Database technieken waterzuivering en -behandeling

Ultrafiltratie (UF)

Principeschema

Principe- en installatiebeschrijving

Ultrafiltratie (of kortweg UF) is een van de drukgedreven membraanprocessen. Het ultrafiltratieproces maakt gebruik van een membraan, een semi-permeabel materiaal, waar in het geval van ultrafiltratie enkel deeltjes doorheen kunnen kleiner dan 20 nm. De poriegrootte situeert zich tussen 20 nm en 0,1 µm. UF gaat verder dan MF door ook nog virussen af te scheiden uit het water, waardoor het als een desinfectie stap kan dienst doen. Er wordt nog steeds op relatief lage drukken gewerkt (2 – 10 bar).

UF-membranen worden in verscheidene configuraties door de leveranciers aangeboden, elk met zijn specifieke toepassing en bijhorende voor- en nadelen. Mogelijke membraanconfiguraties zijn:

buisvormige membranen: capillair, holle vezel of tubulair;
plaatvormige membranen: vlakke plaat of spiraalgewonden

Buiten de specifieke membraanconfiguratie kan men ook enkele bedrijfsvoeringen onderscheiden. De 2 meest gebruikte methodes zijn dead-end en cross-flow bedrijfsvoering. De namen verwijzen naar de manier waarop de voeding aan het membraan aangeboden wordt. Bij dead-end UF wordt de voeding loodrecht op het membraan gestuurd. Aan de voedingszijde van het membraan zet zich hierbij een vervuilingslaag af op het membraanoppervlak. Deze laag bevat alle deeltjes die zijn afgescheiden op basis van hun grootte (zeefwerking). Op periodieke wijze wordt deze laag weggespoeld door gedurende een korte tijd de geproduceerde vloeistof (permeaat) terug doorheen het membraan te sturen in tegengestelde zin van de stroming bij productie. De koeklaag wordt zo losgemaakt en kan afgevoerd worden. Dit noemt men semi dead-end bedrijfsvoeding

Wanneer de koeklaag te sterk is samengedrukt of te sterk kleeft aan het membraan kan het zijn dat deze terugspoeling niet voldoende meer is om de laag te verwijderen van het oppervlak. Dan dient een chemische reiniging uitgevoerd, bijvoorbeeld met javel, peroxide, zuur en base of detergent.

Onderstaande figuur toont schematisch de dead-end bedrijfsvoering, met M = het membraan.

Bij de cross-flow bedrijfsvoering (zie onderstaande figuur) wordt de vloeistof langsheen het membraanoppervlak gestuurd met een bepaalde snelheid. Het permeaat kan doorheen het membraan passeren en de grotere deeltjes blijven achter in een geconcentreerde stroom (het retentaat). De koeklaag wordt in deze bedrijfsvoering continu verwijderd door de langsstromende voedingsstroom.

Specifieke voor- en nadelen

De voordelen van UF zijn:

lage werkingsdruk vereist (licht hoger in vergelijking met MF);
lager energieverbruik dan nanofiltratie (zie technische fiche ‘Nanofiltratie‘) of omgekeerde osmose (zie technische fiche ‘Omgekeerde osmose‘);
weinig manuele handelingen vereist;
relatief goedkoop;
goede permeaatopbrengst in functie van het voedingswater en de membraankeuze;
desinfectie door verwijdering van bacteriën. UF laat bovendien toe om ook virussen, fagen, colloïden en macromoleculen in zeker mate te verwijderen.
Terugspoeling mogelijk door gebruik van robuuste membranen.

Mogelijke nadelen van UF zijn:

enkel verwijdering van zwevende stof, bacteriën en virussen;
gevoelig aan oxidatieve chemicaliën (bijvoorbeeld salpeterzuur, zwavelzuur, peroxide en persulfaat in hoge concentraties). NaOCl blootstelling bepaalt de levensduur van het membraan en is typisch 150 000 tot 500 000 ppmh [1] en pH afhankelijk;
schade kan optreden bij voorkomen van harde en scherpe partikels > 0,1 mm;
membraanschade bij drukken > 3 bar.

Toepassing

UF is uitermate geschikt als voorbehandelingsstap in de bereiding van drinkwater of proceswater. Het heeft uitstekende eigenschappen voor verwijdering van zwevende stoffen en bacteriën. Verder wordt UF o.a. toegepast in de:

zuivelindustrie;
voedingsindustrie;
metaalindustrie (olie/water emulsie scheiding);
textielindustrie;
farmaceutische industrie;
chemische industrie.

Daarnaast wordt UF ook toegepast:

als voorbehandeling voor NF/RO (zie ook technische fiches ‘Nanofiltratie‘ en ‘Omgekeerde osmose‘);
voor toepassingen van hergebruik van afvalwaterstromen.

Een membraanbioreactor (zie technische fiche ‘Membraanbioreactor‘) combineert een biologische zuivering met UF of MF.

Randvoorwaarden

De membranen moeten beschermd worden tegen harde partikels groter dan 0,1 mm. Deze kunnen door grove voorfiltratie verwijderd worden. Verder moeten voedingsstroom, pH- en temperatuurcondities compatibel zijn met het membraanmateriaal.

Werkingsgraad

UF kan toegepast worden voor de verwijdering van o.a. de volgende parameters:

zwevende stoffen (>99%);
schadelijke micro-organismen (bv. bacteriën, protozoa, algen, schimmels) (>99%);
Virussen (99%)
PAKs.

Daarnaast kan UF ook toegepast worden voor het breken van emulsies.

Hulpstoffen

Voor de chemische reiniging van de UF-installatie zijn hulpstoffen zoals bijvoorbeeld javel, peroxide of zuur en base vereist. Daarnaast wordt ijzertrichloride als coagulans gebruikt voor de fijne zwevende stoffen. Extra voordeel hiervan is dat een zeer poreuze koek gevormd wordt, waar water doorheen.

Milieu-aspecten

Het concentraat afkomstig van een UF bestaat voornamelijk uit zwevend stof en bacteriën. Dit kan geloosd worden samen met afvalwater indien de geaccumuleerde zwevende stofconcentratie de normen niet overschrijden. De spoelwaters na een chemische reiniging bevatten stoffen zoals javel, peroxide, zuur en base. Deze spoelwaters mogen enkel geloosd worden naar specifieke afvalzuiveringen.

Opmerkingen

Geen

Complexiteit

Er dienen voorafgaande labotesten en piloottesten uitgevoerd te worden om na te gaan of de gewenste effluent kwaliteiten kunnen gehaald worden met UF, alsook wat de impact gaat zijn.

Automatiseringsgraad

De installatie is grotendeels automatiseerbaar. De spoelcyclus dient ook geautomatiseerd te worden en geïnitieerd door een gemeten drukval of op tijdsbasis. Het vervangen van de membranen dient echter steeds manueel te gebeuren.

Bronnen

[1] Bv. 15 000 ppmh wil zeggen dat het membraan een vrije chloorconcentratie van 1 mg/l verdraagt gedurende 150 000 uren of 17 jaren of van 10 mg/l gedurende 15 000 uren of 1,7 jaren.

Versie

Februari 2010

Herziening augustus 2021