Klimaatverandering heeft een diepgaande invloed op de inhoud en kenmerken van NOM in oppervlaktewater via verschillende complexe mechanismen, waardoor NOM een van de belangrijkste verontreinigende stoffen in de drinkwaterzuivering is geworden. Waterbronnen met een hoge-NOM vertonen over het algemeen een hoge kleur en een hoge DOC (doses per oppervlakte-eenheid). NOM veroorzaakt niet alleen kleur- en geurproblemen in waterlichamen, maar reageert ook met desinfectiemiddelen om kankerverwekkende bijproducten te genereren.
Traditionele drinkwaterbehandelingsprocessen hebben een beperkte NOM-verwijderingsefficiëntie, terwijl conventionele organische membraanprocessen te kampen hebben met nadelen zoals gevoeligheid voor vervuiling en slechte corrosieweerstand. Keramisch membraan in combinatie met coagulatie biedt een innovatieve, laag-energie-, compacte en zeer stabiele oplossing voor het zuiveren van oppervlaktewater met een hoog-NOM-gehalte.
Drie voorbehandelingsmethoden: van traditioneel tot ultieme compactheid
Een Europees onderzoeksteam ontwierp en vergeleek drie modellen voor coagulatie- en flocculatievoorbehandeling, waardoor een continue optimalisatie van de processtroom werd bereikt en de effectiviteit van de behandeling werd gegarandeerd:
1. Traditionele twee-tankcoagulatie/flocculatie
Als klassieke behandelingsmethode maakt dit proces gebruik van een reactieontwerp in twee- fasen: een snelle mengtank en een langzame uitvloktank. Ruw water en coagulant worden grondig gemengd in de snelmengtank voordat ze de flocculatietank binnengaan om de vlokgroei te voltooien, met een totale hydraulische retentietijd (HRT) van 21 minuten. Deze modus biedt een grondige reactie, maar vereist een grote footprint en brengt hoge bouwkosten met zich mee.
2. Snelle mengmodus
Deze modus vereenvoudigt de processtroom, waardoor de langzame uitvloktank wordt geëlimineerd en alleen de snelle mengeenheid behouden blijft. Het coagulatiemiddel en het ruwe water worden gemengd en komen rechtstreeks in de membraanmodule terecht, waardoor de hydraulische verblijftijd tot 7 minuten wordt teruggebracht. Terwijl de basiseffectiviteit van de behandeling behouden blijft, wordt de configuratie van de apparatuur aanzienlijk vereenvoudigd.
3. Online buisvormige uitvlokkingsmodus
Dit is de meest innovatieve compacte oplossing uit dit onderzoek. De processtroom is als volgt: ruw water + coagulans → membraantoevoerpomp mengen → buisvormig vlokmiddel → keramisch membraan → permeaat. Er is tijdens het hele proces geen reactietank; het mengen en uitvlokken gebeurt via pijpleidingen. De hydraulische retentietijd (HRT) bedraagt slechts 45 seconden en de G--waarde wordt geregeld op 330 s⁻¹. Het heeft de kleinste voetafdruk van de drie modi.
Kernparameters: hardwareondersteuning voor keramisch membraan
Het experiment maakte gebruik van een keramisch membraan, dat, vanwege zijn anorganische materiaaleigenschappen van chemische weerstand en hoge mechanische sterkte, de belangrijkste hardware-ondersteuning werd voor een stabiele procesvoering.
Experimentele resultaten: hoge-efficiënte verwijdering + lage- vervuiling, dubbele voordelen
De studie gebruikte DOC, kleur en UV₂₅₄ als NOM-evaluatie-indicatoren en transmembraandrukverschil (TMP) als evaluatie-indicator voor membraanvervuiling, waardoor het type, de dosering en de pH-waarde van coagulanten werden geoptimaliseerd.
In het experiment werden polyaluminiumchloride en ijzerchloride vergeleken, en de resultaten waren behoorlijk verhelderend:
DOC-verwijdering:
Aluminiumzouten bereikten een verwijderingspercentage van 50%-85% bij pH 5,5, wat toenam bij toenemende dosering.
IJzerzouten bereikten een maximale verwijderingssnelheid van 87% bij pH 4,5 en 10 mg/l.
Kleurverwijdering:
Aluminum salts were optimally removed at pH 5.5, with a dosage as low as 2 mg/L achieving a removal rate >90%.
IJzerzouten werden optimaal verwijderd bij pH 5,0, waarvoor 6 nodig was. Om gelijkwaardige resultaten te bereiken zijn concentraties boven mg/L nodig.
Een belangrijke bevinding van het onderzoek is dat meer stollingsmiddel niet noodzakelijkerwijs beter is.
Bij 2 mg/l aluminiumzout: onvoldoende neutralisatie van de lading, kleine vlokken en gemakkelijke verstopping van membraanporiën.
Bij 5 mg/l aluminiumzout: er kan herstabilisatie van de lading optreden, of de belasting van het membraanoppervlak kan te hoog zijn.
Bij 3 mg/l aluminiumzout is de membraanvervuiling het laagst en de werking het meest stabiel.
Dit betekent dat het optimaliseren van de dosering belangrijker is dan het blindelings verhogen ervan.
Wat membraanvervuiling betreft, vertoont het een extreem sterke stabiliteit, met een zeer lage onomkeerbare membraanvervuiling. Bij een aluminiumzoutdosering van 3 mg Al/L bereikt de membraanvervuiling een optimaal niveau, met een enkele-cyclusdrukstijging van slechts ongeveer 40 mbar. Gecombineerd met regelmatig terugspoelen kan een stabiele werking op lange- termijn worden gehandhaafd.
Het is vermeldenswaard dat de resterende metaalconcentratie in het effluent een belangrijke beperkende indicator is voor de procesvoering. Binnen het optimale pH-bereik van 4,5–5,5 voor NOM-verwijdering overschrijden de restconcentraties aluminium en ijzer gemakkelijk 150 ug/l (de limieten voor aluminium in de "Standaarden voor drinkwaterkwaliteit GB5749-2022" zijn 200 ug/l en voor ijzer 300 ug/l). In de praktijk is het noodzakelijk om de pH-waarde en de dosering van het stollingsmiddel in evenwicht te brengen, waarbij rekening wordt gehouden met zowel de verwijderingsefficiëntie als de veiligheid van het afvalwater.
Online tubulaire flocculatiemodus heeft de voorkeur
Vergelijking van de drie voorbehandelingsmodi onthulde:
De kleur- en DOC-verwijderingspercentages lagen beide rond de 80%, met verwaarloosbare verschillen.
De irreversibele membraanvervuilingspercentages waren vergelijkbaar (0,06–0,10 mbar/uur).
De troebelheid van het effluent bleef consistent onder 0,1 NTU.
De drie modi lieten geen significant verschil zien in de efficiëntie van NOM-verwijdering, maar de online tubulaire flocculatiemodus, met zijn ultra-korte hydraulische retentietijd van 45 seconden en minimalistisch ontwerp zonder reactietank, werd de optimale keuze.
Deze studie bevestigt dat het proces van coagulatie-flocculatie + keramisch membraan volledig toepasbaar is op de zuiveringsbehoeften van oppervlaktewater met een hoog NOM (normaal zuurstofgehalte): een lage dosering van coagulant zorgt voor een conforme behandeling; het keramische membraan is wasbaar en heeft een lange levensduur; en het operationele energieverbruik is veel lager dan bij traditionele processen. De online buisflocculatiemodus doorbreekt de beperking van de grote voetafdruk die inherent is aan traditionele waterbehandelingsprocessen en biedt technische ondersteuning voor de constructie van compacte, intelligente drinkwaterinstallaties.
Conclusie
Geconfronteerd met steeds strengere drinkwaterkwaliteitsnormen en de uitdagingen van bronwatervervuiling, brengt het coagulatie-keramische membraanvoorbehandelingsproces de effectiviteit van de behandeling in evenwicht met lagere civieltechnische kosten. Met de kernvoordelen van hoge-efficiënte verwijdering, lage vervuiling, compact ontwerp en laag energieverbruik, biedt het een nieuwe aanpak voor waterplanten die omgaan met waterbronnen met een hoog-organisch-gehalte (zoals reservoirwater in het zuiden en wat rivierwater in het noorden).
