Livscyklus-Screening af renseteknologier indenfor fiskeindustrien

8. Membranfiltrering

8.1 Beskrivelse af procesdiagram
8.2 Reduktion i procesvandsudledning
8.3 Energi
8.4 Hjælpestoffer
8.5 Udskiftning af membraner
8.6 Tilvejebringelse af anlæg
8.7 Koncentrat
8.8 Anvendelse af koncentrat til minkfoder
8.9 Opgørelse af ressource- og miljøbelastninger
8.10 Vurdering af ressourceforbrug, emissioner og affald
8.11 Følsomhedsvurdering
8.12 Sammenfatning

I det følgende ses på membranfiltrering af procesvand fra Skagerak Fiskeeksport, der forinden er termisk floteret. Teknologien er baseret på, at der anvendes en membran som filter, og at der ved hjælp af tryk opnås en gennemstrømning. Det indgående vand opdeles på permeat, som er den fraktion, der kan passere membranen, og koncentrat, som er den fraktion der ikke kan passere membranen. Benævnelsen membranfiltrering dækker over følgende forskellige filtreringsprocesser: mikrofiltrering, ultrafiltrering,

nanofiltrering og omvendt osmose, hvor porestørrelsen varierer betydeligt mellem de forskellige teknikker. Til rensning af procesvand fra fiskeindustrien er det nanofiltrering, der ligger i porestørrelse 0,001-0,003 um, der er den mest velegnede metode.

Der skal her gøres opmærksom på, at i relation til anvendelse på procesvand fra fiskeindustrien er nanofiltrering en teknologi under udvikling. Dette betyder dels, at dokumentationen for et sådan anlægs renseeffekt og drift er behæftet med nogen usikkerhed. Der vil imidlertid fortsat også være noget potentiale for forbedringer.

Procesdiagram for nanofiltrering fremgår af figur 8.1. Som nævnt opdeles procesvandet ved nanofiltrering i permeat (renset procesvand) og koncentrat. Koncentratet forventes at kunne anvendes til foder til mink eller evt. til svin og således erstatte noget fiskeressource. En mulighed er også afgasning i biogasanlæg, men som for termisk flotation må det forventes, at denne anvendelse er mindre gunstig ressource- og miljømæssigt, end hvis koncentratet anvendes til foder.

Figur 8.1 Se her!
Procesdiagram for nanofiltrering

Der anvendes el til motorer, der sætter vandet under tryk. Der anvendes varme til opvarmning af vand til rengøring samt kemikalier til rengøring. Endvidere skal membranerne udskiftes med jævne mellemrum.

Der tages udgangspunkt i det termisk floterede procesvand, der udgør 325 m³ (excl. vand fra finrengøring), når mængden af slam fra termisk flotation er fratrukket. Indløbskoncentrationen fremgår af nedenstående figur.

Der er kørt forsøg af flere omgange med nanofiltrering af termisk floteret procesvand. Forsøgene har været karakteriseret ved, at der er blevet varieret ved forskellige parametre som indløbskoncen-tration, membrantype og koncentreringsgrad. Der er fortsat meget stor usikkerhed omkring rensegraderne og koncentratmængder ved nanofiltrering. Ifølge (Kofoed, 1999) forventes det, at procesvand med et forureningsindhold på ca. 4.000 mg COD/liter kan renses ned til 500-1.000 mg/l ved en koncentreringsgrad der ligger omkring 10 gange. For procesvand med 2.000 mg COD/liter vil udløbskoncentrationen ligge lavere. Der er tidligere kørt forsøg med denne indløbskoncentration, der gav følgende resultat:

Figur 8.2
Forsøgsresultater fra tidligere forsøg med nanofiltrering ved koncentreringsgrad på ca. 13 gange.

Ved forsøgene var saltindholdet i koncentratet dog forholdsvis højt, hvilket ikke er hensigtsmæssigt ved en eventuel anvendelse af koncentratet til foderbrug. Der er siden kørt forsøg hvor saltindholdet blev begrænset ved at ændre membrantype. Disse forsøg har dog været kørt ved noget højere indløbskoncentrationer og kan ikke direkte overføres. De i nedenstående figur anførte reduktionsprocenter, udløbskoncentrationer og stofmængder skal derfor kun betragtes som forventede/antagne værdier. Der forudsættes en koncentreringsgrad på 13, d.v.s. at koncentratmængden udgør ca. 25 m³ pr. døgn.

* sættes til samme niveau som COD

Figur 8.3
Forventet udledt mængde stof ved rensning af det termisk floterede procesvand ved nanofiltrering.

Der er behov for rengøring af membraner efter behandling af en vis mængde procesvand. Rengøringshyppigheden afhænger især af procesvandets forureningsindhold og af sildens proteinsammensætning. Rengøringen er baseret på brug af frisk vand ca. 35 m³ pr. døgn (Kofoed, 1999). Anvendelse af permeat til rengøring har hidtil givet nogle problemer, men det er muligt at disse med tiden vil kunne løses. Forureningsindholdet i rengøringsvandet er ikke kendt og er ikke medtaget i det følgende. Dette forhold bidrager imidlertid til usikkerheden vedrørende det samlede udledningsniveau.

El til behandling af pågældende procesvand udgør 8-9,5 kWh pr. m³ (Kofoed, 1999) hvilket svarer til 2.800 kWh pr. døgn.

Der er behov for at opvarme rengøringsvandet inden brug. Dette kræver ca. 1,2 kWh pr. m³ behandlet procesvand (Kofoed, 1999) svarende til ca. 1.400 MJ (incl. tilvejebringelse af el). Opvarmningen forudsættes baseret på fyring med fuelolie. Sættes virkningsgraden til 85% fås et fuelolieforbrug på ca. 40 kg (1650 MJ/40,6MJ/kg).

Det er behæftet med nogen usikkerhed at fastlægge rengøringshyppigheden. Et bud på rengøringshyppigheden for behandling af 325 m³ pr. døgn er ca. 2 rengøringer (Kofoed, 1999).

Mængde og type af rengøringsmidler vurderes at kunne sættes tilsvarende de   anvendte rengøringsmidler på membrananlæg på fiskeindustrien Erik Taabel Fiskeeksport A/S (Kofoed, 1999). Disse fremgår af nedenstående figur. Stofindholdet er på grund af dataenes følsomme karakter kun opgivet som grove intervaller på producentens datablade for pågældende kemikalie. Det antagne stofindhold er sat til en værdi cirka midt i intervallet, for fosforsyres vedkommende er dog kun opgivet en mindsteværdi på 30 %, værdien er her sat til 40 % fosforsyre.

Figur 8.4
Forventet anvendt mængde rengøringsmiddel pr. rengøring på SF (Novadan, 1999)

Ingen af produkterne indeholder LAS eller NPE (Novadan, 1999).

Der foreligger ikke data på de anvendte stoffer bortset fra NaOH, jf. afsnit under kemisk flotation.

Vedrørende kaliumhydroxid og rengøringsmidlet RO-Dan 100 E har det ikke været muligt at give et bud på de medgåede ressource- og miljøbelastninger. Derimod er der forsøgt lavet nogle grove tilnærmelser vedrørende tilvejebringelse af fosforsyre og salpetersyre.

Som det fremgår af afsnit om tilvejebringelse af handelsgødning skal fosfor v.h.a. svovlsyre omdannes til fosforsyre (H₃PO₃) inden den videre bearbejdning til superfosfat. Hovedparten af energiomkostningerne ved fosforgødning kan tilskrives minedrift, behandling ved minen og transport. Det vurderes på denne baggrund at tilvejebringelse af fosforsyre tilnærmelsesvis kan sættes lig tilvejebringelse af fosforgødning pr. kg P. Ressource- og miljøbelastningerne ved tilvejebringelse af 4,5 kg fosforsyre sidestilles således her tilnærmelsesvis med tilvejebringelse af ca. 2 kg P-kunstgødning, da indholdet af fosfor i forforsyre er ca. 40%.

Salpetersyre (HNO₃) fremstilles af ammoniak (ligesom kvælstofgødning), der oxideres med ilt først til nitrogenoxid og efterfølgende til nitrogendioxid, der sammen med vand danner salpetersyre. Processen kræver, at stofferne indledningsvist opvarmes til ca. 900 grader og sættes under 1-10 atm. tryk, men der frigives også energi ved processen. Ca 95 % af ammoniaken udnyttes ved processen (Moody).

Der er ikke fundet data for det medgåede energiforbrug ved processen, men energiforbruget til fremstilling af ammoniak kan tilnærmelsesvis sættes til energiforbruget ved tilvejebringelse af kvælstofgødning (jf. afsnit om tilvejebringelse af handelsgødning), d.v.s. 40 MJ pr. kg N. Sættes energiforbruget for den efterfølgende proces skønsmæssigt til det samme fås ialt 80 MJ pr. kg N eller ca. 20 MJ pr. kg HNO_3. Det vil sige i alt ca. 120 MJ pr. døgn baseret på naturgas svarende til 2,5 kg naturgas.

Som det er fremgået af kapitlet om kemisk flotation er elforbruget ved tilvejebringelse af NaOH ca. 1,7 kWh pr. kg og fuelolieforbruget ca. 0,05 kg pr. kg svarende til henholdsvis 5 kWh og 0,15 kg fuelolie for 3 kg NaOH. Disse forbrug er ubetydelige i forhold til energiforbrug til drift af anlægget. Der er imidlertid en potentiel kviksølvudledning på 0-30 mg, hvor sidstnævnte antages fordelt med 20 % til vand og 80% til luft.

Hyppighed

Menbranen i et nanofiltreringsanlæg vil skulle udskiftes med jævne mellemrum. Det er især procesvandets temperatur- og pH-forhold samt rengøring af membranen, der er af betydning for hyppigheden af udskiftningen. Det vurderes, at 1 stk. membran til nanofiltrering af det termisk floterede procesvand fra Skagerak Fiskeeksport vil have ca. 600-800 driftsdage (Pedersen, 1998), sættes her til 700 driftsdage.

1 stk. membran til et nanofiltreringsanlæg til behandling af det pågældende procesvand vejer ca. 2 tons og er fremstillet af polyester og polypropylen (Kofoed, 1999). Fordelingen mellem de to materialer er ikke kendt og foreslås her sat til 50% til hver. Dette giver et materialeforbrug på henholdsvis 4 g polyester og 4 g polypropylen pr. døgn. Tilvejebringelse af disse materialer vurderes at være ubetydelig i forhold til tilvejebringelse af de øvrige materialer og hjælpestoffer. I det følgende ses der bort fra tilvejebringelse af membraner.

Materialerne til anlægget udgøres af materialerne anført i nedenstående figur 8.5. Sættes levetiden til 20 år og antal produktionsdage pr. år til 200 fås de anførte mængder pr. døgn.

Materialeforbrug

Figur 8.5
Materialeforbrug til membranfiltreringsanlæg (baseret på Kofoed, 1999).

Herudover er der motorer, som ialt vejer ca. 1 tons. Til disse indgår der et vist forbrug af kobber, der er en særdeles begrænset ressource. Forbruget af kobber sættes her til 200 kg svarende til 50 g pr. døgn.

Forbruget af glasfiber på 300 g pr. døgn indgår ikke i de efterfølgende beregninger, da der ikke foreligger data på tilvejebringelse af glasfiber.

Koncentreringsgraden for anlægget, d.v.s. forholdet mellem indgået procesvandsmængde og mængden af koncentrat, kan som nævnt sættes til ca. 13. Dette svarer til en koncentratmængde på ca. 25 m³ pr. døgn. Med de antagne fjernede stofmængder i afsnit 8.2 fås stofkoncentrationer i koncentratet på følgende:

COD: 20.000 mg/l
N-tot: 1.500 mg/l
P-tot: 450 mg/l

Indholdet af råprotein udgør beregningsmæssigt 6,25 x N-tot-indholdet, d.v.s. ca. 245 kg (6,25x39 kg N-tot) og olie udgør ca. 40 kg olie. Det vil sige et tørstofindhold på ca. 285 kg.

Under forudsætning af et tilstrækkeligt lavt saltindhold eller ved sammenblanding med flotationsslam eller afskær forudsættes koncentratet anvendt til minkfoder. Som det fremgår af afsnit 8.7 vil mængden af tørstof ligge på ca. 285 kg pr. døgn. Med et anslået tørstofindhold i fisk på ca. 25% vil koncentratet dermed kunne erstatte ca. 1,1 tons fisk.

Som det fremgik af afsnit om minkfoder under termisk flotation udgør forbruget til fangst af sild ca. 0,19 l dieselolie pr. kg for notfiskeri hhv. 0,34 l dieselolie pr. kg for trawlfiskeri. Med et energiindhold i dieselolie på 35,9 MJ/l fås et energiforbrug for tilvejebringelse af sild på 7,5 GJ pr. døgn (175 kg dieselolie) for notfiskeri og 14 GJ pr. døgn (330 kg dieselolie) for trawlfiskeri. Såfremt det forudsættes, at det er sildeafskær, som koncentratet erstatter, fås et sparet energiforbrug på tilvejebringelse på henholdsvis ca. 0,7 GJ pr. døgn for notfiskeri (17 kg dieselolie) og 1,4 GJ pr. døgn for trawlfiskeri (33 kg dieselolie).

I nedenstående figur 8.6 er sammenfattet ressource-/materialeforbrug samt udledninger, såvel forøgede som sparede, ved nanofiltrering af termisk floteret procesvand og efterfølgende anvendelse af koncentratet til foder. Derudover fremgår de sparede procesvandsudledninger til recipienten.

Udledningen til recipienten er reduceret med henholdsvis ca. 39 kg N og 11 kg P svarende til en besparelse i effektpotentialet for næringssaltsbelastning på 525 kg NO₃-ækvivalenter svarende til 2.100 mPEM. De ressource- og miljømæssige belastninger ved nanofiltreringen skal således vejes op imod denne forbedring på næringssaltsbelastningen. Den nævnte forbedring i effektpotentialet for næringssaltsbelastning er ikke indregnet i den følgende præsentation og kommentering af UMIP-beregninger, men inddrages i sammenfatningen på nanofiltrering afsnit 8.12.

Input til UMIP- beregninger

Figur 8.6
Opgørelse af ressource- og materialeforbrug samt udledning (pr.døgn) – input til UMIP-beregninger

Tallene i parantes i tabellerne er resultater for beregning med sildeafskær (trawlfiskeri) som substitueret ressource, jf. følsomhedsvurderingen. Se ligeledes denne vedrørende kviksølvudledning.

8.10 Vurdering af ressourceforbrug, emissioner og affald

I nedenstående figur er vist resultatet af UMIP-beregningerne for de ressourceforbrug, der er tillagt størst betydning ved vægtningen af ressourceforbrugene.

Figur 8.7
Ressourceforbrug pr. døgn ved nanofiltrering af termisk floteret procesvand med efterfølgende anvendelse af koncentratet til minkfoder.

Ressourcemæssigt er det fortrinsvis forbrug af kul til elfremstilling, der er betydende. Endvidere er der tale om en besparelse på forbruget af råolie. Materialeforbrug til anlægget er af begrænset betydning.

Figur 8.8
Emissioner pr. døgn ved nanofiltrering af termisk floteret procesvand med efterfølgende anvendelse af koncentratet til minkfoder.

De øgede belastninger relaterer sig fortrinsvis til drivhuseffekt, toksicitet og forsuring. Det er især elforbruget, der påvirker disse værdier.

Vedrørende affald er UMIP-modellen stadig under udvikling m.h.t. effektpotentialer og vægtningsfaktorer. Resultaterne skal ses i dette lys.

Figur 8.9
Affald pr. døgn ved nanofiltrering af termisk floteret procesvand med efterfølgende anvendelse af koncentratet til minkfoder.

På affaldssiden er det volumenaffald og slagge/aske, der begge kan henføres til elproduktion, der er betydende. Som tidligere nævnt kan der sættes spørgsmålstegn ved, om det er hensigtsmæssigt at anvende danske normaliseringsreferencer for volumenaffald fra brydning af kul.

Som det var tilfældet for slam fra termisk flotation er det ligeledes her relevant at se på sildeafskær som den substituerede produktion. Som tidligere anført er resultaterne for beregninger på sildeafskær fanget ved trawlfiskeri anført under vægtede ressource- og miljøbelastninger i parentes. (De steder hvor der ikke er anført tal i parentes er værdien uændret). Som tidligere nævnt udgør det sparede dieselolieforbrug for denne situation 33 kg. Som det fremgår øges værdierne noget for især drivhuseffekt, forsuring, næringssaltsbelastning og human toxicitet.

Stofindholdet i vand fra rengøring af membraner kendes ikke. Endvidere er der nogen usikkerhed om hvorvidt ovennævnte rensegrader kan opretholdes ved en koncentreringsgrad på ca. 13. Der er derfor lavet et scenarie, hvor rensegraderne (i figur 8.3) er reduceret med 10 % til følgende niveau:

Figur 8.10
Udledt mængde stof ved rensning af det termisk floterede procesvand ved nanofiltrering ved scenarie med mindre rensegrad.

Den fjernede mængde stof mindskes, hvilket betyder at der vil fjernes en mængde tørstof svarende til ca. 260 kg. Dette svarer til en erstattet mængde fiskeressource på ca. 1.000 kg og et sparet dieselolieforbrug på henholdsvis 160 kg, hvis den erstattede ressource er sild fanget ved notfiskeri og 30 kg, hvis den er sildeafskær fanget ved trawlfiskeri. Disse dieselolieforbrug adskiller sig ikke betydeligt fra scenariet med de lidt højere rensegrader og værdierne ligger indenfor usikkerheden på opgørelse af det sparede dieselolieforbrug.

Ovennævnte reduktion i stofudledningen til recipienten bevirker en reduktion i effektpotentialet for næringssaltsbelastning på ca. 480 kg NO₃-ækvivalenter svarende til 1.900 mPEMwdk2000, hvilket ligger ca. 200 mPEMwdk2000 under værdien for scenariet med lidt højere rensegrader. Vurderingerne skal således ses i lyset af, at besparelsen kan ligge lidt under 2000 mPEMwdk2000.

Inddragelse af potentiel kviksølv ved tilvejebringelse af natriumhydroxid til rengøring bevirker at værdien for persistent toksicitet øges til 220 mPEMwdk2000 (fra 180 mPEMwdk2000). Betydningen af inddragelse af kviksølv er således betydeligt mindre end i vurderingerne for termisk flotation og kemisk flotation, hvor de anvendte mængder natriumhydroxid er meget højere.

8.12 Sammenfatning

Resultatet af LCA-screening af nanofiltrering med anvendelse af koncentratet til foder er sammenfattet i nedenstående figur 8.11 og 8.12. Figuren er baseret på opgørelsen i afsnit 8.10 suppleret med sparet stofudledning til recipienten.

Figur 8.11
Samlet resultat på henholdsvis ressourcesiden og emissions-/affaldssiden for scenarie med hel fisk som substitueret produktion.

Figur 8.12
Samlet resultat på henholdsvis ressourcesiden og emissions-/affaldssiden for scenarie med sildeafskær som substitueret produktion.

Reduktion i udledning

Nanofiltrering af termisk floteret procesvand med efterfølgende anvendelse af koncentratet til minkfoder giver anledning til en reduktion i effektpotentialet for næringssaltsbelastning svarende til 1.900-2.100 mPEMwdk2000 pr. døgn (er indkluderet i figuren).

Emissioner

Der er imidlertid også en række øgede ressource- og miljømæssige belastninger forbundet med løsningen. På emissionssiden er det især bidrager til drivhuseffekt, forsuring og toksicitet samt affald i form af slagge/aske og volumenaffald.

Besparelsen på fiskeressourcen på 1 ton skal ses i forhold til det øgede forbrug af fossile brændsler, der ligeledes udgør i størrelsesordenen 1 ton, hvoraf hovedparten er kul. Fiskeressourcen er en begrænset fornyelig ressource, mens kul er en ikke fornyelig ressourcer med en relativ lang forsyningshorisont.

Samlet set vurderes det, at den miljømæssige forbedring ved rensningen er større end de ressource- og miljømæssige belastninger ved drift og tilvejebringelse af nanofiltreringanlæg. Men det vurderes at minimum 50% af forbedringen og måske op til 80 % af forbedringen vurderes at blive "spist op" af øgede belastninger ved drift af nanofiltrering, især hvis den substituerede produktion er baseret på sildeafskær og i mindre grad hvis den substituerede produktion er baseret på hele sild.