Applications of membrane processes for industrial waste water treatment

Abstract

The experimental part of this study with a dairy waste water case was performed for the Water and Environmental laboratory of E.N.S.C.R. in France during the spring and summer 1995. The literature study concerning the theory of membrane processes and their applications for industrial waste water treatment was made in Tampere University of Technology. -The aim of the first part of this research was to study theoretically four membrane processes: microfiltration, ultrafiltration, nanofiltration and reverse osmosis. Membranes are usually characterised by their nature, structure, application and/or transport mechanism. Important phenomena which influence membrane processes are osmotic pressure, concentration polarisation and membrane fouling. Membrane processes can be used to produce process water, to purify waste water and to recycle water and raw materials back to the process. -The purpose of the case study of dairy waste water was to compare the existing purification methods and to develop a new method, which would be easy to manage and economical compared to the conventional treatment methods. The water which was studied was the rinsing water from the Cleaning In Place (CIP) cycle of dairies. Conventionally it has been treated with biological treatment or a flocculation operation where the floc separation has been made by either sedimentation or flotation. The use of microfiltration, ultrafiltration and reverse osmosis has been studied and they have been proven to be useful in the separation of different milk system components from the waste stream. -The method developed in the experimental study combines coagulation with natural polymers (chitosan and/or alginic acid) and nanofiltration. The process performance was evaluated as Total Organic Carbon (TOC) reduction. Coagulation was performed in jar tests. The sludge from coagulation could be used as animal feed. Coagulation with chitosan performed an automatic flotation phenomenon. The TOC reduction achieved with coagulation was 65 %. The supernatant was further on nanofiltered for 45 minutes in a MILLIPORE nanofiltration pilot plant. TOC after nanofiltration was only 2% of the original value. The permeate can be recycled into the process. /Kir10

AB3:Tämä diplomityö tehtiin Ranskassa vaihto-opiskelijavuoteni keväällä ja kesällä E.N.S.C.R.:n vesi- ja ympäristötekniikan laboratoriossa professori Gerard Dorangen ohjauksessa. Laboratorio oli erikoistunut membraani(kalvo)prosessien sovelluksiin jätevesien puhdistuksessa sekä luonnon polymeerien käyttöön puhdistusprosessien apuaineina. Ranskassa suoritetun meijerien jätevesien puhdistuksen tutkimuksen lisäksi työtä laajennettiin jälkeenpäin Tampereen teknillisellä korkeakoululla tehdyllä kirjallisuustutkimuksella membraaniprosessien teoriasta ja sovelluksista teollisuuden jätevesien käsittelyssä. -Työssä oli kaksi tavoitetta: tutustua membraaniprosessien toimintaan teoriassa niihin liittyvien fysikaalisten ja kemiallisten ilmiöiden avulla, sekä kehittää meijerijätevesille yksinkertainen, taloudellinen ja ympäristöystävällinen puhdistusmenetelmä, jossa yhdistetään yksikköoperaatioina koagulaatio(saostus) ja nanosuodatus. -Membraaniprosessien tarkastelussa keskityttiin mikrosuodatukseen, ultrasuodatukseen, nanosuodatukseen ja käänteisosmoosiin, joissa membraanien erotuskyky perustuu fysikaalis-kemiallisiin ilmiöihin. Membraanit jaotellaan tavallisesti niiden raaka-aineen, rakenteen, sovelluskohteen ja/tai kuljetusmekanismin perusteella. Membraaneja on sekä huokoisia että eihuokoisia: aineen kulkeutuminen tapahtuu joko mikroskooppisen pienten huokosten läpi tai perustuen eroavaisuuksiin diffuusiokyvyssä tai liukoisuudessa. Membraaneja valmistetaan orgaanisista ja epäorgaanisista materiaaleista. Tärkeimpiä orgaanisia membraanien valmistusmateriaaleja ovat selluloosaasetaatti, polyamidi ja polysulföni. Aineen kulkeutumiseen membraanissa vaikuttavat erityisesti osmoottinen paine, konsentraatiopolarisaatio ja membraanin tukkeutuminen. Suuri ongelma membraaniprosessien sovelluksissa on juuri membraanien tukkeutuminen, jonka vuoksi prosessin hallinnassa tulee kiinnittää erityistä huomiota oikean huokoskoon omaavan membraanin valintaan sekä membraanin pesuun. -Teollisuussovelluksissa käytetään yleensä poikittaisvirtauksisia membraanioperaatioita. Membraaneja voidaan käyttää teollisuudessa prosessiveden valmistukseen, jäteveden puhdistukseen sekä veden ja raaka-aineiden erottamiseen ja kierrättämiseen. -Tutkittaessa tapauskohtaisesti meijerijätevesiä selvitettiin ensin niiden muodostumista meijeriteollisuudessa, niissä olevia aineita ja kemikaaleja sekä käytössä olevia puhdistusmenetelmiä. Meijerijätevesiä muodostuu erityisesti meijerien säiliöiden puhdistusprosessien huuhtelu- ja pesuvesistä. Maidon lisäksi niissä on huuhtelu- tai pesuvaiheesta riippuen myös emäksiä, happoja sekä erilaisia puhdistusaineita (esim. tensidejä) ja desinfiointiaineita. Meijerien jätevesien puhdistuksessa on perinteisesti käytetty koagulaatiota, johon liittyy muodostuneen flokin laskeutus, flotaatio ja/tai suodatus. Myös biologiset puhdistusmenetelmät ovat yleisesti käytössä ja niistä erityisesti aerobiset prosessit. Membraanisuodatusta on kokeiltu ja se on havaittu hyödylliseksi maidon erilaisten komponenttien erittelemiseksi liuoksesta. Kuitenkin vasta viime vuosina markkinoille on tullut teollisuuden prosesseihin soveltuvia membraaneja, joten membraanien käyttö ei ole vielä kovin yleistä tuotantolaitoksissa. -Kokeelliset tutkimukset aloitettiin koagulaatiolla. Kokeissa käytettiin raaka-aineena vesi-maito -seosta, joka vastasi mahdollisimman tarkasti puhdistussyklin ensimmäistä huuhteluvettä. Tulokset mitattiin orgaanisen aineen vähenemisenä prosentteina (%) ja mittauksissa tutkittiin orgaanisen hiilen konsentraatiota TOC (mg/i) näytteistä. Koagulaatio aloitettin säätämällä jäteveden pH maidon nollavaraustasolle, joka on pH:ssa 4,6. Näin saavutettiin 61,7 % vähennys orgaanisen hiilen määrässä. Koagulaatiokokeet suoritettiin purkkitesteillä, joissa saostettin kerrallaan yksi litra jätevettä. Koagulaatiokokeita tehtiin myös käyttämällä kitosaania ja algiinihappoa koaguloimislisäaineina, jolloin syntyvää sakkaa voidaan myöhemmin hyödyntää eläinten rehuna. Puhdistustuloksena saavutettiin 65 % vähennys orgaanisen aineen määrässä. Käytettäessä kitosaania koagulanttina tuloksena oli kevyt ja tiivis lakka, joka nousi itsestään pinnalle kellumaan. Meijerijätevesiä koaguloitaessa syntyy kevyttä sakkaa, joka olisi yksinkertaisempaa erottaa vedestä flotaatiolla kuin laskeutuksella. -Nanosuodatuskokeet tehtiin MILLIPORE nanosuodatus pilottilaitteistolla. Laitteen membraanissa oli kolme eri kerrosta, joiden materiaaleina oli käytetty mm. polysulfonia ja aryleenipolyamidia. Membraani oli kudottu spiraalin malliin ja suodatus tapahtui poikittaisvirtauksena. Membraanilla suodatettiin koagulaatiossa syntynyttä kirkastetta. Nanosuodatusta kokeiltiin neljän erilaisen esikäsittelyn jälkeisellä kirkasteella: 1) jätevesi, joka oli koaguloitu hapolla pH:ssa 4,6, 2) jätevesi, joka oli edellisen lisäksi mikrosuodatettu, 3) jätevesi, joka oli koaguloitu kitosaanilla ja 4) jätevesi, joka oli koaguloitu algiinihapolla. Suodatusaika oli 45-60 minuuttia, lämpötila oli 20 astetta Celsiusta ja paine pidettiin suodatuksen aikana kymmenessä baarissa. Nanosuodatuksen tuloksena saavutettiin neste, jonka orgaanisen hiilen konsentraatio oli enää alle kaksi prosenttia alkuperäisestä. Tämä neste voidaan kierrättää takaisin prosessiin. -Kehitetty puhdistusprosessi, jossa yhdistetään koagulaatio- ja membraanisuodatus-yksikköoperaatiot, on yksinkertainen hallita verrattuna perinteisesti käytössä oleviin biologisiin prosesseihin. Koaguloinnissa syntyvän sakan ravintoarvoa voidaan hyödyntää myymällä se eläinrehuksi. Nanosuodatus on muuten sitä muistuttavaa käänteisosmoosia taloudellisempi menetelmä, koska siinä käytetään alempaa painetta. Se ei myöskään ole yhtä altis membraanin tukkeutumiselle. Puhdistustuloksena nanosuodatuksesta saadaan lähes sata prosenttisesti puhdistettua vettä. /Kir10