Het is een bekend feit dat natuurlijk organisch materiaal (NOM) een van de belangrijkste oorzaken is van membraanvervuiling bij lage- druk, maar kan iemand echt vaststellen welke specifieke fractie van NOM verantwoordelijk is? Op basis van de verscheidenheid aan onderzoeksconclusies die ik heb gezien, is er waarschijnlijk geen eenduidig antwoord.
Er zijn veel manieren waarop NOM kan worden gekarakteriseerd en doorgaans heeft het onderzoek slechts naar een of twee van deze kenmerken tegelijk gekeken om te identificeren welke fractie van NOM verantwoordelijk is voor membraanvervuiling.
NOM is geen NOM...
NOM-kenmerken kunnen aanzienlijk variëren van waterbron tot waterbron, afhankelijk van de organische stof in het stroomgebied, de geologische omstandigheden, het klimaat, enz. De meest voorkomende variabelen die worden gebruikt om organische stof te karakteriseren zijn grootte, structuur en functionaliteit.
Deze variabelen worden verder als volgt gedefinieerd:
Size: Size fractions can be defined as particulate (>0,45 µm), opgelost (<0.45 µm) and colloidal (~1 nm to 1 µm) where the colloidal fraction crosses over the dissolved and particulate definitions. Molecular weight (MW) distribution is also used to characterize NOM size fractions.
Structuur: NOM-fracties kunnen ook worden beschreven in termen van hydrofobe (aromatische) of hydrofiele (alifatische) structuur, die aangeeft of NOM waterafstotend (hydrofoob) of wateradsorberend (hydrofiel) is.
Functionaliteit/lading: NOM kan ook worden gekarakteriseerd door het functionele groepsgehalte (humus- en fulvinezuren) dat de (negatieve) ladingsdichtheid van de NOM beïnvloedt.
Om de karakterisering verder te compliceren, kan hydrofobe tot hydrofiele NOM een laag tot hoog molecuulgewicht hebben, hoewel hydrofobe NOM-fracties als vuistregel over het algemeen een hoger MW hebben.
Naast de NOM-kenmerken spelen de lage{0}}membraaneigenschappen zelf waarschijnlijk ook een rol bij de vraag of NOM al dan niet tot vervuiling zal leiden. Variabelen zoals membraanporiegrootte, oppervlaktelading en oppervlakteruwheid kunnen van invloed zijn op de vraag of NOM-vervuiling optreedt door poriënblokkering, adsorptie of vorming van een gellaag.
Dus wat veroorzaakt de vervuiling?
Met al deze kennis over NOM en membranen moeten we toch kunnen vaststellen welke kenmerken tot membraanvervuiling leiden? Er zijn veel onderzoeken uitgevoerd, van laboratorium tot volledige- schaal, om de impact op de membraanprestaties van verschillende NOM-fracties te onderzoeken. Hier is een zeer korte samenvatting van de bevindingen van enkele hiervan:
Howe en Clark (2006) concludeerden dat het de opgeloste en colloïdale fractie van NOM in het groottebereik van 100 kDa tot 1 µm is die verantwoordelijk is voor het grootste deel van het membraanvervuilingspotentieel. Deze hogere MW-fractie van NOM wordt verwijderd door coagulatie en wordt verondersteld hydrofoob en zuurder te zijn.
Yamamura et al. (2008) en Lee et al. (2004) hebben vastgesteld dat de hydrofiele fractie van NOM een grotere bijdrage levert aan membraanvervuiling dan hydrofobe humusstoffen. Lee et al. concludeerde ook dat macromoleculen met een hydrofiel karakter (bijv. polysachariden) en/of colloïdaal organisch materiaal in de hydrofiele NOM-fractie lage-drukmembranen kunnen vervuilen. Interessant is dat bij de techniek die Lee gebruikt om de polaire fracties van NOM te isoleren, ook organische colloïden in de hydrofiele fractie terechtkomen. Dit kan de reden zijn dat sommige generalisaties worden gemaakt dat hydrofiele NOM verantwoordelijk is voor membraanvervuiling wanneer deze isolatietechniek wordt gebruikt, terwijl het colloïdale materiaal feitelijk verantwoordelijk kan zijn voor de vervuiling.
Een grotere fluxdaling werd waargenomen door Lee et al. tijdens microfiltratie (MF) vergeleken met ultrafiltratie (UF), waarbij MF-vervuiling werd veroorzaakt door verstopping van de poriën door de grotere macromoleculen en organische colloïden, terwijl voor UF (dat kleinere poriën heeft) de afname van de flux werd veroorzaakt door vorming van een gellaag, die gemakkelijker kan worden teruggedraaid dan verstopping van de poriën. Interessant genoeg bleken de hydrofobe/hydrofiele eigenschappen van de membranen een minimale impact te hebben op membraanvervuiling.
Het bewijs zit in de pilot….
Waarom zijn er zoveel verschillende conclusies over welke fracties NOM verantwoordelijk zijn voor membraanvervuiling? Komt dit doordat membraanvervuiling het gevolg is van een combinatie van NOM- en membraaneigenschappen waar niet gelijktijdig naar is gekeken of is er een ander kenmerk dat nog niet is geïdentificeerd?
De conclusie is dat alle kritische variabelen zijn geïdentificeerd, maar dat nog niemand (althans voor zover ik heb ontdekt) naar al deze variabelen in één onderzoek heeft gekeken. Het werk van Lee et al. komt het dichtst in de buurt. Verschillende fracties NOM hebben verschillende effecten op membranen met verschillende eigenschappen. Dat levert een behoorlijk complexe onderzoeksmatrix op. Als je membraanbehandeling voor een bepaalde waterbron bekijkt, hoef je tenminste maar één set NOM-variabelen te evalueren.
Helaas zijn we nog niet op het punt waarop we de NOM in een waterbron adequaat kunnen vingerafdrukken om het vervuilingspotentieel voor een specifiek membraantype te kunnen voorspellen. Dit zal alleen door middel van vallen en opstaan in een continu werkende proefinstallatie worden vastgesteld. Het zou verkeerd zijn om bij het kiezen van een voorbehandelingsproces te streven naar een totale NOM-verwijderingsdoelstelling als zuiveringsdoel, zonder daarbij ook te kijken naar de vervuilingseigenschappen van de specifieke NOM in het membraanvoedingswater.
Referenties
1. Howe, K; Clark, M; "Effect van coagulatievoorbehandeling op membraanprestaties", Journal AWWA, april 2006.
2. Yamamura, H; Kimura, K; Okajima, T; Tokumoto, H; Watanabe, Y; "Affiniteit van functionele groepen voor membraanoppervlakken: implicaties voor fysiek onomkeerbare vervuiling", Environmental Science & Technology, Vol. 42, No. 14, 2008.
3. Lee, N; Amy, G; Croue, J; Buisson, H; "Identificatie en begrip van vervuiling bij lage- drukmembraanfiltratie (MF/UF) door natuurlijk organisch materiaal (NOM)", Water Research 38 (2004), 4511-4523.
