Nanofiltration as a refining phase in surface water treatment

No Thumbnail Available
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Doctoral thesis (article-based)
Checking the digitized thesis and permission for publishing
Instructions for the author
Date
2006-11-10
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
89, [83]
Series
Helsinki University of Technology, Laboratory of Water and Wastewater Engineering, Teknillinen korkeakoulu, Vesihuoltotekniikan laboratorio, 35
Abstract
The residual organic matter in conventionally treated drinking waters may be sufficient for the formation of harmful disinfection by-products, and for supporting bacterial growth in distribution networks. Thus, nanofiltration has been proposed as an option for enhancing the organic matter removal from high organic load containing source waters. Given that little is known of the success of nanofiltration in removing residual organic matter from chemically pre-treated and rather pure surface waters, further research was required. In addition, more information was needed regarding fouling, operation, cost and environmental impact of nanofiltration process as a refining phase in surface water treatment. Long-term pilot-scale studies at an operating water treatment plant as well as laboratory-scale test runs using real and model feed waters were employed to evaluate the applicability of the nanofiltration process. Nanofiltration resulted in high and stable removal of organic matter after conventional surface water treatment in all circumstances that were studied. However, the nanofiltered water showed surprisingly high potential for microbial growth, and contained enough microbially available carbon and phosphorus for bacterial growth. Thus, disinfection using small dosage of chlorine is recommended as a safety barrier and for suppressing microbial growth in distribution systems after nanofiltration. In the cases studied, the use of nanofiltration membranes with high organic matter, and lowered inorganic matter retention, optimally met the requirements for treated water quality, as well as for the productivity and fouling of the membranes. However, the studied pre-treated feed waters caused intense flux decline of nanofiltration membranes and required short membrane cleaning intervals at the studied operational parameters. The results of the study also indicate that most feed water constituents, organic material, inorganic precipitates and micro-organisms, affect membrane fouling. Accordingly, it seems impossible to remove the membrane fouling tendency from surface waters. The study supports the consideration of nanofiltration as an efficient and reliable option for improving the quality of conventionally treated surface water in varying circumstances. However, in applications not requiring substantial improvement of organic matter or ion removals other process options may be more suitable and cost effective compared to nanofiltration.

Juomaveden sisältämän orgaanisen aineksen pitoisuus voi olla riittävä haitallisten desinfioinnin sivutuotteiden syntymiseksi sekä tukemaan mikrobien kasvua verkostossa. Nanosuodatus on yksi vaihtoehto orgaanisen aineksen poiston tehostamiseksi, ja lisätietoja tarvittiin nanosuodatuksen tehosta poistaa orgaanista ainesta kemiallisesti esikäsitellyistä ja suhteellisen puhtaista pintavesistä. Tutkimuksessa etsittiin tietoa myös nanosuodatusprosessin tukkeutumisesta, operoinnista, kustannuksista ja ympäristövaikutuksista pintavedenkäsittelyn viimeistelevänä vaiheena. Nanosuodatusprosessin toimivuutta arvioitiin vesilaitoksella pilot-mittakaavan laitteistoilla sekä laboratoriomittakaavan kokeilla suodattaen oikeilta esikäsiteltyjä vesiä ja mallivesiä. Nanosuodatus poisti orgaanista ainesta tehokkaasti ja vakaasti esikäsitellyistä syöttövesistä kaikissa tutkituissa tilanteissa. Mikrobien kasvukyky nanosuodatetussa vedessä oli kuitenkin yllättävän korkea ja nanosuodatettu vesi sisälsi mikrobikasvulle riittävän määrän mikrobeille käyttökelpoista hiiltä ja fosforia. Nanosuodatetun veden desinfiointi pienellä klooriannoksella onkin suositeltavaa vedenlaadun varmistamiseksi sekä mikrobien verkostokasvun hillitsemiseksi. Tutkituissa tilanteissa korkean orgaanisen aineksen ja alennetun epäorgaanisen aineksen pidätyskyvyn omaavat nanosuodatuskalvot toimivat tuoteveden laatuvaatimusten sekä kalvojen tuoton ja tukkeutumisen kannalta parhaiten. Kaikki tutkitut esikäsitellyt syöttövedet aiheuttivat kuitenkin käytetyillä operaatioparametreilla merkittävän kalvojen tuoton laskun ja vaativat tiheitä kalvojen pesuvälejä. Tutkimuksen tulokset myös osoittavat, että useimmat syöttöveden ainesosat, orgaaninen aines, epäorgaaniset saostumat ja mikro-organismit, aiheuttavat kalvojen tukkeutumista. Tutkimustulosten perusteella vaikuttaakin mahdottomalta poistaa pintavesistä nanosuodatuskalvoja tukkeuttavat ainekset. Tutkimuksen perusteella nanosuodatus parantaa perinteisin menetelmin käsitellyn pintaveden laatua tehokkaasti ja luotettavasti. Sovelluksissa, joissa ei tarvita merkittävän tehokasta orgaanisen aineksen tai ionien poistoa muiden prosessivaihtoehtojen käyttö voi olla kuitenkin tarkoituksenmukaisempaa ja edullisempaa.
Description
Keywords
nanofiltration, surface water treatment, water quality, membrane fouling, membrane cleaning, cost, nanosuodatus, pintavedenkäsittely, veden laatu, kalvojen tukkeutuminen, kalvojen pesu, kustannukset
Other note
Parts
  • Liikanen R., Yli-Kuivila J. and Laukkanen R. (2002), Efficiency of various chemical cleanings for nanofiltration membrane fouled by conventionally-treated surface water, Journal of Membrane Science, 195, 265-276. [article1.pdf] © 2002 Elsevier Science. By permission.
  • Liikanen R., Yli-Kuivila J., Tenhunen J. and Laukkanen R. (2006), Cost and environmental impact of nanofiltration in treating chemically pre-treated surface water, Desalination, 201, 58-70. [article2.pdf] © 2006 Elsevier Science. By permission.
  • Liikanen R., Miettinen I. and Laukkanen R. (2003), Selection of NF membrane to improve quality of chemically treated surface water, Water Research, 37, 864-872. [article3.pdf] © 2003 Elsevier Science. By permission.
  • Liikanen R., Kiuru H., Tuhkanen T. and Nyström M. (2003), Nanofiltration membrane fouling by conventionally treated surface water, Water Science and Technology: Water Supply, 3, 183-190.
  • Matilainen A., Liikanen R., Nyström M., Lindqvist N. and Tuhkanen T. (2004), Enhancement of the natural organic matter removal from drinking water by nanofiltration, Environmental Technology, 25, 283-291.
  • Liikanen R., Kiuru H., Peuravuori J. and Nyström M. (2005), Nanofiltration flux, fouling and retention in filtering dilute model waters, Desalination, 175, 97-109. [article6.pdf] © 2005 Elsevier Science. By permission.
Citation
Permanent link to this item
https://urn.fi/urn:nbn:fi:tkk-008419