Precipatie vooraf voorkomt zoutafzetting op membranen

Subsidieregeling

Meerjarenprogramma Intersectorale Nieuwe Technologieën (MINT)

Aard project

Onderzoeks- of ontwikkelingsproject

Officieel projectnummer

338520/0273

Jaar toekenning

1997

Projectstatus

Afgerond

Samenvatting

Waterleidingmaatschappij Drenthe heeft onderzocht of met membraanfiltratie complexe ijzBij het filtreren van water over een membraaninstallatie (omgekeerde osmose filtratie) zetten zich zouten af op het membraanoppervlak. Met behulp van een voorgeschakeld neerslag-apparaat (precipitator) worden specifieke zouten vooraf verwijderd en blijft het membraanoppervlak langer schoon.
De voordelen van een precipitator zijn: een afname van het energieverbruik bij een gegeven productiecapaciteit, een lager verbruik van chemicaliën en minder effluent lozing. Het principe kan worden gebruikt bij de bereiding van drinkwater, industrieel water en bij kristallisatieprocessen. Uit het onderzoek blijkt dat voor de goede werking van de precipitator, vele parameters gezamenlijk bepalend zijn, zoals kwaliteit waterbron, type voorbehandeling, ion- lading van de kristallen, pH. Het onderzoeksproject is uitgevoerd door het Insititute for Hydraulic Engineering (IHE) in Delft. Partners waren: de Provinciale Waterleidingmaatschappij Noord Holland (PWN) en het Gemeentelijk Waterleidingbedrijf Amsterdam (GWA). IHE heeft een theoretisch, financieel voordeel berekend voor alle membraaninstallaties in Nederland. De theoretische energiebesparing bedraagt 3.360.000 Nm³ aardgasequivalent per jaar. Omdat alle energie in de vorm van elektriciteit wordt afgenomen bedraagt de theoretische, financiële besparing voor geheel Nederland € 730.000. Daarnaast is er volgens IHE nog een besparing aan chemicaliën en inname kosten van oppervlaktewater. Theoretisch zou de financiële besparing kunnen oplopen tot € 5 miljoen per jaar.

Voordelen project
Als de technologie tot een marktwaardig product zou worden doorontwikkeld, kunnen met de voorgeschakelde precipitator de volgende besparingen en voordelen worden gerealiseerd:

• Energiebesparing 3.360.000 Nm³ aardgasequivalent, of 117 TJ per jaar
• Waterbesparing 24 miljoen m³ per jaar
• Waterchemicaliën 600 ton per jaar

Toepassingsmogelijkheden
De nieuwe technologie is nog niet toepasbaar. Met vervolgonderzoek moet de gevoeligheid voor een aantal parameters nog worden vastgesteld en gekwantificeerd. Daarna kan gewerkt worden aan het creëren van optimale procesomstandigheden waarbij een maximale precipitatie van sulfaten en carbonaten plaatsvindt. Als de nieuwe technologie uitontwikkeld is en betrouwbaar/reproduceerbaar is gebleken, dan zijn er toepassingen mogelijk bij de drinkwaterproductie, ontziltingsinstallaties, industriewaterproductie, industriële chemische processen en kristallisatie processen.

Omschrijving bedrijf

De NV Waterleidingmaatschappij Drenthe (WMD) werkt aan een duurzame en efficiënte drinkwatervoorziening in Drenthe. De WMD levert drinkwater aan 450.000 inwoners van twaalf Drentse gemeenten. Hiervoor produceert de WMD jaarlijks 32 miljard liter zuiver drinkwater in twaalf drinkwaterproductiebedrijven. De WMD haalt haar water uit de grond. De provincie en de betrokken gemeenten zijn de aandeelhouders NV.

Projectomschrijving

Oude situatie
De Nederlandse waterleidingbedrijven en industrieën maken voor de productie van drinkwater en industrieel water steeds vaker gebruik van membraanfiltratie processen (omgekeerde osmose (R0) en nanofiltratie (NF)). Verwacht wordt dat vanaf het jaar 2000 per jaar ongeveer 60 miljoen  m³ drinkwater wordt geproduceerd met behulp van membraanfiltratie technieken. De energieconsumptie bij deze productiecapaciteit zal 36 miljoen kWh/jaar bedragen wanneer de membraaninstallatie een conversie van 80% heeft.
De totale hoeveelheid industriewater die in Nederland per jaar wordt verbruikt, bedraagt ongeveer 3 miljard m³ waarvan 80% direct wordt toegepast als koelwater. Het resterende deel wordt voor hoogwaardige doeleinden gebruikt. Naar verwachting zal rond het jaar 2000 ongeveer 120 miljoen  m³/ jaar industriewater worden gezuiverd met membraanfiltratie.

Nieuwe situatie
Vroegtijdige neerslag van slecht oplosbare zouten in een precipitator tussen twee trappen in een membraansysteem kan afzetting van zouten op het membraanoppervlak voorkomen. Daardoor kan de doorzet worden verhoogd. De neerslag die anders een laag vormt op het membraanoppervlak (scaling) bestaat uit slecht oplosbare stoffen zoals calciumcarbonaat, bariumsulfaat en calciumsulfaat.
Met een precipitator kan de doorzet met 10% toenemen van 80 naar 90%. Omdat de membranen minder vaak behoeven te worden gereinigd en vervangen worden bovendien de vervangingskosten lager.
Doorgaans bestaat het membraanfiltratie proces uit meerdere trappen waardoor precipatoren zonder ingrijpende verbouwing van de membraanfiltratie-systemen kunnen worden tussen geplaatst.

Energie- en economische gegevens

Energiebesparing

Voor de berekening van de energiebesparing gaat IHE uit van de verwachte productie van drinkwater en industriewater in het jaar 2000. Deze bedraagt respectievelijk 60 en 120 miljoen m³ per jaar.

Figuur 1. Tabel van mogelijke besparingen bij toepassing van voorprecipitatie in membraanfiltratie-systemen.

Per jaar kan in totaal aan primaire energie 3.360.000 Nm³ aardgasequivalent worden bespaard, of 117 TJ. Dit cijfer is echter theoretisch (zie ook de opmerking bij de paragraaf 'Economie').

Additionele besparingen
Behalve elektriciteit kan per jaar ook 24 miljoen m³ ruw water worden bespaard en 600 ton aan chemicaliën.
Omdat de membranen langer meegaan wordt tevens een besparing op onderhoudskosten bereikt. Deze kostenbesparing kan echter nog niet worden gekwantificeerd.

Economie
De financiële besparing zou naar schatting € 5 miljoen per jaar kunnen bedragen, wanneer alle membraaninstallaties in Nederland zouden worden voorzien van een precipitator. Dit is een theoretische opgave van IHE. In werkelijkheid zal de penetratie van de nieuwe technologie langzaam verlopen en beduidend minder bedragen dan 100%. Ook zal de nieuwe technologie op termijn worden ingehaald door een nog beter technisch principe om neerslag op membranen te voorkomen.

Technische risico
Het water van PWN dat veel bariumsulfaat bevat, is met succes behandeld in een precipitator. De verwijdering lag tussen 80 en 95 gewichtsprocent bariumsulfaat. Daarentegen gaf het water van GWA echter problemen. Na 30 uur liep het verwijderingsrendement sterk terug tot 20% in een tijdsbestek van 200 uur. IHE wijst als oorzaak hiervoor aan, de aanwezigheid van organische stoffen in het water die de groei van bariumkristallen en andere kristallen belemmeren. IHE is echter niet zeker van deze verklaring. Er kunnen ook andere parameters zijn die de werking van de precipitator beïnvloeden, zoals kwaliteit waterbron, type voorbehandeling, ion- lading van de kristallen en pH. Nader onderzoek is nodig om de parameters te vinden en om hun invloed op het precipitatie-proces vast te stellen.
Anderzijds zou het nog wenselijker zijn om de waarde van het toegepaste principe van precipitatie opnieuw te beoordelen en wellicht te vervangen voor een ander principe.

Economische risico
Het economische risico hangt direct samen met de technische risico's. Als de energiebesparing en de grondstofbesparing tegenvallen, dan wordt de terugverdientijd langer en mogelijk onacceptabel.

Overheidssteun
Het project is gehonoreerd als onderzoeks- en ontwikkelingsproject binnen het programma Stimulering energie efficiënte technologie in de industrie (MINT).
De toegekende subsidie is € 145.000 zijnde 50% van de totale onderzoekskosten € 290.000.

Realisatie
Het onderzoeks- en ontwikkelingsproject is afgesloten in januari 2001. Binnen het programma Stimulering energie efficiënte technologie in de industrie (MINT) wordt een vervolgonderzoek niet ondersteund.

Summary

Recovery in reverse osmosis (RO) membrane filtration systems is often limited to 80% or less due to precipitation of semi-soluble salts (barium sulphate and calcium carbonate) on the membrane surface.
Successful application of a precipitator was demonstrated in a research and development project using test water from PWN. The water contained a high proportion of barium salts. A removal efficiency of 80% was achieved and the effluent concentration remained stable for at least 200 hours.
The precipitation of salts on the membrane surface results in wasted energy because of the increased pressure to maintain water production. Conventional scale prevention methods (acid addition and antiscalants) are expensive. In addition, potential bio-fouling by antiscalants and environmental concerns as to their toxicity are major limitations.
Theoretically, the potential for conservation would be 3,360,000 Nm³ of natural gas equivalent if the new technology were implemented in all Dutch membrane filtration units for water production.
The economic benefits through energy saving are NLG 1.6 million a year. Including the benefits through chemical savings and reduced raw water intake, the savings increase to NLG 11 million.
The cost of the research and development project is NLG 636,000.00. IHE has received a grant of NLG 318,000 to help meet this cost.

Primaire sector

4100

Techniek

D17

D19