Inom nano4water klustret, en EU-finansierad koalition för FoU-projekt inom nanoteknologi för vattenrening, presenterades i slutet av april vid en workshop i Grekland (”Recent Advances in Nanotechnology-based Water Purification Methods”) ett nytt hållrumsmembran för nanofiltration som är anpassat för effektiv NOM-avskiljning utan vare sig användning av koagulanter eller nämnvärd minskning av vattnets hårdhet (Ca2+, Mg2+).
Av: Alexander Keucken
Det nya nanomembranet består av hållrumsfibrer som kombinerar robustheten av rörformiga membran med kompaktheten av spirallindade membran. Till skillnad från dagens NF membran som består av övervägande polymermaterial, är HFc-membranet kemikalieresistent och tål hydraulisk rengöring genom backspolning. Desutom klarar detta membran återkommande täthetskontroller med tryckhållningstester för verifiering av mikrobiologisk barriärverkan, vilket är omöjligt med dagens kommersiella NF membran (”spiral wound” och ”tubular” membranes) . Jämfört med konventionell behandling (fällning, flockning, flotation och snabbfilter) resulterade pilotförsök med en Pentair X-Flow HFc-membranmodul i liknande reduktionsgrader med marginella skillnader (fällningsprocessen: bättre färgreduktion, HFc: högre DOC-avskiljning). Däremot reduceras potentialen av THM-bildande ämnen genom HFc-modulen med 50 % i jämförelse med konventionell beredning. Föregående labbförsök visade att HFc-membranet uppnår den bästa NOM-avskiljningen och lägsta reduktion av bi-valenta metalljoner vid en permeabilitet motsvarande 10 lmh/bar och en diameter på hållrumsmembranet motsvarande 0,8 mm.
Nuförtiden är membranfiltrering en ”accepterad” process inom dricksvattenberedning och kommunal/industriell avloppsvattenrening. Omvänd osmos (R/O) används främst för avsaltning av havs- och brackvatten, mikrofiltration (MF) och ultrafiltration tillämpas övervägande som förbehandlings- eller polersteg för partikelreduktion och som mikrobiologisk avskiljningsbarriär.
Råvatten från ytvattentäkter innehåller förutom partiklar och pathogener även löst naturligt organiskt material (NOM) som härrör från nedbrytningsprodukter av djur och växter. Inom dricksvattenproduktion orsakar förekomst av NOM främst lukt- och smakproblem. Däremot bildas vid desinficering med klor i närvaro NOM cancerogena biprodukter som t.ex. THMs (trihalomethanes) och HAAs (haloacetic acids).
Vid avskiljning av större NOM-fraktioner tillämpas idag övervägande kemiska och fysikaliska processer: fällning, flockning och separation (sedimentering, sandfilter, MF och UF). Vid konventionell beredningen krävs koagulanter och flockbildande ämnen, samtidigt bildas ett inert slam och DBPs (disinfection byproducts). Alternativa beredningsmetoder som jonbytare, avancerade oxidationsprocesser och UV fotolys är på frammarsch.
Den lösta andelen av NOM som oftast karakteriseras som DOC (Dissolved Organic Carbon) eller NPOC (Non Purgeable Organic Carbon) kan praktiskt taget inte avskiljas genom MF och UF. Genom tillsats av koagulanter i kombination med främst UF uppnås en utökad NOM-reduktion, vilket medför ett koncentrat med högre metallinnehåll (aluminium och järn). Med dagens kommersiella spirallindade NF-membran uppnås en effektiv reduktion av DOC, men samtidigt reduceras önskvärda metalljoner (Ca2+, Mg2+), bortsett från att ett salthaltigt koncentrat måste omhändertas.
Idag domineras nanofiltrationen av två olika processer som använder rörformiga (tubular) eller spirallindade (spiral wound) membran. Dessa membran består oftast av polyamider eller cellulosaacetat och kännetecknas av en låg klorresistens vilket begränsar möjligheten till desinfektion och kemisk rengöring. Framförallt spirallindade membranmoduler kräver långtgående förbehandlingsprocesser, då konstruktionen (feed spacer) medför en ökad fouling-potential, samtidigt är enbart en resurskrävande framspolning som hydraulisk rengöringsmetod möjligt.
Enligt Pentair X-Flow har det utvecklats en cross-over membranmodul som är framtagen för effektiv NOM-reduktion (upp till 90 % mät som UV254 absorption) utan behov av tillsats av koagulanter. Ett s.k. hållrumsnanomembran, HFc (Hollow Fiber Colour), kombinerar fördelar av rörformiga och spirallindade membran med unika egenskaper:
- Dimension av membran modul: diameter: 8 tum, längd: 60 tum
- Längre jämfört med rörformiga membran, lika med spirallindade membran
- Aktiv membranyta: 40 m2 per element
- Större än rörformiga membran, lika med spirallindade membran
- Membranmaterial: polyetersulfon
- Klorresistent och pH-tolerant, därmed robustare än rörformiga (cellulosaacetat) och spirallindade (polyamid) membran
- Membranets geometri: asymmetriskt enkelt lager
- Tål hydraulisk rengöring med backspolning, därmed robustare än tunnfilms membran med dubbla lager (tubular och spiral wound)
Dessutom möjliggör den robusta konstruktionen av HFc-membranet återkommande integritetskontroller genom tryckhållningstester (t.ex. Air Integrity Testing) som inte kan tillämpas på de konventionella membranen.
Inom ramen för ett EU-finansierat FoU-projekt (Seventh Framework Programme), Nametech, utfördes ett pilotförsök under sex månader på Yorkshire´s Water Service som kännetecknas av ytvatten med periodvis höga färgtal och kraftig varierande halter av NOM. Under hela försöksperioden har HFc-modulen uppfyllt gällande kvalitetskrav map. reduktion THM-bildande ämnen samt mikrobiologisk barriärverkan. I samband med nanofiltrationen krävdes inget särskilt omhändertagande av koncentratet (ingen tillsats av koagulanter). Enligt Pentair X-Flow visar detta pilotförsök att HFc nanofiltration har en stor potential till en kemikalifri ett stegs dricksvattenberedning av stark brunifierade ytvatten.
Det svenska perspektivet:
Den pågående brunifieringen av svenska ytvatten till följd av klimatförändringar, har aktualiserat frågan om alternativa reningsprocesser för effektiv NOM-avskiljning. I samband med ett SVU-finansierat membranprojekt ”GenoMembran – Membran mot brunt vatten” kommer parallella pilotförsök att utföras med olika membranprocesser på fyra stora kommunala ytvattenverk i Sverige. I dagsläge testas redan ett HFc-element med mycket lovande driftresultat på Kvarnagårdens vattenverk (sex månaders provdrift). Inom membranprojektet kommer testkörningar av nya skräddasydda membranmoduler intensifieras bl.a. med HFc-membran på Görvälnverket/Norrvatten. Det återstår att se om de svenska pilotförsöken kommer att bekräfta de imponerande driftresultaten av Pentair´s egna fältstudier.
Källa: F.J. Spenkelink, W.B. Wennekes, B. Blankert, F. Knops, R. Dekker, J. Potreck”NEW DEVELOPMENTS IN HOLLOW FIBER NANOFILTRATION”, publicerades vid 2nd Dissemination Workshop of the Nano4water Cluster, 24.-25.04.2012, Chalkidiki, Grekland
Stort tack för tipset riktas till Gerald Heinicke, DHI
