Verktøy for beslutningsstøtte og driftsoptimalisering av vannverk med membranrensing

Overhalla municipality, Jevnaker municipality and Kirkebygden and Ytre Enebakk water works are participants in an innovation project for the public sector where the goal is to develop tools for optimizing the design and operation of membrane facilities for drinking water treatment. SINTEF participates in the project as an R&D partner and Inrigo AS participates as an industry partner and technology supplier. The background for the project is the approximately 120 existing waterworks in Norway applying membranes. Membranes are primarily used to treat raw waters with high concentration of natural organic matter, due to their efficient removal of colour. Membranes are also effective hygienic barriers, which is essential for producing safe drinking water. Presuming optimal membrane selection, and that operating parameters are adapted according to the raw water characteristics, membrane-based water works are considered well-suited to handle future stress on water sources that relates to increased pollution and increased colour due to climate changes. The municipalities and water works request improved competence and new services to handle the following challenges: - How to select optimal treatment process and optimal membranes for new water works? - How to optimise operation of existing water works? - How can use of resources be reduced by automating the operation of the membrane stage? - How can membrane fouling be effectively diagnosed and handled? To answer the above question the project will develop a set of tools, including: - Tools for optimal design and membrane selection - Tools for optimising operation - Tools for diagnostics of operational problems An important part of the project is the implementation of pilot tests, where two different membrane types are operated in parallel with existing full-scale nanofiltration plants at the three waterworks participating in the project. Inrigo AS has been responsible for the design and construction of two pilot rigs. One pilot is built for testing ultrafiltration (UF) membranes with pre-coagulation. The other is a nanofiltration rig (NF) built for testing standard 8 "membrane elements. The pilots were ready to start up at Konovatnet waterworks in Overhalla in March 2020, where they were in operation until May 2021. The pilots were then moved to Jevnaker waterworks where they still operate. The last relocation of the pilots during the project period will take place in January 2022, where the pilots will be put into operation at Kirkebygden and Ytre Enebakk waterworks. The pilot operation will continue until the summer of 2022. SINTEF has during the project developed a methodology for autopsy of used membranes from waterworks. The purpose has been to develop tools that can determine the characteristics of membrane deposits (fouling), the cause of fouling formation and measures to avoid / reduce the effect of fouling. The methodology has been tested on membranes from both full-scale plants and from the operation of pilot plants at the three waterworks participating in the project. SINTEF has collected water samples from both raw water and purified water from the waterworks, which have been analyzed using both established and newly developed analysis methods to help explain the correlations between raw water quality and development of membrane fouling. In addition, operating data from recent years have been collected from the participating waterworks to assess the potential for optimizing the operation of the membrane plants. The project is now entering its final year. Most of the data collection has now been completed and the project is entering a final phase where the collected data will be analyzed with the aim of finding correlations between raw water quality, membrane type and operating parameters on the one hand and membrane performance and coating formation on the other. The new knowledge will then be used to prepare useful tools for optimization of design and operation of membrane facilities for drinking water treatment.

Nanofiltrering benyttes som renseprosess i ca. 150 vannverk i Norge. Prosessen er en effektiv hygienisk barriere, og sikrer god fargefjerning med små variasjoner i kvaliteten på det rensede vannet. Enkel drift med god og stabil vannkvalitet på renset vann selv ved høye fargetall i råvannskilden gjør at nanofiltrering er en velegnet prosess for norske forhold. Prosessen er spesielt velegnet for mindre og mellomstore anlegg på grunn av lavt ressurs behov for drift. Likevel opplever mange nanofiltreringsanlegg betydelige utfordringer med begroing av membranen, dvs. såkalt membranfouling. Fenomenet reduserer gradvis ytelsen til membranene, noe som resulterer både i redusert levetid, økning i driftstrykk, og økt vaskebehov. Konsekvensen er økte driftskonstander og dyrere drikkevann. De nevnte driftsutfordringene kan også resultere i redusert produksjonskapasitet og manglende leveringssikkerhet for abonnentene. FORKMEM har bidratt til økt kunnskap om sammenhengen mellom langtids membranytelse og faktorer knyttet til råvannskvalitet, design og drift av nanofiltreringsanlegg. Bedre forståelse av årsakene til beleggdannelse vil benyttes til å gi anbefalinger for design og drift av nanofiltreringsanlegg. Dette vil legge til rette for at vannverk med nanofiltrering kan redusere energiforbruk og kostnader til membranvask. Mindre hyppig membranvask resulterer også i økt produksjonstid og gir bedre kapasitet. Det viktigste er likevel at bedre design og drift vil bidra til å øke levetiden på membranene. Membrankostnaden utgjør ca. 30% av den totale investeringskostnaden til et membrananlegg, og å unngå hyppigere utskifting av membranene enn det som er nødvendig kan bety store økonomiske besparelser. FORKMEM har bidratt til å øke kompetansen på membranfiltrering hos SINTEF. Denne kompetansen har resultert i at SINTEF kan tilby etterspurte tjenester til vannverk og rådgivere/leverandører. Tjenestene inkluderer: - Utredning av driftsutfordringer o Membranobduksjon o Råvannskarakterisering o Analyse av driftsdata o Vurdering av årsaker og alternative tiltak - Vurdering av utskiftingsstrategi for membraner - Utredning/optimalisering av vaskekjemikalier Den økte kunnskapen som er generert gjennom FROKMEM vil være utgangspunkt for revisjon av en bransjeveileder for design og drift av membrananlegg som er utgitt av Norsk Vann. Utgivelse av revidert veileder er primo 2024. Dette vil tilgjengeliggjøre resultatene fra FORKMEM for norske kommuner og øvrige aktører i vannbransjen.

Det finnes ca. 120 membrananlegg for drikkevannsrensing i Norge. Disse brukes primært for behandling av råvann med høyt innhold av naturlig organisk materiale. Membraner fjerner effektivt farge fra råvannet. Membraner er også en effektiv hygienisk barriere, hvilket er viktig for å produsere et helsemessig trygt drikkevann. Gitt riktig valg av membrantype og gode driftsrutiner tilpasset aktuell råvannskvalitet, vurderes membrananlegg å være velegnet til å takle fremtidig økt press på råvannskilder, både i forhold til økt forurensing og økt fargetall på grunn av klimaendringer. Kommunene og vannverkseiere etterspør både ny kompetanse og tilgang til nye tjenester for å kunne svare på: - Hvordan velge riktig renseprosess og riktig membran i forbindelse med nye vannverk? - Hvordan optimalisere driften for eksisterende membrananlegg? - Hvordan kan man redusere driftsettersyn ved bruk av automatisering? - Hvordan kan vannverkene diagnostisere og effektivt håndtere problemer med beleggdannelse på membranene? Prosjektet skal gjennomføre pilottester, der to forskjellige membrantyper driftes parallelt med eksisterende fullskala nanofiltreringsanlegg hos tre deltagende vannverkene. I tillegg vil en prøve ut et bredt spekter av analyseteknikker for å finne frem til velegnede parametere for å kunne bestemme potensialet for beleggdannelse for NOM-holdig overflatevann. Prosjektet vil utvikle et sett med verktøy som svarer til vannverkenes behov, hvilket omfatter: - Verktøy for beslutningsstøtte ved valg av membranprosess og type membran - Verktøy for driftsoptimalisering - Verktøy for diagnostisering av driftsproblemer Partnere i prosjektet er tre vannverk, en leverandør av membrananlegg (Inrigo AS) og en FoU-institusjon (SINTEF). Vannverkenes rolle vil være knyttet til driftsoppfølging ved gjennomføringen av pilottester, samt at de vil involveres for utprøving og tilpasning av verktøyene for beslutningsstøtte, driftsoptimalisering og diagnostisering av driftsproblemer.