Nytt membrankoncept för humusrika ytvatten – kapillär nanofiltration
Kristina Dahlberg / Processingenjör Norrvatten

Special thanks to:
Alexander Keucken, Research Manager, VIVAB
Kenneth M. Persson, Research Manager, Sydvatten AB
Angelica Lindén, PhD student, Sydvatten AB
Elin Lavonen, PhD student, SLU
Stephan Köhler , Professor, Aquatic Sciences/ SLU
Tom Spanjer, R&D Technologist, Pentair
Remon Dekker, R&D Manager Water, Pentair
Per Ericcson, Senior Adviser, Norrvatten
Roland West, Electrician, Norrvatten
Laboratory personnel, Norrvatten
Roger, Cornelius etc., Technicians, Norrvatten
IWA NOM5 Down Under - Perth 2013

•
Introduktion
–
Norrvatten och NOM problematiken
–
SVU-projektet: “GenoMembran”
–
Hollow Fiber Color (HFc): koncept
•
Metodik
–
Testanläggningar: Nanofiltrering (NF) och granulerat aktivt kol (GAC)
–
Processövervakning
–
NOM-karakterisering
•
Resultat
–
Retention av NOM och mineraler
•
Slutsatser

• Försörjer 13 kommuner – ca en halv miljon människor med dricksvatten
• Produktion ~120 000 m 3 /dygn
NORRTÄLJE
SOLLENTUNA

Nedbrytningsprodukter från växt- och djurriket – 1000-tal olika föreningar
Ökning i svenska vattendrag sedan 70-talet
Absorbans (medel) 1970-2005 i 28 större vattendrag

Minskad effekt av
UV desinfektion
Minskad effekt på klorbaserad desinfektion…
… och ökning av DBP
Ökande problem med lukt, smak och färg
Ökande halter av
NOM
Ökande co-transport av skadliga substanser
Risk för ökning av biologisk tillväxt i distributionssystemet
Ökad fouling i kolfilter
→ minskad kemisk barriär
Minskat skydd vid föroreningar
(tex. Olja, diesel etc.)

•
NOM – adsorberas av kolet och därmed påverkas adsorptionsförmåga av mikroföroreningar (t.ex.
PFOS, läkemedelsrester etc.)
•
•
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.

Projekt för humusrening med membranteknik 2012-2014
Övergripande Mål
• Att utvärdera membranfiltrering för humusrika råvatten.
Tillvägagångssätt
• Pilotstudier med olika typer av membran (UF och NF), både kommersiella membran och modifierade prototyper.
• Parallela testkörningar vid fyra vattenverk I Sverige på olika gegrafiska platser.

• Norrvatten
• Tekniska verken
• VIVAB
• Sydvatten

“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 mellan olika koncept baserade på UF/NF-applikationer
Water Quality

• KEY Principles CRP:
• Removal of organic matter for drinking water production
- DOC
- UV
254
- Color (Pt-Co)
• Minimal removal of hardness
MEMBRANE CHARACTERISTICS:
- Hollow fiber 0.8mm
- Inside-out filtration
- Chlorine resistant
- MWCO of 1000 Da.
- 1-step production, no risk of loosing top-layer
- Drinking water approvals
(NSF Std.61, ACS, DWI Reg.31)
Hollow Fiber Nanofiltration
Surface water NOM in water Cross section membrane
A nanofiltration solution applying hollow fiber membranes

PENTAIR X-FLOW: Membranportfölj
Membrankoncept– HFc COLOR
Maximerad NOM-reduktion: DOC, UV
254
, Color (Pt-Co)
Begränsad minskning av hardheten: Mg 2+ , Ca 2+

GAC
HFc

Pilotförsök NF80
Jan - Jun 2014

Fully automated pilot plant allowing remote access by modem
Design
• Feed section including coagulant and chemical dosing for precipitation and pH correction
• Membrane system can be operated both in deadend or cross-flow filtration
Equipment
• One element of 8” HFW 1000 Nano membrane module
• Pre-programmed automatic cleaning sequences
• Hydraulic cleaning combining backwash with forward flush
• CEB, flushing with permeate and soaking with cleaning agents (caustic and acidic cleaning protocols)
NF 80 Container pilot

Quickscan: on-line UV/Vis Spektroskopi

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

Kombinerar kapillära NF de goda egenskaperna av både hållrumsmembran (UF) spirallindade NF membran?
UF + Coag SW-NF HF-NF
Pilot trials
HFC color
Backwashable
Chlorine resistant (chemical tolerant)
High DOC removal
Limited Hardness removal
No Brine waste
No Coagulant for DOC removal
Online integrity test
Minimal pre-treatment required

























Kombinerar kapillära NF de goda egenskaperna av både hållrumsmembran (UF) spirallindade NF membran?
UF + Coag SW-NF HF-NF
Pilot trials
HFC color
Backwashable
Chlorine resistant (chemical tolerant)
High DOC removal
Limited Hardness removal
No Brine waste
No Coagulant for DOC removal
Online integrity test
Minimal pre-treatment required
























OK
OK
OK
OK
OK
OK
OK
OK

NF80-pilot: Hydraulic performance
B/D-experiments
Change of intake depth
: 4 m (4/2 -14)
Extended CEFF interval: 2 d
Change of intake depth :
22 m (25/2 -14)
Jf: 18,75 lmh
Jf: 17,5 lmh
Jf: 15 lmh
Jf: 20,0 lmh
 Membrane performance still stable with Jf: 20 lmh from 04.03.2014
 Some build-up in resistance during the filtration and hydraulic cleaning cycle due to fouling which is removed with CEFF.

• On-going pilot trial 2012-2013

• Effective Removal NOM without hardness
• Reliable and Robust 1-step solution
• Highly tolerant against feed water quality upsets
• Guaranteed Permeate Quality by Airflow Integrity Test (AIT)
• Scalable system; to be integrated in the process
• Very low chemical consumption
• Lower GAC regeneration interval
• No brine waste
• Process intensification
• Minimal pre-treatment required
• Backwashable membrane
• High LOG removal (log 6+ viruses)
• Substantial savings in CAPEX and OPEX
29

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)

9
8
7
6
1995-01-01 1997-01-01 1999-01-01 2001-01-01 2005-01-01 2007-01-01 2009-01-01 2003-01-01
Datum
Halt TOC (mg/L) i Lovö vattenverks råvattenintag från Mälaren över tid
(årsmedelvärden i blått). (Data från Lovö VV)
2011-01-01