|
Membranfiltrering, erfaring og muligheder i dansk vandforsyning Sammenfatning og konklusionerI Danmark er membranfiltrering hidtil kun anvendt i meget begrænset omfang i forbindelse med vandforsyning, mens membranteknologien internationalt har stor udbredelse til fremstilling af drikkevand. Den hidtil begrænsede anvendelse af membrananlæg i forbindelse med vandforsyning i Danmark er primært begrundet i, at dansk vandforsyning traditionelt er baseret på uforurenet grundvand, der kun kræver normal vandbehandling i form af beluftning og filtrering, for at drikkevandskravene kan overholdes. I flere tilfælde er det imidlertid vanskeligt at opretholde en drikkevandsforsyning, der alene er baseret på normal vandbehandling. Grundvandet er mange steder forurenet med pesticider og nitrat, samt naturlige eller indvindingsbetingede forureninger som fluor, arsen og nikkel. Uden anvendelse af udvidet vandbehandling, som eksempelvis membranfiltrering, er en del af grundvandsressourcen ikke egnet som grundlag for vandforsyning. Med henblik på at begrænse indvindingen og omkostninger til afledning af filterskyllevand, har flere danske vandforsyninger etableret anlæg til genanvendelse af filterskyllevand. Erfaringer fra Vandforsyningen I/S Birkerød Vandværk har vist, at membranfiltrering kan anvendes ved genanvendelse af filterskyllevand. Formålet med projektet er at beskrive membranprocessernes anvendelse og anvendelsesmuligheder i forbindelse med vandforsyning fra almene anlæg i Danmark baseret på grundvand. Endvidere beskrives forskellige membranprincipper og anlægstyper, og membranfiltrering sammenstilles med alternative rensemetoder. Der fokuseres på mulighederne for membranfiltrering på følgende vandtyper:
Anvendelse af membranfiltrering vurderes i forhold til de i tabel 0.1 anførte problemstoffer, som i større eller mindre omfang findes i dansk grundvand, og for filterskyllevand fra normal vandbehandling.
Tabel 0.1 Oversigt over stoffer i grundvand for hvilke anvendelse af membranfiltrering er belyst. Membranfiltrering
I figur 0.1 er virkefeltet for hver enkelt kategori vist sammen med eksempler på stoffers størrelse. Klik her for at se Figur 0.1 Illustration af membrantypernes virkefelt. Separationsprocessen ved RO og NF adskiller sig fra UF og MF ved at være diffusionsstyret, hvor UF og MF er styret af en absolut tilbageholdelse gennem sivning. Ved RO og NF, hvor de tilbageholdte stoffer typisk er ioner, er drivtrykket over membranen samt det osmotiske tryk de styrende parametre for flowet igennem membranen og dermed produktionen af permeat (renset vand). Derudover er det afgørende for RO og NF, at der ikke sker udfældninger af fast stof i membranen (scaling), da dette vil bevirke et større tryktab over membranen. Stoffernes koncentration og opløselighed er derfor begrænsende for den udnyttelsesgrad, der kan opnås i membrananlægget. Ved MF og UF er de tilbageholdte stoffer ofte molekyler og kolloider, der tilbageholdes ved, at der opbygges en kage ved membranoverfladen (fouling). De styrende parametre i processen er derfor porestørrelsen, drivtrykket samt udbredelsen og egenskaberne i den opbyggede kage. For at mindske koncentrationen af stoffer ved membranoverfladen opretholdes der i mange membrananlæg et flow langs membranen (cross flow), der bevirker, at koncentrationen af tilbageholdt stof reduceres, og scalingen/foulingen dermed mindskes. Membrananlæg og membraner
Figur 0.2 Eksempel på opbygning af et membrananlæg. Anlægget beskrives som et 2-1 array anlæg. I driften af membrananlægget foretages der normalt periodisk tilbageskylning/kemisk rensning af membranerne. Ofte suppleres periodiske rensninger af membranen med nogle ekstraordinære rensninger med stærkere kemikalier, end der anvendes til den daglige drift. Membraner laves af mange forskellige materialer, som f.eks. celluloseacetat, polyamid eller polysulfon. Materialerne modificeres på forskellige måder, således at de adskiller sig ved specifikke egenskaber i forhold til porøsitet, porestørrelse og resistens overfor forskellige stoffer og miljøer. Membranernes geometriske udformning er af 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:
Membranernes geometriske udformning giver forskellige hydrauliske forhold, og i kombination med valget af membranmateriale får membranerne deres specifikke egenskaber. I tabel 0.2 er nogle generelle forhold angivet for de enkelte geometriske udformninger.
Tabel 0.2 Viser en oversigt over generelle karakteristika for de 4 membrankonfigurationer. Drift- og miljømæssige aspekter ved membranfiltrering
For at undgå, at membranen beskadiges, membranen fouler og der sker udfældninger af stoffer i membranen, er det ofte nødvendigt, at der foretages en forbehandling af fødevandet, der i nogle tilfælde inkluderer et forbrug af kemikalier. 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. 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. Inden NF og RO membranfiltrering foretages normalt en effektiv fjernelse af partikulært stof. 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 korrosive 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. Efterbehandling kan i flere tilfælde undgås ved opblanding med vand fra andre boringer eller etablering af bypass i forbindelse med membrananlægget. 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. 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, der generelt er stigende ved aftagende porestørrelse. Der ses typisk følgende energiforbrug pr. m³ produceret vand:
Generelt korrelerer udnyttelsesgraden med porestørrelsen i og drivtrykket over membranen, således at udnyttelsesgraden inden for de 4 membranteknikker kan angives som i tabel 0.3, hvor der er angivet nogle dækkende intervaller.
Tabel 0.3 Typiske udnyttelsesgrader ved de forskellige membranfiltreringsmetoder. Udnyttelsesgraden varierer afhængig af anlægsdesign og andre forhold, som f.eks. behandling og håndtering af koncentratet. 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 uønskede i miljøet. 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 for mange vandværker være nødvendigt at indgå aftale med specialfirmaer om service og udskiftning af membraner. Danske og udenlandske erfaringer Membrananlægget på Enø Strands Vandværk er et RO anlæg, der er etableret til fjernelse af kloridindhold på 400-500 mg/l fra grundvandet. Anlægget har en kapacitet på 0,6-0,8 m³/h, er fuldautomatisk og kører med kontinuerlig drift. Udnyttelsesgraden er 55 – 65 %. Der foretages ingen forbehandling ud over den normale vandbehandling. Det er bevidst valgt at acceptere en lav udnyttelsesgrad for at undgå brug af kemikalier til blødgøring og antiscaling. Anlægsomkostningerne for membrananlægget beløb sig til ca. 200.000 kr. i begyndelsen af 90'erne, hvilket svarer til en anlægsomkostning på ca. 275.000 kr. pr. m³/h. Der foreligger ikke en eksakt opgørelse af driftsomkostningerne ved membrananlægget, men de primære driftsomkostninger inkluderer forbruget af el samt servicebesøg. Elforbruget skønnes at være ca. 2 kWh/m³ produceret vand. Membrananlægget på Birkerød Vandværk er et UF anlæg, der er etableret til genindvinding af filterskyllevand. Anlægget, der har en kapacitet på 5 m³/h og en udnyttelsesgrad på 75 – 80 %, renser skyllevand med en koncentration af jern på ca. 50 mg/l. Anlægget er fuldautomatisk, og permeatet ledes tilbage på iltningstrappen. Anlægsomkostningerne for membrananlægget beløb sig til 550.000 kr. fordelt på 100.000 kr. til en tilbygning og 450.000 kr. til selve membrananlægget, hvilket svarer til en anlægsomkostning på 110.000 kr. pr. m³/h. Driftsomkostningerne, der inkluderer forbruget af el, kemikalier, udskiftning af membran og ekstern bistand beløber sig til ca. 40.500 kr./år (ca. 4 kr./m³ behandlet vand). Membrananlægget på Birkerød Vandværk har en tilbagebetalingstid på 4-5 år. Erfaringer fra pilotanlæg ved Fjand Vandværk, Kisserup Vandværk og Skagen Vandværk viser, at organisk stof kan fjernes effektivt fra humusholdigt grundvand. Processen kræver en grundig forbehandling til fjernelse af partikulært stof. Ved membranprocessen fjernes endvidere restindhold af jern, og for kalkholdige vandtyper reduceres hårdheden. Der har ikke været anvendt kemikalier, ud over hvad der anvendes til rengøring af membranerne. I Grønland er membranteknikken anvendt til vandforsyning i en række bygder. De grønlandske erfaringer vurderes ikke direkte at kunne overføres til danske forhold, da erfaringerne fra Grønland er baseret på afsaltning af havvand, hvilket ikke er aktuelt i Danmark. Desuden er anlæggene små sammenlignet med typiske danske vandforsyningsanlæg, og de drifts- og anlægsmæssige forhold i bygderne er på flere punkter meget forskellige fra danske forhold. Hollandske erfaringer er indsamlet igennem en forespørgsel og besøg hos KIWA, der har været behjælpelige med en vurdering af specielt de økonomiske og miljømæssige konsekvenser ved indførelse af membranfiltrering. I Holland er der erfaringer med opførelse af store moderne membrananlæg samt implementeringen af membranfiltrering på små ældre vandværker i yderområder. Der behandles vand med forhøjede koncentrationer af naturlige og miljøfremmede organiske stoffer, salte samt metaller, hvorfor erfaringerne herfra er relevante i forhold til dansk vandforsyning. I Holland arbejdes der meget på at optimere anlæggene miljømæssigt. Der arbejdes blandt andet med et koncept, hvor udnyttelsesgraden for NF/RO membrananlæg holdes nede på omkring 50 % for at undgå brug af kemikalier til antiscaling samtidig med en efterfølgende reinfiltration af koncentratet til grundvandsmagasinet. Energiforbruget reduceres væsentligt i dette koncept, da drivtrykket over membranen kan sænkes markant. Ved metoden opnås således et væsentligt reduceret energi- og kemikalieforbrug, og der sker ikke afledning af spildevand. På baggrund af hollandske erfaringer er det KIWA's vurdering, at membranfiltrering generelt kræver professionelt driftspersonale, og prisen for produktion af drikkevand ved indførelse af membranfiltrering afhængig af anlægstype og kapacitet ligger i intervallet 2,2 – 4,8 kr./m3. Hertil kommer udgifter ved eventuel normal vandbehandling.
Tabel 0.4 Produktionsprisen for 1 m³ vand produceret på membrananlæg. Hollandske erfaringer Rensning for problemstoffer ved membranfiltrering Tabel 0.5 viser en samlet oversigt over beregnede produktionsomkostninger ved anvendelse af membranfiltrering i forhold til de anførte problemstoffer. Det bemærkes, at produktionsprisen omfatter en kapitalisering af anlægsomkostningerne over 20 år samt driftsomkostninger. Endvidere bemærkes det, at beregningen forudsætter afledning af koncentrat til offentlig spildevandsledning, samt at omkostningerne herved kan udgøre mere end 50 % af de samlede produktionsomkostninger.
Tabel 0.5 Oversigt over rensning med membranfiltrering. Produktionsprisen i tabel 0.5 er angivet som et interval, som angiver anlæg med en behandlingskapacitet på 10 – 130 m³/h under de anførte forudsætninger. For filterskyllevand dog 1, 3 og 5 m³/h. Produktionsprisen falder ved stigende anlægskapacitet. Sammenligning mellem membranfiltrering og alternative renseteknologier I tabel 0.6 er vist en oversigt, som viser, hvilke alternative rensningsformer der er sammenlignet med, og i hvilket omfang membranfiltrering vurderes at udgøre en relevant behandlingsteknik sammenlignet med omtalte alternative renseteknologier.
Tabel 0.6 Oversigt over anvendelse af membranfiltrering sammenlignet med alternative renseteknologier Rapportens konklusion med hensyn til membranfiltreringens anvendelsespotentiale i dansk vandforsyning viser, at der i flere tilfælde med fordel kan anvendes membraner til rensning af grundvand til drikkevand. Ud fra tekniske og økonomiske overvejelser konkluderes det, at membraner kan anvendes med fordel til rensning af grundvand med forhøjede indhold af organisk stof (brunt vand), hvilket forekommer naturligt i grundvandet i især kystområder og på visse øer i Danmark. I disse områder er alternative vandtyper af en bedre kvalitet begrænsede, så opretholdelse af lokal forsyning kan ske ved hjælp af membranrensning. Driftsmæssigt anses løsningen for uproblematisk. Metoden kan derfor anbefales, hvis der er områder med brunt vand uden alternative ressourcer. Den samme problemstilling og konklusion kan drages for stofferne klorid og fluorid, hvor membranfiltrering er den bedst egnede metode. I de situationer, hvor alternative ressourcer af en bedre kvalitet ikke findes, kan det anbefales at anvende membranteknologi til fremstilling af drikkevand. Denne situation kan være aktuel på øer og i kystområder, hvor man ønsker at opretholde en lokal forsyning. Desuden er membranfiltrering en attraktiv rensemetode til filterskyllevand, som ønskes genanvendt. Der foreligger erfaringer fra et anlæg i Danmark, og konklusionen herfra viser, det er teknisk og økonomisk attraktivt. Genanvendelse af skyllevand er aktuel i områder med begrænsede ressourcer, enten af naturlige årsager eller fordi grundvandet er forurenet. De positive erfaringer bør give anledning til overvejelser hos andre vandforsyninger med tilsvarende situationer. Ved rensning af grundvand til drikkevand for de øvrige belyste stoffer er membranteknologien ikke konkurrencemæssig på især driftsomkostningerne. Det er især afledningen af koncentratet, som påvirker driftsomkostningerne, og kan der lokalt findes afledning af koncentrat til mindre omkostninger end afledning til rensningsanlæg, så opnås en reduktion af driftsomkostningerne, som gør membranfiltrering mere konkurrencedygtig. Potentialet for anvendelse af membraner til rensning af drikkevand vil imidlertid være større, hvis det i større omfang besluttes at udnytte forurenet grundvand af en kvalitet, som i dag normalt ikke ønskes anvendt til vandforsyningsformål. Til rensning af de miljøfremmede stoffer eller indvindingsbetingede forureninger vil membrananvendelse stadig være dyrere end andre rensemetoder, men ofte optræder flere problemstoffer samtidig og vil kræve hver sin renseteknologi. Membranrensning vil kunne behandle flere komponenter i samme proces. Denne problemstilling er f. eks. relevant på store dele af Sjælland, hvor der optræder forhøjede værdier af nikkel samtidig med, at der er konstateret forurening med et pesticid. En sådan vandtype vil kunne renses med membranfiltre med en konkurrencedygtig omkostning. Kemikalieforbruget i forbindelse med membranfiltrering er erfaringsmæssigt ikke et problem i relation til arbejdsmiljøet. Vandforsyningen kan enten opgradere enkelte medarbejderes viden om håndteringen af kemikalier eller indgå aftale med eksterne konsulenter til varetagelse af denne funktion. Membranfiltrering vurderes at kunne være en driftsmæssig enkel, robust og vandkvalitetsmæssig sikker behandlingsform, som uden de store problemer kunne implementeres i alle størrelser vandforsyninger i Danmark. Dette understøttes af de indsamlede erfaringer fra udlandet.
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
