Technical and environmental viability of membrane technologies in water treatment: NF in drinking water process and MBR for watewater reuse

Abstract

La present tesi doctoral tracta de l’estudi de la tecnologia de membranes des d’un punt de vista aplicat: com és el cas de la nanofiltració (NF) pel tractament d’aigua potable i de l’ús d’un bioreactor de membranes (MBR) per la depuració d’aigües residuals. La primera part ha estudiat la capacitat de la NF per reduir el contingut de precursors de subproductes de desinfecció presents en l’aigua potable, especialment dels trihalometans (THM). En canvi, la segona part ha avaluat la capacitat de la tecnologia MBR per tractar els efluents de la indústria vinícola i dotar a l’aigua residual de la qualitat necessària per a la seva reutilització. Les membranes de NF s’han estudiat des d’escala laboratori, en configuració de mòdul pla, fins a planta pilot utilitzant 18 mòduls en espiral. Els estudis previs a nivell de laboratori han permès comparar 10 membranes comercials de NF en funció de la seva permeabilitat i capacitat de reducció del potencial de formació de trihalometans (PFTHM). La majoria d’elles permeten reduir el PFTHM en més del 95%, tot i que presenten rebutjos variables respecte les sals inorgàniques, fet que afecta la permeabilitat i consum energètic del sistema. En aquest estudi també es va tenir en compte com afecta la variabilitat estacional i el punt de captació sobre la qualitat de l’aigua d’entrada a les membranes. Es van seleccionar dues membranes per a l’estudi en paral·lel en la planta pilot obtenint un bon rendiment en ambdós casos sota condicions d’operació òptimes. Amb l’objectiu final d’optimitzar el procés de tractament, es van avaluar diferents aspectes: capacitat de separació de diferents components inorgànics i orgànics, requeriments de pressió d’entrada per treballar a igual recuperació per a un mateix cabal d’entrada, pretractament, reducció del flux inicial de permeat i efectivitat de les neteges químiques. Els resultats obtinguts a ambdues escales es van comparar per poder validar la predicció des del nivell de laboratori, juntament amb els programes de disseny dels proveïdors. Finalment, en aquest treball també es va avaluar l’impacte ambiental d’aquesta tecnologia mitjançant l’anàlisi de cicle de vida (ACV) utilitzant les dades obtingudes de la planta pilot i aproximacions per a una possible instal·lació a escala real de la NF. Els resultats d’aquest estudi indiquen un increment de l’impacte ambiental, respecte el procés actual, degut principalment al major consum energètic durant l’operació de les membranes. Combinant l’estudi d’ACV amb l’anàlisi de risc per a la salut humana en funció de la qualitat de l’aigua obtinguda s’ha desenvolupat una eina que ajuda al disseny del escalat de la planta real. De fet, en l’estudi s’observa que es pot arribar a obtenir una reducció del 75% del risc associat a la presencia de THM a l’aigua potable. D’altra banda, per avaluar la tecnologia MBR es va instal·lar una planta pilot a la depuradora d’una empresa vinícola. Durant els mesos d’operació es va comparar la qualitat dels efluents del sistema convencional i del MBR. Demostrant que el MBR presenta una qualitat final molt superior que en permet la seva reutilització en diferents aplicacions. També es va demostrar com la tecnologia MBR es capaç d’absorbir les variacions de càrrega i cabal que presenten els efluents d’aquesta indústria, fet que demostra la seva aplicabilitat en aquest sector. Les dades obtingudes d’aquesta planta pilot també es van utilitzar per avaluar l’impacte ambiental derivat de la implementació a escala real de la tecnologia MBR. Els resultats obtinguts es van comparar amb el procés existent, basat en la digestió aeròbica de fangs activats, on s’observa un trasllat de l’impacte entre vectors ambientals, degut a que la millora de la qualitat de l’aigua i per tant reducció en categories d’impacte ambiental com la eutrofització implica l’augment del consum energètic i per tant un augment de l’impacte en categories com el canvi climàtic o la formació de partícules o del smog fotoquímic.

The present thesis is about membrane technology implementation for two cases of water processes: nanofiltration (NF) to produce drinking water and membrane bioreactor (MBR) to treat wastewater effluent. The first part has evaluated NF capacity to reduce contents of disinfection by-products precursors, especially for trihalomethanes (THM). On the other hand, the second part is focused to evaluate MBR capacity to treat winery industry effluents giving the required quality for wastewater reclamation and reuse. NF membranes have been studied in laboratory set-up (flat-sheet module) and in pilot plant (18 spiral-wound elements). Initially, laboratory results allowed to select two of the ten membranes tested at this scale, in function of the permeability and the reduction of trihalomethane formation potential (THMFP). Most of the membranes rejected THMFP at levels of 95%, however the separation capacities in front of inorganic salts were highly variable, which may have important consequences in permeability and energy demands for a full-scale system. This study also considered factors influencing feed water quality for the NF membranes, such as seasonal variations and different catchments of raw water. Two NF membranes were selected in order to be compared simultaneously in a pilot plant. Under optimum conditions, good performances were obtained for both membranes. With the final aim to optimize treatment process, several aspects were evaluated simultaneously for each membrane: separation capacities for different inorganic and organic components, feed pressure requirements to operate with the same recovery for the same feed flow, pretreatment, initial flux decline and chemical cleaning efficiencies. Results obtained from both scales were compared to validate prediction for solutes rejection in a real plant from laboratory experiments, together with the calculations using suppliers¿ design software. Finally, in this work environmental impact for this technology was also evaluated by means of life cycle assessment (LCA), using pilot plant data and approximations for the NF implementation in a full-scale drinking water treatment plant (DWTP). Results indicated how increase the environmental impacts using NF in front of the current treatment, mainly as a result of higher energy demands during membrane process. These results have been correlated with results calculated by means of human health risk (HHR) assessment, developing a multicriteria tool in order to design a full-scale DWTP. Is important to note that carcinogenic risk index can be lowered near to 75%, associated to the reduction of THM precursor material (THMFP), if NF plant produces 100% of the final drinking water. On the other side, a MBR pilot plant was installed in the wastewater treatment plant (WWTP) to treat effluents of winery industry. Quality of effluents from the current conventional activated sludge (CAS) plant and from the MBR pilot plant was compared during the experimental campaign, demonstrating that MBR effluent presented a higher quality that accomplished with legislated requirements for some reuse applications. In addition, MBR technology was able to maintain permeability although organic loads fluctuations in winery industry take place, what demonstrated its applicability in this sector. Data obtained from MBR pilot plant were also employed to evaluate environmental impact associated to full-scale implementation of MBR technology, together with those obtained for the actual CAS system. Among other environmental impact categories, observed impacts related to wastewater emissions into water bodies (freshwater eutrophication) were diminished while impacts on climate change and particulate material (or photochemical compounds) formation were increased as a result of energy consumption.