Det finns ett stort gap mellan experimentella värden på filtermotståndet hos avsatt material på membranytan och teoretiska, hydrauliska värden enligt Carman-Kozenys ekvation. Författarna, från Kina, menar att gapet kan förklaras av osmotisk tryckskillnad över själva filterkakan, men är inte oemotsagda.
Av: Jörgen Hanaeus
Författarna menar att en viktig detalj för att förstå det filtermotstånd som bildas av filterkakan på ett membranfilter ligger i ett osmotiskt tryck som utbildas under den filtrering genom filterkakan som sker i en membranreaktor. En konceptuell modell konstruerades och visade att ett osmotiskt tryck, baserat på kemisk potentialskillnad, stod för huvuddelen av erforderligt drifttryck. Faktorer som påverkade detta var pH, tryckets storlek i sig samt (tillsatt) jonstyrka. En pilotskalereaktor om 100 l drevs för att styrka nämnda modell, vilket författarna menade lyckades.
Artikeln kommenterades av Seong-Hoon Yoon, Ph D från Nalco, USA. Han menade att modellen var osann och att den föreslagna mekanismen inte kunde förklara aktuell tryckskillnad. De kinesiska författarna besvarade kritiken. Delar av dialogen återges nedan.
Bakgrund
Membrantekniken, som har blivit ett alternativ till aktiv slam-behandling för avloppsvatten, har som tydligaste nackdel att membranytan sätts igen, fouling. Forskning för att förstå och komma till rätta med detta problem är viktig. Efter en tids drift blockeras membranporerna, varefter en filterkaka utbildas. En hel del arbete har lagts på att beskriva filterkakans struktur.
Den är porös och kalkyler visar ett filtermotstånd av 109 till 1011 m/kg. Experimentellt arbete har snarare visat på värden om 1013-1014 m/kg. Huvudsakliga skäl till denna differens har inte utretts. Flera mekanismer har föreslagits: igensättning med kolloidala partiklar, adsorption av upplösta ämnen plus mikrobiologisk aktivitet eller konsolidering av filterkakan.
Osmotiskt tryck, genererat av avskiljda makromolekyler, har också nämnts, men avfärdats eftersom det är så lågt som 10-2 kPa pga deras höga molvikt.
Här föreslås att ett osmotiskt tryck kan byggas upp via avskiljning av joner i filterkakans matris och detta ska visas i artikeln genom experiment.
Försök
En bioreaktor med 65 l effektiv volym tillfördes syntetiskt (kommunalt, motsvarande 300 mg COD/l) avloppsvatten. Plana membranmoduler, medelporstorlek 0,30 µm, sänktes ner. Luft tillfördes genom diffusorer i botten för att syreförsörja mikroorganismerna och för att skapa rörelse över membranytorna. Vatten filtrerades i sekvenser om 4 min pumpning och 1 min vila. Belastning 30 l/m2,d motsvarande en hydraulisk uppehållstid om 5,5h.
Extraktion av cellulär polymer substans i slam och filterkaka gjordes med katjonbytare och normaliserades till en summa av proteiner och polysackarider. Partikelstorleksfördelning 0,02-2000 µm genomfördes med laserinstrument. Formeln
Δ P = µ J(Rm +Rc0) + Δ Π
användes, där Δ P är det trans-membrana trycket (TMP), µ är den dynamiska viskositeten och J membranfluxen. Rm och Rc0 är membranets och filterkakans hydrauliska resistans, respektive, samt Δ Π den föreslagna, osmotiska effekten. Rc0 beräknas med Carman-Kozenys ekvation.
Specifikt filtermotstånd rc uppmättes i ett labförsök, 400 ml, där aktuellt avloppsvatten under konstant tryck pressades genom samma membrantyp som i bioreaktorn, varvid permeatvolymen V uppmättes och relaterades till tid (t), tryck och avsatt massa filterkaka; en linjär relation mellan t/V och V enligt Sörensens (1979). Dennas lutning b kan då användas för att beräkna:
rc = 2000bA2 Δ P/µC där A är membranytan.
I samband med dessa labförsök justerades även pH och jonstyrka i avloppsvattnet för att få dessa parametrars inflytande på filtermotståndet.
Resultat och diskussion
EPS (extracellular polymeric substances), som bäddar in de små slampartiklarna i en matris, innehåller ett antal olika, negativt laddade funktionella grupper såsom karboxyl-, hydroxyl- och fosfatgrupper i proteiner och polysackarider. När filtrering sker genom avsatt slamkaka finns inget egentligt semipermeabelt membran, men författarna menar att EPS-lagret upprätthåller den funktionen och attraherar motjoner över sin yta. Dessa joner ger upphov till en osmotisk tryckskillnad relativt permeatet. En ekvation anges för denna tryckskillnad utgående från olikheter i kemisk potential.
Det finns indikationer på att det osmotiska trycket vid filtrering med utbildad filterkaka är beroende på pH, jonstyrka samt nivån på pålagt tryck. Sannolikt är merparten av motjonerna envärda katjoner. Dissociationen av de funktionella grupperna är pH-beroende och porositeten, som påverkar partikelytan är beroende av nivån på pålagt tryck. Jonstyrkan påverkar direkt det osmotiska trycket, men indirekt också porositeten.
Porositeten bestämdes till 0,41-0,54 i förevarande försök och filterkakans densitet till 1220 kg/m3. Proteininnehållet uppmättes till 22,4±3,2 g/kg MLSS. En beräkningsmodell upprättades och det osmotiska trycket som funktion av pH, pålagt tryck och jonstyrka ritades upp och konstaterades öka när dessa tre parametrar ökade.
Det osmotiska trycket befanns under dessa antaganden och beräkningar uppgå till drygt 40 kPa vid neutralt pH, vilket skulle stå för den dominerande delen av det trans-membrana trycket (här 40-50 kPa).
Då filterförsöken även visade att filterkakans andel av det totala motståndet var > 90 % drogs slutsatsen att ren igensättning av porer och hydrauliskt membranmotstånd gav måttfulla bidrag till det totala motståndet. Snabb motståndsändring vid korttidsändrat pH styrkte även teorin om osmotiskt tryck som viktigt filtermotstånd.
Slutsatser
En matematisk modell utvecklades, baserad på den kemiska potentialskillnaden mellan filterkaka och permeat i en dränkt bioreaktor. Den extracellulära polymera substansen ansågs vara främsta orsaken till potentialskillnaden. Simuleringar visade ett det osmotiska trycket från potentialskillnaden utgjorde den största delen av det totala filtermotståndet vid en membranstorlek motsvarande ungefär MF, mikrofiltrering.
Invändning
Dr Seng-Hoon Yoon menade att en osmotisk effekt kan föreligga, men att föreslagen mekanism inte existerar och att förklaringsmodellen har dåligt experimentellt stöd.
Då det saknas semipermeabelt membran i filterkakan har inflöde och permeat kontakt via porerna. Koncentrationsskillnader kan finnas, men om ett osmotiskt tryck föreligger, skulle permeatet rinna tillbaka genom filterkakan så snart filtreringen upphör. Vid det presenterade, höga osmotiska trycket, 40 kPa vid neutralt pH, skulle detta backflöde inte kunna missas.
Att filterkaka och membran skulle stå för endast ca 5 % av det trans-membrana trycket är osannolikt och kan bero på fel i den experimentella parameterbestämningen. Scanning för porositetsbestämning, t ex kan ge relativa värden men knappast absoluta, särskilt med tanke på att filterkakan är heterogent komprimerad. Vatteninnehållet i filterkakan, > 90 %, måste beaktas i beräkningsmodellen.
Försvar
Artikelförfattarna hävdar bestämt att osmotiskt tryck kan utbildas utan traditionellt membran och att detta visats för slamavvattningsprocesser T o m flera hundra kPa.
För att komma över den kemiska potentialskillnaden mellan filterkakan (låg) och permeatet (hög) behövs en kraft som drar vattnet från filterkaka till permeat.
Författarna instämmer i att ett backflöde uppkommer om filtreringen avbryts, men att det handlar om ett fåtal ml i detta fall.
Det kan inte uteslutas att någon ytterligare parameter än de nämnda har inflytande på det totala motståndet, men vi tror oss ha hittat huvudförklaringen och fortsätter vårt arbete längs den vägen.
Kommentar
Arbetet är angeläget då membranbioreaktorer har en växande marknad genom sin kompakthet. Den akademiska oenigheten är inte helt enkel, men kommer nog snart att lösas experimentellt.
Källa: Zhang, M. a), Peng W. a), Chen, J. a), He, Y. b), Ding, L.a), Wang, A.a) , Lin, H.a), Hong, H. a), Zgang, Y. a), Yu, H. a) (2013) A new insight into membrane fouling mechanism in submerged membrane bioreactor: Osmotic pressure during cake layer filtration. Water Research 47, pp 2777-2786.
Hela artikeln finns att köpa här. Via länken finns även kommentarerna spårbara.
a) College of Geography and Environmental Sciences, Zhejiang Normal University, Jinhua 321004, PR China.
b) Department of Materials Physics, Zhejiang Normal University, Jinhua 321004, PR China.
Korrespondens och kontakt: Hongjun Lin honghc@zjnu.cn
Comment
Yoon, S-H. 1) (2013) Comment on ”A new insight into membrane fouling mechanism in submerged membrane bioreactor: Osmotic pressure during cake layer filtration” by Zhang et al. Water Research 47, pp 4788-4789.
1) Nalco/An Ecolab Company, 1601 W. Diehl Rd., Naperville IL F9435757-1458-4FD0-ACC4-3403A4ACCF57, USA
Response
Author’s responses to the comment by Seong-Hoon Yoon on “A new insight…..”
Water Research 47, 2013, pp 4790-4791.
