Simulated surface water treatment, using hybrid oxidation processes ( ozonation) and ceramic membranes

Abstract

Membrane systems are well recognized methods for the treatment of various waters and wastewaters. However, the biggest drawback connected with membrane operation is the membrane fouling, which has to be addressed in order to maintain stable membrane operation. Several methods have been developed in order to limit membrane fouling, where the most popular one is the use of pre-treatment. New approach for mitigation of membrane fouling is combining membrane process with another water treatment process in a hybrid system, with the aim of improving membrane operation and permeate quality. The result of a hybrid processes should be a better overall system performance, than when using the combined processes alone. This study is focused on the hybrid processes of ceramic membrane microfiltration coupled with Advanced Oxidation Processes (AOPs) based on ozonation, for the treatment of contaminated surface water. It can be found in the literature that ozone has been used as a pretreatment for membrane filtration, however no research has been done on performing these two processes simultaneously, as it will be presented in this study. Usually studies performed on using ozone as a pretreatment for membrane filtration focus on the quality of water produced or on the improvement in the membrane operation, while these two aspects of the processes should be studied together as they influence each other. Two experimental units have been designed and constructed in order to perform hybrid microfiltration-ozonation processes, where two types of ozone-resistant ceramic membranes have been used. Gas mixture containing ozone has been added by means of porous gas spargers producingfine bubbles in both units. Different modes of application of ozonation have been tested, such as pre-ozonation, as well as intermittent and continuous ozonation simultaneous to membrane microfiltration. The impact of ozonation on the process performance have been both established for the quality of the water produced as well as for the membrane operation and mitigation of membrane fouling. Total consumption of the ozonedosages applied to the system was achieved, while no dissolved ozone was present in the treated water and permeates. Two Advanced Oxidation Processes have been studied: ozonation and ozonation in the presence of hydrogen peroxide, and the impact of oxidation on the humic acid molecules present in surface water has been determined. The impact of the background water matrix has also been established on the oxidation effectiveness as well as on the membrane performance. Finally, the mechanisms of membrane fouling and the interactions between membrane fouling and permeate quality are discussed. Novel features of this dissertation include the following: Two systems were designed and constructed for the purpose of performing hybrid membrane filtration with ozonation in a simultaneous mode are presented. Various modes and dosages of ozone were applied and their influence on both membrane operation and permeate quality is evaluated. Total ozone consumption during the experiments was achieved,with no dissolved ozone presentin the waterunder oxidation treatmentand produced permeates. The relationship between contaminants removal and the fouling mechanism and extent during membrane filtartion is evaluated. The impact of the background water matrix on the membrane fouling and permeate quality was investigated

Οι διεργασίες μεμβρανών αποτελούν πλέον διαδεδομένες μεθόδους για την επεξεργασία υδάτων και υγρών αποβλήτων. Ωστόσο, το μεγαλύτερο μειονέκτημα που συνδέεται με τη λειτουργία των μεμβρανών είναι η ρύπανση της μεμβράνης, η οποία πρέπει να αντιμετωπιστεί προκειμένου να διατηρηθεί η σταθερή λειτουργίας της διεργασίας. Αρκετές μέθοδοι έχουν αναπτυχθεί προκειμένου να αντιμετωπιστεί το πρόβλημα της ρύπανσης των μεμβρανών, από τις οποίες η πιο δημοφιλής είναι η επεξεργασία της τροφοδοσίας. Μια νέα προσέγγιση για τον περιορισμό της ρύπανσης των μεμβρανών είναι ο συνδυασμός τους με άλλες διεργασίες επεξεργασίας σε ένα υβριδικό σύστημα, με σκοπό τη βελτίωση της λειτουργίας της μεμβράνης καθώς και της ποιότητας του διηθήματος. Το αποτέλεσμα μιας υβριδικής διεργασίας πρέπει να είναι μια βελτιωμένη λειτουργία του συστήματος σε σχέση με τη λειτουργία μόνο των επιμέρους διεργασιών. Η παρούσα μελέτη επικεντρώνεται στις υβριδικές διεργασίες των κεραμικών μεμβρανών μικροδιήθησης συνδυασμένες με Προχωρημένες Οξειδωτικές Τεχνικές βασιζόμενες στον οζονισμό, για την επεξεργασία ρυπασμένου επιφανειακού νερού. Στη διεθνή βιβλιογραφία υπάρχουν αναφορές για τη χρήση του όζοντος ως μεθόδου προ-επεξεργασίας των μεμβρανών διήθησης, ωστόσο δεν έχει πραγματοποιηθεί καμία έρευνα σχετικά με την ταυτόχρονη λειτουργία αυτώντωνδιεργασιών, όπως θα παρουσιαστεί στη συγκεκριμένη μελέτη. Συνήθως οι μελέτες που διεξήχθηκαν σχετικά με τη χρήση του όζοντος ως μεθόδου προ-επεξεργασίας της διήθησης μεμβρανών εστιάζουν είτε στην ποιότητα του παραγόμενου νερού είτε στη βελτίωση της λειτουργίας της μεμβράνης, ενώ οι δυο αυτοίπαράμετροι πρέπει να εξετάζονται από κοινού καθώς επηρεάζει άμεσα ο έναςτον άλλο. Δυο πειραματικές μονάδες σχεδιάστηκαν και κατασκευάστηκαν με σκοπό τη πραγματοποίηση δοκιμών εφαρμόζοντας υβριδική διεργασία μικροδιήθησης-οζονισμού, όπου δυο τύποι ανθεκτικών στο όζον κεραμικών μεμβρανών χρησιμοποιήθηκαν. Αέριο μίγμα που περιείχε όζον μεταφερόταν στο ρυπασμένο νερό μέσω πορωδών γυάλινων διαχυτήρων παράγονταςμικρές φυσαλίδες και στις δυο μονάδες. Διαφορετικοί τρόποι λειτουργίας του οζονισμού δοκιμάστηκαν, όπως πρό-οζονισμός, διαλείπουσα και συνεχή λειτουργία του οζονισμού μαζί με τη μικροδιήθηση. Η αξιολόγηση της επίδρασης του οζονισμού στην απόδοση της διεργασίας στηρίχθηκε τόσο στη ποιότητα του παραγόμενου διηθήματος όσο και στη λειτουργία του συστήματος και τον περιορισμό της ρύπανσης της μεμβράνης. Από τα αποτελέσματα των δοκιμών παρατηρήθηκε πως είναι δυνατή η πλήρης κατανάλωση των δόσεων του όζοντος που εφαρμόστηκαν στο σύστημα καθώςδενανιχνεύτηκαν συγκεντρώσεις διαλυμένουόζοντοςστο επεξεργασμένο νερό. Δυο προχωρημένες οξειδωτικές τεχνικές μελετήθηκαν: οζονισμός και οζονισμός με τη παρουσία υπεροξειδίου του υδρογόνου, και προσδιορίστηκε η επίδραση της οξείδωσης των μορίων των χουμικών οξέων, τα οποία εντοπίζονται κυρίως στο επιφανειακό νερό. Επίσης, μελετήθηκε η επίδραση των χαρακτηριστικών του νερού στην αποτελεσματικότητα της οξείδωσης καθώς και στη λειτουργία της μεμβράνης. Τέλος, οι μηχανισμοί ρύπανσηςτων μεμβρανών καθώςκαιη επίδραση τους στην ποιότητα του διηθήματος εξετάστηκαν