Genbrug af procesvand fra reaktivfarvning af bomuld

7. Demonstrationsanlæg

7.1 Aktivt kulanlægget
7.2 Membrananlægget

På baggrund af erfaringerne fra laboratorie- og pilotforsøg etableredes demonstrationsanlæg, både aktivt kul anlæg og membrananlæg. Demonstrationsanlægget er skaleret til at håndtere vandet fra fem 100 kg's Henriksen jetfarvemaskiner, der producerer i to-holdsskift. Anlæggene demonstrerer drift i fuld skala på disse farvemaskiner.

7.1 Aktivt kul anlægget

Aktivt kul anlægget består af to seriekoblede kulkolonner på hver 400 liter af fabrikat Chemviron Carbon leveret af Mogens Nielsen ApS. Kullene er sammenlignelige med det under laboratorie- og pilotforsøg identificerede produkt F400 fra Chemviron. Seriekoblingen bevirker, at kullenes kapacitet udnyttes bedst muligt. Opstillingen er skitseret i Figur 38.

Figur 38. Skitse af aktivt kul demonstrationsanlæg

I Figur 39 ses et foto af aktivt kul demonstrationsanlægget

(19 Kb)

Figur 39. Aktivt kulanlæg bestående af to 400 liters kulkolonner

Mættede kul

Udgangspunktet for driften af aktivt kul anlægget er, at kolonnerne udskiftes og sendes tilbage til leverandøren, når kullene er mættede. Kullene kan regenereres, alternativt afbrændes.

Tilstopning

Kulkolonnerne er opstillet, så der anvendes downflow, idet der ved up flow vil være risiko for tilstopning. Ved indgangen til kulfiltrene er der monteret et Silhorko posefilter for at opsamle fiberrester og andre faste partikler, som kunne føre til tilstopning af kulfiltrene.

7.1.1 Driftserfaringer

Procesvand

Over to perioder er der gennemført rensning af opsamlet procesvand fra farvebad og første skyl. I den anden af disse to driftsperioder var procesvandet væsentlig mere farvet end ved første periode. Detaljeret information og dokumentation af forsøg og resultater kan fås i delrapport 15.

I alt har kulanlægget i de to perioder behandlet ca. 10.400 liter procesvand. Driften er efter rådføring med leverandør gennemført med en opholdstid på 1 time i hver af kolonnerne. Dette er væsentligt kortere opholdstid end pilotforsøgene anviste.

Vandprøver

Under driften af anlægget er der taget vandprøver ved indløb, efter første kolonne og efter anden kolonne. Disse prøver er taget hver time, dvs. for hver 400 liter. De udtagne prøver er målt for pH-værdi, ledningsevne (som udtryk for saltindhold) og absorbans (som udtryk for farveindhold). Endvidere udføres COD-bestemmelse for enkelte prøver fra ind- og udløb.

Første driftsperiode

I den første driftsperiode, hvor anlægget behandlede 1.200 liter var vandet fuldstændig klart allerede efter 1. kulkolonne.

Anden driftsperiode

I anden driftsperiode, hvor det indløbende farvebadsprocesvand var stærkere farvet end i første periode, var vandet tydeligt farvet efter første kolonne og meget svagt farvet efter anden kolonne. Anfarvningen af det rensede farvebad holdt sig imidlertid konstant til slutningen af forsøget, og nærmede sig på intet tidspunkt samme intensitet som det indløbende farvebad. Kullene har derfor forsøget igennem haft en rensende effekt, og intet tyder på, at kullene er mættede ved forsøgets slutning.
Den mest sandsynlige forklaring på den ikke fuldstændige farvestoffjernelse er derfor, at den valgte opholdstid ikke har været tilstrækkelig lang. Leverandøren af kulkolonnerne støtter denne antagelse og skønner kullenes kapacitet til ca. 100m³ inden mætning. En kapacitet på ca. 4 kg kul/kg farvestof kan herudfra forventes, dvs. større kapacitet end forventet fra pilotskalaforsøgene.

Målinger

Målingerne af pH og ledningsevne viser, at disse to parametre ikke ændres ved passage gennem kulkolonnerne. Med andre ord passerer natriumhydroxid og salt som også tidligere set uhindret gennem kulkolonnerne, og disse kan som forventet genbruges sammen med det rensede vand til nye indfarvninger. COD-målingerne viser, at ca. 90% af det organiske stof tilbageholdes i kullene.

7.1.2 Anbefaling til kulvalg og anlægsopbygning

Konklusion

Et aktivt kul anlæg, udstyret med granulerede dampaktiverede bitumen kul af typen F400 fra Chemviron, kan rense farvebadene fra reaktiv farvning af bomuld. Farvestofhydrolysatet fjernes samtidig med, at energi, natriumhydroxid og salt bibeholdes i vandet og kan genbruges.

Opholdstiden for fuldstændig farvestoffjernelse, også for farvebade fra meget dybe nuancer, anslås til omkring 2 timer og kapaciteten forventes at ligge omkring 4 kg kul/kg farvestof.

Anlægsopbygningen kan i praksis være to kolonner forbundet i serie med vendbart flow. Når vandet mellem de to kolonner viser farvegennemslag skiftes kullene i den kolonne, der har fungeret som første kolonne og flowet vendes således, at kolonnen med de nye kul står sidst.

De med farvestofhydrolysat mættede kul kan afbrændes. En regenerering vil medføre et farvet koncentrat, der skal bortskaffes på anden vis og kan ikke umiddelbart anbefales.

7.2 Membrananlægget

Ettrinsanlæg til batchvis drift

Membrananlægget er et ettrinsanlæg med recirkulation og til batchvis drift, leveret af Union Filtration A/S. Anlægget er illustreret ved flow sheet i Figur 40 og foto i Figur 41. Anlægget er udstyret med to pumper, én tryksættende pumpe (41PF30 i Figur 40) og én pumpe til recirkulation (01PR30 i Figur 40).

Anlægget er udført i rustfrit syrefast stål for at reducere risiko for korrosion. Der er monteret to trykrør parallelt (PV3/1 i Figur 40), hvert dimensioneret til 3 stk. 4040-membranelementer. Elementerne er monteret med 1,2 mm spacer, hvilket giver et samlet membranareal på omkring 36m². I det ene trykrør monteredes 3 stk Desal DK nanofiltrerings-membraner, der fra leverandøren garanteredes at leve op til specifikationerne. I det andet rør monteredes 3 stk Desal SG omvendt osmose membraner. Da der er separat fluxmåling og prøvetagningshaner til permeatudtag på hvert af de to trykrør, giver dette mulighed for at indhente yderligere erfaringer med de to membrantyper hver for sig.

Anlægget er monteret med forfilter (10 µm posefilter - filterhus ses længst til venstre i Figur 41) med 100 l rensetank (CIP-tank), med damp-opvarmet varmeveksler samt med kontroltavle med PLC styring og alarmpanel til styring af automatventiler og pumper.

(31 Kb)

Figur 40. Membranfiltrering demonstrationsanlæg på Martensens Fabrik AIS. Flowsheet fra anlægsleverandøren, Union Filtration AIS

Fire tanke

Demonstrationsanlægget er forbundet til fire tanke: én 10m³ fødetank til opsamling af procesvand, én 10m³ permeattank til opsamling af permeat, én 2m³ koncentrattank til opsamling af produceret koncentrat samt én 2m³ mellemtank til opsamling af let farvet permeat produceret sidst i opkoncentreringsforløbet. Alle tanke er udstyret med niveaumåler samt overløbsrør og bundventil til farverihallens spildevandssystem. Tanke og membrananlæg er indbygget i et isoleret annex til farverihallen med et grundareal på ca. 25m².

Opkobling til farvemaskiner

Føde- og permeattank er forbundet med fem 100 kg's jetfarvemaskiner i farverihallen; fødetanken modtager farvet skyllevand ved udpumpning fra farvemaskinerne og permeattanken leverer rent genbrugsvand, der indpumpes til farvemaskinerne. Rørføring til og fra farvemaskinerne, som blev etableret under pilotskalaarbejdet, er anvendt uændret til demonstrationsanlægget, jfr. foto i Figur 9. Styring af ud- og indpumpning er monteret på farvemaskinernes PLC styring og styres altså fra farverihallen af farverimaskineoperatørerne. Et lyspanel på endevæggen i hallen indikerer, om der må pumpes ud og/eller ind - dvs. om der er plads i fødetanken, henholdsvis om der er nok permeat i permeattanken til en batch i farvemaskinen.

(27 Kb)

Figur 41. Demonstrationsmembrananlæg på Martensens Fabrik A/S

Membrananlægget har tre indstillingsmuligheder: Stop, Produktion og CIP (membranens).

Produktionstrin

Produktionen er fra start planlagt som batchbehandling af 10m³ procesvand (» fuld fødetank) pr. døgn, og den gennemløber automatisk fire forskellige drifttrin (Union Filtration, 1995):

1. Forkoncentrering: de første omkring 90% af fødetankens startvolumen behandles i dette trin – permeat opsamles i permeattank, retenat recirkuleres over fødetank
    
2. Slutkoncentrering: når volumen i fødetank når ned omkring 10% af startvolumen forventes farvegennemslag til permeat - let farvet peremeat opsamles i mellemtank, koncentrat recirkuleres over fødetank.
    
3. Koncentrattømning: når volumen i fødetank når ned på omkring 1% af startvolumen pumpes indhold af fødetank til koncentrattank; indhold i mellemtank pumpes til fødetank dels for at fortrænge koncentrat i membrananlæg dels for at genbehandle det med næste batch.
    
4. Anlæg stopper

De angivne procenter gælder for en tæt nanofiltreringsmembran. Når der anvendes en omvendt osmose membran er det muligt, at trin 2 helt kan undgås, dvs. der kan koncentreres helt til en rest af koncentreret retenat på 1% af udgangsvolumen uden farvegennemslag i permeatet, og mellemtanken bliver da overflødig. Skift mellem trinnene styres via niveaumåler i fødetank, varighed af trin 3 er timerstyret. Trin 1 starter ved et niveau på 10m³ i fødetanken, skift til trin 2 sker ved ca. 1-2m³ i fødetanken (ved nanofiltrering), skift til trin 3 sker ved 100-200 l i fødetanken, og skift til trin 4 sker ved tom fødetank. Disse niveauer kan let justeres efter behov og erfaring.

CIP - Cleaning In Place

Før anlæg startes igen kan membranen renses ved at starte det i CIP indstillingen - anlægget skal ikke adskilles for at kunne renses. CIP trinnet består af et skyl med meget højt flow og lavt tryk. Afhængig af erfaringer kan koldt vand eller varmt vand anvendes, og der kan tilsættes rensekemikalier i CIP tanken.

Dataopsamling

En computer (se Figur 42), der er blevet opgraderet med programmet LABTECH NOTEBOOK, følger anlæggets drift minut for minut. Således haves et meget stort og omfangsrigt datamateriale til dokumentation af anlæggets drift.

(17 Kb)

Figur 42. Dataopsamling fra demonstrationsanlægget på Martensens Fabrik A/S

7.2.1 Driftserfaringer

Erfaringer fra demonstrationsskala er de samme som fra pilotskala, hvad angår anlæggets ydelse.

Separat dataopsamling

Dataopsamlingen sker separat for de to trykrør, dvs. data foreligger separat for henholdsvis nanofiltreringsmembranerne (Desal DK) og omvendt osmose membranerne (Desal SG). Begge har givet farveløst permeat med den før beskrevne driftsform, og permeatet har uden problemer kunnet genbruges i farverihallen til skyl efter reaktivfarvning. DK nanofiltreringsmembranerne har altså vist sig at være tættere end den, der testedes i pilotskala, og de kan med den aktuelle driftsform leve op til kravet om farvestoffjernelse. Problemet med en vis opkoncentrering af salt (NaCl) i permeatet eksisterer stadig for DK nanofiltreringsmembranen, men det har ikke givet anledning til problemer i praksis, fordi anlægget til dato ikke har været drevet meget intenst med mange ganges genbrug af det samme vand. Der er ligeledes ikke observeret problemer med rest af organiske stoffer i permeatet fra nanofiltreringsmembranerne.

Temperatur

Det har ikke været muligt at få omlagt skylleprocesserne i reaktivfarvningsrecepterne fuldt ud til den optimerede recept med kemikaliefri, varmeskyl, og dette betyder, at anlægget får varme og kolde skyl blandet sammen til en gennemsnitstemperatur på omkring 40-45°C. Når membrananlægget kører gennem trin 2 og 3 stiger trykket imidlertid til 16-18 bar og pumpeenergien, der afsættes i vandet, får temperaturen til at stige til omkring 60°C for den vandmængde, der behandles i disse trin. Permeatet får en gennemsnitstemperatur på omkring 45°C i permeattanken. Der er således stadig et stykke op til de ca. 90°C, som det var hensigten at drive membrananlægget ved.

Døgndrift

Ved rensning én gang i døgnet opnås ved den aktuelle temperatur en gennemsnitsflux på omkring 27 l/m²/h med nanofiltreringsmembranen og på omkring 22 l/m²/h med omvendt osmose, for begge membraners vedkommende ved et drifttryk på omkring 5-8 bar.

Ugedrift

Anlægget har ved døgndrift udvist så gode driftresultater, at det har været prøvet at drive anlægget i ugedrift, dvs. oprensning kun en gang om ugen. Driftresultaterne for en uge er skitseret i Figur 43.

Figur 43. Kontinuert opkoncentrering af ca. 70m³ skyllevand fra reaktivfarvning af bomuld. Ugedrift (5 døgn)

Flux ved ugedrift

Ved kontinuert drift uden rensning gennem ugen som i Figur 43 opnås en gennemsnitsflux på omkring 17 l/m²/h, hvad enten der anvendes nano- (Desal DK) eller omvendt osmose (Desal SG) membraner. Det ses af figuren, at nanofiltreringsmembranen giver højst flux i starten, men at omvendt osmose membranen fouler langsommere, således at omvendt osmose membranen faktisk i lange perioder giver en højere vandflux end nanofiltreringsmembranen ved samme tryk og temperatur.

Skift af forfilterpose

Døgnskift af filterposen i forfilteret fungerer godt. Ved ugedrift er et til tre poseskift pr. uge nødvendigt. Monteres forfiltret med to poser parallelt, kan det undgås at stoppe anlægget ved poseskift, men som det er nu, må det stoppes. Filterposen kan vaskes ved 60°C i vaskemaskine og genanvendes mange gange.

Erfaring med oprensning

Rensning af membranen har vist sig at være let. Efter et døgns drift restituerer et skyl med 85-90°C varmt vand membranen fuldstændigt.
Efter ugedrift er en grundigere rensning nødvendig. Ingen af de anvendte membranelementer har taget skade af det varme vand.

Kapacitet ved ugedrift

Ved ugedrift opsamles i alt omkring 68m³ som genbrugeligt permeat og 1-2m³ som retenat - svarende til en opkoncentrering på 45 gange eller 97%. Det har ikke været forsøgt at opkoncentrere retenatet yderligere, men det vurderes at kunne lade sig gøre uden problemer.

Kapacitet ved døgndrift

Ved døgndrift, dvs. oprensning af membranen en gang i døgnet (1/2 time med varmt vand og lud), kan fluxen øges til næsten det dobbelte, svarende til behandling af omkring 120-130m³ procesvand om ugen.

Ved drift i højtemperaturområdet, omkring 90°C, kan fluxen og dermed anlæggets kapacitet yderligere fordobles.

Håndtering af koncentrat

Det koncentrerede retenat er til dato sendt til Martensens Fabriks eget renseanlæg, men som før nævnt vurderes en kombineret anaerob-aerob behandling ved at sende det til rådnetank på kommunalt renseanlæg at være en miljømæssigt bedre løsning (se uddybende kommentarer i af snit 6.2).

7.2.2 Anbefaling til anlægsopbygning og membranvalg

Batchvis drift

Som demonstrationsanlægget er indrettet til batchvis drift må det anbefales at drive det med omvendt osmose membraner - og tage fordelen ved den herved vundne afsaltning med. Driften bør køre så varmt som muligt og i døgnrytme. Rensning kan reduceres til skyl med ca. 90°C varmt vand, evt. med lud, én gang i døgnet og en egentlig rengøring med egnet rensemiddel foretages én gang ugentligt, f.eks. sidst fredag eller først mandag. Denne driftsform vil give lang levetid på elementerne, en levetid der formodentlig skal tælles i år.

Serielt anlæg til kontinuert drift

Et større anlæg kunne opbygges som et flertrinsanlæg, bestående af f.eks 4-5 trin i serie som vist i Figur 44. Hvert trin udtager f.eks 20% af procesvandet som permeat, og de efterfølgende trin koncentrerer videre på retenatet fra foregående trin. De første 3-4 trin kunne etableres med DK nanofiltreringsmembraner og de næste 1-2 trin med SG omvendt osmose membraner.

Valg af membran ved kontinuert drift

Et sådant koncept ville drage fordel af nanomembranens gode flux på det ikke stærkt opkoncentrerede procesvand i starten og SG omvendt osmose membranens gode tilbageholdelse på det mere opkoncentrerede procesvand til slut. SG membranerne ville da udtage eventuelt salt og indhold af småmolekylære organiske stoffer i retenatet og dermed reducere disse stoffers opkoncentrering i genbrugsvandet.

Figur 44. Eksempel på serielt opbygget anlæg til kontinuert drift