Efficiënte procesadditieven voor membraaninstallaties en omgekeerde osmose – bescherming, reiniging en prestatiegarantie

Membraaninstallaties zoals omgekeerde osmose (RO), nanofiltratie (NF) of ultrafiltratie (UF) werken met een hoog retentievermogen. Hierdoor worden hardheidvormers, sulfaten, silicaten en andere zouten sterk geconcentreerd in de concentraatstroom. Zonder geschikte tegenmaatregelen vormen zich kalkaanslag op het membraanoppervlak. Deze aanslag blokkeert de poriën, verhoogt het drukverschil en vermindert het permeaatdebiet.

De gevolgen van ongecontroleerde schaalvergroting zijn:

• Verhoogd energieverbruik door hogere transportdrukken

• Afnemende zoutretentie en wisselende permeaatkwaliteit

• Toenemende reinigingsinspanningen tot onomkeerbare membraanschade

• Verkorte levensduur van de membraanelementen en hogere OPEX

Antiscalants voorkomen deze effecten door de kristalgroei te verstoren, kristalkernen te blokkeren en de neerslag van hardheidszouten uit te stellen of volledig te voorkomen. Het resultaat is een stabiele werking met:

• hogere recovery rates (opbrengst),

• langere reinigingsintervallen,

• constante waterkwaliteit,

• Aanzienlijk langere levensduur van het membraan.

Een nauwkeurig afgesteld antiscalantprogramma is dus niet alleen een technische bescherming, maar ook een belangrijk middel om de kosten te optimaliseren en de efficiëntie van de membraanwerking te verhogen.

Naast scaling is biofouling een van de belangrijkste oorzaken van prestatieverlies. Micro-organismen hechten zich aan de membraanoppervlakken, vormen biofilms en leiden tot een sluipend, vaak moeilijk waarneembaar prestatieverlies. Deze lagen verhogen het drukverlies, verminderen de waterstroom en dienen als voedingsbodem voor ziekteverwekkende kiemen.

Ook organische stoffen (bijv. humusstoffen), ijzer-/mangaanverbindingen of silicaten kunnen afzettingen vormen die de poriën van het membraan blokkeren en de materiaalstructuur belasten.

Maatregelen tegen biofouling en organische afzettingen:

• Gecontroleerde voorbehandeling (filtratie, ontharding, ontijzering, actieve koolfilter) om de belasting in de toevoer te verminderen

• Biocideprogramma's met oxidatieve of niet-oxidatieve werkzame stoffen, afgestemd op membraanmaterialen en goedkeuringen

• Dispergeerders die biofilms afbreken en het transport van organische deeltjes vergemakkelijken

• Regelmatige CIP-reiniging (alkalisch/enzymatisch) voor het verwijderen van organische lagen

• Monitoring door middel van microbiologische tests (bijv. HPC, ATP, qPCR), drukverschil- en permeaatstroommetingen

Alleen een combinatie van preventieve maatregelen, aangepaste biocidestrategieën en gerichte reinigingen voorkomt dat biofilms en organische afzettingen de rendabiliteit van de membraaninstallatie in gevaar brengen.

Zelfs bij een optimale dosering van antiscalants en biociden kunnen afzettingen niet volledig worden voorkomen. Daarom behoort Cleaning-in-Place (CIP)-reiniging tot het verplichte programma van elke membraaninstallatie. Deze reiniging wordt niet volgens vaste intervallen uitgevoerd, maar op basis van gedefinieerde bedrijfsparameters:

• De permeaatcapaciteit daalt met 10-15 % ten opzichte van de uitgangswaarde.

• Het drukverschil neemt toe over de membraanstappen

• Het zoutbehoud neemt af en de permeaatkwaliteit verslechtert.

Soorten reinigingsmiddelen:

• Zure reinigingsmiddelen: verwijderen kalkaanslag, sulfaat- en metaalaanslag (calcium, barium, ijzer, mangaan)

• Alkalische reinigingsmiddelen: verwijderen organische aanslag, biofilms, oliën en vetten

• Speciale reinigingsmiddelen: verwijderen silicaatafzettingen of gemengde aanslag

Een CIP-proces bestaat uit spoelen, circuleren met aangepaste chemie en temperatuur, inwerktijden en afsluitend spoelen. Het is van cruciaal belang dat de reinigingsmiddelen zijn afgestemd op het membraanmateriaal, omdat bijvoorbeeld vrije chloorverbindingen veel polyamide membranen onherstelbaar beschadigen.

Een gestructureerd CIP-concept zorgt ervoor dat de membranen hun oorspronkelijke prestaties terugkrijgen en hun levensduur wordt gemaximaliseerd.

Het terugwinningspercentage beschrijft de verhouding tussen permeaat en toevoerwater en is een doorslaggevende parameter voor de rendabiliteit van RO-installaties. Een hoog terugwinningspercentage bespaart water, energie en afvalwaterverwerkingskosten. Tegelijkertijd neemt met een stijgende retentie echter ook de concentratie van zouten en hardheidsvormers in de concentraatstroom toe – en daarmee het risico op kalkaanslag.

De optimalisatie gebeurt door een combinatie van processturing en het gebruik van additieven:

• Antiscalants: maken hogere concentratiefactoren mogelijk door kristallisatieprocessen te onderdrukken.

• Online monitoring: controle van geleidbaarheid, pH en drukverschil om kritieke situaties vroegtijdig te herkennen.

• Afstemming op de kwaliteit van het ruwe water: de maximaal toegestane terugwinningswaarde is sterk afhankelijk van calcium, sulfaat, silicaat, ijzer en barium.

• Staging & hydraulica: meerfasige installatieontwerpen maken een hogere totale terugwinning mogelijk en ontlasten tegelijkertijd de afzonderlijke membraanfasen.

• Simulatietools: softwaremodellen (bijvoorbeeld van membraanfabrikanten) berekenen het risico op kalkaanslag op basis van de waterchemie en het terugwinningspercentage.

Alleen door deze maatregelen kan het herstelpercentage worden verhoogd tot economisch optimale waarden (bijvoorbeeld 75-85 % in de industriële sector) zonder de membranen in gevaar te brengen.

De Silt Density Index (SDI) is de belangrijkste parameter voor het beoordelen van de kwaliteit van het ruwe water vóór een membraaninstallatie. Deze index meet de neiging van water om filters of membranen te verstoppen door colloïdale deeltjes en fijne zwevende stoffen.

Typische grenswaarden:

• SDI ≤ 5: vereist voor een veilige werking van RO-installaties

• SDI 5–20: Voorbehandeling absoluut noodzakelijk (bijv. zandfilter, ultrafiltratie, coagulatie/flocculatie)

• SDI > 20: direct gebruik van RO-membranen niet mogelijk

Betekenis in het bedrijf:

• Een te hoge SDI leidt tot aanslagvorming en drukverhoging in het membraan.

• Het beïnvloedt de frequentie van CIP-reinigingen en daarmee de bedrijfskosten.

• Regelmatige SDI-metingen zijn een vast onderdeel van de bedrijfsmonitoring en worden vaak door autoriteiten of klanten als bewijs gevraagd.

ALMA AQUA zorgt ervoor dat membraaninstallaties worden gebruikt met de juiste voorbehandeling (filtratie, flocculatie, UF) en continue SDI-bewaking. Zo worden risico's op vervuiling geminimaliseerd, de CIP-frequentie verminderd en de levensduur van de membraanelementen verlengd.

De keuze van de juiste biocide-strategie is cruciaal om biofouling in membraansystemen duurzaam te beheersen. Aangezien membranen – met name polyamide-membranen – gevoelig zijn voor bepaalde chemicaliën, moet het gebruik ervan zeer zorgvuldig worden afgestemd.

Oxidatieve biociden (bijv. natriumhypochloriet, chloordioxide, ozon):

• Werkt breedspectrum en zeer snel tegen bacteriën, algen en schimmels.

• Verwijdert biofilms door oxidatieve vernietiging van de celstructuren.

• Mogen slechts zeer beperkt worden gebruikt bij RO- en NF-membranen, omdat polyamide onherstelbaar wordt beschadigd door vrij chloor of ozon.

• Vaak geschikt voor voorbehandelingen (bijv. in UF-systemen, koelwatervoorstappen of open opslagtanks).

Niet-oxidatieve biociden (bijv. isothiazolinonen, quaternaire ammoniumverbindingen, glutaaraldehyde):

• Grijpen gericht in op het metabolisme van micro-organismen en vernietigen celwanden.

• Membraancompatibel, omdat ze geen oxidatieve afbraak veroorzaken.

• Werken ook in biofilms, maar langzamer en vaak afhankelijk van de inwerktijd en concentratie.

• Worden doorgaans gebruikt tijdens het gebruik van RO- en NF-installaties.

Praktijkstrategie:

• Combinatie van oxidatieve desinfectie bij de behandeling van ruw water en niet-oxidatief gebruik van biociden tijdens de membraanwerking.

• Aangevuld met regelmatige CIP-reinigingen om dood biomateriaal te verwijderen.

• Strikte naleving van de voorschriften van de fabrikant met betrekking tot doseringshoeveelheden, contacttijden en spoelcycli om schade aan het membraan te voorkomen.

Met een afgestemde biocide-strategie kunnen microbiologische belastingen duurzaam worden beheerst, drukverliezen laag worden gehouden en de levensduur van membranen aanzienlijk worden verlengd.

De juiste keuze en dosering van antiscalants bepaalt of een membraaninstallatie stabiel, efficiënt en langdurig kan worden gebruikt. Standaardoplossingen zijn vaak niet voldoende, omdat elke watersamenstelling individuele risico's voor kalkaanslag met zich meebrengt.

ALMA AQUA maakt daarom gebruik van gespecialiseerde berekeningstools die op basis van wateranalyses nauwkeurige voorspellingen doen over mogelijke neerslagvorming. Daarbij wordt rekening gehouden met parameters zoals calcium, magnesium, barium, strontium, silicaat, ijzer, sulfaat en carbonaathardheid.

De berekeningstool levert:

• Voorspellingen van verzadigingsindexen voor verschillende hardheidsvormers (bijv. Langelier-, Stiff & Davis- of silicaatindexen).

• Berekening van de oplossingsgrenzen (solubility limits) voor calciumcarbonaat, calciumsulfaat, bariumsulfaat, strontiumsulfaat en silicaten.

• Aanbevelingen voor de optimale dosering van antiscalant in mg/L, afgestemd op het gewenste terugwinningspercentage.

• Scenario's voor verschillende bedrijfsomstandigheden (temperatuur, druk, terugwinning) om ook belastingswisselingen en schommelingen in het ruwe water op te vangen.

Door deze simulatiegestuurde aanpak zorgen we ervoor dat:

• precies het juiste antiscalant voor de betreffende waterchemie wordt gekozen,

• de installatie met maximaal mogelijke terugwinning kan worden gebruikt,

• Betrouwbaar voorkomen van kalkaanslag en verlenging van de reinigingsintervallen.

Zo combineren we wetenschappelijk onderbouwde berekeningen met praktische bedrijfszekerheid – en bieden we exploitanten een op maat gemaakte oplossing voor een efficiënt beheer van hun membraaninstallaties.

Membraaninstallaties worden tijdens het gebruik blootgesteld aan verschillende belastingen. Afzettingen kunnen van minerale, organische of biologische oorsprong zijn – vaak ook in combinatie. Een effectieve CIP-strategie (Cleaning-in-Place) moet daarom precies zijn afgestemd op het soort afzettingen om deze te verwijderen zonder de membranen te beschadigen.

Typische soorten afzettingen en hun reiniging:

• Minerale afzettingen (scaling): hiertoe behoren calciumcarbonaat, calciumsulfaat, bariumsulfaat, strontiumsulfaat of silicaten. → Behandeling met zure reinigingsmiddelen (bijv. citroenzuur, fosforzuur of organische complexvormers), die de zouten oplossen en het membraanoppervlak weer vrijmaken.

• Metalen afzettingen (ijzer, mangaan, aluminium): ontstaan door corrosieproducten of onvoldoende voorbehandeling. → Verwijdering door speciale complexvormers of reductiemiddelen die de oxidatieproducten weer oplossen.

• Organische aanslag: humusstoffen, oliën, vetten of oppervlakteactieve stoffen kunnen de poriën van het membraan verstoppen. → Reiniging met alkalische reinigingsmiddelen die oppervlakteactieve stoffen bevatten en organische stoffen dispergeren.

• Biofouling (microbiologische aanslag): bacteriekolonies en biofilms veroorzaken drukverlies en hygiënerisico's. → Verwijdering met alkalische reinigingsmiddelen met enzymen of dispergeermiddelen, eventueel gevolgd door desinfectie met niet-oxidatieve biociden.

Strategische punten bij CIP-planning:

• Combinatie van reinigingsmiddelen: Vaak is een afwisselende zuur + alkalische reiniging nodig om gemengde vervuiling te verwijderen.

• Volgorde: In de regel wordt eerst alkalisch (tegen organische aanslag en biofilms) en vervolgens zuur (tegen minerale afzettingen) gereinigd.

• Bedrijfsparameters: temperatuur, pH en contacttijd moeten nauwkeurig worden aangehouden om een maximaal effect bij een minimale membraanbelasting te bereiken.

• Monitoring: controle van het succes via verschildruk, permeaatstroom en zoutretentie – pas wanneer deze parameters zich stabiliseren, wordt de CIP als succesvol beschouwd.

Met deze op de afzetting afgestemde reinigingsstrategie kunnen exploitanten ervoor zorgen dat afzettingen gericht worden verwijderd, de membranen worden ontzien en de oorspronkelijke prestaties van de installatie worden hersteld.