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

Acknowledgements 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 Before I start, I would like to acknowledge, Those people Who are involved in the on-going pilot trials Helping me with any kind of practical and analytical issuses. I would like to make a special mention of ----------– (you can see them on the picture right next to me in front of the pilot plant). Stephan Köhler, Professor in environmental geochemistry Department of Aquatic Sciences and Assessment P.O. Box 7050 SE-75007 Uppsala, Sweden Phone +46-18-673826  Mobile + 46-722164761  Fax +46-18-673156 http://www.slu.se/vatten-miljo/stephan-kohler IWA NOM5 Down Under - Perth 2013

Innehåll 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

Norrvatten & Görvälnverket Försörjer 13 kommuner – ca en halv miljon människor med dricksvatten Produktion ~120 000 m3/dygn NORRTÄLJE SOLLENTUNA

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

Varför ta bort humusämnen(NOM)? Ökande problem med lukt, smak och färg 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.) Minskad effekt av UV desinfektion Minskad effekt på klorbaserad desinfektion… Ökande halter av NOM … och ökning av DBP

Görvälnverket Beredningsprocess

Natural organic matter (NOM) GAC – Kemisk barriär? NOM – adsorberas av kolet och därmed påverkas adsorptions- förmåga 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. Natural organic matter (NOM)

SVU-projekt GenoMembran 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.

GenoMembran Norrvatten Tekniska verken VIVAB Sydvatten

GenoMembran “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 Future membrane processes Water Sources Water Quality Separation

The Color removal package (CRP) KEY Principles CRP: Removal of organic matter for drinking water production DOC UV254 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) The CRP is based on a nanofiltration platform combining the chemical resistance of hollow fiber membranes with the organic retention of spiral wound nanofiltration. The membrane fibers are engineered to achieve high retention of NOM with limited retention of multivalent ions such as Calcium and Magnesium. The membrane can directly be fed with raw surface water, since the membrane concept does not require pretreatment other than a 300 micron safety screen (according to Pentair). Surface water NOM in water Cross section membrane Hollow Fiber Nanofiltration A nanofiltration solution applying hollow fiber membranes

PENTAIR X-FLOW: Membranportfölj Membrankoncept– HFc COLOR Maximerad NOM-reduktion: DOC, UV254 , Color (Pt-Co) Begränsad minskning av hardheten: Mg2+, Ca2+

Görvälnverket Pilotförsök General tendency of browning of Swedish surface water sources, particularly in the southern part, presents major challenges to drinking water suppliers due to increased levels of NOM and changes in the quality of the organic matter. Worldwide contamination of surface water and drinking water by a group of emerging persistent organic pollutants (POPs), perfluoroalkyl substances (PFASs), brought attention to the issue of the impact of selective NOM removal on the fate of PFASs during drinking water treatment. Since NOM is rapidly adsorbed by granular activated carbon (GAC), the removal efficiency of mircopollutants is limited after only one month in operation at WTP Görvälnverket i Järfälla

Quickscan: Försöksuppställning och drift GAC HFc

NF80pilot - uppställning Pilotförsök NF80 Jan - Jun 2014

NF80pilot - drift NF 80 Container pilot Design Equipment 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 dead-end 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

Uppföljning med hjälp av analyser

Quickscan: Membranprestanda

Quickscan: on-line UV/Vis Spektroskopi

Rapid NOM-fractionation set-up 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

Rapid NOM fractionation, SINTEF

Rapid NOM fractionation, SINTEF (2)

Quickscan: NOM-retention

Quickscan: TMP/Konduktivitet

Slutsatser Kombinerar kapillära NF de goda egenskaperna av både hållrumsmembran (UF) spirallindade NF membran? HFC color UF + Coag SW-NF HF-NF Pilot trials 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

Slutsatser Kombinerar kapillära NF de goda egenskaperna av både hållrumsmembran (UF) spirallindade NF membran? HFC color UF + Coag SW-NF HF-NF Pilot trials Backwashable    OK 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

Tack!

NF80-pilot: Hydraulic performance Jf: 15 lmh Extended CEFF interval: 2 d B/D-experiments Jf: 17,5 lmh Change of intake depth : 22 m (25/2 -14) Change of intake depth : 4 m (4/2 -14) Jf: 18,75 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.

Capilary NF pilot trial at Görvälnverket On-going pilot trial 2012-2013 At the moment we have an ongoing pilot trial at our water treatment plant where the aim is to investigate whether membranfiltration, based on capillary NF, is suitable for our water quality. This is a chemical free new concept which is thought to have many benefits compared to the more known concepts. (UF+coagulation – more of a micobiological barrier)

Substantial savings in CAPEX and OPEX ADVantages CRP 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

HFc – Membranets struktur Tvärsnitt Övre skikt (niet zichtbaar tijdens presentatieweergave) Hier links in beeld verdeeld PowerPoint de presentatie als Overzicht en in Dia’s. In het Dia’s overzicht kun je de huidig weergegeven dia in miniatuur zien staan. Door deze dia een titel te geven die gelijk is voor al uw dia’s, omdat dit de titel is van uw presentatie, kunt u deze miniatuur aanklikken en d.m.v. de toetscombinatie CTRL+C waarna CTR+V kopiëren. Herhaal alleen CTR+V net zolang totdat u voldoende kopieën heeft om uw presentatie mee te maken. 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) 34

TOC trend i Östra Mälaren Halt TOC (mg/L) i Lovö vattenverks råvattenintag från Mälaren över tid (årsmedelvärden i blått). (Data från Lovö VV)