Syftet med den här redovisade artikeln är att visa på möjligheter bryta ned humussyror med ozon och tillsammans med efterföljande kemisk fällning visa på de samlade positiva effekten gällande biofouling. Karakterisering av NOM användes i försöken för att åskådliggöra effekterna.
Av: Thor Wahlberg
En stor utmaning vid membranfiltrering är s.k. fouling, beläggningar/avlagring, på membranytor. Bio-fouling eller organisk fouling resulterar i minskad permeabilitet. För att motverka eller mildra effekten så krävs en effektiv förbehandling. Förbehandlingsmetoder som tillämpas är t.ex. koagulering eller oxidation med ozon. Det finns flera undersökningar som visar minskad fouling med någon av dessa förbehandlingar. Men det finns hittills inte någon studie om hur förbehandling kan integreras för att minimera problem med fouling förrän nu.
I den artikel som redogörs för här så redovisas resultat för kombination av förozonering och koagulering. Förutom att ozonering bidrar till minskad fouling så visar författarna att koaguleringen underlättas. Ozon är ett starkt oxidationsmedel för avskiljning av järn, mangan, färg, smak och lukt i vatten. Dessutom kan ozon fungera som desinfektionsmedel utan att bilda klororganiska föreningar. Aromatiska föreningar och humussyror i NOM (naturligt organiskt material) är kända för att orsaka fouling som är svår att avlägsna. Denna typ av NOM är däremot lätt att oxidera med ozon vilket gör ozonering till en utmärkt förbehandling före UF. Keramiska membran tål ozonering vilket också polymera membranmaterial av PVDF gör. Undersökningar med t.ex. enbart förozonering på UF, av PVDF, har visat att fouling minskade och flux ökade med ca 10%.
Material och Metodik
Till de bänkskaleförsök som har gjorts användes råvatten från sjön Manatee i Florida. Vattnet var humusrikt med ett DOC-värde (löst organiskt kol) på 20 mg/l. Sjön är vattentäkt och råvattnet bereds med konventionell kemisk fällning. Planering pågår för övergång till UF. Försöken gjordes dels med förozonering och dels utan. Till en volym av 20 l doserades 0,7 mg O3/mg DOC. Inget kvarvarande ozon efter 800 s vilket innebar en då överförd mängd ozon på 14 mg per liter råvatten. Fällningsförsök utfördes med det ozonerade vattnet i satser om 2 l.
För att efterlikna vattenverkets beredning användes dess doseringar, flockulerings- och sedimenteringstider. Fällningsförsöket inleddes med dosering av 100 mg/l PACl (polyaluminiumklorid) som koagulant. Efter en simulerad sedimentering i 2 liters bägare så överfördes klarfasen till en matarvattentank för efterföljande försök med UF filtrering i bänkskala. Membranelementet i försöket var hålfiber UF bestående av polyetersulfon och polyvinylpyrrolidone. Design var inside-out och dead-end filtrering. Varje fiber var 0,8 mm diameter och 300 mm långa. Totalt 120 fiber i en membranmodul användes. Nominell porstorlek 10 nm och en cut-off på 200 kD. En flux på 85 lmh uppehölls. Backspolning med 255 lmh efter 45 min filtrering i 60 s. Prov togs ut efter varje steg och analyserades för DOC, UV-vis spektra, färgtal och fluorescens emission spektra (EEM). Filtrering gjordes med förtvättat 0,45 mikrometers filter. Fördelningen av molekylvikt av NOM bestämdes med hjälp av high-performance size-exclusion chromatography* (HPSEC).
Resultat
Förozonering avskilde ca 5% av DOC, vilket var förväntat. Däremot sjönk färgtalet (sann färg) med 56%. Aromatiska delen av NOM reducerades vilket indikeras av att SUVA (specifik uv-absorbans) sjönk från 4,5 till 3,1 l/m × mg. UV-vis absorbans visar att ozon har störst påverkan på NOM i våglängdsområdet mellan 200 och 250 nm. Det betyder att ozon förstör den aromatiska delen av DOC. EEM-data, före och efter ozonering, visar att ozon omvandlar molekylstrukturen av det organiska materialet i och med att dess fluorescens reducerades relativt råvattnets. Bakom den måttliga reduktionen av DOC visar resultaten en kraftig omvandling av DOC. Utryckt som att molekylvikten hos det organiska materialet reducerades pga. ozoneringen.
Effekten av ozoneringen med efterföljande fällning var att den uppvisade lägre färgtal och lägre värden för UV254nm. Flourescens EEM visade på en reduktion när förozonering tillämpades. För SUVA-värden sjönk dessa till 1,9 l/m × mg jämfört med till 2,7 l/m × mg efter kemisk fällning utan förozonering. Däremot påverkade ozonering avskiljningen av turbiditet och DOC vilkas nivåer var något högre i prover efter kemisk fällning när förozonering användes. Med förozonering kunde man observera att flockstorleken var mindre. Men effekten av förozonering och kemisk fällning ledde till minskad aromaticitet i vatten.
Slutsatser
Förozonering, med en dos av 0,7 mg O3/mg DOC, avskilde initialt 5% av DOC. En stor andel humus- och fulvosyror och protein kända för att orsaka permanent fouling av membranytor omvandlades till organiska molekyler av lägre molekylvikt.
Förozonering tillsammans med kemisk fällning förbättrade avskiljningen av turbiditet, färg, UV254nm och fluorescens-påverkande ämnen i vattnet.
EEM och absorbans bekräftade att kvarvarande aromatiska fraktioner av NOM inte längre fastnade på membranytan när förozonering och kemisk fällnings tillämpades.
Reflexioner
Membran för beredning av ytvatten till dricksvatten är en teknik som nu börjar användas mer och mer på svenska vattenverk. Avgörande frågor är bibehållen flux utifrån designvärden, livslängd för framförallt polymera UF och kemikalieåtgång. Internationellt är bio-fouling ett välkänt fenomen. Möjliga åtgärder för att komma tillrätta med detta är viktiga redan innan val av beredning och förstås vid drift av UF-anläggningar. Att placera UF i en befintlig beredning kommer att vara ett viktig val för många producenter av dricksvatten. UF efter kemisk fällning eller kemisk fällning direkt på UF kan vara och är ett vanligt sätt att förstärka den mikrobiologiska barriärverkan. I denna artikel visas effekten av förozonering vilken kan vara ett intressant alternativ.
*) är en kromatografisk metod där molekyler i lösning separeras av deras storlek och i vissa fall molekylvikten.
Källa: Paul G. Biscardi and Steven J. DuranceauPreozonation Effects on Organic Foulants in a Coagulation-Ultrafiltration Membrane Process. Journal AWWA vol 109:2 p 15 – 24, February 2017