Principeschema
Principe- en installatiebeschrijving
Omgekeerde osmose is een drukgedreven membraanproces dat een scheidingsbereik heeft tussen 0.1 en 1 nm. Hierdoor bezitten omgekeerde osmose membranen een hoge retentie voor bacteriën, virussen en microdeeltjes. Ook tweewaardige en sommige eenwaardige ionen worden goed tegengehouden door het membraan
Doordat omgekeerde osmose membranen in staat zijn deze hoge retenties te behalen ontstaat er een osmotisch drukverschil over het membraan. Aan de voedingszijde bevindt zich een hoge zoutconcentratie en aan de andere zijde van het membraan (permeaatzijde) bevindt zich een lage zout concentratie. De natuur streeft naar thermodynamisch evenwicht tussen beide vloeistoffen gescheiden door het membraan. Dit wil zeggen dat het water met laag ionair gehalte doorheen het membraan diffundeert en aan de andere zijde de concentratie aan ionen doet dalen. Dit proces heet osmose. Hierna ontstaat er een hoogteverschil tussen beide vloeistoffen. Dit hoogteverschil is gerelateerd aan een druk. De osmotische druk.
Door een druk toe te passen op het hoog geconcentreerde ionair water dat groter is dan deze osmotische druk wordt het zuiver water geforceerd om doorheen het membraan te diffunderen naar de zijde met lage concentratie aan ionen. Dit proces noemt omgekeerde osmose. De grootte van deze druk hangt af van de concentratie aan ionen in de voeding.
Een omgekeerde osmose membraan is opgebouwd uit spiraal gewonden polyamide membraan lagen (zie onderstaande figuur). Aan het uiteinde van het membraan worden de spiraal gewonden lagen afgedicht door een eind cap. Middenin de spiraal gewonden module bevindt zich de permeaat verzamelbuis. Al het zuiver water wordt doorheen de spiraal windingen afgeleid en verzameld in deze buis.
Een full-scale installatie werkt net zoals NF of nanofiltratie (zie technische fiche 'Nanofiltratie') typisch in cross-flow bedrijfsvoering. De installatie is opgebouwd uit één of meerdere spiraal gewonden OO-membranen in serie of parallel. De seriële configuratie laat een zuiverder permeaat toe maar zorgt voor meer concentraat. De parallelle configuratie produceert een minder goed permeaat dan de seriële maar maakt maximaal gebruik van het concentraat om dit debiet te minimaliseren.
Specifieke voor- en nadelen
De specifieke voor- en nadelen van omgekeerde osmose zijn hieronder opgelijst.
Voordelen:
- vermindering zoutgehalte en gehalte opgeloste stoffen van brak water;
- vermindering zware metalen;
- vermindering nitraten en sulfaten;
- reductie in kleur, tannines, en turbiditeit;
- verzacht hard water;
- chemicaliënvrij – bv. heeft geen zout of chemicaliën nodig tijdens de werking;
- hoge retentie voor zouten en bepaalde eenwaardige ionen (tot >99%);
- desinfectie inclusief virussen.
Nadelen:
- hogere werkingskosten;
- hogere energie kosten;
- hogere lozingsdebieten, meer concentraatvolume dan NF;
- hogere werkdrukken dan NF;
- voorbehandeling van het voedingswater vereist (voorfiltratie 0.1 - 20 micron);
- pH van het water bij omgekeerde osmose is typisch agressief (dit wil zeggen een lage of hoge pH in een water dat weinig ionen bevat);
- membranen gevoelig aan vrije chloor.
Toepassing
Omgekeerde osmose kent zijn grootste toepassingen in het ontzouten van brak en zeewater voor drinkwaterbereiding. Vooral in het Midden Oosten wordt deze techniek op grote schaal hiervoor toegepast. In de industrie wordt omgekeerde osmose gebruikt voor de productie van proceswater en kwalitatief ketel voedingswater.
Vanuit de afvalwaterzuivering is de techniek dan vervolgens overgenomen in de mestverwerking. Bij mestverwerkingsprocessen wordt omgekeerde osmose vooral toegepast als laatste zuiveringsstap van de dunne mestfractie of van het condensaat afkomstig van indampen of drogen. De membraantechnieken voor scheiding van dunne mest (en mestcondensaat) zijn inmiddels ook zo ver ontwikkeld dat kleinschalige toepassing in de praktijk mogelijk is.
Randvoorwaarden
Omgekeerde osmose heeft strikte vereisten voor het voedingswater. De kwaliteit van het voedingswater moet voldoen aan de eisen van de leverancier van de membranen volgens het bijgeleverde technisch informatieblad. Enkele voorbeelden hiervan kunnen zijn:
- max. 0,5 ppm Fe/Al/Zn/Mn;
- SDI-waarde van het water voor SDI15500 < 5;
- geen vrije chloor aanwezig in het voedingswater (resistentie slechts 1000 ppm uren vrije Chloor);
- maximale water temperatuur van 40 – 50 °C
- maximale werkdruk 45 bar;
- pH werkingsbereik 3- 10, gedurende reiniging pH kortstondig 2-12 (raadpleeg steeds technische fiche of leverancier).
Werkingsgraad
OO kan toegepast worden voor de verwijdering van o.a. de volgende parameters (verwijderingsrendementen aangegeven tussen haakjes):
- opgeloste stoffen (>95%);
- schadelijke micro-organismen, bv. bacteriën, protozoa, algen, schimmels (>99%);
- persistente organische stoffen (75-99%);
- organische verbindingen (>99%);
- nutriënten (o.a. fosfaten);
- metalen (>90%);
- anorganische zouten (bv. sulfaten).
Milieu-aspecten
Bij omgekeerde osmose worden zo goed als alle ionen opgeconcentreerd in een waterige stroom, het concentraat. Deze stroom is een ingedikte versie van de voedingsstroom. De indikking hangt af van de gewenste permeaatkwaliteit, het ontwerp van de installatie en de retentie van de membranen.
Indien de geconcentreerde stroom niet nuttig kan ingezet worden in een procestoepassing moet hij geloosd worden. Bij het lozen is het noodzakelijk dat de lozingsnormen in de vergunning vergeleken worden met de kwaliteit van het concentraat. Indamping van het concentraat kan een alternatief zijn.
Kosten
De kostprijs van een typische omgekeerde osmose installatie van 40 m³/dag met onderstaande procesparameters situeert zich tussen 15 000 en 20 000 €. Deze kost is exclusief de installatie onsite. De proceskarakteristieken voor de gegeven case zijn:
- recovery 75 %;
- CIP tank;
- energieverbruik gemiddeld 2.2 kW;
- 6 OO-membranen;
- configuratie;
- 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.
Opmerkingen
Bij OO wordt er gewerkt bij zeer hoge drukken (20-40 bar). De nodige veiligheidsmaatregelen (bv. veiligheden op de machine) dienen genomen te worden om de risico’s van het werken met hoge drukken te beperken.
Complexiteit
/
Automatiseringsgraad
Een OO-installatie is voor meer dan 95% automatiseerbaar. Bijvoorbeeld het reinigingsproces kan volledig automatisch gebeuren. Het vervangen van de membranen dient echter steeds manueel te gebeuren.
Referenties
- Bonnélye V., Guey L., Del Castillo J., Desalination, Volume 222, Issues 1-3, 1 March 2008, Pages 59-65, 2008
- EIPPCB, Reference Document on BAT in Common Waste Water and Waste Gas Treatment / Management Systems in the Chemical Sector, draft februari 2009 (herziening in uitvoering)
- Handbook on Wastewater. Nederlandse Membraangids, versie 2.0, 1996.
- http://www.kochmembrane.com/prod_spiral.html
- Mulder M., Basic Principles of Membrane Technology, Kluwer Academic Publishers, Dordrecht (NL), 1996
- TNAV, leverancierbevraging, 2008
- VITO-SCT, herwerking technische fiches WASS, 2008
Versie : februari 2010