Membranen: kansen en uitdagingen in afvalwaterhergebruik

Een recent verschenen artikel in Environmental Science & Technology presenteert de nieuwste ontwikkelingen op het gebied van membraantechnologie in combinatie met de kansen en uitdagingen voor membranen voor afvalwaterhergebruik.

Kansen en uitdagingen

In vergelijking met alternatieve technieken (actieve-koolfiltratie en bodempassage) bieden membranen, en specifiek omgekeerde osmose, een betere betrouwbaarheid voor veilige drinkwaterproductie omdat ze gebruikt kunnen worden om gelijktijdig en vergaand verschillende verontreinigingen te verwijderen, zoals deeltjes, pathogenen en opgeloste chemische stoffen. Moderne afvalwaterhergebruikinstallaties gebruiken daarom veel omgekeerde osmose, met als voorbehandeling steeds vaker micro- of ultrafiltratie en als nabehandeling vaak lage-druk-ultraviolet (UV) behandeling met peroxide voor de destructie van kleine microverontreinigingen zoals N-nitrosodimethylamine (NDMA). Ondanks deze ontwikkelingen zijn er een aantal uitdagingen voor omgekeerde osmose, zoals een hoge energieconsumptie, membraanvervuiling, concentraatafvoer of –behandeling, verwijdering van kleine microverontreinigingen en membraanintegriteitsbewaking.

Reprinted with permission from Tang, C.Y., Yang, Z., Guo, H., Wen, J.J., Nghiem, L.D., Cornelissen, E., Potable Water Reuse through Advanced Membrane Technology (2018) Environmental Science and Technology, 52 (18), pp. 10215-10223. Copyright 2018 American Chemical Society

Nieuwe membraanprocessen: minder energie en nutriënten terugwinnen

Alternatieve membraanprocessen, zoals het toepassen van forward osmose (FO) voor waterhergebruik, bieden een veelbelovende aanpak die de laatste jaren sterk in opkomst is. FO is op zichzelf een laag-energetisch proces, dat wordt gedreven door een concentratieverschil over het membraan. De uitdaging is het terugdringen van het gebruik van een energie-intensief terugwinsysteem dat nodig is voor de productie van hoogkwalitatief water.

OMBR

Een osmotische membraanbioreactor (OMBR) voor waterhergebruik combineert FO rechtstreeks met afvalwaterbehandeling in actief slibsystemen, waardoor een compact systeem ontstaat met een hoge verwijdering van microverontreinigingen en simultane terugwinning van water en nutriënten. De OMBR is in 2005 bij KWR ontwikkeld en heeft bijgedragen aan een toenemende belangstelling voor FO.

CoRe

In het recent gestarte TKI Watertechnologieproject CoRe Water kijkt KWR met RHDHV, BLUE-Tec, Waterschap Rijn en IJssel, Waterschap Vallei en Veluwe en Waterschapsbedrijf Limburg naar het rechtstreeks behandelen van huishoudelijk afvalwater met FO voor het concentreren van afvalwater, het terugwinnen van nuttige stoffen hieruit en het hergebruik van water.

Laag energetisch, minder vervuilende en dichtere membranen

Nieuwe ontwikkelingen richten zich op laag energetische en laag vervuilende membranen met een hoge retentie voor microverontreinigingen. Het klassieke dunne-film-composiet (thin film composite of TFC) membraan wordt verbeterd door ontwikkelingen naar ultradunne scheidingslagen. Meer ontwikkelingen vinden plaats richting het toepassen van nanotechnologie bij de productie van dunne film nanocomposiet (thin film nanocomposite of TFN) membranen.  Zo bevatten de membranen uit deze nieuwe generatie aquaporines (AQP) (eiwitkanalen), nanokanalen van synthetische koolstof (carbon nanotubes of CNT), grafeen(oxide) (GO) of worden ze gevormd door zelforganiserende polymeren.

Oppervlakte-coatings

Ten slotte zijn er ontwikkelingen gericht op modificatie van membranen met een anti-adhesief oppervlak-coating voor de toepassing in afvalwaterhergebruik waarbij specifiek biologische vervuiling een probleem is.

De aanwezigheid van kleine microverontreinigingen is een serieuze uitdaging voor afvalwaterhergebruik met omgekeerde osmose. Kleine polaire stoffen zoals NDMA, pyrazool en 1,4-dioxaan zijn moeilijk te verwijderen met klassieke TFC membranen die in principe zijn ontworpen voor een hoge verwijdering van zouten en een hoge wateropbrengst. Recente membraanontwikkeling richt zich op het maken van specifieke oppervlakte-coatings op membranen die kleine microverontreinigingen beter kunnen tegenhouden.

Integriteit van membranen bewaken

Omgekeerde osmose kan virussen en bacteriën in hoge mate verwijderen (desinfectie), omdat de poriën veel kleiner zijn dan de afmeting van een virus. Membraansystemen kunnen echter falen, bijvoorbeeld door kapotte membraanmodules of door schade aan het membraanoppervlak. Er zijn momenteel geen technieken beschikbaar voor RO waarmee de integriteit van membranen direct vast te stellen is voor > 2 log verwijdering.

Zeer recent is bij KWR in het kader van multi-source 1-step RO een nieuwe gepatenteerde membraanintegriteitsmethode ontwikkeld op basis van de aanwezigheid van natuurlijke virussen in voedingswater. De natuurlijke of nieuwe virusmethode (NV-methode) is toegepast tijdens omgekeerde osmose van oppervlaktewater van De Grecht in Kamerik (Oasen), waarmee een 7-8 log verwijdering is waargenomen. Deze veelbelovende nieuwe aanpak lijkt essentieel voor het bewaken van de integriteit van afvalwaterhergebruikinstallaties. Het onderwerp wordt momenteel ondergebracht in een nieuw te formuleren TKI-project voor de verder ontwikkeling van deze methode.