NL1016771C2 - Werkwijze voor het zuiveren van water door middel van filtratie met een micro- of ultrafiltratiemembraan. - Google Patents

Description

- 1 -5

WERKWIJZE VOOR HET ZUIVEREN VAN WATER DOOR MIDDEL VAN FILTRATIE MET EEN MICRO- OF ULTRAFILTRATIEMEMBRAAN

10 De onderhavige uitvinding heeft betrekking op een werkwijze voor het zuiveren van water door middel van dead-endfiltratie met een micro- of ultrafiltratiemembraan, waarbij vóór, tijdens het begin of tijdens elke filtratie-periode een suspensie van een filtratiehulpmiddel aan het 15 te zuiveren water wordt toegevoerd, zodat een laag van dat filtratiehulpmiddel op het membraan wordt afgezet.

Micro- en ultrafiltratie zijn bekende technieken voor het zuiveren van water, die worden toegepast voor de bereiding van bijvoorbeeld drinkwater, huishoud- en indus-20 triewater.

Bij microfiltratie en ultrafiltratie wordt water (voeding) langs een polymeer- of keramisch membraan geleid. Onder invloed van druk als drijvende kracht wordt tijdens de filtratiefase het water door het membraan geperst (per-25 meaat) terwijl zwevende delen, colloïdale delen en grote organische moleculen op het membraan achter blijven. De hoeveelheid water die per uur een vierkante meter membraan passeert wordt flux genoemd. De achtergebleven deeltjes veroorzaken vervuiling die zich uit in een toename van de 30 drukval over het membraan. Periodiek wordt daarom het membraan gereinigd door kortdurend in tegengestelde richting het membraan te doorstromen (vaak terugspoelen of "back-flush" genaamd). Hierbij wordt schoon water van de perme-aatzijde naar de voedingszijde geperst, waardoor de vuil-35 laag wordt verwijderd en af gevoerd (retentaat) . Ook kan het membraan worden gereinigd door met een hoge snelheid water en/of water en lucht langs de vuillaag op het membraan te 1016771¾ - 2 - leiden (vaak "forward flush" of "air flush" genaamd). Omdat met dergelijke reinigingen vaak een geringe hoeveelheid vervuiling achterblijft wordt regelmatig met chemicaliën een reiniging uitgevoerd (vaak "chemische reiniging" of 5 "enhanced backwash" genaamd). Het filtratieproces wordt dus opgedeeld in meerdere cycli, waarbij een filtratiecyclus wordt gevolgd door een spoelcyclus. Na een aantal filtratie- en spoelcycli wordt een chemische reiniging uitgevoerd .

10 De membranen kunnen tijdens de filtratiefase in "cross-flow" of "dead-end" worden bedreven. Bij cross-flow wordt slechts een deel van het voedingswater tijdens de filtratiefase als permeaat afgevoerd, terwijl het overige deel het membraanelement weer verlaat, terwijl bij dead-end 15 al het voedingswater door de membranen wordt geperst. De membranen kunnen als buisvormige, capillaire of vlakke membranen uitgevoerd zijn.

Het grote voordeel van micro- en ultrafiltratie is dat met behulp van deze technieken in één processtap een 20 zeer goede productkwaliteit wordt behaald. De verwijdering van zwevend en colloïdaal materiaal (waaronder bacteriën en virussen) is absoluut te noemen in vergelijking met conventionele zuiveringen. Daarnaast is deze productkwaliteit onafhankelijk van de wisselingen in de voeding. De brede in-25 zetbaarheid maakt micro- en ultrafiltratie aantrekkelijk voor de bereiding van zowel drinkwater als huishoud- en in-dustriewater, of als voorzuivering bij de bereiding van demi-water. Door ontwikkelingen in de membraantechnologie en verbeterde bedrijfsvoering (waaronder reinigingsregimes) is 30 behandeling van een breed scala van waterkwaliteiten technisch en economisch haalbaar.

In een aantal gevallen zijn bovengenoemde technieken niet toe te passen door een hoge vervuilingssnelheid en/of een onstabiele bedrijfsvoering. In dergelijke geval-35 len herstelt de druk over het membraan zich onvoldoende na een terugspoeling en een chemische reiniging. De vervuiling is dan zo extreem dat periodiek de membranen intensief ge- 1016771· - 3 - reinigd moeten worden of in sommige gevallen moeten worden vervangen. In dergelijke gevallen kan soms een dosering van een filtratiehulpmiddel dan uitkomst bieden om het proces te stabiliseren. Hiervoor zijn meerdere technieken beschre-5 ven: "In-linecoagulatie"; bij deze techniek wordt een coagulatiemiddel continu aan de voedings-stroom gedoseerd. Door het coagulatiemiddel worden kleine in het water aanwezige deeltjes 10 uitgevlokt tot grotere. Waardoor deze deeltjes de poriën van het membraan in mindere mate kunnen doen verstoppen. [P. van der Maas c.s., 1999.] "Coating/body feed"; bij deze techniek wordt 15 continu een deeltjessuspensie aan de voedings- stroom gedoseerd. Deze deeltjes (in de meeste gevallen actieve kool) verstoren de koekopbouw op het membraan waardoor bij reiniging deze koek gemakkelijker van het membraan loskomt. 20 [Y. Matsui, 2000] "Pre-coating"; bij deze techniek wordt vóór het begin of tijdens het begin van de filtra-tiecyclus een suspensie met een hoge concentratie deeltjes op het membraan gedoseerd. De 25 deeltjes vormen een beschermend laagje of pre-coat op het membraan. Tijdens de filtra-tiecyclus wordt gesuspendeerd materiaal in het voedingswater afgevangen door de pre-coat in plaats van door het membraan. Tijdens terug-30 spoeling komt de pre-coatlaag van het membraan los en wordt het afgevangen laag met de pre-coatdeeltjes afgevoerd. [G. Galjaard e.a., 2000]

Hoewel micro- en ultrafiltratie zeer geschikt zijn 35 voor het verwijderen van gesuspendeerd en colloïdaal materiaal, worden opgeloste bestanddelen zoals bijvoorbeeld ionen (zout), humuszuren, bestrijdingsmiddelen en organi- 101 677 1' - 4 - sche microverontreinigingen (een aantal specifieke organische koolstofverbindingen) door micro- en ultrafiltratie-membranen niet of maar voor een klein gedeelte tegengehouden.

5 Bij de bereiding van drinkwater of industriewater van hoge kwaliteit (bijvoorbeeld gedemineraliseerd water voor koeldoeleinden) worden aanvullende zuiveringsstappen toegepast voor het verwijderen van deze opgeloste bestanddelen nodig. Bij een dergelijke zuivering zijn micro- en 10 ultrafiltraties te beschouwen als voorbehandelings- of "polishing"-technieken die fungeren als een "desinfectie-scherm" voor de latere stappen. Het gebruik van meerdere zuiveringsstappen maakt waterbereiding duur.

Zoals hiervoor opgemerkt zal men bij de zuivering 15 van water, zeker als desinfectie noodzakelijk is, vaak de toepassing van micro- of ultrafiltratie overwegen. In veel gevallen zal echter ook een deel van de opgeloste bestanddelen verwijderd moeten worden, omdat een aantal van deze opgeloste bestanddelen problemen kunnen veroorzaken. Zo 20 kunnen ammonium en assimileerbare organische koolstoffen (AOC) de groei van bacteriën in het distributiesysteem, in installaties van de afnemers of in de daaropvolgende zuivering veroorzaken. Een andere opgeloste stof die problemen kan veroorzaken, is bijvoorbeeld mangaan dat na oxidatie 25 een moeilijk te verwijderen zwart aanslag kan geven.

Recent is het gebruik van aparte ionenwisselaarko-lommen voor het verwijderen van opgeloste stoffen [C. Char-nock, 2000 en S.G.J. Heijman e.a. 1999] en kleur [S. Ver-bych e.a. 2000, W.H. Höll e.a. 2000] voorgesteld. Hier 30 wordt dus een extra stap bij de zuivering van water toegepast .

Het doel van de uitvinding is derhalve te voorzien in een werkwijze waarmee in één zuiveringsstap zowel gesuspendeerd en colloxdaal materiaal als opgeloste bestanddelen 35 kunnen worden verwijderd.

Volgens de uitvinding wordt dit doel bereikt door bij waterzuivering door middel van dead-endfiltratie met 1016771« - 5 - behulp van een micro- of ultrafiltratiemembraan vóór of tijdens de filtratie ionenwisselaardeeltjes aan het membraan te doseren.

Aldus voorziet de uitvinding in een werkwijze voor 5 het zuiveren van water door middel van dead-endfiltratie met behulp van een micro- of ultrafiltratiemembraan, waarbij de filtratie periodiek wordt onderbroken om het membraan te reinigen en waarbij vóór, tijdens het begin, of tijdens elke filtratieperiode een filtratiehulpmiddel aan 10 het te zuiveren water wordt toegevoerd, zodat op het membraan een laag van dat filtratiehulpmiddel wordt afgezet, met het kenmerk, dat het filtratiehulpmiddel deeltjes van een ionenwisselaarhars met een deeltjesgrootte van 0,5 tot 5 0 μπι omvat.

15 Met de werkwijze van de uitvinding wordt in één zuiveringsstap het water volledig gezuiverd van zwevend en colloïdaal materiaal en specifieke opgeloste bestanddelen zoals bijvoorbeeld hardheid, mangaan, ammonium, assimileerbare organische koolstof en kleur.

20 De werkwijze van de uitvinding kan worden uitge voerd met behulp van de bekende micro- en ultrafiltratie-membraanmaterialen en -uitvoeringen.

Het membraan kan bijvoorbeeld een spiraalgewonden membraan, een vlak membraan of een capillair membraan zijn. 25 Voor productie op grote schaal (>250 m3/h) heeft het de voorkeur compacte membraanmodules te gebruiken die voorzien zijn van een groot aantal capillaire membranen (holle vezels, met een vezeldiameter van bijvoorbeeld 0,5 mm) . Voorbeelden van materialen van dergelijke capillaire membranen 30 zijn hydrofiel polyethersulfon (PES), polysulfon (PS), po-lypropyleen (PP), celluloceacetaat (CA), polyacrylonitril (PAN) polyvinylideenfluoride (PVDF) of polyvinylpyrrolidon (PVD).

Bij de uitvoering van de werkwijze van de uitvin-35 ding worden de membranen in "dead-end" bedreven.

101 6771 ' - 6 -

De ionenwisselaardeeltjes kunnen geschikt in de vorm van een suspensie van de deeltjes in water aan het te zuiveren water worden toegevoegd.

Als ionenwisselaarhars kunnen bij de werkwijze van 5 de uitvinding zowel kationwisselaarharsen als anionwisse-laarharsen gebruikt worden. Het is ook mogelijk een mengsel van deze harsen te gebruiken. De keuze van de te gebruiken hars wordt bepaald door de analyse van het te zuiveren water en het gebruiksdoel van het gezuiverde water.

10 De ionenwisselaarharsdeeltjes hebben een deeltjes grootte van 0,5-150 μπι, bij voorkeur van 0,5-20 μιη. De deeltjesgrootte van de ionenwisselaarhars is aanzienlijk kleiner dan deeltjesgrootte van 0,2-1,2 mm van de gebruikelijke ionenwisselaarharsen in separate kolommen voor het 15 verwijderen van stoffen. De geschikte deeltjesgrootte van de volgens de uitvinding toe te passen hars hangt af van het type kunsthars en de gewenste retentie van de specifieke opgeloste stoffen.

De te gebruiken ionenwisselaarharsen zijn bij 20 voorkeur microporeus. Voorbeelden van geschikte ionenwisselaarharsen zijn Duolite AP 143/1093 (van Rohm & Haas) en Amberlite IRP69/IRP64 (van Rohm & Haas).

De laag ionenwisselaarharsdeeltjes kan worden af-gezet door de deeltjes tijdens elke filtratieperiode conti-25 nu te doseren. De suspensie van harsdeeltjes kan ook voor of tijdens het begin van elke filtratieperiode gedoseerd worden. Als de suspensie voor het begin van de filtratieperiode wordt toegevoerd, is een laag van afgezette deeltjes op het membraan aanwezig voordat de filtratie begint. De 30 laag harsdeeltjes wordt bij voorkeur op het membraan aangebracht door vóór of aan het begin van de f iltratieperiode gedurende korte tijd (<5 minuten bij een filtratieperiode van 15 tot 60 minuten) een suspensie van ionenwisselaarharsdeelt jes met relatief hoge concentratie te doseren 35 (pulsdosering). Het doseren van de suspensie van deeltjes kan ook na deze pulsdosering gedurende de filtratiecyclus in een lage concentratie worden voortgezet. De concentratie 1 01 6771** - 7 - van de harsdeeltjes in de suspensie wordt bepaald door de ingestelde doseertijd en de gewenste laagdikte. Een geschikte laagdikte is 3 tot 5 maal de diameter van de gedoseerde kunstharsdeeltjes.

5 Na een bepaalde filtratietijd of na het bereiken van een bepaald drukverschil over het membraan wordt het membraan teruggespoeld. De laag met deeltjes met daarin en daarop de afgevangen stoffen (zowel gesuspendeerd en col-loïdaal materiaal als opgeloste stoffen) komt los van het 10 membraan en wordt uit de membraaninrichting gespoeld. De concentraatstroom met los gespoelde deeltjes wordt opgevangen in een separatietank waarin de kunsthars wordt gescheiden van de rest van de vloeistof. De kunstharsdeeltjes worden teruggevoerd naar de suspensietank van waaruit de deel-15 tjes opnieuw gedoseerd kunnen worden. Nadat de deeltjes een aantal malen gebruikt zijn, worden ze geregenereerd met een zoutoplossing waarna ze opnieuw gebruikt kunnen worden.

i U i o d έ ί 1¾ - 8 -

Literatuur

Chang Y-J, Choo K-H, Benjamin.,, M.M, Reiber S.( Combined adsorption - UF process increases TOC removal, Journal AWWA 5 vol 90, 1998.

Galjaard G., Paassen van J., Buijs P., Schoonenberg G. , Enhanced Pre-Coat Engineering. The Solution for Fouling?, Proceedings of the Conference on Membranes in Drinking and Industrial Water Production, Volume 1, biz. 605-610, ISDN 10 0-86689-060-2, oktober 2000, Desalination Publications l'Aquila, Italië.

Galjaard G., Schoonenberg F., de Jonge J., Meetprotocol Quick-Scan: vergelijken van MF/UF membraanprestaties. Kiwa rapport SWE 98.008, december 1998.

15 Maas P. van der, Leiting E., Dost S., Eppinga E., van Hoof S., Customizes water supplies: producing hig quality proces water from surface water using membrane technology, Proceedings AWWA membrane Technology Conference, Long Beach (Calif.) 1999.

20 Y. Matsui, Effect of operational modes on the removal of a synthetic organic chemical by powderedactivated carbon during ultrafiltration, Proceedings of the Conference on Membranes in Drinking and Industrial Water Production, Volume 1, biz. 215-224, ISDN 0-86689-060-2, oktober 2000, 25 Desalinations Publications l'Aguila, Italië.

S. Verbych, M. Bryk, A. Alpatova, Extraction of heavy metal ions from waqter solutions, Proceedings of the Conference Innovations in Conventional and Advanced Water Treatment Processes, september 2000.

30 W.H. Höll, C. Bartosch, X. Zhao, S. He, Elimination of trace heavy metals from drinking water by means of weakly basic anion exchangers, Proceedings of the Conference Innovations in Conventional and Advanced Water Treatment Processes, september 2000.

35 S.G.J. Heijman, A.M. van Paassen, W.G.J. van der Meer, R. Hopman, Adsorptive removal of natural organic matter during 1016771« - 9 - drinking water treatment, Water Science and Technology, Volume 40, nr. 9, biz. 183-190, 1999, Elsevier GB.

C. Charnock, O. Kjonno, Assimilable organic carbon and biodegradable dissolved organic carbon in Norwegian raw and 5 drinking waters, Water Res. Volum 34, nr. 10, biz. 2649-2642, 2000 Elsevier GB.

^016771¾

Claims (3)

1. Werkwijze voor het zuiveren van water door mid-10 del van dead-endfiltratie met behulp van een micro- of ul- trafiltratiemembraan, waarbij de filtratie periodiek wordt onderbroken om het membraan te reinigen, waarbij vóór, tijdens het begin, of tijdens elke filtratieperiode een fil-tratiehulpmiddel aan het te zuiveren water wordt toege-15 voerd, zodat op het membraan een laag van dat filtratie-hulpmiddel wordt afgezet, met het kenmerk, dat de filtra-tiehulpmiddeldeeltjes van een ionenwisselaarhars met een deeltjesgrootte van 0,5 tot 5 0 μτη omvat.

2. Werkwijze volgens conclusie 1, waarbij het fil-20 tratiehulpmiddel vóór of tijdens het begin van elke filtra- tieperiode in een hoge concentratie toegevoegd wordt.

3. Werkwijze volgens conclusie 1 of 2, waarbij nadat een gedurende bepaalde tijd is gefiltreerd of nadat een bepaalde drukval over het membraan is opgetreden, de laag 25 ionenwisselaarhars met daarin of daarop de afgevangen verontreinigingen van het membraan wordt verwijderd, de ionenwisselaarhars wordt afgescheiden en, eventueel na regeneratie, opnieuw als filtratiehulpmiddel wordt gebruikt. 30 ***** * 0 1 S7 7 taf