Fouling is één van de meest voorkomende oorzaken van prestatieverlies in omgekeerde osmose (RO) en ultrafiltratie (UF) systemen. Het begrip verwijst naar membraanvervuiling: een ophoping van stoffen op of in het membraan. Fouling heeft directe invloed op de efficiëntie van het systeem en leidt vrijwel altijd tot lagere capaciteiten, hogere drukken, hogere drukverschillen, lager rendement en een hoger energieverbruik.
Wat is fouling?
Hoewel fouling één verzamelnaam is, zijn er meerdere types die elk op een andere manier ontstaan:
1. Biofouling
Wat is bioflouling?
Biofouling in membraan technologieën zoals RO en UF is een ophoping van micro-organismen, zoals bacteriën, algen en schimmels, die zich aan het membraan hechten en daar verder groeien. Hierdoor ontstaat een plakkerige biofilm, die de doorlaat van water vermindert en de druk verhoogd waardoor het energieverbruik stijgt.
Hoe ontstaat biofouling?
Het ontstaan van biofouling is afhankelijk van verschillende factoren. In eerste instantie moeten de micro-organismen aanwezig zijn in het water. Ook moeten de juiste condities aanwezig zijn voor de mirco-organismen om te groeien, zoals voldoende organische en anorganische voedingsstoffen, hoge temperatuur en zuurstof. Dat laatste is afhankelijk of de bacteriën zuurstof nodig hebben om te groeien (aerobe bacteriën) of geen zuurstof nodig hebben (anaerobe bacteriën). Ook factoren zoals stromingssnelheid en het type membraanoppervlak beïnvloeden de vorming van biofilms.
Waar komt biofouling veel voor?
Biofouling van membraan systemen komt veel voor wanneer bassin water, oppervlakte water of drainwater wordt behandeld. De kans wordt groter wanneer het water warm is en stilstaat. Zo ontstaat er in de zomer vaak een algenbloei in dat is opgeslagen open bassins of bij oppervlakte water. In vuil drainwater veel microbiologie die ook voor biofouling kunnen zorgen.
Hoe voorkom je biofouling?
Biofouling kan op verschillende manieren worden voorkomen. Vaak gebeurt dit door middel van voorfiltratie en ontsmetting van het water voordat het door een RO-membraan wordt geleid. Voorfiltratie kan bestaan uit zandfiltratie of ultrafiltratie (UF), die micro-organismen fysiek verwijderen. UV-ontsmetting of chemische desinfectie doodt micro-organismen, waardoor ze geen biofilm meer kunnen vormen op het RO-membraan. Door een goede combinatie van mechanische filtratie en ontsmetting wordt het risico op biofouling aanzienlijk verminderd.
2. Organische fouling
Wat is organische vervuiling?
Organische vervuiling in RO- en UF-systemen ontstaat wanneer natuurlijke, kunstmatige of door micro-organismen uitgescheiden organische stoffen zich aan het membraanoppervlak hechten. Dit kan humuszuren, suikers, vetten, oliën, pesticiden of andere organische moleculen omvatten. Hierdoor vormt zich een organische laag die de doorlaat van water vermindert, de druk verhoogt en het energieverbruik van het systeem doet toenemen.
Hoe ontstaat organische fouling?
Organische fouling ontstaat doordat zowel het membraanoppervlak als de organische stoffen een bepaalde elektrische lading hebben, waardoor ze elkaar aantrekken. Dit proces wordt ook wel adsorptie genoemd. Het risico op organische fouling hangt af van het type organische stof, het membraantype en de waterchemie, zoals de pH-waarde, die de lading van zowel het membraan als de organische stoffen beïnvloedt.
Waar komt organische fouling veel voor?
Organische fouling treedt vooral op bij de behandeling van oppervlaktewater en drainwater. Drainwater bevat vaak veel verschillende organische stoffen, zoals wortelexudaten, humuszuren, organische meststoffen en pesticiden. Bij het gebruik van organische substraten, bijvoorbeeld kokosvezel, is de kans op fouling hoger. Ook in oppervlaktewater kan organische vervuiling voorkomen, bijvoorbeeld door industriële lozingen. Organische fouling en biofouling versterken elkaar vaak: organische lagen bieden voedingsstoffen voor micro-organismen, die vervolgens biofilms vormen. Ook scheiden bijvoorbeeld algen organische stoffen uit die ook weer hechten aan het membraan.
Hoe voorkom je organische fouling?
Organische fouling kan worden voorkomen door effectieve voorbehandeling van het water. Veel toegepaste methoden coagulatie, actief kool filters, ultrafiltratie of nanofiltratie voor het (gedeeltelijk) verwijderen van organische stoffen. Ook kan voorfiltratie middels oxidatie met ozon, waterstofperoxide of vrij chloor, die organische stoffen afbreken voordat ze aan het membraan hechten. Hierbij is voorzichtigheid geboden, omdat deze oxidanten ook het membraan kunnen beschadigen.
3. Colloïdale fouling
Wat is colloïdale fouling?
Colloïdale fouling en fouling door vaste stoffen is het vormen van een compacte laag op het membraanoppervlakte door het ophopen van zwevende vaste stoffen zoals klei, zand, colloïdaal silica en ijzerdeeltjes. De vaste stoffen verstoppen het membraan waardoor de doorlaat van water vermindert, de druk verhoogt en het energieverbruik van het systeem doet toenemen. Ook kan bij RO-membranen na langdurige blootstelling aan colloïdale fouling de verwijdering van opgeloste zouten verminderen, waardoor de EC in het permeaat stijgt.
Hoe ontstaat colloïdale fouling?
Colloïdale vervuiling ontstaat wanner onopgeloste en zwevende vaste stoffen het membraan systeem betreden. Deze stoffen zijn vaak te klein en licht om te bezinken en zijn geladen. Wanneer colloïdale en vaste stoffen ophopen kunnen deze onstabiel worden en hierdoor samenklonteren en aan het membraan hechten. Dit veroorzaakt een koeklaag op het membraan oppervlakte en kan de membraanporiën blokkeren. Factoren die hier een rol in spelen zijn de lading van het colloïdale deeltje, de pH van het water en aanwezigheid van multivalente ionen zoals calcium en magnesium.
Waar komt colloïdale fouling veel voor?
Colloïdale vervuiling komt veel voor bij het behandelen van drainwater en oppervlaktewater, maar kan ook voorkomen bij grondwater en in open bassins opgeslagen regenwater. Zo bevat drainwater fijne deeltjes die het substraat uitspoelen of slecht opgeloste meststoffen. Drainwater uit organische substraten zoals kokos bevatten vaak meer vaste zwevende deeltjes. Oppervlakte- en bronwater kan klei en/of zand deeltjes bevatten. Bij hevige wind of regen kunnen klei- of zanddeeltjes in een open bassin terecht komen.
Hoe voorkom je colloïdale fouling?
Om colloïdale fouling te voorkomen is voorfiltratie essentieel. Veel gebruikte voorfiltratie technieken om colloïdale en vaste deeltjes te verwijderen zijn zand- of multimediafiltratie, papierbandfilters, automatische screen filters, disc-filters en kaarsfilters. Daarnaast kan ook coagulatie worden ingezet om colloïdale deeltjes samen te klonteren. Ook kan ultrafiltratie worden ingezet om colloïdale deeltjes te verwijderen.
Scaling
Naast fouling, bestaat er ook scaling. Deze termen worden soms met elkaar verward. Scaling ontstaat door minerale kristallisatie, terwijl fouling het gevolg is van biologische, organische of colloïdale vervuiling. Omdat de aanpak per probleemtype verschilt, is het belangrijk het onderscheid goed te begrijpen, in het artikel Wat is fouling en hoe ontstaat het lichten we dat verder toe.
Hoe herken je fouling?
Biofouling, organische fouling en colloïdale fouling hebben ieder vergelijkbare maar ook andere effecten op de prestaties van een membraan systeem. Ook is dit afhankelijk van het type membraan technologie die wordt toegepast.
Bij ultrafiltratie (UF) veroorzaken alle drie typen fouling een toename van de membraanweerstand. Dit leidt tot een hogere druk en een lagere waterproductie. Ook neemt het drukverschil over het membraan toe.
Bij omgekeerde osmose (RO) leidt organische en colloïdale fouling tot een afname van de waterproductie. Colloïdale fouling veroorzaakt daarnaast een stijging van het drukverschil over het membraan en kan, bij ernstige vervuiling, de EC van het permeaat doen toenemen. Bij biofouling neemt voornamelijk het drukverschil over het membraan toe, maar ook de permeaat productie kan afnemen.
Fouling herkennen: monitoring is essentieel
Regelmatige monitoring van de systeem prestaties helpt om beginnende vervuiling snel op te sporen. Een platform zoals HydroPatrol biedt real-time inzicht in druk, flow, waterkwaliteit en trends, waardoor fouling vroeg wordt gedetecteerd en onderhoud exact op het juiste moment kan worden uitgevoerd.