Post-treatment of ultrafiltered municipal wastewater using reconditioned end-of-life membranes

Abstract

Direct membrane filtration (DMF) using microfiltration or ultrafiltration membranes is a promising alternative to conventional municipal wastewater treatment due to its simplified operation and high potential for resource recovery. However, the DMF permeate contains dissolved nutrients and organic micropollutants that need to be removed before effluent discharge or reuse. In this master’s thesis, post-treatment of ultrafiltration permeate using reconditioned end-of-life (EoL) reverse osmosis membranes was studied. The EoL membranes were reconditioned through alkaline cleaning, hypochlorite oxidation, and layer-by-layer polyelectrolyte coating. After optimizing the reconditioning parameters, three different reconditioned membrane variants were selected for further tests. These membranes were tested using model compounds and ultrafiltered primary effluent. The reconditioned membranes achieved high MgSO₄ rejection (≥ 91%), low molecular weight cut-off values of 220–300 Da, and pure water permeances comparable to or higher than those of the tested commercial nanofiltration membranes. In wastewater filtration, the membranes effectively removed dissolved organic compounds (≥ 84% dissolved organic carbon removal), including several organic micropollutants. Moreover, 29–58% of the ammonium nitrogen persisting in the ultrafiltration permeate was retained depending on the membrane. Membrane fouling was mostly manageable, and the fouling rate strongly depended on the applied initial flux. These results indicate that successive nanofiltration step is effective in improving the ultrafiltration permeate quality, although further optimization of process is still needed to achieve the strictest effluent discharge and water reuse quality requirements.

Suora kalvosuodatus (DMF) hyödyntämällä mikro- tai ultrasuodatusta on lupaava vaihtoehto perinteiselle kunnallisille jätevedenpuhdistukselle yksinkertaistetun prosessinsa ja korkean resurssien talteenottopotentiaalinsa ansiosta. DMF-permeaatti sisältää kuitenkin liuenneita ravinteita ja orgaanisia mikrosaasteita, jotka on poistettava ennen käsitellyn jäteveden johtamista vesistöön tai uudelleenkäyttöön. Tässä diplomityössä tutkittiin ultrasuodatetun jäteveden jälkikäsittelyä hyödyntämällä käytöstä poistettuja käänteisosmoosikalvoja (EoL). EoL-kalvojen kunnostusprosessi koostui emäksisestä puhdistuksesta, hypokloriittihapetuksesta ja kerroksittaisesta polyelektrolyyttipäällystyksestä. Kunnostusprosessin optimoimisen jälkeen kolme erilaista kalvovarianttia valittiin jatkotutkimuksiin. Näitä kolmea kalvovarianttia testattiin suodattamalla malliyhdisteitä ja ultrasuodatettua kunnallista jätevettä. Kunnostetut kalvot saavuttivat korkean MgSO₄-retention (≥ 91 %), alhaisen leikkauskoon (220–300 Da) ja puhtaan veden läpäisevyyden, joka oli samaa luokkaa tai korkeampi kuin verrokkeina testatuilla kaupallisilla nanosuodatuskalvoilla. Jäteveden suodatuksessa kalvot poistivat tehokkaasti liuenneita orgaanisia yhdisteitä (≥ 84 % liuenneen orgaanisen hiilen poisto) mukaan lukien useita orgaanisia mikrosaasteita. Lisäksi suodatuskalvosta riippuen 29–58 % ultrasuodoksen sisältämästä ammoniumtypestä saatiin poistettua. Suodatuskalvojen likaantuminen oli enimmäkseen hallittavissa, ja likaantumisnopeus riippui vahvasti käytetystä alkuvuosta. Tutkimuksen tulokset osoittavat, että ultrasuodatusta seuraava nanosuodatusvaihe on tehokas ultrasuodoksen laadun parantamisessa, vaikkakin prosessia täytyy edelleen optimoida tiukimpien päästörajojen ja veden uudelleenkäytölle asetettujen vaatimusten saavuttamiseksi.