Membraan gebaseerde technieken

Beschrijving

Bij membraan gebaseerde technieken worden stoffen, al dan niet selectief, uit een waterige stroom verwijderd met toepassing van membranen. Courant toegepaste membraan gebaseerde technieken zijn ultrafiltratie (UF), nanofiltratie (NF) en omgekeerde osmose (OO) (zie ook Tabel 1).

Voor de behandeling en valorisatie van concentraatstromen kunnen membraantechnieken worden toegepast. Innovaties in het kader van concentraatstromen bestaan er bv. in dat variaties op (courant toegepaste) membraan gebaseerde technieken, al dan niet in combinatie met andere (membraan gebaseerde) technieken, worden toegepast. In veel gevallen beoogt dit een hogere recovery (zouten, metalen, water) waarbij concentraatstromen verder opconcentreren (beperking van de hoeveelheid concentraat).

Variaties kunnen volgende aanpassingen inhouden:

  • aangepaste membranen (bv. SWRO, HPRO, DD, ionenuitwisseling, IPC)
  • combinatie van verschillende types membranen, in serie of parallel, of al dan niet in 1 module
  • aangepaste druk (bv. CCRO, HRRO, PAO, PRO, HPRO, UHPRO)
  • recirculeren in de tijd van (concentraat)stromen (bv. CCRO, HRRO)
  • inbrengen van een verdunde zoutoplossing aan de productzijde van het membraan om de osmotische drukbarrière te verminderen (bv. CFRO)
  • periodieke afwisseling van de doorstroomrichting (bv. FFRO)
  • aanpassing van de stroomrichting (bv. FO)
  • inbouwen van eiwitten (bv. Aquaporin InsideTM technology)
  • pH-wijzigen (interstage bv. HiPRO)
  • combinatie van technieken (bv. OARO, diafiltratie, pertractie, pervaporatie)
  • roterende membranen (bv. Shear Enhanced MF)
  • thermisch gedreven via verhoogde temperatuur (bv. MD)
  • gedreven door elektrische stroom (bv. membraanelektrolyse, ED, MCDI, CDI, EDI, Mixed Bed IEX, EDBM, EDR/RED, EDM)

Technische toepasbaarheid

Veel van de geavanceerde membraan gebaseerde technieken die terug te vinden zijn in de literatuur in het kader van concentraatstromen worden momenteel voornamelijk op labo- en/of pilootschaal toegepast in het kader van onderzoek en/of projectwerking. Het aantal geavanceerde membraan gebaseerde technieken die anno 2022 effectief in Vlaanderen (of in Europe, Azië of USA) worden toegepast voor de behandeling en valorisatie van concentraatstromen zijn eerder beperkt. In bijlage 3 worden een aantal praktijkcases die effectief worden toegepast en/of potentieel hebben in Vlaanderen besproken. CCRO en andere variaties op OO zijn terug te vinden in PRAKTIJKCASE 1.

Concreet gaat het om 5 Vlaamse cases:

  • HHRO - Colruyt Halle: Dupont/Waterleau
  • CCRO - Project Ganzepoot: Waterleau ism De Watergroep, Farys en Aquaduin
  • Masterplan De Blankaart: Waterleau ism De Watergroep
  • Geoptimaliseerde OO-installatie – behandeling van captatiewater
  • Geoptimaliseerde OO-installatie – behandeling van effluent van mestverwerkingsinstallatie

Daarnaast zijn er nog 9 buitenlandse cases kort toegelicht.

Membraan gebaseerde technieken kunnen ingezet worden voor de behandeling en valorisatie van concentraatstromen. Het type (of combinatie van) technieken dient gekozen te worden ifv het te behandelen afvalwater en de parameters die opgeconcentreerd en /of teruggewonnen moeten worden en hangt af van de bedrijfsspecifieke situatie.

Voornamelijk voor de behandeling van stromen met hoge zoutconcentratie zijn membraan gebaseerde technieken aangewezen.

Milieu-impact

Door toepassing van membraan gebaseerde technieken kunnen o.a. zouten, ionen, metalen, vluchtige componenten en/of micro-organismen uit een waterige stroom verwijderd worden.

In veel gevallen is voorbehandeling nodig indien membraantechnieken worden ingezet. Na verloop van tijd raken de membranen vervuild door het afzetten van deeltjes op de membranen (bv. Ca- en Mg-verbindingen) en geraken deze verstopt. Om de membranen te reinigen worden chemicaliën ingezet en wordt een waterige afvalstroom gegenereerd.

In specifieke toepassingen kunnen gevormde stromen ingezet worden als een alternatief /aanvulling voor de aangekochte chemicaliën, bv. het gebruik van brijnwater voor de reiniging van UF-membranen (productie van javelwater - NaOCl) of de toepassing van chlooroplossing (javelwater) als membraanspoelvloeistof (membraanelektrolyse).

Bij thermisch gedreven membraanprocessen of bij toepassingen onder verhoogde druk is extra energie vereist. Terugwinning van energie is bij bepaalde technieken (bv. PRO) mogelijk.

Bij het inzetten van (gezuiverd) afvalwater in het productieproces kan bespaard worden op het waterverbruik.

Financiële aspecten

Voor een aantal membraan gebaseerde technieken werden kostprijzen verzameld (zie Tabel 6 en PRAKTIJKCASE 1). Deze dienen echter met de nodige omzichtigheid geïnterpreteerd te worden. De investerings- en werkingskosten zijn immers zeer bedrijfs- en locatieafhankelijk.

De kostprijs wordt o.a. bepaald door het type, de uitvoeringsvorm (al dan niet in combinatie met andere technieken), de procesvoering (bv. druk, temperatuur), het te behandelen volume, de gewenste zuivering, de valorisatie-, afzet- of afvoeropties, enz. Andere factoren die een invloed hebben op de kostprijs zijn: de schaalgrootte en transportkosten (bv. afvoer brijn).

Hoe meer geavanceerd de techniek, hoe hoger wellicht de kostprijs:

  • hoogwaardige membranen die bv. bestand zijn tegen zoutconcentraties, druk en/of temperatuur worden duurder ingeschat in vergelijking met standaardmembranen;
  • installaties (bv. pompen, leidingen uit hoogwaardige materialen) die bestand zijn tegen hoge drukken zijn vermoedelijk ook duurder in aankoop.

Tabel - membraangebaseerde technieken

Tabel 6 bevat voor elk van de geïnventariseerde membraangebaseerde technieken (zie excel, H3) een beschrijving van de technische toepasbaarheid (verwijderbare componenten en fase van ontwikkeling voor de behandeling en valorisatie van concentraatstromen), de milieu-impact (focusparameters van deze studie) en de financiële aspecten (voorbeelden van kostprijzen).

Tabel 6: Beschrijving van de membraangebaseerde technieken [8]


[8] referenties zijn opgenomen aparte excel (zie luik inventaris in hoofdstuk 3)

[9] Panagopoulos A. & Haralambous K.J., 2020

[10] Vermits er met hogere druk gewerkt wordt dienen de materialen hoogwaardig te zijn (o.a. bestand tegen hogere druk en corrosie); duurder in vergelijking met traditionele OO. De kostprijzen van deze technieken zijn erg afhankelijk van de specifieke situatie. Het energieverbruik van HRRO in de vermelde cases (overige) varieert als volgt: lage druksystemen - bio effluent/ oppervlakte water: 0,48 – 0,53 kW/m³ permeaat geproduceerd

[11] WASS - omgekeerde osmose

De kostprijs van een typische omgekeerde osmose installatie van 40 m³/dag situeert zich tussen 15 000 en 20 000 €. Deze kost is exclusief de installatie onsite. De proceskarakteristieken zijn: recovery 75 %; CIP tank; energieverbruik gemiddeld 2.2 kW; 6 OO-membranen; werkdruk 12 bar; maximum recovery 75%; nominale retentie 90 - >99%; werk temperatuur 13-30°C; inlaat druk pomp 3 -6 bar; design temperatuur 15°C

WASS - nanofiltratie

Een nanofiltratie installatie voor de productie van 100 m³/u permeaat kost ongeveer tussen 300 000 en 350 000 €. Procesconfiguratie: 2-traps ontwerp; recovery 75 %; CIP tank; energieverbruik gemiddeld 25 kW voor 1e trap, 7 kW voor de 2e trap; 76 NF-membranen; 2-1 configuratie bestaande uit 6 drukbuizen voor 1e trap en 3 voor 2e trap; 54 membranen in 1e trap, 18 membranen in 2e trap; nominale zoutretentie 30-85%; werk temperatuur 15-30°C; inlaat druk pomp 3 -6 bar; design temperatuur 25°C

[12] uitgebreid wetenschappelijk onderzoek naar gedaan (Morillo et al., 2014)

[13] lager energieverbruik in vergelijking met andere behandelingstechnieken; ); (Panagopoulos A. & Haralambous K.J., 2020)

[14] Panagopoulos A. & Haralambous K.J., 2020

[15] Panagopoulos A. & Haralambous K.J., 2020

[16] Panagopoulos A. & Haralambous K.J., 2020

[18] Panagopoulos A. & Haralambous K.J., 2020

[19] Panagopoulos A. & Haralambous K.J., 2020

[20] WASS-membraandestillatie:

Door het gebruik van zeer lage drukken, die een goedkopere installatie (dunnere piping, etc.) toelaten en minder operationele problemen met zich meebrengen, zijn de investerings- en onderhoudskosten van MD beduidend lager dan die van drukgedreven membraanprocessen zoals ultrafiltratie en OO. In de veronderstelling van volledig ontwikkelde MD technologie, wordt de totale productiekost van een hypothetische direct contact MD ontzoutingsplant met 30% interne warmterecuperatie voor de productie van zuiver water aan 3800 m³/u geschat op 0,55 €/m³, wat duidelijk lager is dan de kost van een OO installatie met dezelfde capaciteit (0,89 €/m³).

De verwachte kost voor drinkwaterproductie in een grootschalige MD ontzoutingsplant wordt geschat op 0,27 - 0,70 €/m³ (afhankelijk van het al dan niet gebruik van restwarmte), waarbij verdere kostenreducties in de lijn van de verwachtingen liggen. De kostenefficiëntie van MD hangt sterk samen met het gebruik van restwarmtestromen en/of alternatieve energiebronnen.

[21] input Q & interviews, 2022; VLAKWA-Electrodis

[22] WASS-elektrolyse

De kosten voor een elektrolyse-installatie zijn sterk afhankelijk van het type elektroden die gebruikt worden. Voorbeeld: kleine installatie voor de terugwinning van palladium uit spaarspoelbaden waarbij 26 g/u Pd wordt gewonnen. De kosten voor de nodige elektrische stroom bedragen 0,75 € per kg/Pd. De investeringskosten bedragen 93 € per anode en 13 € per kathode waarbij per elektrolysecel 8 anoden en 7 kathoden nodig zijn. De anode is een Ti/RuO2 elektrode en de kathode een driedimensionale elektrode. De investeringskost voor de cel met elektroden is 3000 € en een gelijkrichter voor de spanning bedraagt ongeveer 1000 €. (

[23] Pilootschaal ; Subramani & Jacangelo, 2014; https://www.kwrwater.nl/projecten/nomixed/

[24] Panagopoulos A. & Haralambous K.J., 2020

[25] WASS - elektrodialyse

Belangrijke kostenelementen bij ED zijn de membranen en de elektrische energie kost. De limiterende stroomdichtheid bepaalt de prijs van het ED proces : het is dus niet mogelijk om algemene indicatieve prijzen te geven voor ED vermits de toepassing volledig de ED design bepaalt vanwege de concentratie specificaties. Als ruwe vuistregel wordt in de praktijk een limiet van 3000 ppm opgeloste stoffen beschouwd als grens tussen een kosten effectieve behandeling via omgekeerde osmose en ED : beneden 3000 ppm dus ED en boven 3000 ppm omgekeerde osmose. Een ander argument ten gunste van ED kan de eis van een hoge recovery van de voeding zijn. Voor een ED-installatie die 10 m3 afvalwater per dag behandeld afkomstig uit de oppervlaktebehandeling van metalen rekent men op een investeringskost van 200 000 € en een operationele kost van 50 000 €/jaar. Afhankelijk van de aard van het afvalwater kunnen de kostprijzen sterk afwijken

[26] minder energieverbruik in vergelijking met drukgedreven membranen alsook omwille van de relatief lage vereiste spanning (<1,8 V), bv. in vergelijking met EDR met maar twee elektroden waartussen een kationische membraan (CM) en anionische membraan (AM) elkaar afwisselen

[27] laboschaal (total ammonia nitrogen)

[28] bij gebruik van DD in combinatie met ED en een transmembraan chemisorptie eenheid (Transmembrane Chemisorption - TMCS) – experimenteel stadium

[29] geen gebruik van elektrische stroom

[30] De investeringskost van een ionenuitwisselingsinstallatie is opgedeeld in kolomkosten en leidingwerk enerzijds en de harsen anderzijds. De werkingskosten zijn afhankelijk van de concentraties aan ionen in de te behandelen stroom. Hoe hoger de concentraties, hoe frequenter er dient geregenereerd te worden (WASS - ionenuitwisseling).

[31] hogere CAPEX kost in vergelijking met IED (ionenuitwisseling)

[32] laag energieverbruik en lage onderhoudskosten in vergelijking met ED

[33] hoge investeringskost (in vergelijk met EDI?); matig energieverbruik, lagere onderhouds- en werkingskosten in vergelijking met OO (Panagopoulos A. & Haralambous K.J., 2020)

[34] energieverbruik stijgt ifv het totaal gehalte aan opgeloste zouten, extra energie vereist voor drogingsstap zouten (Panagopoulos A. & Haralambous K.J., 2020)

[35] WASS - pertractie

-kosten van pertractie zijn sterk afhankelijk van de hoeveelheid en de samenstelling van de te behandelen stroom en van de te bereiken eindconcentraties.

-voorbeeld: behandeling van afvalwater met trichlooretheenverontreiniging. De afvalstroom heeft een debiet van 10 m3/u en een concentratie organische stof van 10 mg/l. Voor een verwijdering van de verontreiniging tot 10 g/l bedragen de kosten ca 0,5 € per m3 behandeld water (prijs 2008). Dit maakt pertractie goedkoper dan luchtstrippen gevolgd door actief koolfiltratie (zie ook technische fiche 'PACT-systeem'), of alleen actief koolfiltratie over 2 filters in serie. Dit geldt ook voor debieten van 1.5 en 100 m3/u. Voor een biologisch afbreekbare stof als tolueen is de situatie duidelijk anders. Hier blijkt pertractie alleen voordeliger dan biologische zuivering of actief koolfiltratie, bij lage waterdebieten en hoge verwijderingspercentages.

[36] WASS - pervaporatie bevat geen informatie over gerealiseerde full-scale installaties.

[37] hoge CAPEX en OPEX om geconcentreerde zoutstroom uit het ene bedrijf te integreren in een ander bedrijf (CAK-activiteit)

 

Toon enkel technieken...
Aspecten
...op...
Beste beschikbare techniek
Milieuvriendelijke techniekTechnische aspectenMilieuaspectenBBT
BewezenAlgemeen toepasbaarGlobaal - technischWaterverbruikAfvalwaterAfvalEnergie - elektriciteitsverbruikChemicaliënGlobaal - milieuEconomisch
Omgekeerde osmose (OO) met gesloten circuit / Hoge recovery OO (Membraan gebaseerde technieken)+++ 1++0+0+-Ja
Zeewater omgekeerde osmose / Brakwater omgekeerde osmose (Membraan gebaseerde technieken) 2
Tegenstroom omgekeerde osmose (Membraan gebaseerde technieken) 3
Stroomomkering omgekeerde osmose (Membraan gebaseerde technieken) 4
Voorwaartse osmose (Membraan gebaseerde technieken)--/+-/+ 5++000+-TO
Drukondersteunde osmose (Membraan gebaseerde technieken) 6
Eiwitten ingebouwd in membranen (Membraan gebaseerde technieken)--/+-/+ 7++000+-TO
Hoge herwinning inter-stage precipitatie omgekeerde osmose (Membraan gebaseerde technieken) 8
Drukvertraagde osmose (Membraan gebaseerde technieken)--/+-/+ 9++0+0+-TO
Hoge druk omgekeerde osmose (Membraan gebaseerde technieken)--/+-/+ 10++0+0+-TO
Ultrahoge druk omgekeerde osmose (Membraan gebaseerde technieken)--/+-/+ 11++0+0+-TO
Osmotisch ondersteunde omgekeerde osmose (Membraan gebaseerde technieken)--/+-/+ 12++000+-TO
Diafiltratie (verdunning + filtratie) (Membraan gebaseerde technieken) 13
Door schuifkracht verbeterde membraanfiltratie (Membraan gebaseerde technieken) 14
Membraandestillatie (Membraan gebaseerde technieken)--/+-/+ 15++0+0+-TO
(Membraan)elektrolyse (Membraan gebaseerde technieken)--/+-/+ 16++0+++-TO
Elektrodialyse (Membraan gebaseerde technieken)--/+-/+ 17++000+-TO
Membraan capacitieve deïonisatie – Capacitieve deïonisatie (Membraan gebaseerde technieken)--/+-/+ 18++0+0+-TO
Donnan dialyse (Membraan gebaseerde technieken)--/+-/+ 19++000+-TO
Elektrodeïnonisatie (Membraan gebaseerde technieken)--/+-/+ 20++000+-TO
Ionenuitwisseling (Membraan gebaseerde technieken)-+-/+ 21++000+-TO
Gemengd bed ionenuitwisseling / polisher / filter (Membraan gebaseerde technieken)--/+-/+ 22++000+-TO
Elektrodialyse met bipolaire membranen (Membraan gebaseerde technieken)--/+-/+ 23++000+-TO
Elektrodialyse Omkering / Omgekeerde Elektrodialyse (Membraan gebaseerde technieken)--/+-/+ 24++000+-TO
Elektrodialyse metathese (Membraan gebaseerde technieken)--/+-/+ 25++000+-TO
Pertractie (Membraan gebaseerde technieken)-+-/+ 26++000+-TO
Pervaporatie (Membraan gebaseerde technieken)-+-/+ 27++000+-TO
Geïntegreerde permeaatkanaalmembranen (Membraan gebaseerde technieken) 28
  • Legende

1 in Vlaanderen: 1 full-scale, 1 in opstart, 1 piloot en 1 in testfase; elders: meerdere cases (waarvan sommige in ontwerpfase); zie bijlage 3 – praktijkcase 1

2 geen inschatting omwille van ontbrekende informatie: 1 referentie uit literatuur; geen concrete cases in Vlaanderen of elders gekend

3 geen inschatting omwille van ontbrekende informatie: techniek 1x vermeld tijdens interview; geen concrete cases in Vlaanderen of elders gekend

4 geen inschatting omwille van ontbrekende informatie: beperkt aantal referenties uit literatuur; geen concrete cases in Vlaanderen of elders gekend

5 algemeen: techniek in opkomst (pilootschaal); aandachtspunt: stabiliteit van de membranen; geen concrete cases in Vlaanderen of elders gekend

6 geen inschatting omwille van ontbrekende informatie: algemeen: techniek in opkomst (pilootschaal); aandachtspunt: stabiliteit van de membranen; geen concrete cases in Vlaanderen of elders gekend

7 algemeen: techniek in opkomt, in OO membranen; geen concrete cases in Vlaanderen of elders gekend

8 geen inschatting omwille van ontbrekende informatie: beperkt aantal referenties uit literatuur; geen concrete cases in Vlaanderen of elders gekend

9 algemeen: techniek in opkomst; geen concrete cases in Vlaanderen of elders gekend

10 algemeen: techniek in opkomst; techniek 1x vermeld tijdens interview; geen concrete cases in Vlaanderen of elders gekend

11 algemeen: techniek in opkomst; techniek 1x vermeld tijdens interview; geen concrete cases in Vlaanderen of elders gekend

12 algemeen: techniek in opkomst; geen concrete cases in Vlaanderen of elders gekend

13 geen inschatting omwille van ontbrekende informatie: beperkt aantal referenties uit literatuur; geen concrete cases in Vlaanderen of elders gekend

14 geen inschatting omwille van ontbrekende informatie: beperkt aantal referenties uit literatuur; geen concrete cases in Vlaanderen of elders gekend

15 algemeen: techniek in opkomst; techniek vermeld tijdens interview; geen concrete cases in Vlaanderen of elders gekend

16 algemeen: techniek in opkomst; in Vlaanderen: proof of concept (labo en piloot)

17 algemeen: techniek in opkomst; techniek vermeld tijdens interviews; in Vlaanderen geen concrete cases gekend

18 algemeen: techniek in opkomst; geen concrete cases in Vlaanderen of elders gekend

19 algemeen: techniek in opkomst; geen concrete cases in Vlaanderen of elders gekend

20 algemeen: techniek in opkomst; geen concrete cases in Vlaanderen of elders gekend

21 algemeen: toepasbaar; geen concrete cases in Vlaanderen of elders gekend

22 algemeen: techniek in opkomst; geen concrete cases in Vlaanderen of elders gekend

23 algemeen: techniek in opkomst; geen concrete cases in Vlaanderen of elders gekend

24 algemeen: techniek in opkomst; geen concrete cases in Vlaanderen of elders gekend

25 algemeen: techniek in opkomst (pilootschaal); geen concrete cases in Vlaanderen of elders gekend

26 algemeen: toepasbaar; geen concrete cases in Vlaanderen of elders gekend

27 algemeen: toepasbaar; geen concrete cases in Vlaanderen of elders gekend

28 geen inschatting omwille van ontbrekende informatie: beperkt aantal referenties uit literatuur; geen concrete cases in Vlaanderen of elders gekend

© VITO, 2012. Voor de informatie op deze site gelden een vrijwaringsclausule en een verklaring betreffende het auteursrecht.

VITO, Boeretang 200, B-2400 Mol, België