Genz, C. , Miehe, U. , Gnirß, R. , Jekel, M. (2010): The effect of pre-ozonation and subsequent coagulation on the filtration of WWTP effluent with low-pressure membranes.

p 9 In: MDIW Membranes in Drinking and Industrial Water Treatment. Trondheim. 27-30 June 2010

Abstract

The impact of a pre-treatment by pre-ozonation (2-10 mg O3/L) and subsequent coagulation (FeCl3: 2-6 mg Fe3+/L) on the performance of a polymeric ultrafiltration membrane was studied. No free dissolved ozone was in contact with the membrane. Lab tests were performed using Amicon test cells fed with secondary effluent and the flux decline during filtration tests was measured. Flux decline was reduced with increasing coagulant concentration as well as with increasing ozone dosage. This effect was confirmed by a reduction in the amount of biopolymers measured with size exclusion chromatography by organic carbon detection (LC-OCD). Conducted multi filtration cycles revealed a significant increase in irreversible fouling after pre-ozonation that might be caused by increasing colloidal iron concentrations. Phosphorus in the permeate was successfully reduced to concentrations < 60 µg/L

Genz, C. , Miehe, U. , Gnirß, R. , Jekel, M. (2010): Die Kombination von Ozon und Flockung als Behandlungsstufe vor einer Membranfiltration (Oxeram).

p 5 In: Jahrestagung der Wasserchemischen Gesellschaft. Bayreuth. 10-12 May 2010

Abstract

Die EU-Wasserrahmenrichtlinie (2000) verlangt bis zum Jahre 2015 für alle europäischen Gewässer die Wiederherstellung eines „guten ökologischen Zustands“. In Berlin muss zur Erfüllung dieses Ziels insbesondere der Phosphoreintrag aus Kläranlagen minimiert werden, da Phosphor als limitierender Nährstoff für die Eutrophierung der Gewässer hauptverantwortlich ist. Vor diesem Hintergrund wird die Einführung einer Membranfiltrationsstufe mit vorgeschalteter Phosphatfällung in der Berliner Kläranlage Ruhleben diskutiert (Gnirß 2008). Das Jahresmittel der Phosphorkonzentration im Ablauf der Kläranlage Ruhleben beträgt 0,3 - 0,4 mg P/L. Der Zielwert für die weitergehende Behandlung des Klarlaufes wurde mit 0,05 - 0,1 mg P/L festgelegt. Die Filtration von Klärwerksabläufen mit Niederdruckmembranen bietet in Kombination mit einer Flockungsstufe eine wirkungsvolle Möglichkeit für das Erreichen niedriger Phosphorkonzentrationen und einer zusätzlichen Entfernung von Pathogenen. Das Hauptproblem beim Betrieb von Niederdruckmembranen stellt jedoch nach wie vor der durch Fouling auftretende Verlust der Filtrationsleistung dar. Dieser entsteht durch das Verblocken der Membranporen mit organischem Material sowie Kuchenbildung auf der Membranoberfläche und schlägt sich entweder in der Verringerung des transmembranen Fluxes oder im Anstieg der transmembranen Druckdifferenz mit der Zeit nieder. Als Folge des Foulings müssen die Membranen regelmäßig physikalisch bzw. chemisch gereinigt werden, was zu einer Verringerung ihrer Standzeit führt. Lediglich 10 % der im Klarlauf enthaltenen organischen Substanzen leisten dabei einen Beitrag zum Fouling (Laabs 2004). Diese Substanzen eluieren bei einer Größenausschlusschromatographie im sogenannten Biopolymer-Peak, der sowohl Polysaccharide als auch organische Kolloide und Proteine umfasst. In Studien zum Fouling von Niederdruckmembranen wurden Biopolymere (BP) in Form von Proteinen und Polysacchariden sowie Partikel und Kolloide in der Größenordnung von 10 bis 450 nm als Hauptverursacher des Membranfoulings ermittelt (Zheng 2009, Poele 2006). Im Rahmen des Projekts „Oxeram“ (Technische Universität Berlin, KompetenzZentrum Wasser Berlin, Berliner Wasserbetriebe) wird untersucht, ob durch eine Ozonierung vor der Flockungsstufe das Fouling der nachgeschalteten Membran reduziert und somit die Leistungsfähigkeit der Membranfiltration verbessert werden kann und ob sich aus deKombination dieser Prozesse synergetische Effekte ergeben. Eine Ozonierung kann bei einem Einsatz von geringen Ozondosen (1 - 2 mg/O3/L) in Kombination mit einer Flockung aufgrund des Mikroflockeneffekts zu größeren, stabileren und robusteren Flocken führen. Diese können sich bei einer nachgeschalteten Membranfiltration positiv auf die Filtrationsleistung auswirken. Höhere Ozondosen (10 - 12 mg O3/L) dienen der Oxidation von organischen Wasserinhaltsstoffen und Spurenstoffen. Die hier dargestellten Ergebnisse beziehen sich auf Versuche, die in AmiconTestzellen im Labormaßstab durchgeführt wurden. Ziel war es zunächst, eine optimale Kombination von Ozoneintrag und Flockungsmittelkonzentration zu ermitteln.

Abstract

Low-pressure membrane filtration of secondary effluents allows disinfection and, combined with chemical coagulation, advanced phosphorus removal. However, the loss of filtration performance due to membrane fouling is still a fundamental problem and has a strong impact on the costs of the process. Biopolymers as well as colloids in the range of 50 to 350 nm were identified as main foulants during ultrafiltration (UF). In this project the impact of a pre-treatment by ozonation (2-10 mg O3/L) and subsequent coagulation (FeCl3: 2-6 mg Fe3+/L) on the performance of a polymer UF membrane was studied. No free dissolved ozone was in contact with the membrane. Lab tests were performed using Amicon test cells in dead-end mode fed with 500 mL secondary effluent of the WWTP Ruhleben (Berlin) and the flux decline during filtration was measured. The effect of the two pre-treatment steps on the character of DOC, especially the biopolymer fraction, was investigated using size exclusion chromatography. The pre-treatment enables phosphorus removal of 75 up to 95 % with permeate concentrations of 30 to 50 µg P/L. In filtration tests pre-ozonation without flocculation leads to a less distinct flux decline (1-7 %). Coagulation without pre-ozonation increases the flux by 5 to 14 % compared to filtration of effluent without pre-tretament. The combination of both pretreatment steps improves the filtration performance up to 30 % and reduces the filtration time for 500 mL by 50 %. Different mechanisms are considered as reasons for the improved performance. It is known that coagulation partially removes the fouling-active biopolymers and humic substances. The pre-treatment with ozone, even at low dosages (2 mg/L), leads to a significant decrease of UV254 absorbance, pointing on a shift to more polar molecules. Higher ozone dosages (> 6 mg/L) additionally induce disintegration of biopolymers and a shift to smaller organic compounds. The interaction between ozonation and coagulation leads to a partial complexation of iron in solution. As a consequence, less iron is provided for the coagulation process. As the percentage of complexation of iron decreases with increasing coagulant dosage, the synergetic effect of pre-ozonation and coagulation on the filtration performance increases with increasing iron dosage. These results suggest that combining pre-ozonation and coagulation can be a promising pretreatment process to reduce the fouling of organic membranes, without the necessity of applying free dissolved ozone on the membrane surface.

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