Behandling av komplexa avloppsvatten med hjälp av DAF och tangentiell filtrering

• 1. Inledning
• 2. DAF och tangentiell filtrering
• 3. Jämförelse mellan de båda teknikerna
• 4. Sammanfattning

1. Inledning

Syftet med tekniker för avloppsrening är att separera de ämnen eller föreningar som innehåller föroreningar som är skadliga för miljön.

Även om det finns många olika tekniker för avloppsrening (fysikalisk-kemiska och biologiska reningsmetoder, oxidation, filtrering osv.), kommer vi att fokusera på de tekniker som syftar till att återvinna de mest värdefulla ämnena eller separera de ämnen som är problematiska på grund av sin toxicitet, låga biologiska nedbrytbarhet, densitet, viskositet eller extrema temperaturer eller pH-värden.

Många av teknikerna för avloppsrening avvisas på grund av att de är ineffektiva när det gäller att behandla vissa föroreningar, såsom lösningsmedel, oljor och fetter, kolväten, extremt sura eller alkaliska utsläpp, avloppsvatten med höga eller låga temperaturer osv.

Dessutom finns det andra faktorer, såsom förväntad separationskapacitet, energiförbrukning, återanvändning av vatten eller återvinning av resurser, som avgör om en viss teknik är lämplig för den lösning man vill införa.

Det finns två tekniker som ger utmärkta resultat när det gäller att hantera en mängd olika föroreningar:

• Flotation med upplöst luft (DAF)
• Separation genom tangentiell filtrering

Det handlar om två mycket olika tekniker som kan användas för rening av en rad olika typer av avloppsvatten.

2. DAF och tangentiell filtrering

Dessa tekniker är lämpliga för rening av vissa komplexa avloppsvatten, och huruvida de används var för sig eller i kombination beror på typen och koncentrationen av de föroreningar som ska avskiljas samt på den reningsgrad som man vill uppnå.

Flotation med upplöst luft (DAF) är en fysikalisk-kemisk reningsprocess för avloppsvatten som är mycket effektiv vid behandling av avloppsvatten med suspenderade ämnen i allmänhet, och som är särskilt effektiv när det gäller ämnen med låg densitet. Denna teknik lyckas separera de suspenderade ämnena och kolloiderna i avloppsvattnet, som tidigare har flockulerats.

Processen går ut på att trycksätta luft i en del av det renade vattnet, som återcirkuleras och trycksätts i en behållare. Detta vatten blandas med det avloppsvatten som leds in i flotationsanläggningen, vilket får de suspenderade föroreningarna att dras med. När trycket på den injicerade luften släpps, i form av mikrobubblor med en storlek på cirka 50 µm, fäster dessa vid de flockade partiklarna och får dem att stiga upp mot ytan, där det bildas ett flytande skikt som avlägsnas med hjälp av en skrapa eller en skimmer.

Schema över DAF-flotation av avloppsvatten

DAF-system är en vanlig teknik i reningsverk för industriellt och kommunalt avloppsvatten. De används för att avskilja suspenderade fasta ämnen, oljor och fetter samt många andra föroreningar som förekommer i industriellt avloppsvatten (från kemisk industri, livsmedelsindustri, olje- och gasindustrin m.fl.).

I vissa tillämpningar kan flotation med upplöst luft användas för att återvinna värdefulla produkter ur vissa avloppsvatten, såsom oljor eller proteiner, tack vare den begränsade kemiska påverkan och den höga koncentrationen i det avskilda slammet (4–6 %).

Tangentiell filtrering ären fysikalisk process där matningsvätskan strömmar parallellt med membranets yta. I denna process separeras de olösliga fasta ämnena, kolloiderna, emulsionerna, molekylerna och jonerna som finns i vätskan från denna genom att cirkulera med hög hastighet, vilket minskar nedsmutsningen av membranen. Detta är en uppenbar fördel jämfört med frontfiltreringsprocessen, som är mycket mer känslig för nedsmutsning och igensättning.

Det finns tre typer av membran som används i tangentiella filtreringssystem:                 

• Spiralformade membran som är lindade runt en perforerad central samlingsrör och bildar spiralformade filtreringsmoduler. De används inom mejeri-, livsmedels- och läkemedelsindustrin för klarning, koncentrering och rening av värdefulla ingredienser.
• Hålfibermembran. De har en unik struktur som underlättar regleringen av flödet och avskiljningen under produktion och rengöring. De används för ultrafiltrering och mikrofiltrering.
• Rörformade membran. De består av cylindriska höljen som innehåller ett varierande antal ihåliga fibrer. Permeatflödet sker i sidled genom väggarna, medan koncentratet samlas upp på den sida som ligger mittemot inloppet. ,          

Keramiska membran

Det är en mycket effektiv teknik för att avlägsna oljor, fetter och mikroföroreningar i allmänhet.

Dessa membran kännetecknas av sin höga hydrofilicitet, vilket innebär att de drar till sig vatten och stöter bort olja. Detta ger utmärkta resultat i filtreringsprocessen, vilket resulterar i behandlat vatten av hög kvalitet. Det är en robust och kompakt teknik som producerar vatten som kan återanvändas direkt eller behandlas ytterligare med omvänd osmos om man vill avlägsna upplösta salter.

Permeatflödena är betydligt högre än de som uppnås med hydrofoba polymermembran. Det keramiska materialet utmärker sig även genom sin höga mekaniska, termiska och kemiska beständighet, vilket gör det möjligt att använda det under extrema pH- och temperaturförhållanden (till exempel vid behandling av avfettningsbad). Dessa egenskaper möjliggör dessutom rengöringsrutiner som ger en effektivare regenerering.

Driften mäts i cykler (diskontinuerlig drift), eftersom membranen gradvis blir nedsmutsade och det vid vissa förutbestämda tidpunkter krävs en kemisk rengöring, där man vanligtvis använder mycket aggressiva kemikalier för att återställa systemets driftsförhållanden. Eftersom det dessutom rör sig om ett tangentiellt filtreringssystem måste man arbeta med mycket höga recirkulationsflöden för att undvika stopp, vilket medför kostsamma installationer och hög energiförbrukning.

Keramiska membran tillverkas huvudsakligen av platt aluminiumoxid (_αAl₂O₃) och kiselkarbid (SiC), alltid vid höga sintringstemperaturer (1 800–2 000 °C). Även om det finns modeller av plana membran för specifika tillämpningar, har dessa membran vanligtvis en rörform.

Keramiska membran kan levereras i olika konfigurationer beroende på antalet kanaler som löper genom dem. För avloppsvatten med hög belastning eller hög viskositet används därför vanligtvis membran med få, stora kanaler, medan membran med fler och mindre kanaler används för mer flytande avloppsvatten med lägre belastning. Membran med fler kanaler har en större ekvivalent filtreringsyta.

För att säkerställa att anläggningen är korrekt utformad rekommenderas det att man genomför tester eller pilotförsök med den vätska som ska behandlas.

Membransatsen är inbyggd i höljen av rostfritt stål, med tätningar av elastomerer som är anpassade till miljön och rengöringskraven (vanligtvis viton eller PTFE)

Användningsområden för keramiska membran:

• Rening av kommunalt avloppsvatten. Keramiska membran används för att filtrera bort suspenderade fasta ämnen, bakterier och virus i kommunalt avloppsvatten. De används även för att avlägsna näringsämnen som kväve och fosfor.
• Rening av industriellt avloppsvatten. Keramiska membran används för att rena komplexa industriella avloppsvatten, såsom de som genereras av den kemiska, farmaceutiska och livsmedelsindustrin.
• De är användbara för att separera föroreningar och återvinna värdefulla produkter.
• Återanvändning av vatten. Keramiska membran möjliggör en säker återanvändning av renat vatten för bevattning och industriella processer.

Schema över tangentiell filtrering av avloppsvatten

3. Jämförelse mellan de båda teknikerna

Eftersom det rör sig om ett komplext avloppsvatten, som är mycket svårt att rena med konventionella fysikalisk-kemiska eller biologiska metoder, jämför vi här prestandan och genomförbarheten hos DAF-system jämfört med keramisk filtrering.

DAF-flotation

Flotation med upplöst luft (DAF) erbjuder följande fördelar:

• Kontinuerlig process. Avskiljningen av sediment och flytande ämnen sker samtidigt med driften.
• Hög separationsgrad för oljor och fetter samt för ämnen med låg densitet, såsom lösningsmedel och kolväten.
• Hög MS-koncentration i det avskilda slammet, eftersom de flytande ämnena avskiljs och vattenförlusten är liten. Denna höga koncentration underlättar återvinningen av värdefulla produkter. Om ett efterföljande indunstnings- eller kristalliseringssystem skulle behövas, blir kostnaden och storleken på en sådan anläggning betydligt lägre.
• Låga energikostnader. De enda betydande energiförbrukningarna är återcirkulationspumpen och kompressorn för lufttrycksättning, men den volym som ska mättas är liten (cirka 1/10 av tillförselvolymen).
• Höga driftsbelastningar och stora stighastigheter, vilket gör det möjligt att hantera mycket stora avloppsvattenflöden på liten yta.
• Rimliga kostnader för installation och underhåll, särskilt jämfört med filtreringstekniken med keramiska membran.

När det gäller nackdelarna jämfört med behandling med keramiska membran kan följande nämnas:

• Måttliga reningsresultat. Flotation med upplöst luft betraktas som en primärrening, medan keramiska membran betraktas som en slutrening. Separationsgraden i ett DAF-system kan ligga på över 90 %, medan membranen utan problem överstiger 99 %.
• Storleken på de suspenderade fasta partiklar som passerar ut. Dessa varierar och är svåra att kontrollera i ett DAF-system. Man kan inte tala om någon gränsstorlek, eftersom detta endast kan hänföras till en fysikalisk filtreringsprocess på olika nivåer. Med ett korrekt förbehandlingssystem för koagulering/flockning kan man dock uppnå ett minskat utsläpp av suspenderade fasta ämnen, vilket, beroende på kundens krav, kan vara tillräckligt.

Keramiska membran

De viktigaste fördelarna med keramiska membran är följande:

• Värmebeständighet. De tål höga temperaturer.
• Kemisk beständighet. De tål aggressiva medier.
• Mekanisk hållfasthet. De är tillverkade av keramiska material som korund, vilket ger dem hög hårdhet och mekanisk hållfasthet som garanterar en lång livslängd.
• Hög kvalitet på det renade vattnet. Denna typ av membran gör det möjligt att uppnå hög kvalitet på det renade vattnet, vilket i många fall möjliggör återanvändning eller vidareutnyttjande.
• Konstruktion. Keramiska membran kan ha selektiva skikt, mellanlager och bärande skikt, vilket möjliggör olika filtreringsgrader.                                         

Bland nackdelarna bör vi nämna:

• Ömtålighet. De har låg motståndskraft mot termiska och mekaniska stötar.
• Höga initiala investeringskostnader.
• Höga kostnader vid utbyte. Keramiska membran är relativt dyra, men har en mycket lång livslängd, vilket innebär att de inte behöver bytas ut särskilt ofta.
• Höga energikostnader. Cirkulationspumparna för dessa membran arbetar med mycket höga flöden, vilket medför en hög energiförbrukning.
• Diskontinuerlig drift. Membranen fungerar i cykler av nedsmutsning och rengöring, vilket kräver mellanlager och en överdimensionering som möjliggör kontinuerlig drift, eller en reservlinje.

Jämförelsetabell över prestanda och funktioner

Process	Hur det fungerar	SS-separation (%)	Separationsgrad (µm)	Återvinning av vatten (%)
DAF	Fortsättning	≥ 90	Cirka 100	≥99
Tangentiell keramisk filtrering	Avbruten	≥ 99	≤0,1	≥90

Jämförelsetabell över kostnader och förbrukning

Process	Installationskostnad	Förbrukning av reagenser	Energiförbrukning (kW/m³)	Flödesintervall (m³/h) (*)
DAF	1	Koaguleringsmedel + flockningsmedel	≤ 0,3	1 – 100
Tangentiell keramisk filtrering	10	Rengöringsmedel	≤ 3	0,1 – 1

4. Sammanfattning

Som en jämförelse mellan processerna kan vi sammanfatta det så här: medan tangentiell filtrering bygger på membran för att separera partiklar från vätskan, använder DAF mikrobubblor av luft för att separera partiklar som är suspenderade i vattnet.

Det rör sig om två olika processer som dock kan tillämpas på komplexa utsläpp, såsom oljor, fetter, kolväten, lösningsmedel och mycket giftiga utsläpp, och som även kan användas för att återvinna värdefulla material inom bland annat läkemedelsindustrin och ädelmetallindustrin.

Som framgår av uppgifterna ovan skiljer sig de båda lösningarnas installations- och driftskostnader avsevärt åt, liksom den effektivitetsnivå som de kan uppnå.

I vissa fall kan man välja att använda en inledande DAF-flotationssteg, följt av ett ultrafiltreringssystem med tangentiella membran, för att dra nytta av fördelarna med båda teknikerna.

Litteraturlista och källor

http://www.membranesamta.org/amta_media/pdfs/MFUF.pdf, junio 2006

AMERICAN MEMBRANE TECHNOLOGY ASSOCIATION.

DAF vid avloppsrening: Att förstå dess betydelse och hur det fungerar | Vatteninstitutet

DAF-system för avloppsrening