektion) Säkerställa och höja mikrobiologisk barriärverkan enligt gällande lagkrav Pågående brunifiering av ytvattentäkt medför ökade humushalter och färgtal i dricksvattnet

26 Pilotförsök: kontaktfilter UF NF Ultrafiltrering: juni 10 sept. 11 Råvatten (med/utan förbehandling) Råvatten med direktfällning över membranet Snabbfiltrat Kontaktfilter: mars 12 maj 12 Ros filter med fällning Nyutvecklad nanofiltrering: nov. 11 mars 12 Kapillära hålrumsmembran för utökad NOM avskiljning UTAN kemikalier och nämnvärd minskning av vattnets hårdhet

27 Pilotförsök med UF Direktfällning (optional) Koagulant: PlusPAC 1465 Statisk mixer Ingen ph justering Förbehandling (mikrofilter) Trycksatt fiber filter (polyamide) Cut off: 5 10 µm Ultrafilter Trycksatt membranmodul: Koch HF MWCO: 100 kda (porstrlk.: 0.05 µm) Membranmaterial: semi permeabel PES Membranyta: 52,4 m 2

28 Resultat: UF utan/med direktfällning UF med förbehandling medför ingen nämnvärd NOMreduktion UF med direktfällning resulterar i reduktion av: DOC: ~ 33%, UV absorbans: ~ 53 % Biopolymer och humusämnen avskiljs i större omfattning i relation till membranets cut off.

29 Kvarnagården VV framtida beredning Blandat råvatten (yt /grundvatten) Snabbfiltrering (sand) Ultrafiltermembran + fällning Multipel barriärfunktion, effektiv NOM avskiljning Alkalisering (kalk + koldioxid) UV ljus (godkänd primär desinfektion) Kloramin (ledningsnät) Två oberoende mikrobiologiska barriärer (avskiljande/inaktiverande) Effektiv reduktion av naturlig organiskt material (NOM) genom direktfällning över UF membran

30 Färdplan för uppförande av ny beredningssteg Jan 14 Våren 14 Hösten 14 Feb 15 Mars 16 Juni 16 Tilldelningsbeslut: TE UF Detaljproj. av UF, framtagande av FFU för utförandeentreprenader Upphandling av sidoentreprenader Byggstart Provdrift av ny UF Produktion med förhöjd barriärverkan

31 Kontrakterade entreprenörer Totalentreprenad: Purac AB Leverans av komplett UF anläggning samt mobil UF testanläggning Generalentreprenad: Skanska Sverige AB Mark och byggnadsarbete samt samordning av UE Underentreprenörer: Maskin (Purac AB), VVS/Rör (Falkenbergs Rör AB), ventilation (Bravida AB) Upphandling av El styr/vvs styr pågår Totalbudget: ca. 90 milj. SEK

32 Ultrafilter: två stegs process UF 1 UF 2 UF 1 UF 2 Garanterad barriärverkan: 6 log för protozoa, 4 log för virus Högt permeatutbyte ( 99%) inget utsläpp till recipient Omhändertagande av spolvatten före avledning till spillvattennät

33 Pentair X flow UF membrane ~ hålrumsmembran (fibrer) 0.8 mm PES Uppgraderad modul moduldiameter: 8.7, membrandiameter: 0.8 mm, membranyta: 55 m 2 Nominell porstorlek: 20 nm 6 korrugerade plattor Inga bypass-kanaler 12

34 Fullskaledesign: UF tvåstegs process Max. kapacitet: 1080 m 3 /h ~ m3/d nuv. överkapacitet: ~5%, pot. kapacitetsökning: + 15% (1080 m 3 /h 1242 m 3 /h) UF steg 1 och 2: 370 moduler (total membranyta: m 2, byggareal: ~300 m 2 )

35 Fullskaleanläggning UF

36 Test och demonstrationsanläggning Syfte Validering och provdrift av fullskaleanläggning Testanläggning för membranelement Nödförsörjning vid mindre vattenverk Praktisk forskning inom membranteknik Dimensionering 40 fot containeranläggning Kapacitet: 6 m3/h (permeat) Dead end, cross flow drift 3 fullskaliga membranelement (STEG 1: 2 st., STEG 2: 1 st.)

37 UF-testanläggning

38 Styrning av NOM reduktion UVabs + Turbiditet i matarvatten