En studie där effekten av BCF som förbehandling till membran värderas genom försök med minimoduler av BCF och MF-membran.
Av: Thor Wahlberg
Fouling (påväxt/igensättning) är ett problem vid beredning av råvatten till dricksvatten med membran. Biologiska kontakt filter (BCF) används ofta för att avskilja ammonium, löst organiskt material och metalljoner som mangan och järn. I denna studie så värderas effekten av BCF som förbehandling till membran genom försök med minimoduler av BCF och MF-membran. I detta fall var de huvudsakliga ämnena vilka orsakar fouling, biopolymerer*. Därför mättes dessa ämnen i råvatten, före och efter BCF och MF-membran med excitation emission matrix (EEM) och vätske kromotografi och organisk koldetektor (LC-OCD). Råvattnet togs från en älv, vilken också försörjde det vattenverk, med BCF och MF-membran, som också undersöktes parallellt med laboratorieförsöken. I studien kunde den goda effekten av BCF före MF-membran påvisas och att kontakttiden i BCF var avgörande för att reducera fouling.
Material och Metodik
Råvatten togs från Motoyama vattenverk, Kobe, Japan, vilket sedan år 2010 producerar 2 000 m3/dygn med BCF och MF-membran. Filtermaterialet i BCF är krossat keramiskt material och filterhastigheten ca 3 m/h. Backspolning med luft och vatten på veckobasis. Alla prover från vattenverket togs på inkommande och utgående från BCF, utan någon behandling. För att bekräfta vilka ämnen i råvattnet som orsakade biofouling byggdes en försöksanläggning upp i labskala, lika vattenverkets beredning. Den bestod av råvattenbehållare med temperaturreglering och pump, BCF, matarvattenbehållare, feedpump och mini MF-membranmodul (hålfiber PVDF med poröppning på 0,080 µm). MF-membran med vacumpump för filtrering utsida-in. Vattenverkets MF-membran är trycksatt och filtreras insida-ut. BCF fylldes med krossat keramiskt material, kornstorlek ca 2 mm. Möjlighet att provta från BCF efter 3,75, 7,5, 15 och 22,5 min. Vattentemperaturen ändrades i steg om 5 grader, från 5 till 20. Backspolning av MF-membran gjordes med tillsats av hypoklorit men ingen luft-tillsats, som i vattenverket.
Labförsöken startades genom att en sats om 20 l med utgående vatten från vattenverkets BCF fick cirkulera över labförsökets BCF under en vecka vid rumstemperatur. Detta för att etablera en bakteriekultur. Därefter togs vatten till försöken från inkommande älvvatten till vattenverket vilket fick cirkulera över mini BCF. Vattnet byttes ut en gång per vecka. Efter ytterligare två veckor påbörjades försöken vid temperaturerna 5, 10, 15 och 20 grader C. För att utvärdera potentialen för fouling användes mini MF-membran modulen. Denna utvärderades med hjälp av flux, TMP och vattnets viskositet. Det framräknade filtermotståndet (R) visade potentialen för fouling, högre värde lika med större fouling. Försöket avslutades med att MF-moduls hålfibermembran lades i en NaOH-lösning för att extrahera organiska ämnen som sedan kunde analyseras med EEM och LC-OCD teknik.
Resultat
Först användes mini MF-moduler för försök med älvvatten under 2 månader för att identifiera de organiska ämnen som orsakade fouling. Resultat med ovan beskrivna analystekniker visade att sammansättningen för älvvatten och för organiskt material som extraherats från membranhålfiber hade olika sammansättning. Humus- och fulvosyror dominerade i älvvatten och biopolymerer/proteiner i organiskt material från membranytor. Det var svårt att identifiera var ifrån protein lika materialet kom ifrån. Om det hade producerats av bakterier på membranytan eller kom från älvvattnet och ackumulerats på membranytan.
Eftersom BCF är en biologisk process är det rimligt att anta att vattentemperatur och kontakttid är viktiga parametrar för effektiviteten in denna process. Resultaten från labförsöken visade klart att merparten av humusämnena inte avskiljdes i BCF. Däremot avskildes biopolymerer i BCF med ca 30 procent även vid så låga temperaturer som 5 grader. Intressant nog så var avskiljningen som högst efter 15 minuters kontakttid för att sedan minska. Detta var lika för de olika temperaturerna i försöken. I BCF var nedbrytningen av biopolymerer och produktion av biopolymerer två konkurrerande processer där den senare dominerade vid uppehållstider från 20 minuter och längre.
Försöken med mini MF-modul visade att det framräknade filtermotståndet (R) uppvisade liknande förlopp som avskiljning av biopolymerer i BCF, dvs med tid minskande filtermotstånd med test av sats med utgående vatten från BCF, under 20 h i mini MF modul. Lägsta filtermotståndet (R) erhålls med vatten från BCF vilket hade en kontakttid på 15 minuter.
Här kan inflikas att andra studier visar på att ökande kontakttider i BCF ger ännu bättre avskiljning av biopolymerer. I denna studie visas på vikten att optimera kontakttiden.
För att konfirmera resultaten från labförsöken gjordes så mättes koncentrationer av humussyror och biopolymerer från BCF vid Motoyama vattenverk. Där visas en säsongsvariation för humusämnen i inkommande och utgående vatten från BCF och en mycket liten avskiljning av dessa. För biopolymerer är det också en variation över året men med en jämn avskiljning över tid, vilken följer variationer i inkommande halter. Filtermotståndet (R) beräknades med data från mini MF-modul för inkommande och utgående vatten från vattenverkets BCF. En säsongsvariation även där men ett tydligt lägre filtermotstånd för vatten som passerat BCF i vattenverket. Kontakttiden var 15 min.
Slutsatser
Studien visade på bra effekter av biologiska kontakt filter (BCF) som en förbehandling för att minska fouling vid beredning av dricksvatten med MF-membran. Det fastslogs att det huvudsakliga ämnen som orsakade biofouling tillhörde gruppen biopolymerer. Det kunde bekräftas att BCF förbehandling minskade koncentrationen av biopolymerer vilket resulterade i minskad fouling och minskat filtermotstånd. Förutom resultaten från vattenverket kunde liknade resultat erhållas i labskale försök. Kontakttiden optimerades till 15 minuter i både full- och labskala. Den ökande biopolymerkoncentrationen vid längre kontakttider tolkades utifrån resultaten som beroende av produktion av biopolymerer i BCF.
Reflektioner
De alternativ som finns till BCF som kemisk fällning producerar ett kemslam som måste avyttras. Ett annat alternativ är att använda aktiverat kol i filter men till en betydligt högre kostnad. Denna studie gjordes för att komma till rätta med biofouling på MF-membran, vilket också kunde varit UF-membran, men BCF har ytterligare användningsområden, bl.a. de som nämns i artikeln och i början av denna sammanfattning. Biologiska metoder har sina begränsningar men deras fördelar behöver lyftas fram vid dimensionering av beredningsprocesser för dricksvatten. Med korta kontakttider blir de ekonomiska besluten kring BCF lättare att ta.
*) Det finns tre huvudsakliga klasser av biopolymerer, utgående från monomererna och de strukturer som bildas: Polynukleotider (RNA och DNA), som är långa polymerer uppbyggda av 13 eller fler nukleotidmonomerer. Polypeptider, som är korta polymerer av aminosyror. Polysackarider, som består av kolhydrater.
Källa: Susumu Hasegawa, Takuya Iwamoto, Taro Miyoshi, Sosuke Onoda, Kazushi Morita, Ryosuke Takagi and Hideto Matsuyama, Effect of Biological Contact Filters (BCFs) on Membrane Fouling in Drinking Water Treatment SystemsDecember 2017 Water 2017, 9, 981, 10 pages.
