NL1019130C2 - Werkwijze en inrichting voor het zuiveren van oppervlaktewater. - Google Patents

Description

Werkwijze en inrichting voor het zuiveren van oppervlaktewater

De uitvinding heeft betrekking op een werkwijze voor het zuiveren van oppervlaktewater of effluent van rioolwaterzuivering of aëroob grondwater, alsmede op een inrichting voor het uitvoeren van een dergelijke werkwijze.

5 Volgens de stand der techniek vindt veelal zuivering van oppervlaktewater of effluent van rioolwaterzuivering of aëroob grondwater plaats onder toepassing van nanofiltratie en hyperfiltratie, waarbij gebruik wordt gemaakt van spiraal-gewonden membranen. Dergelijke membranen worden volgens een 10 standaardtechniek in serie in horizontaal geplaatste drukbui-zen opgenomen. Dergelijke drukbuizen hebben in de regel een lengte van 6 of 7 meter en bevatten 6 of 7 membranen elk met een lengte van 1 meter of 4 membranen elk met een lengte van 1,5 meter.

15 Bekend is, dat spiraalgewonden membranen zeer gevoe lig zijn voor vervuiling door deeltjes, maar ook door groei van biomassa in welk geval sprake is van biofouling. De afgezette deeltjes veroorzaken verstopping van de voedingsspa-cers, terwijl bepaalde voedingsstoffen in het voedingswater 20 kunnen leiden tot aangroei van biomassa. Deze biomassa groeit tussen de spacer en kan zich overal goed vasthechten. Het één en ander heeft tot gevolg dat de biomassa zich heel lastig laat verwijderen, bijvoorbeeld door uitspoelen.

Een ander gegeven van de huidige toepassing van spi-25 raalgewonden membranen is dat ze niet hydraulisch kunnen worden gereinigd. Terugspoelen en langsspoelen van dergelijke membranen is niet mogelijk door de te grote drukval over de in serie geschakelde membranen. Dit in tegenstelling tot bijvoorbeeld de capillaire membranen die via een zogenaamde for-30 wardflush, eventueel met lucht, gereinigd kunnen worden.

Ondanks deze nadelen zijn spiraalgewonden membranen voor waterzuiveringsdoeleinden zeer populair. De redenen hiervoor zijn: 2 1. Hoge pakkingsdichtheid (2 tot 3 maal meer mem-braanoppervlak per m2 module in vergelijking tot capillaire membranen (1,5 mm capillairen).

2. Gestandaardiseerde modules (uitwisselbaarheid van 5 membranen van verschillende fabrikanten) en 3. Goedkoop (gestandaardiseerd product, meerdere producenten en grote, huidige marktomvang).

Zoals eerder genoemd, zijn spiraalgewonden membranen 10 zeer populair en ze worden vaak ingezet voor de zuivering van water, waarin zich nagenoeg geen deeltjes en voedingsstoffen meer bevinden. Ten aanzien van de deeltjes, stelt men veelal hoge eisen aan de membraanfoulingindex (MFI) of de Silt Density Index (SDI). Met betrekking tot de aanwezigheid van voe-15 dingsstoffen, wordt veelal gekeken naar de Assimileerbaar Organisch Koolstof (AOC) of Dissolved Organic Carbon (DOC). De behandeling van oppervlaktewater of effluent van rioolwaterzuiveringen met behulp van spiraalgewonden membranen is tot nu toe niet zo eenvoudig gebleken i.v.m. optredende vervui-20 ling.

Teneinde een goede werking te waarborgen dient er een zeer goede voorzuivering plaats te vinden.

Een dergelijke voorzuivering kan de volgende bewerkingen omvatten: 25 1. (Microzeving) en snelfiltratie 2. (Microzeving), snelfiltratie en ultrafiltratie 3. (Microzeving), snelfiltratie, actieve koolfiltra-tie en ultrafiltratie.

30

Opgemerkt wordt, dat tot nu toe de algemene opvatting heerst, dat microzeving in combinatie met snelfiltratie als voorzuivering onvoldoende is om vervuiling (biofouling en deeltjesfouling) van de spiraalgewonden membranen te voorko-35 men of in voldoende mate tegen te gaan. Ook de microzeving, in combinatie met snelfiltratie gevolgd door ultrafiltratie, lijkt het probleem van vervuiling in de spiraalgewonden membranen onvoldoende op te heffen. Gebleken is immers, dat de 3 opgeloste voedingsstoffen in het voedingswater hierbij niet verwijderd worden. Wel leidt een uitgebreide voorzuivering, inclusief de toepassing van actieve kool, in de praktijk tot goede bedrijfsvoeringsresultaten. Door toepassing van actieve 5 kool is het proces omvangrijk en kostbaar.

Een andere oplossing is om in plaats van spiraalge-wonden nanofiltratie- of hyperfiltratiemembranen gebruik te maken van capillaire nanofiltratie- of hyperfiltratiemembranen, zoals besproken in WO 0029099. De huidige stand der 10 techniek kan als volgt worden samengevat.

Gebleken is, dat bij toepassing van spiraalgewonden nanofiltratie- en hyperfiltratiemembranen ernstige vervuiling plaatsvindt door de in het te zuiveren water aanwezige vaste deeltjes en opgeloste voedingsstoffen (biofouling) en dat 15 dergelijke membranen in de huidige toepassing niet hydraulisch kunnen worden gereinigd. Het gevolg hiervan is, dat bij toepassing van spiraalgewonden nanofiltratie- en hyperfiltratiemembranen voor het zuiveren van oppervlaktewater of effluent een uitgebreide voorbehandeling vooraf dient te gaan en 20 wel microzeving, snelfiltratie en ultrafiltratie of (microze-ving), snelfiltratie, actieve koolfiltratie en ultrafiltratie. Bij toepassing van een geheel andere techniek gaat men uit van capillaire nanofiltratie- of hyperfiltratiemembranen voor de zuivering van oppervlaktewater of effluent. Volgens 25 deze techniek kan de voorzuivering worden beperkt tot slechts de microzeving.

De uitvinding beoogt thans een nieuwe werkwijze en inrichting te verschaffen, waarbij de bovengenoemde nadelen op doeltreffende wijze zijn opgeheven. Hiertoe verschaft de 30 onderhavige uitvinding een werkwijze voor het zuiveren van oppervlaktewater of effluent van rioolwaterzuivering of aëroob grondwater, welke werkwijze het kenmerk heeft dat zwevende stoffen, vaste deeltjes, bacteriën, virussen, en opgeloste stoffen, zoals zouten, opgeloste organische stoffen, 35 bestrijdingsmiddelen en dergelijke, tegelijkertijd worden verwijderd onder toepassing van ten minste één verticaal geplaatste drukbuis met daarin één spiraalgewonden nanofiltratie- of hyperfiltratiemembraan (1 of 1,5 m lengte) per druk- 4 buis, dat parallel wordt aangestroomd en waarbij de volgende stappen herhaaldelijk worden doorlopen: 1. productie van permeaat onder gelijktijdige en continue afgifte van concentraat en 5 2. langsspoelen van het membraan, zonder gelijktij dige productie van permeaat.

De werkwijze volgens de uitvinding maakt gebruik van één of meer verticaal geplaatste drukbuizen met daarin één 10 spiraalgewonden nanofiltratie- of hyperfiltratiemembraan per drukbuis, waarbij verrassenderwijze is gebleken, dat hierbij volstaan kan worden met een minimale voorzuivering. Deze voorzuivering kan bestaan uit microzeving en snelfiltratie.

Essentieel is hierbij dat de met de spiraalgewonden 15 membranen gevulde drukbuizen verticaal zijn opgesteld en waarbij steeds de volgende bedrijfsvoeringsstappen worden afgewisseld, t. w. : 1. Productie van permeaat onder continue afgifte van 20 het concentraat 2. Hydraulisch langsspoelen van de membranen met water of een combinatie van water en gas, bij voorkeur lucht.

25 Volgens de onderhavige werkwijze is de stromings- richting van de voeding door het membraan tijdens stap 1. van boven naar beneden en tijdens stap 2. van beneden naar boven.

Opgemerkt wordt, dat tijdens stap 2. een gas aan de voeding kan worden toegevoerd volgens de uitvinding, welk gas 30 bij voorkeur perslucht is.

Ook kan men tijdens stap 1. en 2. chemicaliën aan de voeding toevoeren.

Als chemicaliën komen volgens de uitvinding in aanmerking: anti-scalants, loog, zuur, desinfecterende chemica-35 liën, biociden, bacteriociden of zuurstofeliminerende stoffen zoals bijvoorbeeld bisulfiet of hydrazine.

Na de dosering van de chemicaliën wordt het langsspoelen gestopt en wordt het membraan gedurende 1 tot 10 mi- 5 nuten aan de chemicaliën blootgesteld, waarna de chemicaliën uit het membraan worden gespoeld.

Opgemerkt wordt, dat tussen stap 2. en stap 1. een extra uitspoeling van voedingswater kan plaatsvinden, terwijl 5 de voeding het membraan van boven naar beneden doorstroomt.

Ook heeft de uitvinding betrekking op een inrichting voor het uitvoeren van een werkwijze volgens de uitvinding, welke inrichting het kenmerk heeft dat de inrichting is voorzien van een verticale drukbuis (2), waarin is opgenomen een 10 spiraalgewonden membraan (3), met respectievelijk een boven en onderplaat, die is voorzien van een 0-ring (6), waarbij de centrale permeaatafvoerbuis (14) in de bovenplaat (4) is afgesloten met een afsluiting (7), en waarbij de centrale permeaatafvoerbuis (14) in de onderplaat (5) via interconnector (7 · ) j_s verbonden met de permeaatafvoer (9) , waarbij drukbuis (2) aan de bovenzijde verbonden is met de aanvoerleiding (8) en de spoelwater afvoerleiding (13) en aan de onderzijde verbonden is met de leiding voor spoelwateraanvoer en concen-traatafvoer (8'), terwijl de voedingsaanvoer (8) is verbonden 20 met een chemicaliëntoevoer (15), terwijl de spoelwatertoevoer (8') die in verbinding staat met concentraatafvoerleiding (10), tevens is verbonden met de gastoe- voer/concentraatafvoerleiding (12), en de afvoer van het eerste filtraat (11).

25 De uitvinding wordt thans aan de hand van de volgen de tekeningen nader toegelicht.

In de tekeningen stellen figuren 1, 2 en 3 één en dezelfde inrichting voor, waarbij fig. 1 het productieproces illustreert, 30 fig. 2 de uitspoeling van het eerste voedingswater weergeeft, fig. 3 betrekking heeft op de hydraulische reiniging of wel langsspoeling van het membraan.

De verwijzingscijfers in de figuren 1, 2 en 3 stel- 35 len het volgende voor: 1. Inrichting volgens de uitvinding 2. Verticale drukbuis 3. Membraanelement 6 4. Bovenplaat membraanelement 5. Onderplaat membraanelement 6. O-Ring 7. Afsluiting centrale permeaatafvoerbuis (14) 5 7' Interconnector voor verbinding van de centrale permeaatafvoerbuis (14) met de permeaatafvoer-leiding (9) 8. Aanvoerleiding 8' Leiding voor spoelwateraanvoer en concentraataf-10 voer 9. Leiding voor het permeaat 10. Leiding voor het concentraat 11. Leiding voor afvoer eerste voedingswater 12. Leiding van gastoevoer 15 13. Leiding voor afvoer spoelwater 14. Centrale permeaatafvoerbuis 15. Leiding van chemicaliëntoevoer

De stromingsrichtingen tijdens de productie, uit-20 spoeling en langsspoeling zijn in de tekening door middel van pijlen aangegegeven.

Fig. 1 : Productie 25 Tijdens de productie wordt de voeding hetzij opper vlaktewater, hetzij effluent of aëroob grondwater van rioolwaterzuivering via leiding (8) in de verticaal opgestelde drukbuis (2), die is voorzien van een spiraalgewonden membraan (3), aangevoerd. Na het doorlopen van het spiraalgewon-30 den membraan wordt het permeaat via de interconnector (7') van de centrale afvoerbuis (14) afgevoerd, via de permeaataf-voerleiding (9), terwijl het concentraat via leiding voor spoelwateraanvoer en concentraatafvoer (8') wordt afgevoerd via de concentraatafvoerleiding (10) naar een volgende bewer-35 kingsstap. Deze volgende bewerkingsstap kan bestaan uit een volgende verticaal geplaatste membraanmodule of door een horizontale drukbuis met één of meerdere spiraalgewonden membranen in serie.

7

De O-ringen (6) van elastisch materiaal sluiten de boven-, respectievelijk onderzijde van de verticale drukbuis (2) af, waardoor de voeding gedwongen wordt het spiraalgewon-den membraan te doorlopen en zodoende terecht te komen in de 5 centrale afvoerbuis (14) (als permeaat) of aan de andere uit-stroomzijde van het membraan (3) (als concentraat) . Tijdens de productie kunnen chemicaliën worden toegevoerd via de chemicaliën aanvoerleiding (15).

Fig. 2 toont de uitspoeling van het eerste voeding-10 water overigens onder gebruikmaking van dezelfde stromings-richting als in fig. 1.

Hierbij wordt het eerste voedingswater via leiding (11) afgevoerd zonder afvoer van permeaat.

Fig. 3 toont onder stap 2. namelijk het langsspoelen 15 van het membraan van het onderhavige proces zonder de gelijktijdige productie van het permeaat.

Hierbij wordt de stroomrichting van de voeding ten opzichte van figuren 1 en 2 omgekeerd, d.w.z. dat de voeding wordt aangevoerd via de leiding voor spoelwateraanvoer en 20 concentraatafvoer (8') aan de onderzijde van de verticaal geplaatste drukbuis (2), waarbij de verontreinigingen uit het membraan worden vrijgemaakt en verwijderd en via leiding (13) bovenaan de drukbuis (2) in de vorm van spoelwater afgevoerd. Hierbij zijn de permeaatleiding (9), concentraatleiding (10), 25 voedingsleiding (8) en de afvoerleiding voor het eerste fil-traat (11) door middel van kleppen afgesloten.

Opgemerkt wordt, dat via leiding (12) gas in de vorm van bij voorkeur perslucht al of niet in combinatie met chemicaliën (15) wordt toegevoerd aan de voeding, waardoor bete-30 re losmaking van de vervuilende of op het membraan afgezette bestanddelen plaatsvindt en waarbij bovendien bacteriën en biomassa en dergelijke door toevoeging van daartoe geschikte chemicaliën gedood kunnen worden.

Opgemerkt wordt, dat de O-ringen (6) gebruikt worden 35 als afdichting tussen de membraanmodule (3) en de drukbuis (2), teneinde het omdraaien van de stromingsrichting mogelijk te maken (afdichting voor beide stromingsrichtingen). Door de 8 drukbuis (2) verticaal te plaatsen vindt er een goede ont-luchting plaats.

Na het uitspoelen van het spoelwater (stap 2) en vóór de productiestap (stap 1), kan nog een uitspoeling van 5 het eerste voedingswater plaatsvinden, zoals weergegeven in afbeelding 2. Zulks is echter niet bij alle toepassingen noodzakelijk. Tijdens bedrijfsstap 2, de spoelstap (fig. 3), kunnen reinigingschemicaliën worden toegevoegd.

Opgemerkt wordt, dat de diverse leidingen in de in-10 richting volgens de uitvinding zijn voorzien van regel- afsluitkleppen (geen verwijzingscijfers), voor het regelen, respectievelijk afsluiten van voeding, permeaat, concentraat en filtraatstromen, alsmede spoelwaterstroom.

Opgemerkt wordt, dat in de onderhavige uitvinding 15 sprake is van de volgende nieuwe elementen: *t* De totale werkwijze waarin, in praktijkinstalla-ties, on-line en automatisch een hydraulische reiniging kan worden uitgevoerd met gebruikmaking van spiraalgewonden membranen; stromingsrichting 20 omgekeerd kan worden.

❖ De nieuwe constructie en opbouw (drukbuizen, lei-dingwerk, kleppen) van een membraaninstallatie voor spiraalgewonden membranen, waardoor het mogelijk wordt om met gas en vloeistof langs te 25 spoelen. Deze opbouw kenmerkt zich doordat: ♦♦♦ de drukbuizen verticaal worden geplaatst, ♦J* er geen membranen in de drukbuizen in serie worden geplaatst, 1 membraan/drukbuis, ❖ er 0-ringen (6) worden gebruikt aan beide uitein- 30 den van de membranen, ❖ de mogelijkheid is ingebouwd om een gas toe te voeren aan de voeding, tijdens stap 2. (fig. 3), ♦i* De stromingsrichting door de voedingsspacer tijdens productie (stap 1) tegengesteld is aan de 35 stromingsrichting bij spoelen (stap 2).

Als voordelen van de onderhavige werkwijze en inrichting kunnen worden genoemd de aanzienlijk lagere kosten 9 ten opzichte van de stand der techniek doordat er minder voorzuivering nodig is, de membranen beter reinigbaar zijn, dus de kwaliteitseisen voor het voedingswater verlaagd kunnen worden. Volgens de uitvinding is sprake van een lager ener-5 gie- en chemicaliënverbruik, waarbij minder voorzuivering plaatsvindt. Bovendien wordt met een betere hydraulische reiniging het chemicaliënverbruik verder beperkt.

De onderhavige werkwijze en inrichting zijn in het bijzonder toe te passen voor de zuivering van vloeistoffen.

10 De toepassing is de zuivering van vloeistoffen waar in zowel zwevende stoffen, deeltjes en opgeloste stoffen (zouten, organische stoffen, TOC, DOC, AOC, bestrijdingsmiddelen en dergelijke) aanwezig kunnen zijn. In de praktijk betekent dit dat oppervlaktewater en effluent van rioolwater-15 zuiveringen of aëroob grondwater met deze nieuwe werkwijze goedkoper en met een lager energie- en chemicaliënverbruik kunnen worden ontdaan van zouten, andere opgeloste stoffen, zwevende stoffen, deeltjes en bacteriën en virussen. Het geproduceerde water kan daarna worden geleverd aan de industrie 20 (ketelvoedingswater en andere proceswatertoepassingen) of worden opgewerkt tot drinkwater.

Claims (10)

1. Werkwijze voor het zuiveren van oppervlaktewater of effluent van rioolwaterzuivering of aëroob grondwater, met het kenmerk, dat zwevende stoffen, vaste deeltjes, bacteriën, virussen, en opgeloste stoffen, zoals zouten, opgeloste orga-5 nische stoffen, bestrijdingsmiddelen en dergelijke, tegelijkertijd worden verwijderd onder toepassing van ten minste één verticaal geplaatste drukbuis met daarin één spiraalgewonden nanofiltratie- of hyperfiltratiemembraan per drukbuis, dat parallel wordt aangestroomd en waarbij de volgende stappen 10 herhaaldelijk worden doorlopen: 1. productie van permeaat onder gelijktijdige en continue afgifte van concentraat en 2. langsspoelen van het membraan, zonder gelijktijdige productie van permeaat.

2. Werkwijze volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de stromingsrichting van de voeding door het membraan tijdens stap 1. van boven naar beneden is en tijdens stap b. van beneden naar boven.

3. Werkwijze volgens conclusie 1 of 2, met het ken-20 merk, dat tijdens stap 2. een gas aan de voeding wordt toegevoerd .

4. Werkwijze volgens conclusie 3, met het kenmerk, dat perslucht als gas wordt toegevoerd.

5. Werkwijze volgens conclusie 1 of 2, met het ken-25 merk, dat tijdens stap 1. of 2. chemicaliën worden gedoseerd aan de voeding.

6. Werkwijze volgens conclusie 5, met het kenmerk, dat anti-scalants, loog, zuur, desinfecterende chemicaliën, biociden of bacteriociden worden gedoseerd aan de voeding.

7. Werkwijze volgens conclusies 1-6, met het ken merk, dat chemicaliën worden gedoseerd die nagenoeg alle in het membraan aanwezige zuurstof binden, zoals bijvoorbeeld bisulfiet of hydrazine.

8. Werkwijze volgens conclusies 1-7, met het ken-35 merk, dat na dosering van chemicaliën tijdens spoeling (stap 2.) het langsspoelen wordt gestopt en het membraan gedurende 1-10 minuten aan de inwerking van chemicaliën wordt blootgesteld, waarna de chemicaliën uit het membraan worden gespoeld .

9. Werkwijze volgens conclusies 1-8, met het ken merk, dat voorafgaande aan de overgang van stap 2. naar stap 1. een extra uitspoeling van voedingswater plaatsvindt, terwijl de voeding het membraan van boven naar beneden doorstroomt .

10. Inrichting voor het uitvoeren van de werkwijze volgens conclusies 1-9, met het kenmerk, dat de inrichting (1) is voorzien van een verticale drukbuis (2), waarin is opgenomen een spiraalgewonden membraankolom (3), met respectievelijk een boven (4)- en onderplaat (5), die zijn voorzien 15 van een O-ring (6), waarbij de centrale permeaatafvoerbuis (14) in de bovenplaat (4) is afgesloten met een afsluiting (7), en waarbij de centrale permeaatafvoerbuis (14) in de onderplaat (5) via interconnector (7’) is verbonden met de per-meaatafvoer (9), waarbij drukbuis (2) aan de bovenzijde ver- 20 bonden is met de aanvoerleiding (8) en de spoelwaterafvoer- leiding (13) en aan de onderzijde verbonden is met de leiding voor spoelwateraanvoer en concentraatafvoer (8'), terwijl de voedingsaanvoer (8) is verbonden met een chemicaliëntoevoer (15) , terwijl de spoelwatertoevoer (8') die in verbinding 25 staat met concentraatafvoerleiding (10), tevens is verbonden met de gastoevoer/concentraatafvoerleiding (12), en de afvoer van het eerste voedingswater (11).