Study of feed water conditions impacting biofouling of reverse osmosis elements

Loading...
Thumbnail Image
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Kemian tekniikan korkeakoulu | Master's thesis
Date
2013-10-15
Department
Major/Subject
Prosessit ja tuotteet
Mcode
KE3003
Degree programme
KEM - Kemian tekniikan koulutusohjelma
Language
en
Pages
63 + 6
Series
Abstract
The influence of feed water conditions to cause biofouling on reverse osmosis (RO) membranes was studied in four sequential trials. The experiments were run within six months long timeline to representatively cover conditions in different times of a year. Biofouling was detected through the development of operational parameters and analysis of the feed and permeate qualities. After each experiment, the other fouled element of the duplicates used was autopsied for visual inspections and for further laboratory analyses in order to investigate the type and extent of fouling on the membranes. For observing faster biofouling, the experiments were performed in a RO pilot plant locating inside a municipal waste water treatment plant (WWTP) of Vilaseca, Spain. Pretreated waste water was considered to represent a feed containing hospitably nutrients for the micro-organisms. The runs proved that the pilot plant sensitively reacted to the varying process conditions. Thus the results represent well a real-life water treatment system and provided information of both the impact of bacteria growth on the membrane and also the interconnections of different parameters. According to the results, temperature and the amount of nutrients represented the key factors influencing the RO performance. Moreover, conditional changes possibly cause changes in pH or conductivity, which are also recommended parameters to be detected in order to evaluate the extent of biofouling. In addition, a continuous feed flow represented a key factor to prevent adhesion of micro-organisms on the membranes. The most considerable biofouling occurred during a trial with the highest availability of nutrients and temperature. Even the steadily increasing pH (by 1.0) throughout the same experiment showed no negative impact on biogrowth in the elements. Nutrient load and temperature were interdependent variables since another trial with nearly the same prevailing average temperature, but smaller amount of nutrients detected, resulted in considerably less biofouling. It was further observed that adhesion of bacteria sensitively depended on how long the operation had been running. In case the feed conditions deteriorated, biogrowth was typically stabilized in mature states of the operation, but even diminished in the earlier states. On the whole, the study proved the importance to identify impacts of varying feed conditions when optimizing a prevention strategy against biofouling in RO systems.

Tässä työssä tarkasteltiin syöttöveden olosuhteiden vaikutusta käänteisosmoosimembraanien biologiseen foulaantumiseen. Neljä perättäistä koetta ajettiin kuuden kuukauden aikana, jotta vuodenajan vaihtelut saatiin kattavasti huomioiduksi. Biologista foulaantumista seurattiin sekä operatiivisten parametrien muutoksena, että syöttö- ja permeaattivirtojen laatuanalyysien avulla. Jokaisen kokeen jälkeen toinen foulaantuneista elementeistä avattiin ja arvioitiin visuaalisesti, ja lisäksi membraanien pinnasta otettiin näytteitä laboratorio-tutkimuksia varten, joissa selvitettiin epäpuhtauksien laatu ja levinneisyys. Foulaantumisen nopeuttamiseksi kokeet suoritettiin käyttämällä syöttövetenä esipuhdistettua jätevettä, jonka uskottiin tarjoavan suotuisasti ravinteita mikro-organismeille. Tutkimuksissa käytettiin paikallisen jätevedenpuhdistamon ulkoalueella sijaitsevaa koepilottia Vilasecassa, Espanjassa. Kokeet osoittivat pilotin herkän reaktiokyvyn muuttuvissa prosessiolosuhteissa. Näin ollen saadut tulokset havainnolistavat hyvin todenmukaista vedenpuhdistussysteemiä ja tarjosivat tietoa niin bakteerien lisääntymiskyvystä kuin olosuhteiden muutosta edustavien parametrin keskinäisistä riippuvuuksista. Tulosten perusteella lämpötila ja ravinteiden saatavuus vaikuttivat merkittävimmin käänteisosmoosin tehokkuuteen. Prosessin olosuhteiden muutokset näkyivät myös veden pH:n ja johtamiskyvyn muutoksina, jotka ovat suositeltuja parametreja seurattavaksi arvioitaessa biologisen foulaantumisen laajuutta. Lisäksi jatkuva syöttövirta osoittautui tärkeäksi tekijäksi estämään mikrobien tarttumista membraanin pinnalle. Huomattavin biologinen foulaantuminen todettiin tapahtuneen kokeessa, jonka aikana keskilämpötila ja ravinteiden saatavuus oli suurin. Samaisessa koeajossa pH:n tasainen nousu (yhdellä asteella) ei osoittanut rajoittavan foulaantumisilmiötä. Ravinteiden saanti ja lämpötila olivat kuitenkin toisistaan riippumattomia vaikuttajia, sillä toinen koe vastaavissa lämpötiloissa, mutta vähemmällä ravinteiden saatavuudella johti selkeästi vähäisempään biologiseen foulaantumiseen. Lisäksi kokeet osoittivat, että bakteerien tarttumis- ja lisääntymiskyky riippui siitä kauanko prosessia oltiin ajettu. Varhaisemmissa vaiheissa alkaneet kerääntymiset poistuivat elementeistä syöötöveden olosuhteiden huonontuessa, mutta samassa tilanteessa pidemmällä aikavälillä rakentunut kertymä tyypillisesti stabilisotui. Kaiken kaikkiaan tutkimus osoitti tärkeäksi tutkia syöttöveden olosuhteita, jotta biologista foulaantumista vastaan voitaisiin optimoida tehokas estomenetelmä.
Description
Supervisor
Lehtonen, Juha
Thesis advisor
Kurkijärvi, Antti
Majamaa, Katariina
Keywords
biologinen foulaantuminen, käänteisosmoosi, membraanielementti, syöttövesivirta, normalisoitu paine-ero, permeaattivirta, lämpötila, ravinteet, pH, biofouling, reverse osmosis (RO), membrane elements, feed flow, normalized differential pressure drop (n∆p), permeate flow, temperature, nutrients, pH
Other note
Citation