Biofouling control in reverse osmosis membranes for water treatment

Abstract

L’osmosi inversa (OI) és una de les tecnologies de purificació d'aigua més competitives. Els sistemes d'OI han evolucionat significativament en els últims anys per a proporcionar solucions reals i sostenibles als problemes relacionats amb l'aigua. Un dels principals obstacles que impedeix l'expansió en l'ús d'OI en la reutilització de l'aigua, és la pèrdua de rendiment que els elements d'OI experimenten a l'operar amb aigües contaminades. Aquest fenomen de embrutament continua sent un dels majors reptes a resoldre per elements de OI utilitzats en plantes industrials o de tractament d'aigües residuals. A causa de la complexitat d'estudiar aquests problemes en sistemes d'escala industrial, és necessari desenvolupar protocols per reproduir els efectes en equips de laboratori. Els efectes de l’embrutament solen apareixer després de diversos mesos. No obstant, per poder realitzar la recerca en un temps realista, el procés ha ser accelerat de forma controlada i el més realista possible. S'ha estudiat l'efecte de diferents variables operacionals en el desenvolupament de l’embrutament biològic. També s'ha avaluat el paper dels paràmetres de construcció de mòduls d'OI, provant en paral·lel diferents membranes i espaciadors, per millorar el disseny d'elements resistents al embrutament. Els resultats dels assaigs realitzats demostren clarament que diferents químiques de membrana poden proporcionar una reducció significativa en els nivells de embrutament. Tot i això, es va trobar que el principal contribuent al desenvolupament dels biofilms es el espaciador. El disseny de l'espaciador es va estudiar en detall per aconseguir un comportament equilibrat en mòduls d'OI que tracten aigües amb un risc d’embrutament biològic elevat. Es van probar espaciadors amb diferents espessors, separacions i angles. Alguns dissenys van mostrar avantatges en la perdua de pressió generada, així com en l'acumulació d’embrutament biològic i orgànic.

La osmosis inversa (OI) es una de las tecnologías de purificación de agua más competitivas. Los sistemas de OI han evolucionado significativamente en los últimos años para proporcionar soluciones reales y sostenibles a los problemas relacionados con el agua. Uno de los principales obstáculos que impide la expansión del uso de OI en la reutilización del agua es la pérdida de rendimiento que los elementos de OI experimentan al operar con aguas contaminadas. Este fenómeno de ensuciamiento sigue siendo uno de los mayores desafíos para los elementos de OI utilizados en plantas industriales o de tratamiento de aguas residuales. Debido a la complejidad de estudiar estos problemas en sistemas de escala industrial, es necesario desarrollar protocolos para reproducir los efectos en equipos de laboratorio. Los efectos del ensuciamiento suelen ocurrir después de varios meses. Sin embargo, para poder realizar la investigación en un tiempo realista, el proceso necesita ser acelerado de manera controlada y lo más realista posible. Se ha estudiado el efecto de diferentes variables operacionales en el desarrollo del ensuciamiento biológico. También se ha evaluado el papel de los parámetros de construcción de módulos de OI, probando en paralelo diferentes membranas y espaciadores, para mejorar el diseño de elementos resistentes al ensuciamiento. Los resultados de los ensayos realizados mostraron claramente que diferentes químicas de membrana pueden proporcionar una reducción significativa en los niveles de bioensuciamiento. Sin embargo, se encontró que el principal contribuyente al desarrollo de biofilms fue el espaciador. El diseño del espaciador se estudió en detalle para lograr un comportamiento equilibrado en módulos de OI que tratan aguas propensas al ensuciamiento biológico. Se ensayaron espaciadores con diferentes espesores, espaciamiento y ángulo. Algunos diseños mostraron ventajas en la perdida presión generada, así como en la acumulación de ensuciamiento biológico y orgánico.

Reverses osmosis (RO) filtration is one of the most competitive water purification technologies. RO systems have evolved significantly in the last years to provide real and sustainable solutions to water-related problems. One of the main hurdles that hinders RO expansion in water reuse, is the loss of performance that RO elements suffer when dealing with contaminated waters. This phenomenon known as fouling, remains to be one of the biggest challenges for RO elements used in industrial or wastewater treatment plants. Due to the complexity to study these problems in large scale systems, protocols need to be developed in order to mimic full-scale plants operation on a bench scale. Fouling problems are usually occurring after several month of operations. However, for a realistic time-scale research, the process needs to be accelerated in a controlled way and as similar as possible to what would be occurring naturally. The effect of different operating variables on biofouling development was studied. The role of RO module construction was also evaluated, testing different membranes and feed spacers side-by-side, to guide the improvements on the design of fouling resistant elements. The results from the trials performed clearly showed that different membrane chemistries can provide significant reduction in the levels of biofouling detected after operation. However, it was found that the main contributor to biofilm development was feed spacer. Large differences in the amount of biofouling generated could be associated with feed spacer presence. Feed spacer design was then studied in detail to achieve a balanced performance in spiral wound RO modules treating waters prone to biofouling. Feed spacers with various thickness, spacing and angle were tested and some designs showed advantages in pressure drops, as well as on biologic and organic fouling accumulation.