GenoMembran – testkörningar på Görvälnverket - Svenskt Vatten

svensktvatten.se

GenoMembran – testkörningar på Görvälnverket - Svenskt Vatten

2013‐04‐18

Testkörningar med modifierade

hållrumsmembran för NOM‐avskiljning på

Görvälnverket/Norrvatten

Alexander Keucken, VIVAB

Kenneth M. Persson, Sydvatten/LTH

Nationell dricksvattenkonferens, 17.‐18.04.2013

Chalmers, Göteborg

Acknowledgements

Special thanks to:

Kenneth M. Persson, Research Manager, Sydvatten AB

Kristina Dahlberg, Process Engineer, Norrvatten

Per Ericcson, Senior Adviser, Norrvatten

Frederik Spenkelink, R&D Process Engineer, Pentair

Mark Steggink, Commissioning Engineer, Pentair

Georg Gottfridsson, Manager of WTPs/Varberg, VIVAB

Anders Éden, SCADA‐specialist, VIVAB

Roland West, Electrician, Norrvatten

Laboratory personnel, Norrvatten

Roger, Cornelius etc., Technicians, Norrvatten

Elin Lavonen, PhD student, SLU

1


2013‐04‐18

Innehåll

• Introduktion

– SVU‐projekt: “GenoMembran

– Hollow Fiber Color (HFc): koncept

– Fälttester: WTP Norrvatten

• Metodik

– Membranmodul

– Testanläggningar: Nanfiltration(NF) och granulerat aktivt kol (GAC)

– Processövervakning

– NOM‐karakterisering

• Observationer and trender

– Membranprestanda

– Retention av NOM och mineraler

• Slutsatser & Utblick

SVU‐projekt: ”GenoMembran

2


2013‐04‐18

SVU‐project: “GenoMembran

Membran för utökad NOM‐avskiljning

Huvudsyfte

• Att utvärdera membranteknik för

dricksvattenberedning av humusrika ytvatten

Tillvägagångssätt

• Fälttester av olika membranmoduler för UF/NF

(kommersiella produkter och modifierade

prototyper)

• Parallella testkörningar med pilotanläggningar på

fyra ytvattenverk med geografisk spridning:

– Görvälnverket (Norrvatten)

– Råberga vattenverk (Tekniska Verken i Linköping)

– Kvarnagårdens vattenverk (VIVAB)

– Ringsjöverket (Sydvatten AB)

Nationell tvärvetenskapligt initiativ för avancerade

membran processer inom dricksvatten

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

Water Sources

mellan olika koncept baserade på UF/NF‐applikationer

Water Quality

3


2013‐04‐18

Sektorsövergripande samarbete för erfarenhetsutbyte inom

effektiv NOM‐reduktion för dricksvatten

• 4 x Universitet

– Uppsala Universitet, Lunds Universitet, Chalmers/DRICKS, SLU

• 2 x Fristående forskningsprogram/‐institut

– SWD, Sweden and SINTEF, Norway

• 5 x kommunala dricksvattenproducenter, 4 x vattenverk

– 2 x industridoktorander

– Flera processingenjörer och drifttekniker

• Olika tillverkare och leverantörer av membranmoduler

Nytt membrankoncept:

Hållrumsmembran

för selektiv NOM‐avskiljning

Hollow Fiber Color (HFc)

4


2013‐04‐18

Utveckling av nya membran:

Cross‐over membran for NOM‐reduktion

Målsättning: Funktionsmembran som förenar egenskaper

av hålrums‐ och spirallindade membran

Hållrumsmembran, egenskaper:

• Öppna kanaler ‐> begränsad förbehandling krävs

• Polyetersulfon ‐> klorresistent, pH 1‐12

• Asymmetrisk membran ‐> kan backspolas

• Kan drivas som dead‐end filtering ‐> låg energiförbrukning

Spirallindade membran, egenskaper

• Avskiljningsegenskaper kan modifieras ‐> tight UF, open NF, tight NF

• Hög retention är möjlig ‐> retention av bivalenta salter

• Kan drivas i cross flow ‐ mode ‐> ingen koncentrationspolarisation

• Höga drifttryck ‐> >5 bar

+ Kapillära NF

Varför Hollow Fibers?

Aktuell teknikstandard: SPIRAL WOUND NF/RO

Hög retention av NOM, men det finns frågetecken kring:

• Membran/spacer fouling

• Behandling/omhändertagande av koncentrat

• Kemisk beständighet för klor

Hållrumsmembran NF

• Klor resistenta (lika med Ultrafilter, UF)

• Online Integrity testing (täthetskontroller)

• Effektiva backspolningar

• Oftas krävs enbart enkel förbehandling (lika med UF)

Kapillära NF kombinerar de goda egenskaperna av både

hållrumsmembran (UF) spirallindade NF membran

10

5


2013‐04‐18

PENTAIR X‐FLOW: Membran portfölj

100 Da RO

NF

1.000 Da

0.8 mm

Avsaltning av bräckvatten

Sulfat reduktion

Hårdhet

Emerging pollutants

Color/DOC/THMFP [HFC Color]

10.000 Da

LMW UF

Colloidal silica

[HFS 60 Silica]

Biopolymerer / TEP retention

150.000 Da

UF

[Seaflex 55i]

[Aquaflex 55, XIGA 55]

Membrankoncept– HFc COLOR

•Maximerad NOM‐reduktion: DOC, UV 254 , Color (Pt‐Co)

•Begränsad minskning av hardheten: Mg 2+ , Ca 2+

HFc Pilot trials:

WTP Norrvatten

6


2013‐04‐18

WTP Görvälnverket: Beredningsprocess

‣ Intag (justerbart: 4 or 22 m)

‣ Mikrosil (korgbandssil)

‣ Pumpstation

‣ Blandningsränna: tillsats av Al‐sulfat

‣ Flockning

‣ Sedimentering

‣ Snabbfiltrering (sandfilter)

‣ Kolfiltrering (GAC)

‣ Disinfektion

‣ (UV‐ljus/Kloramin)

‣ pH‐justering (kalk)

‣ Distributionspumpar

Optimeringspotential:

Kemiskt skydd

GAC: Begränsning av kemisk barriärverkan

• NOM – adsorberas av kolet och

därmed påverkas adsorptionsförmåga

av mikroföroreningar (t.ex.

PFOS, läkemedelsrester etc.)

HFc‐modul

• 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.

7


2013‐04‐18

HFc Pilotförsök:

Testmodul

Polymerkemin bakom HFc ‐ Sulfonering

Hollow fiber NF:

Ytterdiameter: 1,15 mm

•Ett‐stegs tillverkningsprocess

•Membranets dimensioner är jämförbara med UF

Polyether sulfone

(PES)

Innerdiameter: 0,8 mm

Sulfonated PES

(S-PES)

Hydrofil membranytan med förbättrade separationsegenskaper

8


2013‐04‐18

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)

HFc Pilotförsök:

Pilotanläggningar för NF and GAC

9


2013‐04‐18

NF/GAC pilot: SET‐UP och DRIFT

HFc Quickscan pilot: idrifttagning Juni 2012

Testmodul:

8” HFc (500 – 1000 Da)

Membranyta:

40 m2

Fiber diameter:

0.8 mm (internal)

Inflöde:

1.2 m 3/ h

Drifttryck : 2 –6 bar

Flux:

15 l/m 2* h

Permeabilitet:

10 –15 l/m 2 *h*bar

Permeatutbyte: 50% ‐ 78%

(50% recovery rate motsvarar 80% i fullskala när

flerstegsfiltrering används)

GAC pilot: idrifttagning November 2012

GAC

HFc

Testkolonner: 4 (transparent methacrylate)

Kolonn 1/2 Feed Permeat (HFc)

Kolonn 3/4 Feed Filtrat (Snabbfiltrering)

Dimensioner: innerdimeater 9 cm, längd: 2.5 m

Typ av GAC: NORIT® 1240

Kornstorlek: > 1,70 mm (max. 5%), < 0,42 mm (max. 4 %)

GAC bädd:

~ 1 m tjock

Hydraulisk belastning: 10 m/h

EBCT:

6 min

Medelflöde: 1 L/min (filtrat)

Backspolningsintervall: 7 ‐14 days

HFc ‐ Specificationer

Nyckeltal

HFc

Fiber permeability (l/m 2 h*bar) 10-15

Operating pressure (bar) 2 – 6

Burst pressure (bar) 20

Collapse pressure (bar) 18

Elongation at break (%) 100

Stress at break (MPa) 5.8

Chlorine stability (ppm hours) >100.000

(pH=8)

MgSO 4 retention (%)


2013‐04‐18

NF‐pilot: Membrane prestanda

NOM‐monitoring: olika mätmetoder

Excitation Emission Matrix Fluorescence

Spectroscopy (3D‐EEM)

High Performance Size Exclusion

Chromatography (HP‐SEC)

NOM‐TRANSPARENS

Rapid NOM fractionation

UV/vis Spektroskopi

Bulk Parametrar

11


2013‐04‐18

UV‐VIS Spektroskopi: On‐line fingerprint

Absorbansspektrum

Absorbance Slope Index

NF‐pilot plant: on‐line UV/Vis Spectroscopy

12


2013‐04‐18

R

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

VHA

SHA

CHA

• VHA: Very hydrophobic acids

• SHA: Slightly hydrophobic acids

• CHA: charged hydrophilic substances

• NEU: Neutral hydrophilic substances

NEU

Chow et al, 2004

NOM‐karakterisering med LC‐OCD

Vätskekromatografi kombinerad med tre dektorer (LC‐OCD‐OND) används för

uppdelning av organisk material isex stora delfraktioner:

• Humic Substances (HS)

• Building blocks

• Low Molecular‐weight Acids

• Low Molecular‐weight Neutrals

• Hydrophobic Organic Carbon

CDOC

Biopolymers

DOC

Humics

TOC

Building

blocks

POC

HOC

LMW

neutrals

LMW acids

13


2013‐04‐18

HFc Pilotförsök:

Observationer & Trender

UV/vis (HFc‐Prototyp A/B)

Modulbyte

UV254nm removal: ~35,9 % UV254nm removal: ~69,3 %

14


2013‐04‐18

Permeabilitet: HFc Prototyp A/B

Modulbyte

CIP

TMP: Prototyp A/B

Modulbyte

CIP

15


2013‐04‐18

Resultat: LC‐OCD summerande parametrar

Provtagning: 05.12.2012

Prototyp A

Efter 5 månaders

kontinuerlig drift (4x

CIPs i pilotskala)

DOC‐removal: 37,5 %

Provtagning: 09.01.2013

Prototyp B

18 h drift efter

installation (10x CIPs

på fabriken)

DOC‐removal: 73,9 %

Provtagning: 12.02.2013

Prototyp B

Efter 34 d

kontinuerlig drift (1:a

CIP i pilotskala)

DOC‐removal: 72,4 %

LC‐OCD Chromatograms: HFc‐modul

Provtagning: 05.12.2012

Prototyp A

Efter 5 månaders kontinuerlig

drift (4x CIPs i pilotskala)

DOC‐removal: 37,5 %

Provtagning: 09.01.2013

Prototyp B

18 h drift efter installation (10x

CIPs på fabriken)

DOC‐removal: 73,9 %

Provtagning: 12.02.2013

Prototyp B

Efter 34 d kontinuerlig drift

(1:a CIP i pilotskala)

DOC‐removal: 72,4 %

16


2013‐04‐18

Provtagning: 05.12.2012

GAC‐pilot (trial 1)

Efter 29d

kontinuerlig drift

(backspolning: 1g/v)

DOC removal:

GAC 1+2: 23,7 %

GAC 3+4: 10,1

Provtagning: 09.01.2013

GAC‐pilot (trial 2)

18 h drift efter

rekonditionering

(nytt kol från

fabriken)

DOC removal:

GAC 1+2: 86,8 %

GAC 3+4: 35,5 %

Provtagning: 12.02.2013

GAC‐pilot (trial 2)

Efter 34 d

kontinuerlig drift

(backspolning: 1g/v)

DOC removal:

GAC 1+2: 13,7 %

GAC 3+4: 0 %

LC‐OCD Chromatograms: GAC‐pilot

Provtagning: 05.12.2012

GAC‐pilot (trial 1)

Efter 29d kontinuerlig drift

(backspolning: 1g/v)

DOC removal:

GAC 1+2: 23,7 %

GAC 3+4: 10,1

Provtagning: 09.01.2013

GAC‐pilot (trial 2)

18 h drift efter rekonditionering

(nytt kol från fabriken)

DOC removal:

GAC 1+2: 86,8 %

GAC 3+4: 35,5 %

Provtagning: 12.02.2013

GAC‐pilot (trial 2)

Efter 34 d kontinuerlig drift

(backspolning: 1g/v)

DOC removal:

GAC 1+2: 13,7 %

GAC 3+4: 0 %

17


2013‐04‐18

Interpretation: LC‐OCD

• Ytvatten

– Mjukt, humusrikt vatten

– Humussubstanser domineras av fulvosyror som indikerar en naturlig flockningsprocess i

vattentäkten (avskiljning av humussyror)

• Filtrat (Snabbfilter ‐ sand)

– Begränsad effektivitet av flockningsprocessen (DOC‐reduktion)

– 50 % av HS och 30% av biopolymer har avlägsnats

• Permeat (HFc‐testmodule)

– Komplett avskiljning av biopolymerer och HMW‐fraktioner av HS

– Membranets nominella cut‐off (500 – 1000 Da) stämmer väl överens med storleken av HS i

permeatet (559 Da)

• Koncentrat (HFc testmodule)

– Indikerar enbart en liten förlust av biopolymerer (minskad fouling potential)

• GAC‐filter 1/2 (feed: HFC permeat)

– Komplett avskiljning av Hydrofob OC efter membranet, adsorptionsfasen pg.

– Liten andel av HS och större mängd LMW‐Neutrals avlägsnas antagligen genom ”trapping” i

mikroporerna

• GAC‐filter 3/4 (feed: filtrat SF)

– Full mätnadsgrad efter kort drifttid

– Nästan ingen inverkan på DOC (motsvarar fullskaleprocess av aktivkolanläggningen)

Rapid NOM fractionation, SINTEF (1)

9,0

8,5

8,0

7,5

7,0

6,5

Provtagning: 28.01.2013

INLET Surface water Mälaren

Filtrate (Rapid Sandfiltration)

GAC‐filtrate (full‐scale)

OUTLET Drinking Water

Pipe "Rosersberg" (Distribution networks)

Permeate (HFc‐test module)

DOC (mgC/l)

6,0

5,5

5,0

4,5

4,0

3,5

3,0

2,5

2,0

1,5

1,0

0,5

0,0

‐ Signifikant effekt av koagulation

‐ Ingen nämnvärd effekt av kolfilter (GAC)

‐ Påtaglig effekt av kapillär NF

‐ Ingen biologisk nedbrytning i ledningsnät

VHA SHA CHA NEU DOC

18


2013‐04‐18

Rapid NOM fractionation, SINTEF (2)

100

80

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 (%)

60

40

20

0

VHA SHA CHA NEU DOC

Slutsatser (1)

HFc testmodulen uppfyller nästan specifikationerna för

NOM retetention

MEN

Långtidstester indikerar förändrade membranegenskaper

(ökande permeabilitet, minskande retention)

efter kemisk rengöring (påverkan av membranstrukturen?)

Det nya konceptet (“direct capillary NF”) för utökad NOM

retention och begränsad minskning av hårdhet har

potential för kemikaliefri vattenberedning som ett‐stegs

förfarande (indikativa pilotförsök på Kvarnagårdens VV)

19


2013‐04‐18

Slutsatser (2)

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 OK

Limited Hardness removal OK

No Brine waste OK

No Coagulant for DOC removal OK

Online integrity test ?

Minimal pre‐treatment required OK

39

HFc – Ny standardiserad skid design

40

20


2013‐04‐18

TACK!

Kommentarer eller frågor?

Characterization

A full TOC characterization of a sample includes the partitioning of TOC

into DOC, HOC, POC and CDOC

• NOM = Natural organic matter

• TOC = Total organic carbon

• DOC = Dissolved organic carbon

• POC = Particles (TOC –DOC) ‐ calculated

• HOC = Hydrophobic organic carbon ‐ calculated HOC=DOC‐CDOC

• CDOC = Hydrophilic organic carbon (Chromatographic DOC)

• CDOC can be divided into humic substances, degradation products

of humic substances (building blocks), biopolymers, low molecular

weight organic acids and neutral substances.

4/18/2013 Andreja Peternelj 42

21

More magazines by this user
Similar magazines