Membrane fouling in hollow fiber membrane filtration of surface water

Abstract

Membrane filtration is a promising process for production of drinking water. The main challenge for applying membrane filtration for this purpose is membrane fouling. For this work, literature concerning membrane filtration and membrane fouling has been reviewed focusing mainly on ultrafiltration (UF) and microfiltration (MF). The work also includes an experimental part, which analyses fouling that occurred in the pilot filtration plant operated by Helsinki Region Environmental Services Authority (HSY). The analysis techniques applied for this work include infrared spectroscopy, CHN (carbon-hydrogen-nitrogen) analysis, inductively coupled plasma mass spectrometry (ICP-MS), energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDS), scanning electron microscopy (SEM), confocal laser scanning microscopy (CLSM), and Brunauer-Emmet-Teller (BET) analysis. The results show that the chemical cleaning used at the pilot plant was not effective at fully removing the formed cake layer from the modules, but rather pushed the cake layer towards the centre of the module. Cake layer formation was most likely the primary fouling mechanism. However, signs of pore blocking were also found on the membranes. The cake layer seems to have been mainly composed of humic substances, polysaccharides, and iron and aluminium flocs. Signs of fouling were also found from areas without visible cake layer, mainly by organic foulants and aluminium flocs.

Membraanisuodatus on lupaava prosessi juomaveden tuottamiseksi. Suurin haaste membraanisuodatuksen käyttöönottamiseksi tässä tarkoituksessa on membraanien likaantuminen. Tämä työ sisältää kirjallisuuskatsauksen membraanisuodatuksesta ja likaantumisesta membraaniprosesseissa, mikä keskittyy ultra- ja mikrosuodatuksiin. Työ sisältää myös kokeellisen osion, jossa analysoidaan membraanien likaantumista, joka oli tapahtunut Helsingin seudun ympäristöpalvelujen (HSY) operoimalla pilottilaitoksella. Tätä työtä varten käytettyihin mittausmenetelmiin kuuluvat infrapunaspektroskopia, CHN (hiili-vety-typpi) analyysi, induktiivisesti kytketty plasma massaspektrometria (ICP-MS), pyyhkäisyelektronimikroskopia (SEM), konfokaalinen laseri pyyhkäisymikroskopia (CLSM), optinen mikroskopia ja Brunauer-Emmet-Teller (BET) analyysi. Myös pilottilaitokselta saatuja permeaattivuon ja paineen mittaustuloksia on analysoitu hyödyntäen likaantumisvastuksien mallintamista. Työn tulokset osoittavat, että pilottilaitoksella käytössä ollut kemiallinen pesu ei ollut tehokas kakkukerroksen poistamisesta moduuleista, vaan kakkukerrros on työntynyt pesujen aikana kohti moduulin keskustaa. Kakkukerroksen muodostuminen on luultavasti ollut membraanien pääasiallinen likaantumismuoto, mutta membraanien pinnalla on havaittu merkkejä myös huokosten tukkeutumisesta. Kakkukerros on muodostunut pääosin humusaineista, polysakkarideista ja metalliflokeista. Myös ne moduulien alueet, joissa ei ollut muodostunut kakkukerrosta, olivat likaantuneet. Tämä lika koostui lähinnä orgaanisista aineista ja alumiiniflokeista.