NL1038485A - Een innovatieve milieuvriendelijke chemicalienvrije osmotische reinigingsproces voor het in bedrijf reinigen van swro- en bwro membranen. - Google Patents

Description

Een innovatieve milieuvriendelijke chemicaliënvrije osmotische reinigingsproces voor het in bedrijf reinigen van SWRO- en BWRO membranen.

Beschrijving.

Inleiding.

De commerciële toepassing van de omgekeerde osmose technologie, de Sea Water Reverse Osmosis (SWRO), voor het ontzouten van zeewater voor de productie van drinkwater heeft de laatste decennia wereldwijd een belangrijke plaats ingenomen als een van de grootste zeewaterontziltingsprocessen. Door nieuwe ontwikkelingen op het gebied van de membraantechnologie en de energieterugwinning is dit proces verder ontwikkeld tot het energiezuinigste ontziltingsproces. Voor de productie van hoog kwaliteit drinkwater wordt permeaat van de hoge druk SWRO trap met een concentratie van 400-600 ppm aan totaal opgeloste zouten in een tweede lage druk trap verder gezuiverd tot concentraties van 10-15 ppm aan totaal opgeloste zouten. Deze lage druk trap wordt de Brackish Water Reverse Osmosis (BWRO) genoemd.

Een nog steeds veel voorkomende probleem is de chemische- en microbiologische vervuiling van de membraanoppervlakken ondanks een intensieve voorbehandeling van de zeewatervoeding. Om een stabiele waterproductie te garanderen moet regelmatig een chemische reiniging worden uitgevoerd. De conventionele periodieke chemische reiniging bestaande uit een lage pH - en een hoge pH reiniging met afwisselend spoelen met oppervlakteactieve chemicaliën en soms een biodispersie middel is zeer tijdrovend, bewerkelijk, kostbaar en milieubelastend. Voor het chemisch reinigen moeten de desbetreffende SWRO-BWRO treinen tevens uit bedrijf worden genomen ten nadele van de capaciteitsbenutting. In deze beschrijving wordt een innovatieve kostenbesparende, milieuvriendelijke en chemicaliënvrije reiniging op basis van de osmotische werking met aangezuurd productwater beschreven voor het in bedrijf schoonmaken van zowel de SWRO- als de BWRO membraanoppervlakken. Het osmotische proces wordt opgang gezet door zowel het verlagen van de “recovery rate” van de SWRO- en de BWRO treinen als door de verhoging van de osmotische druk van de zeewatervoeding door het verhogen van diens zoutconcentratie en temperatuur.

Het Osmoseproces.

Osmose is een natuurlijk diffusietransport van water via een semipermeabel membraan dat een geconcentreerde zoutoplossing scheidt van zuiver water of een verdunde waterige oplossing. Door de hogere chemische potentiaal van het zuiver water of van de verdunde oplossing stroomt water via het semipermeabele membraan naar de geconcentreerde oplossing totdat er een evenwicht wordt bereikt tussen beide oplossingen bij een bepaald drukverschil, waarbij de druk van de geconcentreerde oplossing hoger is dan die van de verdunde oplossing. Bij dit evenwichtsdrukverschil is de molaire vrije enthalpie, de molaire Gibbs energie, van beide oplossingen even groot en is het watertransport per tijdseenheid van de ene oplossing naar de andere via dit semipermeabele membraan even groot.

Het omgekeerde osmoseproces.

Bij het hier boven beschreven dynamische osmose evenwichtsproces treedt een drukverschil over beide door het semipermeabele membraan gescheiden oplossingen op waarbij aan de kant van de geconcentreerde oplossing de druk hoger is. Dit drukverschil wordt de osmotische druk van de geconcentreerde oplossing genoemd. Bij een druk hoger dan deze osmotische druk treedt het omgekeerde osmoseproces op waarbij een netto transport van zuiver water via het semipermeabele membraan naar de kant van de verdunde oplossing plaatsvindt. Op dit principe berust de omgekeerde osmose membraantechnologie voor het ontzilten van zeewater waarbij, door het toepassen van drukken hoger dan de osmotische druk van zeewater, de zeewatervoeding via een stelsel semipermeabele membranen gescheiden wordt in een stroom zuiver water (permeaat) en een stroom brijnwater met een concentratie hoger dan die van zeewater (concentraat). Afhankelijk van de zoutconcentratie van de zeewatervoeding moeten voor dit ontziltingsproces drukken van 60-75 bar worden toegepast.

Voor een effectief watertransport moeten de membraanoppervlakken schoon en vrij blijven van eventuele chemische- en marien biologische vervuilingen. In praktijk wordt getracht dit te voorkomen door een optimale voorbehandeling van de zeewatervoeding en door periodieke chemische reiniging van de membranen.

De voorbehandeling van de zeewatervoeding.

Voor een efficiënt en effectief scheidingsproces moeten de oppervlakken van de SWRO-en de BWRO membranen vrij zijn van verontreinigingen. De precipitatie van chemische componenten door oververzadiging tengevolge van concentratie polarisatie en de aangroei van marien biologische organismen kunnen de oppervlakken van de membranen sterk vervuilen en hierdoor een onstabiele productie veroorzaken. Membraanvervuiling kan grotendeels worden voorkomen door een intensieve voorbehandeling van de zeewatervoeding. In dit uiterst belangrijke onderdeel van het omgekeerde osmose ontziltingsproces wordt de fysische - en chemische voorbehandeling van de zeewatervoeding onderscheiden. De fysische voorbehandeling bestaat uit het conventionele filtratieproces door het toepassen van multi lagen zandfilters, micro filterkaarsen en de moderne membraanfiltratie door het toepassen van nanofiltratie en ultrafiltratie. De chemische voorbehandeling bestaat uit het toepassen van chemicaliën ter voorkoming van neerslag, coagulerende en flocculerende middelen ter bevordering van het filtratie proces, continu of tussentijdse dosering van desinfecteermiddelen ter voorkoming van microbiologische vervuiling en chemicaliën voor het verlagen van de boor concentratie. Ondanks een optimale voorbehandeling is in de praktijk vervuiling van de membranen toch niet volledig te voorkomen waardoor het periodiek chemisch reinigen van de membranen ook een noodzakelijke belangrijke onderdeel is van het SWRO proces.

Het chemisch reinigen van membranen.

Het voorkomen van vervuiling van de membraanoppervlakken is zoals boven beschreven van groot belang voor het handhaven van een stabiele bedrijfsvoering van het SWRO proces. Het chemisch reinigen van membranen, in het praktische vakjargon beter bekend als “Clean In Place” (CLP), is naast de voorbehandeling van de zeewatervoeding uiterst belangrijk voor het reinigen van de membranen. De membraanoppervlakken vormen een geschikte plaats waar de met de voorbehandelde zeewatervoeding binnenkomende marien micro-organismen zich kunnen vasthechten en zodoende een biofilm vormen. In de litteratuur is bekend dat in het zeewater voorkomende micro-organismen in ruststadium, in de Engelse litteratuur bekend als de “viable but not cultured “ (vbnc) micro-organismen, zich op de membraanoppervlakken hechten en door de rijke voeding, voornamelijk organische afbraakproducten van het desinfectieproces, actief worden en zich kunnen vermeerderen en zodoende biologische vervuiling veroorzaken.

Voornamelijk de eerste membraanelementen in de SWRO drukbuis zijn blootgesteld aan biologische vervuiling.

Chemische verontreiniging wordt veroorzaakt door precipitatie van chemische componenten ten gevolge van oververzadiging door optredende concentratie polarisatie als gevolg van het diffusieproces in het grensvlak met het membraan. Vooral alkalische neerslag treedt op door oververzadiging van de in de zeewatervoeding voorkomende bicarbonaten en carbonaten van bivalente kationen. Door de toenemende zoutconcentratie van het doorstromende concentraat zijn vooral de achterste membraanelementen in het SWRO drukbuis blootgesteld aan chemische vervuiling.

De membranen in het BWRO gedeelte zijn praktisch niet blootgesteld aan micro biologische vervuiling daar de voeding voorgefiltreerd is door de SWRO membranen die een hoge retentie hebben voor micro-organismen. Wel zijn de BWRO membranen door de hogere “recovery rate” en de hoge pH voor de boorverwijdering gevoelig voor de precipitatie van alkalische chemische componenten.

De periodieke chemische reiniging van de SWRO membranen heeft afhankelijk van de biofilmvormingspotentiaal van de zeewatervoeding een frequentie van twee keren per maand tot drie a vier keren per j aar.

De chemische reiniging is een bewerkelijk en tijdrovend proces en bestaat uit afwisselend spoelen van de uit bedrijf genomen SWRO trein met BWRO voeding, het circuleren en het weken met een lage pH oplossing, spoelen met BWRO voeding, het circuleren met een anionische oppervlakteactieve oplossing, het spoelen met BWRO voeding, het circuleren en het weken met een hoge pH oplossing en het spoelen met BWRO voeding en het weer in bedrijf nemen. Het chemisch reinigingsproces kan ruim twee dagen in beslag nemen en is verder door het hoge chemicaliënverbruik een hoge belasting voor het milieu en vrij kostbaar. Hierdoor is een nieuwe innovatieve chemicaliënvrij proces ontwikkeld voor het in bedrijf reinigen van de SWRO- en BWRO membranen op basis van het osmoseproces voor het oplossen en losmaken van de aanslag op de membraanoppervlakken dat verder wordt verwijderd door de langs de membraan- oppervlakken stromende concentraat. Dit meesleuringseffect staat bekend als de ’’critical cross flux” effect. Het principe van dit nieuwe membraanreinigingsproces is gebaseerd op het op gang zetten van een osmoseproces via de SWRO membranen door het verlagen van de “recovery rate” en door het verhogen van de temperatuur en de zoutconcentratie van de zeewatervoeding. Het membraanreinigingsproces wordt verder versterkt door met koolzuurgas aangezuurd productwater van het ophardingsproces van het drinkwater te gebruiken voor het osmoseproces. De BWRO membranen die hoofdzakelijk door chemisch neerslag worden verontreinigd worden dienovereenkomstig schoon gemaakt door het verlagen van de “recovery rate” en door de membranen te spoelen met aangezuurd productwater. Dit nieuwe innovatieve chemicaliënvrije osmotische membraanreinigingsproces is hieronder uitgebreid beschreven.

Het innovatieve milieuvriendelijke chemicaliënvrije osmotische reinigingsproces voor het in bedrijf reinigen van SWRO- en BWRO membranen.

Het ontzouten van zeewater met behulp van de omgekeerde osmose membraantechnologie bij hoge druk heeft veel te kampen met vervuiling van de membranen. Ondanks een intensieve voorbehandeling van de zeewatervoeding is chemische- en microbiologische verontreiniging van de membraanoppervlakken praktisch niet te voorkomen. Deze vervuiling wordt veroorzaakt door neerslagvorming van de zouten van de in het zeewater aanwezige tweewaardige en driewaardige anionen en kationen. Om permanente beschadiging van de membranen te voorkomen kan productie van water alleen doorgaan tot een bepaald drukverschil wordt bereikt over de concentraatzijde van het membraan, in praktijk tot een drukverschil van 0,2 bar. Bij het bereiken van deze drukval moet de desbetreffende SWRO-BWRO trein uit bedrijf worden genomen voor het chemisch reinigen van de membranen. Het herhaaldelijk chemisch reinigen kan de levensduur van de membranen drastisch verlagen. De conventionele periodieke chemische reiniging voor het garanderen van een stabiele bedrijfsvoering is zoals bovenvermeld zeer tijdrovend, bewerkelijk, milieubelastend en verhoogt de productiekosten.

In deze beschrijving wordt een uitleg gegeven van het innovatieve osmotische membraanreinigingsproces dat eenvoudig in bedrijf is uit te voeren en het chemicaliën verbruik overbodig maakt. Hierdoor is het een reinigingsproces dat geen belasting vormt voor het milieu en tevens kostenbesparend door de verhoging van de capaciteitsbenutting van het SWRO-BWRO proces en de eliminatie van het intensieve chemicaliënverbruik.

Het innovatieve chemicaliënvrije osmotische membraanreinigingsproces is gebaseerd op het verlagen van de “recovery rate” van de SWRO- en de BWRO membranen totdat praktisch geen permeaat wordt geproduceerd. Door het verlagen van de “recovery rate” wordt bij de constante productie regelingsysteem automatisch de hoge druk van de zeewatervoedingspompen via de variabele frequentie regeling verlaagd.

Een eenvoudige processtroom diagram van het basisprincipe van de chemicaliënvrije osmotische membraanreinigingsproces is in figuur 1 op bladzijde 1/4 schematisch weergegeven.

In figuur la is te zien dat bij de normale SWRO bedrijfsvoering de zeewatervoeding (1) in het eerste membraan element (3a) via het semipermeabele membraan (5a) gescheiden wordt in een stroom (6a) van zuiver water (permeaat) en een stroom (4a) van geconcentreerd brijn (concentraat). Deze concentraatstroom (4a) wordt verder in de opeenvolgende membraanelementen (3b) tot en met (3n) van de SWRO drukbuis (7) via de semipermeabele membranen (5b) tot en met (5n) gescheiden in de geconcentreerde brijnstromen (4b) tot en met (4n) en de zuivere waterstromen (6b) tot en met (6n). In een conventionele SWRO drukbuis worden een aantal van 7 a 8 membraanelementen toegepast. De in de membraanelementen geproduceerde gezuiverd water (8a-8n) wordt in de permeaatverzamelbuis (2) van de membraanelementen opgevangen en als permeaatstroom (8) af gevoerd naar een buffertank of verzamelleiding (in figuur la niet afgebeeld). De concentraatstroom 4 wordt in een conventionele SWRO naar de hoge druk gedeelte van een energieterugwinningssysteem afgevoerd voor drukuitwisseling met de zeewatervoeding. In figuur lb is het basisprincipe van het innovatieve chemicaliënvrije membraanreinigingsproces schematisch weergeven. In dit proces wordt eenvoudigweg de “recovery rate” van de SWRO productie-eenheid verlaagd totdat de werkdruk gelijk is aan de osmotische druk van zeewatervoeding (1). In deze situatie heerst de dynamische osmose evenwicht waarbij er geen netto transport meer optreedt van zuiver water (6a) in de richting van de concentraatstroom (4a) via het semipermeabele membraan (5a) in het membraan element (3a) naar de permeaatstroom (8a) in de verzamelbuis (2). Bij verdere verlaging van de “recovery rate”, overkomend met drukverlaging van de zeewatervoeding (1) overheerst het natuurlijke osmoseproces en komt een netto diffusie-transport van gezuiverd water (6a) van de permeaatstroom (8a) in de permeaatverzamel-buis (2) van het membraanelement (3 a) naar de concentraatstroom (4a) tot staand. Door deze osmotische waterstroom wordt de concentratie polarisatie opgeheven en kunnen de op het membraanoppervlak neergeslagen verontreinigingen worden losgerukt van het membraanoppervlak door de dwarsstroom van zuiver water (6a) waardoor de verwijdering van deze materialen door het meesleuren met langs het membraanoppervlak stromende concentraat (4a) wordt bevorderd. Door de permeaatstroom verder te verversen met een gedeelte van het met koolzuurgas aangezuurd productwater (9) van het drinkwaterophardingproces vindt nu een osmose diffusietransport van aangezuurd water (6a) op via het semipermeabele membraan (5a). Aangezuurd water bevordert de verwijdering van de op het membraanoppervlak aanwezige chemische- en microbiologische verontreinigingen door de goede oplosbaarheid van alkalische neerslag in aangezuurd water en door verandering van het osmoreguleringsproces van de micro-organismen waarbij het zoutevenwicht van de cellen wordt verstoord. Oplossing van de alkalische neerslag en de opzwelling van de micro-organismen vergemakkelijkt het verwijderingproces van de verontreinigingen van het membraanoppervlak en het meesleuren met de concentraatstroom (4a). Dit proces geschiedt dienovereenkomstig in alle opeenvolgende membraanelementen (3b-3n) van de SWRO drukbuis (7). In figuur lc is dit verwijderingproces schematisch weergegeven. In deze figuur 3c is te zien dat door de osmose dwarsstroom (2) afkomstig van de permeaatstroom (3) de micro organismen en de chemische neerslag van de oppervlakte van het semipermeabele membraan (7) worden losgerukt. Door deze opwaarts gerichte kracht en de stuwkracht van de concentraatstroom (4) werkt een resultante kracht (6) in de stroomrichting van de concentraatstroom (4 ) op de van het membraanoppervlak (7) losgerukte opgezwollen micro organismen (1) en de chemische neerslag (5) die zodoende het meesleuringseffect tot stand brengt.

Het reinigingsproces van de BWRO membranen is dienovereenkomstig het bovenbeschreven SWRO membraanreinigingsproces. Merk echter voorts dat door de hoge kwaliteit van de BWRO voeding (SWRO permeaat) de vervuiling van de BWRO membranen overwegend uit alkalische chemische neerslag bestaat en kan hierdoor aanvankelijk ook alleen volstaan worden met het spoelen van de membraan-concentraatzijde met aangezuurd productwater.

De osmotische druk van een zoutoplossing als zeewater is recht evenredig met de zoutconcentratie en met de temperatuur van de oplossing. Door verhoging van de zoutconcentratie en de temperatuur van de zeewatervoeding kan dus de osmotische druk van de zeewatervoeding worden verhoogd. Door toepassing hiervan kan verlaging van de “recovery rate” van de SWRO worden geminimaliseerd en het membraanreinigings-proces praktisch in bedrijf worden uitgevoerd. Een eenvoudig procesdiagram van dit membraanreinigingsproces is in figuur 2 op bladzijde 2/4 schematisch weergegeven.

In figuur 2 is een schematische weergave gegeven van een tweetraps omgekeerde osmose ontziltingsproces bestaande uit een hoge druk SWRO procestrap (7) en een lage druk BWRO procestrap (12). In het tweetraps SWRO-BWRO productieproces wordt de voorbehandelde zeewaterstroom (1) door de hoge druk pomp (5) op de vereiste werkdruk voor de hoge druk SWRO procestap (7) gebracht. In figuur 2 is de inname en het voorbehandelingproces van de zeewatervoeding (1) eenvoudigheidshalve niet afgebeeld. Een gedeelte van de voorbehandelde zeewaterstroom (la) wordt naar het lage druk gedeelte van het energieterugwinningssysteem (3), een “pressure exchanger”, geleid waar het door drukuitwisseling met de concentraatstroom (8) van de hoge druk SWRO trap (7) en verder door de opjaagpomp ( 6) op de gewenste werkdruk wordt gebracht. In de hoge druk SWRO procestrap (7) wordt de op de werkdruk gebrachte zeewatervoeding (2) door diffusie van gezuiverd water, (in figuur 2 is deze omgekeerde osmose waterdiffusie eenvoudigheidshalve niet getekend), via het semipermeabele membraan (7a) gescheiden in een concentraatstroom (7d) en permeaatstroom (9) dat in de permeaatverzamelbuis (7b) wordt opgevangen. De permeaatstroom (9) wordt naar de verzamelleiding of een buffer voorraadtank (10) van de BWRO-voedingwater (11) geleid. In de lage druk BWRO procestrap (12) wordt de voedingwaterstroom (11) tengevolge van diffusie van zuiver water, (in figuur 2 is deze omgekeerde osmose waterdiffusie eenvoudigheidshalve niet getekend), via het semipermeabele membraan (12a) gescheiden in een concentraatstroom (12d) en een stroom zuiver water van hoog kwaliteit productwater (14) dat in de permeaatverzamelleiding (12b) wordt opgevangen. Voor het verhogen van de efficiëntie wordt de BWRO-concentraatstroom (13) geleid naar de lage druk gedeelte van het energieterugwinningssysteem (3). Het productwater (14) wordt aangezuurd met koolzuurgas (15) voor het ophardingsproces van het drinkwater en wordt hierna naar de verzamelleiding en of buffervoorraadtank (16) van het productwater (17) geleid. Het aangezuurd productwater (17) wordt van de productwaterverzamelleiding (16) naar het drinkwaterophardingssysteem (19) geleid. Na het ophardingssysteem wordt het drinkwater (20) na de eventueel benodigde verdere nabehandeling van het drinkwater naar de drinkwateropslagreservoirs afgevoerd. Deze zijn echter voor de eenvoud niet in figuur 2 weergegeven. De bovenbeschreven productie van drinkwater gaat door totdat door chemische en microbiologische vervuiling van de membranen de toegestane toename van de werkdruk en of van het drukverschil over de concentraatzijde van de SWRO membranen (7a) en die van de BWRO membranen (12a) is bereikt. De desbetreffende SWRO- en de BWRO treinen moeten dan uit bedrijf worden genomen voor het periodieke reinigingsproces van de membranen. In dit innovatieve osmotische membraanreinigingsproces wordt na het verlagen van de “recovery rate” van de hoge druk SWRO trap (7) de zoutconcentratie van de zeewatervoeding (2) verhoogd door de doorstromingsbalans van het energieterugwinningssysteem (3) zo te veranderen dat er meer concentraat (8) meegaat met de zeewatervoeding (la). Dit is bekend als de “lag flow” bedrijfsvoeringwijze van de “pressure exchangers” wat in de normale SWRO bedrijfsvoering niet gewenst is. Na opvoering van de zoutconcentratie kan de temperatuur van deze zeewatervoeding (la) worden verhoogd met het elektrische verwarmingselement (4). Normaliter kunnen SWRO membranen een temperatuur van 45°C verdragen. Door het verhogen van de zoutconcentratie en de temperatuur van de zeewatervoeding (2) wordt de osmotische druk verhoogd zodat de werkdruk niet meer voldoende is voor de waterdiffusie door omgekeerde osmose via het semipermeabele membraan (7a). Op het membraanoppervlak dat in contact is met deze warme zeewatervoeding met verhoogde zoutconcentratie (7d) treedt nu het natuurlijke osmoseproces op waarbij nu permeaat (7c) vanuit de permeaatverzamelbuis 7b via het semipermeabele membraan (7a) naar de concentraatstroom (7d) stroomt. In dit natuurlijke osmotische membraanreinigingsproces kan verder het verlagen van de “recovery rate” van SWRO trap (7) worden geminimaliseerd. Door de combinatie met het verlagen van de “recovery rate” kan echter de verhoging van de zoutconcentratie en de temperatuur beperkt blijven. In dit nieuwe osmotische membraanreinigingsproces kunnen de chemische- en microbiologische verontreinigingen die bij normale bedrijfsvoering door de dwarsstroming op het membraanoppervlak worden gedrukt, nu door de omgekeerde dwarsstroming van de permeaatstroom (7c) van het membraanoppervlak worden losgerukt en nu gemakkelijker door meesleuren met de langs het membraanoppervlak stromende concentraatstroom (7d) worden verwijderd. In normale bedrijfsvoering worden membranen van de BWRO vooral verontreinigd door alkalische chemische aanslag door precipitatie van carbonaten tengevolge van de hoge pH van de BWRO voedingwater (11). Deze alkalische neerslag is goed oplosbaar in aangezuurd water. Een oplossing van natriumhydroxide wordt namelijk gedoseerd aan de SWRO zeewatervoeding (2) en aan de BWRO voedingwater (11) voor het verwijderen van boor. Dit is in figuur 2 niet aangegeven. Voor het reinigen van de BWRO membranen (12a) wordt de “recovery rate” verlaagd om het natuurlijke osmoseproces op gang te zetten. Hierbij stroomt permeaat (12 c) nu vanuit de permeaatverzamelbuis (12b) in omgekeerde richting naar de concentraatzijde (12d) en maakt eventueel op de BWRO membranen vastgedrukt neerslag los van de membraanoppervlakken (12a). De dosering van de oplossing van natriumhydroxide wordt stopgezet en de BWRO voedingsstroom (11) wordt gemengd met aangezuurd productwater (18) om de pH te verlagen om de alkalische chemische neerslag op te lossen. Dit innovatieve reinigingsproces kan ook preventief worden toegepast in een voorgeschreven tijdsperiode om de SWRO membraanoppervlakken (7a) en BWRO membraanopervlakken (12a) vrij te houden van verontreinigingen. Door het gebruiken van normale SWRO proceswater voor het reinigen van membranen wordt het CEP chemicaliënverbruik geëlimineerd. Dit beperkt de chemische belasting van het milieu en levert veel besparing op de productiekosten. Het ontwerp van de SWRO proces kan vereenvoudigd worden door het achterwege blijven van het CIP systeem met bijbehorende installatie voor neutralisatie van de CIP stromen voor het lozen in zee. Het preventief schoonhouden van de membranen zonder chemicaliën en het in bedrijf kunnen reinigen van de membranen verhogen de levensduur en de gebruikstijd van de membranen en de beschikbaarheid van de SWRO-BWRO productie-eenheid.

Dit verhoogt de effectiviteit en efficiëntie van de SWRO-BWRO ontziltingsproces.

Het enige bijkomstige energieverbruik is het verwarmen van het gedeelte van de zeewatervoeding (la) met het verwarmingselement (4). Merk voorts dat dit energieverbruik kan worden geoptimaliseerd met de verlaging van de “recovery rate” en de verhoging van de zoutconcentratie. Een alternatief voor het boven beschreven osmotische membraanreinigingsproces met de bedoeling om het gebruik van het elektrische verwarmingselement (4) te minimaliseren en of te elimineren en om het osmotische membraanreinigingsproces verder te versterken door het verversen van de omgekeerde permeaatstromen (7c) en (12c) met aangezuurd productwater is in figuur 3 op bladzijde 3/4 weergegeven.

In figuur 3 is te zien dat het SWRO-BWRO ontziltingsproces in hoofdzaak hetzelfde is als het in figuur 2 schematisch weergegeven ontziltingsproces. Het verschil bestaat echter hierin dat een deelstroom (8b) van de concentraatstroom (8) van de hoge druk SWRO trap (7) na energie uitwisseling in het energieterugwinningssysteem (3) naar een zonnevijver (23) wordt geleid. In de zonnevijver (“solar pond”) wordt zon energie in warmte omgezet en opgeslagen in de bodem vloeistof lagen. De vloeistof in de bodemlagen hebben ook een hogere concentratie en een hogere temperatuur dan de toplagen. Hierbij kunnen temperaturen van 26-82 °C worden bereikt. De carbonaatzouten van de concentraatstroom (8) kunnen in de bodemlagen door de hogere temperaturen en het verdere concentreren neerslaan en op de bodem bezinken.

Voor het nieuwe innovatieve osmotische membraanreiningingsproces van de SWRO membranen (7a) wordt, zoals in figuur 3 is weergegeven, een warme geconcentreerde zoutoplossing (24) van de zonnevijver gemengd met de zeewatervoeding (la) om de osmotische druk van de zeewatervoeding (2) naar de hoge druk SWRO trap (7) te verhogen. Deze warme geconcentreerde zoutoplossing (24) wordt in de micro filterkaarsen (22) gezuiverd van eventueel meestromende geprecipiteerde zoutdeeltjes. Door verlaging van de “recovery rate” en de hoge osmotische druk van de warme zeewatervoeding (2) met verhoogde zoutconcentratie is de normale werkdruk van de hoge druk SWRO trap (7) niet meer voldoende om het omgekeerde osmose scheidings- proces via de semipermeabele membranen (7a) te handhaven. Op plaatsen waar het membraanoppervlak in contact komt met de warme geconcentreerde concentraatstroom (7d) begint het natuurlijk osmoseproces op gang te komen en vindt nu een netto permeaatstroom (7c) vanuit de permeaatverzamelbuis (7b) door diffusie via de membranen (7a) naar de concentraatstroom (7c). Om de verwijdering van de verontreinigingen te bevorderen wordt de permeaatstroom (7d) in de SWRO trap (7) met door koolzuurgas aangezuurd productwater (18a) ververst in de permeaatverzamelleiding (7b) van de hoge druk SWRO processtap (7). Deze zure permeaatstroom (7c) verhindert tevens het neerslaan van carbonaten in de concentraatstroom (7d). Het osmotische membraanreinigingsproces van de BWRO membranen is hetzelfde als het membraanreinigingsproces van figuur 2 met dien verstande dat de reiniging verder bevorderd wordt met het verversen van de permeaatstroom (12c) met aangezuurd productwater (18b). De alkalische neerslag wordt hierbij direct in het grensvlak tussen membraanoppervlak en chemische neerslag opgelost wat de verwijdering door meesleuren vergemakkelijkt. Dit maakt de verwijdering van de chemische neerslag veel effectiever dan het in figuur 2 weergeven osmotische membraanreinigingsproces door het verlagen van de werkdruk van de BWRO voedingwater (11). Dit osmotisch membraanreinigingsproces kan verder worden geoptimaliseerd door toepassing van een zonnevijver van zuiver natriumchloride oplossing. Dit is bedoeld om eventuele neerslag van carbonaten en andere oververzadigde zouten te voorkomen in de zonnevijver.

In figuur 4 op bladzijde 4 / 4 is een schematische weergave gegeven van dit alternatieve osmotische membraanreiningingsproces dat in hoofdzaak precies hetzelfde is als het in figuur 3 schematische weergegeven proces met dien verstande dat een zonnevijver van zuiver natriumchloride oplossing wordt toegepast. Hierbij wordt een zoutpan gebruikt voor de natuurlijke zoutproductie voor de aanmaak van de zuivere zoutoplossing. Zoals in figuur 4 is te zien wordt in dit alternatieve osmotische membraanreinigingsproces een gedeelte van de concentraatstroom (8a) naar een zoutpan (22) geleid voor de natuurlijke productie van zuiver zout. Dit zout wordt gebruikt voor de aanmaak van een zuiver natriumchloride oplossing voor de zonnevijver (23). Voor het osmotische membraanreinigingsproces wordt de osmotische druk van de zeewatervoeding (2) van de hoge druk SWRO procestrap (7) verhoogd door het gedeelte van de zeewatervoeding (la) te mengen met een warme geconcentreerde stroom van zuiver natriumchloride oplossing (24) afkomstig van de zonnevijver (23). In dit proces wordt de eventuele neerslag van carbonaten in de zonnevijver, aangemaakt met de SWRO concentraat (8) zoals in figuur 3 weergeven, vermeden.

Het osmotische membraanreinigingsproces van de BWRO lage druk trap (12) is analoog aan die weergegeven in figuur 3. Dit osmotische membraanreinigingsproces maakt het omgekeerde osmose ontziltingsproces milieuvriendelijk en economisch met een optimaal energieverbruik.

Voordelen van het nieuwe chemicaliënvrije osmotische membraanreinigingsproces.

- Door de mogelijkheid om de “recovery rate” te verlagen in combinatie met het verhogen van de zoutconcentratie en de temperatuur van de zeewatervoeding is een eenvoudige effectieve membraanreinigingsproces ontwikkeld dat het intensieve chemicaliënverbuik van het conventionele chemische reinigingsproces van membranen “ Clean In Place” (CLP) elimineert.

- Eliminatie van het intensieve chemicaliënverbruik van het conventionele CIP-proces maakt dit osmotische membraanreinigingsproces zeer milieu vriendelijk.

- Eliminatie van het intensieve chemicaliënverbruik van de conventionele CIP verhoogt de levensduur en de gebruikstijd van de membranen. Hierdoor worden de vervangingskosten van de kostbare membranen verlaagd.

- Door de mogelijkheid om het osmotische membraanreinigingsproces in bedrijf uit te voeren wordt de beschikbaarheid van de SWRO-BWRO productie-eenheid verhoogd en wordt hierdoor de onderhoudskosten en productiekosten verlaagd.

Door de mogelijkheid om dit osmotische membraanreinigingsproces preventief uit te voeren wordt de kans op sterke vervuiling van de membranen voorkomen en wordt het gemiddelde jaarlijkse energieverbruik per kubieke meter geproduceerd water geoptimaliseerd.

- Het natuurlijke osmose watertransport door het membraan biedt de mogelijkheid om de op het membraanoppervlak door de dwarsstroom tijdens het omgekeerde osmoseproces vastgedrukte verontreiniging los te maken en bevordert hierdoor de verwijdering ervan door het meesleuren met de langs het membraanoppervlak stromende concentraat. Hierdoor wordt het positieve verwijderingeffect van het ontwerp bij de “Critical Cross flux” van de membranen sterk verbeterd.

De mogelijkheid voor het toepassen van de warme geconcentreerde zoutoplossing van een zonnevijver minimaliseert en of elimineert het gebruik van een elektrisch verwarmingselement en verlaagt hierdoor het elektrisch energieverbruik en maakt het osmotische membraanreinigingsproces economisch.

- Door de toepassing van een zoutpan voor de productie van een zuiver oplossing van natriumchloride voor de zonnevijver wordt de kans voor neerslag van carbonaten in de vloeistoflagen met hoge temperatuur in een met concentraat aangemaakt zonnevijver geëlimineerd.

Het nieuwe innovatieve osmotische membraanreinigingsproces maakt het in bedrijf chemicaliënvrij reinigen van de BWRO membranen door het verlagen van de “recovery rate” en het mengen van de BWRO voedingwaterstroom met aangezuurd productwater van het drinkwaterophardingsproces zeer eenvoudig en economisch vergeleken met het conventionele chemische membraanreinigingsproces met externe dosering van anorganische- en organische chemicaliën.

De mogelijkheid voor het verversen van het BWRO permeaat met aangezuurd productwater van het drinkwaterophardingsproces maakt het BWRO osmotische membraanreinigingsproces nog effectiever.

In dit nieuwe osmotische membraanreinigingssysteem wordt alleen gebruik gemaakt van de bij het SWRO productieproces behorende processtromen en maakt een additionele CIP systeem met bijbehorende CEP processtromen overbodig.

- Conventionele SWRO-BWRO productie-eenheden kunnen eenvoudig met geringe aanpassingen worden omgebouwd voor de toepassing van het nieuwe chemicaliënvrije osmotische membraanreinigingssysteem.

Claims (16)

1. Het principe van het innovatieve osmotische chemicaliënvrije membraanreinigingsproces voor het in bedrijf reinigen van SWRO- en BWRO membranen, zoals in figuur lb op bladzijde 1 / 4 is weergeven, is gebaseerd op het verlagen van de “recovery rate” van de hoge druk SWRO procestrap totdat de werkdruk gelijk is aan de osmotische druk van zeewatervoeding (1). In deze situatie heerst de dynamische osmose evenwicht tussen de concentraatstromen (4a-4n) en de permeaatstromen (8a-8n) in de membraanelementen (3a-3n). Bij verdere verlaging van de “recovery rate” overheerst het natuurlijke osmoseproces en komt een netto diffusietransport van gezuiverd water (6a-6n) van de permeaatstromen (8a-8n) in de permeaatverzamelbuis (2) van de membraanelementen (3a-3n) naar de concentraatstromen (4a-4n) tot staand. Door deze osmotische waterstroom worden de op de membraanoppervlakken neergeslagen verontreinigingen losgemaakt en door meesleuren met de concentraatstromen (4a-4n) verwijderd. Door de permeaatstroom te verversen met koolzuurgas aangezuurd water (6) wordt de verwijdering van de op de membraanoppervlakken aanwezige chemische- en microbiologische verontreinigingen door de goede oplosbaarheid van alkalische neerslag in aangezuurd water en door verandering van het osmoreguleringsproces van de micro-organismen bevorderd.

2. Het innovatieve osmotische chemicaliënvrije membraanreinigingsproces voor het in bedrijf reinigen van SWRO- en BWRO membranen, zoals weergegeven in figuur 2 op bladzijde 2 / 4, is een innovatief membraanreiningingsproces gebaseerd op het in conclusie 1 beschreven osmotische membraanreinigings-principe waarbij het osmoseproces op gang wordt gezet door de verlaging van de “recovery rate” en het verhogen van de osmotische druk van de zeewatervoeding (2) door het gedeelte van de zeewatervoeding (la) te verwarmen met het verwarmingselement (4) en de zoutconcentratie ervan te verhogen door de “lag flow” bedrijfsvoeringwijze van het energieterug-winningssysteem (3) waarbij meer concentraat (8) meegaat met de zeewatervoeding (la). Op de membraanoppervlakken dat in contact zijn met deze warme zeewatervoeding met verhoogde zoutconcentratie treedt nu het natuurlijke osmoseproces op waarbij permeaat (7c) vanuit de permeaatverzamelbuis (7b) via de semipermeabele membranen (7a) naar de concentraatstroom (7d) stroomt. In dit natuurlijke osmotische membraan-reinigingsproces kan verder het verlagen van de “recovery rate” van SWRO trap (7) worden geminimaliseerd. Door de combinatie met de verlaging van “recovery rate” kunnen de verhoging van de zoutconcentratie en de temperatuur beperkt blijven. In dit nieuwe osmotische membraanreinig-ingsproces kunnen de chemische en microbiologische verontreinigingen nu door de omgekeerde dwarsstroming van de permeaatstroom (7c) van de membraanoppervlakken worden opgelicht en nu gemakkelijker door meesleuren met de langs de membraanoppervlakte stromende concentraatstroom (7d) worden verwijderd. De BWRO membranen (12a) worden gereinigd door de ““recovery rate”” van de lage druk BWRO processtap (12) te verlagen om het natuurlijke osmoseproces op gang te zetten. Hierbij stroomt permeaat (12 c) nu vanuit de permeaat verzamelbuis (12d) in omgekeerde richting naar de concentraatzijde (12d) en maakt eventueel op de BWRO membraanoppervlakken vastgedrukt neerslag los. De dosering van de oplossing van natriumhydroxide voor de boorverwijdering wordt stopgezet en de BWRO voedingsstroom (11) wordt gemengd met aangezuurd productwater (18) om de pH te verlagen voor het oplossen van de alkalische chemische neerslag.

3. Het innovatieve osmotische chemicaliënvrije membraanreinigingsproces voor het in bedrijf reinigen van SWRO- en BWRO membranen, zoals weergegeven in figuur 3 op bladzijde 3 / 4, is een innovatieve osmotische membraanreinig- ingsproces dat in principe hetzelfde is als het in conclusie 2 beschreven osmotische membraanreinigingsproces. In dit alternatief wordt echter de osmotische druk van de zeewatervoeding (2) verhoogd door het gedeelte van de zeewatervoeding (la) te mengen met een warme geconcentreerde zoutoplossing (24) afkomstig van de zonnevijver (23). Een deelstroom (8b) van de concentraatstroom (8) van de hoge druk SWRO trap (7) wordt na energie uitwisseling in het energieterugwinningssysteem (3) gebruikt als zoutoplossing voor de zonnevijver (23). De warme geconcentreerde zoutoplossing (24) wordt in de micro filterkaarsen (22) gezuiverd van eventueel meestromende in de warme bodemvloeistoflagen van de zonnevijver (23) geprecipiteerde zoutdeeltjes. Om de verwijdering van de verontreinigingen te bevorderen wordt de permeaatstroom (7d) in de SWRO trap (7) met door koolzuurgas aangezuurd productwater (18a) ververst in de permeaatverzamelleiding (7b) van de hoge druk SWRO processtap (7). Het osmotische membraanreinigingsproces van de BWRO membranen is hetzelfde als het in conclusie 2 beschreven osmotische membraanreinigingsproces met dien verstande dat de reiniging verder wordt bevorderd door het verversen van de permeaatstroom (12c) met aangezuurd productwater (18b). De alkalische neerslag wordt hierbij direct in het grensvlak membraan -neerslag opgelost wat de verwijdering door meesleuren met de langs het membraanoppervlak stromende concentraat vergemakkelijkt. Dit maakt de verwijdering van de chemische neerslag veel effectiever dan de in conclusie 2 beschreven osmotische membraanreinigingsproces van de lage druk BWRO procestrap (12).

4. Het innovatieve osmotische chemicaliënvrije membraanreinigingsproces voor het in bedrijf reinigen van SWRO- en BWRO membranen, zoals weergegeven in figuur 4 op bladzijde 4 / 4, is een innovatieve osmotische membraanreinigingsproces dat in principe hetzelfde is als de in conclusie 3 beschreven osmotische membraanreinigingsproces. Echter in dit alternatieve osmotische membraanreinigingsproces wordt de osmotische druk van de zeewatervoeding (2) van de hoge druk SWRO procestrap (7) verhoogd door het gedeelte van de zeewatervoeding (la) te mengen met een warme geconcentreerde stroom van zuiver natriumchloride oplossing (24) afkomstig van de zonnevijver (23). Een gedeelte van de concentraatstroom (8a) wordt naar een zoutpan (22) afgevoerd voor de natuurlijke productie van zuiver zout. Dit zout wordt gebruikt voor de aanmaak van zuiver natriumchloride oplossing voor de zonnevijver (23). In dit proces wordt eventuele neerslag van carbonaten in de zonnevijver, aangemaakt met de SWRO concentraat (8) zoals in het in conclusie 3 beschreven osmotische membraanreinigingsproces, vermeden. Het osmotische membraanreinigingsysteem van de BWRO lage druk trap (12) is analoog aan het in conclusie 3 beschreven proces.

5. De innovatieve osmotische chemicaliënvrije membraanreinigingsprocessen voor het in bedrijf reinigen van SWRO- en BWRO membranen zoals beschreven in de conclusies 1 tot met 4 zijn door de mogelijkheid om de “recovery rate” te verlagen in combinatie met het verhogen van de zoutconcentratie en de temperatuur van de zeewatervoeding eenvoudige effectieve membraanreinigingsprocessen die het intensieve chemicaliën-verbruik van het conventionele chemische membraanreinigingsproces “ Clean In Place” (CIP) elimineren.

6. De innovatieve osmotische chemicaliënvrije membraanreinigingsprocessen voor het in bedrijf reinigen van SWRO- en BWRO membranen zoals beschreven in de conclusies 1 tot met 4 zijn door eliminatie van het intensieve chemicaliënverbruik van het conventionele CIP proces zeer milieu vriendelijk.

7. De innovatieve osmotische chemicaliënvrije membraanreinigingsprocessen voor het in bedrijf reinigen van SWRO- en BWRO membranen zoals beschreven in de conclusies 1 tot met 4 verhogen door de eliminatie van het intensief chemicaliënverbruik van de conventionele CIP de levensduur en de gebruikstijd van de membranen. Hierdoor worden de vervangingskosten van de kostbare membranen verlaagd.

8. De innovatieve osmotische chemicaliënvrije membraanreinigingsprocessen voor het in bedrijf reinigen van SWRO- en BWRO zoals beschreven in de conclusies 1 tot met 4 verhogen door de mogelijkheid om het osmotische membraanreinigingsproces in bedrijf uit te voeren de beschikbaarheid van de SWRO-BWRO productie-eenheid en verlagen hierdoor de onderhoudskosten en productiekosten.

9. De innovatieve osmotische chemicaliënvrije membraanreinigingsprocessen voor het in bedrijf reinigen van SWRO- en BWRO membranen zoals beschreven in de conclusies 1 tot met 4 verlagen door de mogelijkheid om dit osmotische membraanreinigingsproces preventief uit te voeren de kans op sterke vervuiling van de SWRO- en BWRO membranen (7a enl2a) en wordt hierdoor het gemiddelde jaarlijkse energieverbruik per kubieke meter geproduceerd water geoptimaliseerd.

10. De innovatieve osmotische chemicaliënvrije membraanreinigingsprocessen voor het in bedrijf reinigen van SWRO- en BWRO membranen zoals beschreven in de conclusies 1 tot met 4 maken door het natuurlijke osmose watertransport (7c enl2c) het op de membraanoppervlakken (7a en 12a) door de dwarsstroom tijdens het omgekeerde osmoseproces vastgedrukte verontreinigingen los en bevorderen hierdoor de effectieve verwijdering door meesleuren met de langs het membraanoppervlak stromende concentraat. Hierdoor wordt het positieve verwijderingeffect van het ontwerp bij de “Critical Cross flux” van de membranen sterk verbeterd.

11. De innovatieve osmotische chemicaliënvrije membraanreinigingsprocessen voor het in bedrijf reinigen van SWRO- en BWRO membranen zoals beschreven in de conclusies 3 en 4 elimineren door de mogelijkheid voor het toepassen van de warme geconcentreerde zoutoplossing (24) van een zonnevijver (23) het gebruik van een elektrisch verwarmingselement (4) en verlagen hierdoor het elektrisch energieverbruik en maken het osmotische membraanreinigingsproces meer economisch dan het conventionele chemisch membraanreinigingsproces.

12. Het innovatieve osmotische chemicaliënvrije membraanreinigingsproces voor het in bedrijf reinigen van SWRO- en BWRO membranen zoals beschreven in de conclusie 4 elimineert door de toepassing van een zoutpan (22) voor de productie van zuiver natriumchloride oplossing voor de zonnevijver (23) de kans van neerslag van carbonaten in de vloeistoflagen met hoge temperatuur in een met concentraat aangemaakt zonnevijver (23) en maakt de toepassing van micro filterkaarsen (22) overbodig.

13. De innovatieve osmotische chemicaliënvrije membraanreinigingsprocessen voor het in bedrijf reinigen van SWRO- en BWRO membranen zoals beschreven in de conclusies 2 tot met 4 maken het in bedrijf chemicaliënvrij reinigen van de BWRO membranen (12a) door het verlagen van de “recovery rate” en het mengen van de BWRO voedingwaterstroom (11) met aangezuurd productwater (18,19) zeer eenvoudig en economisch vergeleken met het conventionele chemische membraanreinigingsproces met externe dosering van anorganische of organische chemicaliën.

14. De innovatieve osmotische chemicaliënvrije membraanreinigingsprocessen voor het in bedrijf reinigen van SWRO- en BWRO membranen zoals beschreven in de conclusies 3 en 4 maken door de mogelijkheid voor het verversen van het BWRO permeaat (12c) met aangezuurd productwater (18b) van het drinkwaterophardingsproces (20) het BWRO osmotische membraanreinigingsproces nog effectiever.

15. De innovatieve osmotische chemicaliënvrije membraanreinigingsprocessen voor het in bedrijf reinigen van SWRO- en BWRO membranen zoals beschreven in de conclusies 1 tot met 4 maken alleen gebruik van de bij de SWRO-BWRO productie proces behorende processtromen en maken hierdoor een additionele CIP systeem met bijbehorende CIP processtromen overbodig.

16. Conventionele SWRO-BWRO productie-eenheden kunnen met geringe aanpassingen worden omgebouwd voor de toepassing van het nieuwe osmotische chemicaliënvrije membraanreinigingsproces.