Membranfiltrering, erfaring og muligheder i dansk vandforsyning

2 Membranfiltrering

Membranfiltrering er i princippet en simpel filtreringsproces med fysisk tilbageholdelse af stoffer på en filterflade med en lille porestørrelse. Membranfiltreringen er dermed en separationsproces, hvor der ikke sker en omdannelse, men en fysisk fjernelse af stoffer.

En membranenhed kan konfigureres på forskellige måder, der påvirker den måde, den virker på hydraulisk og procesmæssigt, men generelt virker alle membraner teoretisk som vist i figur 2.1.

Fødevandet ledes igennem en membranenhed, hvor det opdeles i to vandstrømme. Permeatet er den rensede delstrøm, der er stoffattig, mens koncentratet er den anden delstrøm, som indeholder en opkoncentrering af problemstoffer, som bortledes. Ofte recirkuleres en del af koncentratet og blandes med nyt råvand, for herved at opnå en høj udnyttelsesgrad.

Figur 2.1 Principdiagram for vandstrømmene ved membranfiltrering

Figur 2.1 Principdiagram for vandstrømmene ved membranfiltrering /1/

2.1 Kategorisering af membranfiltreringsteknikker

Membranfiltreringsteknikkerne kategoriseres efter størrelsesordenen af porestørrelsen i membranen, og dermed størrelsesordenen af partiklerne membranen tilbageholder. I faldende størrelse findes der følgende 4 kategorier:

  • Mikrofiltrering (MF)
  • Ultrafiltrering (UF)
  • Nanofiltrering (NF)
  • Omvendt osmose (RO)

I det følgende beskrives for hver enkel kategori, hvilke stoffer der tilbageholdes, og hvilke processer, der er de drivende/begrænsende. I beskrivelsen af kategorierne bruges der membranspecifikke terminologier, der er beskrevet i ordlisten i kapitel 7.

2.1.1 Mikrofiltrering (MF)

Mikrofiltrering er den membrantype med de største porer og er løseligt defineret som en separationsproces ved hjælp af en membran med en porestørrelse fra ca. 0,03 til 10 µm. MF har en MWC på mere end 100.000 daltons og foregår normalt med et relativt lavt drivtryk på 0,1 til 0,4 bar.

Stoftilbageholdelsen ved MF er partikulært stof, som f.eks. sand, silt, ler og nogle slags bakterier. MF kan normalt give en absolut tilbageholdelse af bakterier og vira. Porestørrelsen for MF er mindre end virus. Når virus alligevel tilbageholdes i naturligt vand, skyldes det, at virus ikke optræder som frie enkeltstående partikler, men er aggregeret på forskellig måde /4/.

Processen i MF er en normal fysisk filtrering, hvor alle partikulære stoffer tilbageholdes ved membranoverfladen. Da MF er den membrantype, der har den største porestørrelse, bruges MF ofte i kombination med andre af membrantyperne og indgår som en del af forbehandlingen til NF eller RO.

Forfiltrering til en MF membran kan være nødvendig for at undgå fouling, hvis fødevandet/råvandet indeholder større organiske partikler. Det kan desuden være nødvendigt at justere pH ved tilsætning af kemikalier for at holde pH inden for de anbefalede grænser, da nogle membraner er pH-følsomme. PH-justeringen skal udelukkende foretages under hensyntagen til membranen og ikke i forhold til scaling kontrol, da MF ikke tilbageholder ioner. Udnyttelsesgraden, der er forholdet mellem fødevandsmængden og permeatmængden ved mikrofiltrering, ligger typisk meget højt (98 %), men afhænger af fødevandskvaliteten og den ønskede permeatkvalitet /3/.

2.1.2 Ultrafiltrering (UF)

Ultrafiltrering er en trykdreven separation af materiale fra vand ved hjælp af membraner med en porestørrelse fra ca. 0,002 til 0,1 µm, en MWC på ca. 10.000 til 100.000 daltons og et driftstryk på 2 til 7 bar.

UF membraner er designet til at fjerne suspenderet materiale og makromolekyler fra vandfasen, men fjerner naturligvis også alt partikulært stof. UF fjerner bakterier, vira, det meste humus og farve, men UF er ikke i alle tilfælde nogen absolut hygiejnisk barriere.

En fordel ved lavtryk UF i forhold til den konventionelle filtrering, hvor der til fældning af f.eks. organiske stoffer ofte anvendes kemiske flokkuleringsmidler, er, at det ikke er nødvendigt at tilsætte flokkuleringsmidler for at få en god og stabil vandkvalitet.

Fouling er den begrænsende mekanisme i UF i forhold til udnyttelsesgrad og driftsøkonomi. For mange vandtyper er processen nem at styre og kræver normalt ikke megen forbehandling af fødevandet ud over en effektiv fjernelse af suspenderet stof.

Koncentrationen af organisk materiale er en afgørende parameter for, hvor hurtigt der opstår fouling og dermed for effektiviteten af membranen.

Opløste stoffer med lav molekylevægt passerer membranen. Der kan derfor være problemer med at opnå tilstrækkelig biologisk stabilitet af det behandlede vand efter UF.

Figur 2.2 Eksempel på opbygning af et membrananlæg med spiralvundne membraner /Billedet udlånt af UNIQ Filtration/

Figur 2.2 Eksempel på opbygning af et membrananlæg med spiralvundne membraner /Billedet udlånt af UNIQ Filtration/

2.1.3 Nanofiltrering (NF)

Nanofiltrering er den nyeste variant af membranprocesserne. NF membraner har en porestørrelse fra ca. 0,001 til ca. 0,01 µm og en MWC på mellem 1.000 til 100.000 dalton. Driftstrykket over membranen er normalt på mellem 6 til 10 bar.

NF membraner fjerner bakterier, vira og humusstoffer. Derudover fjerner NF mindre molekyler med ladning, for eksempel sulfat og calcium, og hermed en stor del af hårdheden og alkaliniteten i vandet. NF er udviklet til blødgøring af vand. Hårdt vand, der skal renses for mindre ioner, kan imidlertid med fordel behandles inden brug af NF for at undgå kraftige udfældninger i membranen. Forbehandling af fødevandet omfatter endvidere normalt en effektiv fjernelse af suspenderet stof. Pga. fjernelsen af en del af alkaliniteten kan permeatet være korrosionsfremmende og skal evt. efterbehandles i forhold til dette problem.

Processen i NF er primært diffusionsbegrænset og ikke begrænset af sivning igennem den kage, der opbygges af tilbageholdt stof som ved MF og UF.

2.1.4 Omvendt osmose (RO)

Omvendt osmose (Reverse Osmose) er processen med de tætteste membraner. RO membraner har en porestørrelse på mellem 0,0001 til 0,001 m, hvilket giver en tilbageholdelse af ioner og små molekyler. De nyeste polymermembraner giver salttilbageholdelse på op til 99,4 %, mens små uladede partikler fortsat passerer. Et eksempel herpå er kulsyre. RO anvendes derfor først og fremmest til afsaltning af havvand og til demineralisering i industrien. Der er adskillige eksempler på afsaltning af mindre saltkoncentrationer (op til 5.000 mg/l klorid) også fra grundvandskilder. RO fjerner i modsætning til nanofiltrering nitrat, natrium og klorid. Den styrende proces i RO membraner er diffusion, og driftstrykket kan være på op til 60 bar /1/, /2/ og /5/.

Forbehandling af fødevandet omfatter normalt en effektiv fjernelse af suspenderet stof samt blødgøring eller tilsætning af stoffer, som forhindrer eller forsinker udfældninger på membranen (antiscaling). Ved RO anlæg sker en fuldstændig fjernelse af vandets hårdhed. Hvis der ikke kan ske opblanding af permeaten med anden vandkvalitet (eksempelvis en delstrøm af ubehandlet vand), vil det næsten altid være nødvendigt med en efterbehandling til justering af pH, hårdhed og alkalinitet.

Klik her for at se Figur 2.3 Illustration af membrantypernes virkefelt. Sammensat ud fra /1/

2.2 Opbygning af membrananlæg

Membrananlæg opbygges modulært, hvilket gør det enkelt at skalere og optimere på kapaciteten, udnyttelsesgraden og vandkvaliteten af permeat og koncentrat. Membrananlæg opbygges i arrays (produktionslinier), der er opdelt i et antal trin, hvor hvert trin består af et antal membranmoduler, se figur 2.4.

Figur 2.4 Eksempel på opbygning af et membrananlæg. Anlægget beskrives som et 2-1 array anlæg

Figur 2.4 Eksempel på opbygning af et membrananlæg. Anlægget beskrives som et 2-1 array anlæg

Fødevandet til trin 2 er koncentratet fra trin 1, hvorfor koncentrationen og dermed membranens udnyttelsesgrad vil falde i trin 2 og opefter. Ofte vælges det også at recirkulere en del af koncentratet for at forbedre udnyttelsesgraden. Selve anlægsdesignet vil være afhængigt af den konkrete vandkvalitet, kravene til anlæggets samlede udnyttelsesgrad, de eksisterende pladsforhold etc. I bilag 1 er det vist, hvordan anlæggets samlede udnyttelsesgrad samt stofkoncentrationen i permeat og koncentrat kan beregnes.

Driftscyklus for membrananlæg varierer fra anlæg til anlæg afhængig af anlægs- og membranopbygningen samt kvaliteten af fødevand. Normalt skal der dog foretages periodiske tilbageskylning/kemisk rensning af membranerne, hvilket normalt er fuldt automatiseret, som det kendes fra filterskylning på mange vandværker i dag. Ofte suppleres de periodiske rensninger af membranen med nogle ekstraordinære rensninger med stærkere kemikalier, end der anvendes til den daglige drift.

Kemikalierne, der bruges til den daglige rensning, er syre-/baseopløsninger samt oxidationsmidler, mens de ekstraordinære rensninger f.eks. foretages med en kloropløsning. Typer og koncentrationer af kemikalier varierer afhængig af vandkvalitet og membrantype, da nogle membraner er følsomme overfor den kemiske påvirkning. Det skal derfor i valget af membran vurderes, hvilke kemikalier leverandøren anbefaler til rensning af membranen, og leverandørens anvisninger skal altid følges.

2.3 Membranmaterialer og -geometri

Membrangeometrien og valget af membranmaterialer er afgørende for, hvordan separationsprocessen forløber, og hvordan de hydrauliske forhold i modulet er.

2.3.1 Membranmaterialer

Membranfilm laves af plastmaterialer som f.eks. celluloseacetat, polyamid eller polysulfon. Materialerne modificeres på forskellige måder, således at de adskiller sig ved forskellige egenskaber i forhold til porøsitet, porestørrelse og resistens overfor forskellige stoffer og miljøer. Der findes også glas og keramiske membraner, men plastmaterialerne er de mest udbredte og velegnede til brug i vandbehandling /4/.

2.3.1.1 Celluloseacetat
Celluloseacetat er i de fleste lande godkendt til kontakt med drikkevand og hydrolyseres ved kontakt med vand. Hydrolysehastigheden er pH-afhængig og har et minimum omkring pH 6. Det er derfor nødvendigt at pH-justere vandet før og efter membranprocessen. Hvilket kan være dyrt på hårdt vand /3/.

2.3.1.2 Polyamid
Polyamid (nylon) er et andet anvendt plastmateriale. Nylon afgiver ikke stoffer til vandet og er generelt godkendt til brug i vandbehandling. Polyamider anvendes i dag næsten udelukkende i form af hule fibre. Polyamid tåler ikke stærke syrer, og pH under 4 skal undgås. Dette er ikke et problem ved selve vandbehandlingen, men kan være af betydning ved rengøring af membranen for udfældninger.

2.3.1.3 Kompositmembraner
Kompositmembraner fremstilles ud fra et meget større udvalg af polymere. Membranen består normalt af 3 lag, der f.eks. kan være:

  • En porøs tekstilpolyester på ca. 120 ìm, som giver membranen styrke
  • En mikroporøs polysulfonmembran med en porediameter på ca. 15 nm og en tykkelse på ca. 40 µm
  • En ultratynd barriere af polymere med en tykkelse på 0,2-3 ìm, som giver membranen dens specifikke egenskaber

Kompositmembraner anvendes primært til NF og RO.

Kompositmembraner er normalt ikke særligt pH følsomme, men følsomme overfor oxidationsmidler, hvorfor det er nødvendigt at fjerne alt klor i fødevandet.

2.3.2 Membrangeometri

Membranernes geometriske udformning har afgørende betydning for, hvordan de hydrauliske forhold internt i membranen er. De hydrauliske forhold er en betydende faktor for membranens egenskaber i forhold til at undgå fouling. Derudover har geometrien også betydning for, hvordan selve membrananlæggets fysiske udformning er, og hvor lette membranerne er at rense.

Til vandbehandling er de fire dominerende former for geometri:

  • Spiralvundne membraner
  • Rørformede membraner
  • Hule fibre
  • Flade membraner i kassettesystemer

2.3.2.1 Spiralvunden membran
Spiralvundne membraner er de mest udbredte membraner til fremstilling af drikkevand og bruges i vid udstrækning til afsaltning af vand ved RO og NF filtrering. Opbygningen af spiralvundne membraner er illustreret i figur 2.5.

Figur 2.5 Illustration af opbygningen af en spiralvunden membran

Figur 2.5 Illustration af opbygningen af en spiralvunden membran /4/

Membranen er opbygget af forskellige materialer, der er formet som flade klæder og spundet op på et rør, der fungerer som permeatopsamler. Materialet, der udgør selve membranen, varierer fra leverandør til leverandør og er afgørende for, hvilke stoffer, der tilbageholdes pga. overfladeladningen, adsorptionsegenskaberne etc.

Fødevandet tilledes i den ene ende af membranen og kan efterfølgende enten strømme parallelt med permeatopsamleren eller igennem membranen, hvorefter permeatet ledes ind i centrum til permeatopsamleren /1/.

Geometrien i spiralvundne membraner giver større områder med turbulent strømning og giver færre strømningsmæssige døde områder, end det er tilfældet for membraner, der er opbygget af hule fibre. Membranerne kan renses grundigere end andre typer, og de har et specifikt areal af membranoverflade i forhold til volumen, der er større i sammenligning med andre membrantyper /1/.

2.3.3 Rørformede membraner

Rørformede membraner til brug for UF enheder er generelt produceret med en indre diameter fra 12,5 til 25 mm og med længder på 150 til 610 cm. Fødevandet strømmer fra indersiden af røret, hvis inderside er dækket af membranen, til ydersiden, hvor permeatet opsamles /1/.

Rørformede membraner bruges primært til MF og UF og har pga. deres geometriske udformning gode egenskaber til at undgå fouling.

2.3.4 Hule fibre

Hule fibre kan betragtes som små rør med en typisk diameter fra 0,5 til 1,1 mm ved brug til MF og UF. Membraner lavet af hule fibre kan laves med porestørrelser i mange størrelsesordener og kan derfor bruges fra alt til MF til RO. Når hule fibre bruges til RO membraner, omtales de ofte som hule fine fibre (HFF) og har da normalt en diameter på 42-85 ìm. Dermed kan membranfibrene pakkes meget tæt, hvorved der opnås et stort areal pr. volumen, men membranerne bliver samtidig følsomme overfor fouling.

Membraner, der er fremstillet af hule fibre, består af bundter med mange tusinde hule fibre, der f.eks. placeres i et rør, der kan påføres et tryk. I figur 2.6 er vist et eksempel på en membran bestående af hule fibre.

Figur 2.6 Illustration af en membran bestående af hule fibre

Figur 2.6 Illustration af en membran bestående af hule fibre

De hydrauliske forhold i membranmodulet kan påvirkes af flere faktorer. Nogle membraner udformes således, at strømningen er en såkaldt "dead end" strømning, der betyder, at fødevandet ledes igennem membranen, og det tilbageholdte stof langsomt ophobes ved membranoverfladen. Alternativet til "dead end" strømningen er såkaldt "cross flow", der betyder, at en del af fødevandet ledes op langs membranen og ledes bort som koncentrat. Dermed bortledes koncentratet kontinuerligt, og koncentrationen af partikulært og opløst stof, der tilbageholdes ved membranoverfladen, mindskes, og risikoen for fouling nedsættes.

Udover principperne for "dead end" og "cross flow" strømning i membranmodulerne kan strømningen også varieres i forhold til fibrenes indretning. Fødevandet kan enten tilledes indefra, og permeatet opsamles på ydersiden af fiberen eller omvendt. Se figur 2.7.

Figur 2.7 Illustration af strømningsretningerne i hule fibre

Figur 2.7 Illustration af strømningsretningerne i hule fibre

Hvis trykdifferencen, der driver strømningen, tages med i betragtning, kan membranmodulet med hule fibre konfigureres på 4 forskellige måder.

  • Indefra og ud med positivt tryk
  • Udefra og ind med positivt tryk
  • Indefra og ud med negativt tryk
  • Udefra og ind med negativt tryk

Membranmoduler, der påtrykker membranen et negativt tryk og dermed et lille vakuum, er f.eks. dykkede membraner, der kan nedsænkes i tankanlæg og ved hjælp af et lille vakuum suge vandet igennem de hule fibre.

  Modul karakteristik
Produkt Poredia-meter Konfiguration Diameter (cm) Længde (cm) Permeat-
opsamling
Filterareal (m2)
Aquasource 100 kD Indefra ud
i trykrør
30 130 Centralt rør 50
Asahi 13 kD Udefra ind
i trykrør
12,7 200 Toppen af modulet 41
Daicen 150 kD Indefra ud
i trykrør
31 130 Begge ender af modulet 50
Memtec 0,2 ìm Udefra ind
i trykrør
- 175 Begge ender af modulet 15
Koch 100 kD Indefra ud
i trykrør
12,7 109 Begge ender af modulet 8
X-flow 150-200 kD Indefra ud
i trykrør
20 100 Begge ender af modulet 25
Zenon 200 kD Udefra ind neddykket 75
Firkantet
200 Begge ender af modulet 46

Tabel 2.1 Eksempler på membraner af hule fibre /8/

Hule fibre er meget udbredt til MF, UF og NF og kan, som det fremgår af tabel 2.1, fås med adskillige porestørrelser, strømningskonfigurationer og fysiske størrelser.

2.3.5 Plade og ramme membraner

Plade og ramme membran er en anden måde at konfigurere membranmodulerne på. Flade stykker af membranmateriale sættes mellem plader eller rammer, således at der dannes små kanaler, hvor vandet kan strømme. Pladerne eller rammerne sættes sammen i f.eks. kassetteanlæg, der kan forbindes parallelt eller i serie efter behov. Der er flere forskellige konfigurationer af denne type membraner.

Figur 2.8 Eksempel på udformning af et kassetteanlæg. Billedet udlånt af UNIQ Filtration

Figur 2.8 Eksempel på udformning af et kassetteanlæg. Billedet udlånt af UNIQ Filtration

2.3.6 Sammenfatning

Membraner kan laves af et eller flere materialer og udformes geometrisk sådan, at anlægget optimeres i forhold til forskellige parametre.

Materialerne, der bruges til udførelsen af membraner, der anvendes til vandforsyningsanlæg i større skala, er ofte modificerede polymer, hvis specifikke egenskaber og resistens mod miljøet i fødevandet er afgørende for anvendelsen til den enkelte vandtype. I tabel 2.2 er der vist et udsnit af de anvende polymermaterialer med tilhørende karakteristika.

  Polymertype Maks. Tryk Optimal pH Maks. Fri klor koncentration (ppm)
RO/NF cellulose
acetate (CA)
70 bar 2-8 2
polyamide (PA) 70 bar 2-11 0
UF cellulose
acetate (CA)
14 bar 2-9 3
polysulfone (PS) 14 bar 0,5-13 25
Vinylflourid (VF) 14 bar 1-12 50
Acrylonitril 14 bar 1-10 50

Tabel 2.2 Viser en oversigt over generelle karakteristika for polymertyper til NF og RO filtrering /11/

Den geometriske udformning af membranmodulet er et kompromis imellem de hydrauliske forhold, der er betydende for evnen til f.eks. at undgå fouling, og behovet for at have så stor en overflade pr. volumen som mulig, da dette giver den største kapacitet. I tabel 2.3 er der vist en generel oversigt over de enkelte geometriske udformningers forcer og svagheder.

Design
Parameter Spiralvundne Hule Fibre Rør fibre Plade og ramme
Pris Lav Lav Høj Høj
Areal/volumen Høj UF – Høj
RO – meget hø
Lav Moderat
Driftstryk Højt UF – Lavt
RO – Højt
UF – Lavt
RO – middel
Højt
Evne til at undgå fouling Middel UF – God
RO- dårlig
Meget god Middel
Mulighed for rengøring God UF- meget god
RO - dårlig
Meget god God

Tabel 2.3 Viser en oversigt over generelle karakteristika for de 4 membrankonfigurationer /11/

2.4 Valg af membrananlæg til vandbehandling

Membrananlæg kan opføres som komplette vandværker, hvor membranprocessen udgør den primære vandbehandling, eller udnyttes som et supplement til en eksisterende vandbehandling. Ved valg af membrananlæg til et vandværk er der mange forhold, der skal overvejes:

  • Pladsmæssige forhold
  • Membranens virkefelt
  • Påvirkning af den eksisterende vandkvalitet
  • Etableringsomkostninger
  • Drifts- og miljømæssige aspekter

De pladsmæssige forhold er ofte vigtige at tage i betragtning, når der skal vælges et membrananlæg, der skal indpasses i eksisterende bygninger. Afhængig af membrananlæggets opbygning stiller de forskellige pladsmæssige krav. Generelt er membrananlæg kompakte og er derfor ikke pladskrævende sammenlignet med alternative processer. Dykkede membraner stiller krav til beholderkapaciteten dvs. arealet af beholderen, mens membranmoduler, der er udformet som trykrør eller kassetteanlæg, stiller krav til plads i tørre rum.

Udvælgelsen af den rigtige membran til en given vandtype er normalt en kompliceret proces. De fleste leverandører har et antal membraner, der er testet på forskellige vandtyper, og kan derfor ofte på baggrund af vandkvalitetsanalyser af fødevandet give et bud på en membran og et membrananlæg, der kan bruges til den pågældende vandtype. Ofte vil leverandøren opstille et pilot.anlæg for at teste, om membranen kan leve op til de stillede krav, da sikkerheden i laboratorieforsøg ikke umiddelbart kan overføres til fuldskalaanlæg.

Hvis det ønskes at teste membraner fra forskellige leverandører, kan forskellige membraner f.eks. testes hos eksempelvis KIWA i Holland, der har udviklet et udstyr kaldet "Quick Scan", hvor der kan testes 4 forskellige membraner på samme vandtype under identiske driftsbetingelser. På denne måde vil membraner fra forskellige leverandører kunne testes, og det mest optimale valg foretages.

Membrananlæg er normalt følsomme overfor fouling, hvorfor det ofte er hensigtsmæssigt at bruge membrananlægget under anaerobe forhold, således at jern og mangan stadig er på opløst form og ikke giver anledning til fouling. Dermed kan den eksisterende vandbehandling udnyttes, og membrananlægget kan supplere med en fjernelse af f.eks. organisk stof.

NF og RO membrananlæg vil påvirke den resulterende vandkvalitets pH, hårdhed og alkalinitet, og det skal derfor vurderes, om der er behov for yderligere kemikalier til regulering af disse parametre for at opnå en tilfredsstillende vandkvalitet.

Membranfiltrering er traditionelt en forholdsvis dyr proces at etablere. Ud over selve membrananlægget med pumper og rensestation, skal medregnes omkostninger til forbehandling, efterbehandling, afløbsinstallationer, styrings- og overvågningsanlæg, bygningsanlæg, eventuel mellem- og blandebeholdere samt konsulenthonorar. Typisk vil den totale anlægspris ligge i intervallet 50.000 – 100.000 kr. per m³/h. For små anlæg kan prisen være højere.

Ved dykkede membraner er op mod 50 % af anlægsprisen knyttet til selve membrananlægget, mens det for øvrige membrananlæg typisk kun er 20 – 30 % af anlægsprisen, der er knyttet til selve membrananlægget.

2.5 Drift og miljømæssige aspekter ved membranfiltrering

De væsentligste driftsomkostninger er:

  • Kemikalieforbrug
  • Energiforbrug
  • Bortskaffelse af koncentrat
  • Membranudskiftning
  • Mandskabsforbrug

2.5.1 Kemikalieforbrug

Ved membranfiltrering er der normalt tilknyttet et vist kemikalieforbrug. Kemikalieforbruget kan principielt forekomme i 3 dele af processen:

  • Forbehandling af fødevand
  • Efterbehandling af permeat
  • Rengøring af membraner

Normalt vil omkostninger til kemikalier være uden væsentlig betydning sammenlignet med øvrige driftsomkostninger. Specielt forbruget til rengøring er meget afhængig af vandtypen.

2.5.1.1 Forbehandling af fødevand
Ved membranfiltrering er det essentielt for processen, at det undgås, at membranen beskadiges, at membranen fouler og at der sker udfældninger af stoffer i membranen (scaling). Det er derfor ofte nødvendigt, at der foretages en forbehandling af fødevandet, der i nogle tilfælde inkluderer et forbrug af kemikalier.

Kemikalieforbruget i forbehandlingen af fødevandet afhænger af flere faktorer, hvoraf følgende er betydende:

  • Membranmateriale
  • Membrangeometri
  • Modulgeometri – hydrauliske forhold etc.
  • Fødevandskvalitet
  • Udnyttelsesgrad
  • Den ønskede vandkvalitet af permeatet

Ved MF og UF er der typisk et forbrug af koagulanter eller flokkuleringsmidler, som f.eks. polyaluminiumsklorid, aluminiumssulfat, jernklorid, jernsulfat, polymere, der sikrer, at rensegraden bliver tilfredsstillende.

Figur 2.9 Skematisk visning af parametre/stoffer relateret til forskellige problemstillinger

Figur 2.9 Skematisk visning af parametre/stoffer relateret til forskellige problemstillinger

Ved NF og RO, der er diffusionsstyrede, foretages der typisk en forbehandling for at undgå udfældninger i membranen. Dette foretages normalt ved tilsætning af syrer/baser eller forskellige former for antiscalingsmidler, som eksempelvis hexametafosfat. Tilsætningen af kemikalier afhænger af, hvilke stoffer, der er begrænsende i forhold til koncentration og opløselighed. Kemikalierne bruges til at binde ioner i komplekser og på den måde nedsætte risikoen for udfældninger. Indholdet af antiscalingsmidlerne er ikke noget leverandørerne oplyser, og en evt. godkendelse til brug i forhold til vandforsyning er usikker. Udvælgelsen af antiscalingsmidler foregår ofte ved indtastning af en vandanalyse i et edb-program, hvorefter et eller flere midler foreslås testet.

2.5.1.2 Efterbehandling af permeat
Efterbehandling af permeatet er specielt relevant i forbindelse med RO og NF filtrering, da disse processer ofte influerer på pH, fjerner store dele af hårdheden og alkaliniteten. En efterbehandling er derfor ofte nødvendig for at opnå de ønskede smagsmæssige og nonkorrosive egenskaber. Tilsætning af forskellige kalkprodukter til stabilisering af vand med hensyn til pH og alkalinitet er derfor nødvendig. Derudover kan det i nogle tilfælde være nødvendigt at tilsætte forskellige salte for at opnå den ønskelige smag.

2.5.1.3 Rengøring af membraner
Rengøringen af membraner foretages ofte med syre/base opløsninger til opløsning af de stoffer, der igennem processen afsættes i membranen. Til desinficering bruges der desuden ofte kloropløsninger.

2.5.2 Energiforbrug

Energiforbruget ved membranfiltrering kan variere betydeligt fra anlæg til anlæg afhængig af porestørrelsen i membranen, stofkoncentrationerne, forbehandlingen samt driftstrykket.

Energiforbruget relaterer overvejende til drivtrykket over membranen. Generelt er drivtrykket omvendt proportionalt med porestørrelsen, dvs. at drivtrykket er størst ved RO membraner, hvor det normalt ligger mellem 14 og 24 bar, og mindst i MF membraner, hvor drivtrykket kan være på ned til 0,2 bar. Typiske drivtryk for membrananlæg kan ses i tabel 2.4.

Membran Drivtryk (bar)
RO – afsaltning55-70
RO - anden vandbehandling14-24
NF7-14
UF2-10
MF0,2-2

Tabel 2.4 Typiske driftstryk ved membranfiltrering. /11/ /12/

Drivtrykket over membranen bestemmes bl.a. af forbehandlingen og udnyttelsesgraden, hvor en god forbehandling med antiscalingsmidler kan nedsætte det nødvendige drivtryk for at opnå en given udnyttelsesgrad. Udviklingen går hurtigt imod en reduktion af det nødvendige drivtryk og dermed energiforbruget i membranprocesserne.

Ved MF er energiforbruget lavt og normalt ikke afgørende for valg af proces. Der ses typisk følgende energiforbrug pr. m³ produceret vand:

  • UF 0,2 – 1,0 kWh
  • NF 0,7 – 1,5 kWh
  • RO 1,5 – 3 kWh, ved afsaltning af havvand dog 6 – 10 kWh/m³

2.5.3 Udnyttelsesgrad

Udnyttelsesgraden, der er forholdet mellem mængden af fødevand og permeat, for det enkelte membrananlæg afhænger af mange parametre, hvoraf de vigtigste er:

  • Membranmateriale
  • Membrangeometri
  • Modulgeometri – hydrauliske forhold etc.
  • Fødevandskvalitet

Generelt korrelerer udnyttelsesgraden dog med porestørrelsen i membranerne, således at udnyttelsesgraden inden for de 4 membranteknikker kan angives som i 5, hvor der er angivet nogle dækkende intervaller.

  RO NF UF MF
Udnyttelsesgrad 70-75 % 80-90 % 80-90 % 98 %

Tabel 2.5 Typiske udnyttelsesgrader ved de forskellige membranfiltreringsmetoder /3/

Af tabel 2.5 ses det, at udnyttelsesgraden ved f.eks. RO normalt ligger i størrelsesordenen 70-75 %, mens udnyttelsegraden for NF ligger mellem 80 og 90 %. Sammenlignet med normal vandbehandling på danske vandværker (beluftning og filtrering) er der således et vandtab. Ved normal vandbehandling er udnyttelsesgraden 98-99 %, da der typisk bruges 1-2 % til filterskylning. Anvendelse af membranfiltrering kræver hermed en større grundvandsindvinding, hvilket i områder med knappe grundvandsressourcer kan være begrænsende for processens anvendelse.

Udnyttelsesgraden varierer afhængig af anlægsdesign og andre forhold som f.eks. behandling og håndtering af koncentratet.

2.5.4 Bortskaffelse af koncentrat

Ofte vil eneste mulighed for bortskaffelse af koncentrat være afledning til spildevandssystemet. Ved en afledningsudgift på eksempelvis 15 kr./m³ vil omkostningen herved være dominerende og ofte udgøre op mod 50 % af omkostningerne ved membranfiltrering. Det er derfor afgørende, om koncentrat kan håndteres på anden måde, eksempelvis ved injicering i grundvandsmagasinet, infiltration eller afledning til recipient. Mulighederne for alternativ håndtering af koncentrat afhænger af lokale forhold og koncentratets indhold af stoffer, der er uønsket i miljøet.

Stofferne og stofkoncentrationen i koncentratet vil variere afhængig af stofkoncentrationerne i fødevandet, valget af membran og udnyttelsesgraden.

Skyllevandet kan være tilsat syrer/baser og dermed have en lav/høj pH-værdi. Dette kan være et problem i forhold til afledning til kloak, men ofte løses problemer med høj/lav pH ved at lede vandet til en neutraliseringstank, hvor der foretages en pH-justering.

Ved brug af desinfiktionsmidler som f.eks. klor, skal der foretages en vurdering af koncentrationsniveauet og evt. muligheder for opblanding/neutralisering i forhold til muligheden for afledning til kloak.

2.5.5 Udskiftning af membraner

Membranerne skal påregnes udskiftet hvert 3-8 år afhængig af membranmateriale, fødevandskvalitet og driftsform. Normalt er levetiden afhængig af en kombination af de 3 faktorer.

Membranmaterialet er betydende for holdbarheden i forhold til forskellige stoffer. F.eks. skal valget af kemikalier til rensning af membranen afpasses efter membranmaterialet, og det er derfor afgørende, at forskriften fra leverandøren følges nøje, da der ellers kan ske skade på membranen med nedsættelse af levetiden til følge.

Fødevandets kvalitet er betydende for membranens levetid. Afhængig af membranmaterialet er der forskellige stoffer, der kan skade membranen. Det kan være stoffer som f.eks. frit klor, som er skadelige for nogle membranmaterialer. Det er derfor afgørende for membranens levetid, at det sikres, at fødevandskvaliteten er i overensstemmelse med leverandørens forskrifter. Det kan derfor være problematisk med stærkt fluktuerende koncentrationer af problemstoffer i fødevandet.

Belastningen af membranen og dermed antallet af rengøringer er afgørende for levetiden. Derudover er det vitalt, at driften foregår forsvarligt og er optimeret i forhold til f.eks. scaling. Hvis der udfældes stoffer i membranen, der ikke er let opløselige i renseprocessen, kan der opstå irreversibel fouling, der kan nedsætte levetiden af membranen betydeligt. Erfaringsmæssigt regnes med omkostninger til udskiftning af membraner på 0,3 – 0,4 kr./m³ produceret vand.

2.5.6 Mandskabsforbrug

Selv om membranfiltrering er en fuldt automatiseret proces, kræver processen løbende manuel overvågning for at sikre en omhyggelige monitering af anlæggets drift. Der må påregnes 5 – 10 mandetimer pr. uge afhængig af anlæggets størrelse.

Det vil endvidere for mange vandværker være nødvendigt at indgå aftale med specialfirmaer om service og udskiftning af membraner.

2.6 Myndighedstilladelse

Membranfiltrering betragtes som udvidet vandbehandling. Anvendelse af membranfiltrering kræver tilladelse i henhold til vandforsyningsloven. Der skal endvidere indhentes tilladelse til afledning af koncentrat/spildevand.

2.7 Litteratur og referencer

/1/ Water Quality & Treatment American Water Works Association 5. udgave

/2/ Vandforsyning, Karlby et al. Teknisk forlag. 1. udgave 1. oplag 1998

/3/ Vandforsyningsteknik. Winther, Leif. Et al. Polyteknisk forlag. 2003.

/4/ Stamer, C. "Membranteknik i vandbehandling", Vandteknik, nr. 4 1998

/5/ BIOSEPProcessen. Ved Christian Stamer og Peter Borch Nielsen, Krüger A/S. Januar 2001.

/6/ Mulhern, Nancy. Environmental expert com. Membrane and system design consideration in producing high purity water. Year 2000.

/7/ Johnson, Greg. Et al., Kinetics of mineral scale membrane fouling.

/8/ Schweiker, Mark. Commonwealth of Pennsylvania – Department of environmental protection.

/9/ Pedersen, Leif Stig. Vandforsyningsteknik 47. Danske Vandværkers Forening.

/10/ National Drinking Water Cleaning House. Tech Brief.

/11/ GE Water Technologies. Membrane the finest filtration.

/12/ Stamer, Christian. Vandbehandling ved ultrafiltrering. Vandforsyningsteknik 50. Danske Vandværks Forening.

/13/ Materiale fra leverandører af membrananlæg.

 



Version 1.0 December 2003, © Miljøstyrelsen.