Recirculerende aquacultuursystemen (RAS) zijn een belangrijke ontwikkelingsrichting geworden in de moderne aquacultuur en bieden voordelen op het gebied van waterbehoud, stabiele productie en vermindering van de lozing in het milieu. Deze systemen produceren echter afvalwater dat hoge concentraties zwevende vaste stoffen, verontreinigende stoffen op basis van stikstof{1}} en fosfor- en grote hoeveelheden opgelost organisch materiaal bevat. Als dergelijk afvalwater zonder de juiste voorbehandeling een nanofiltratiesysteem binnendringt, zal er ernstige membraanvervuiling optreden, waardoor de flux snel afneemt en de operationele kosten stijgen. Om deze reden is het selecteren van een effectieve voorbehandelingstechnologie van cruciaal belang voor het handhaven van de stabiliteit van de NF-werking.
Recent onderzoek vergeleek twee belangrijke voorbehandelingstechnologieën-flocculatie en ultrafiltratie- om hun prestaties op het gebied van de verwijdering van verontreinigende stoffen, de invloed op de afname van de NF-flux en de kenmerken van membraanvervuiling te analyseren. De bevindingen bieden waardevolle technische richtlijnen voor het selecteren van geschikte voorbehandelingsprocessen bij RAS-afvalwaterbehandeling.
Bij de voorbehandeling met uitvlokking vertoonde natriumalginaat de beste prestatie onder de drie geteste uitvlokmiddelen. Bij een optimale dosering van 45 mg/l en een roersnelheid van 1200 tpm werd een maximale verwijderingssnelheid van zwevende deeltjes bereikt van 79,70%. De verwijderingsefficiëntie voor ammoniakstikstof, nitraat, nitriet en sulfiden was echter over het algemeen minder dan 40%, wat aangeeft dat uitvlokking onvoldoende is voor opgeloste verontreinigende stoffen die vaak worden aangetroffen in het staartwater van de aquacultuur. Uit de studie bleek ook dat natriumalginaat kleine, compacte vlokken vormt die de neiging hebben zich op het NF-membraanoppervlak af te zetten, waardoor een dichte cakelaag ontstaat. Vanwege zijn natuurlijke polysacharidestructuur biedt natriumalginaat ook een substraat voor microbiële groei tijdens de verlengde bezinkingsperiode, waardoor de biologische vervuiling op het NF-membraan aanzienlijk toeneemt. Als gevolg hiervan is het fluxherstel na reiniging relatief slecht, wat erop wijst dat vervuiling veroorzaakt door flocculatie hechter is en moeilijker te verwijderen is.
Ultrafiltratie (UF)-membranen, met poriegroottes van 0,01–0,1 μm, vertonen daarentegen uitstekende prestaties bij het verwijderen van zwevende vaste stoffen, waarbij een verwijderingspercentage van wel 98,54% wordt bereikt. Hoewel UF een beperkt vermogen heeft om stikstof- en fosforverontreinigende stoffen te verwijderen, vermindert het effectief de deeltjesbelasting die het NF-systeem binnendringt. Als gevolg hiervan vormt het NF-membraan tijdens bedrijf een lossere cakelaag, waardoor verstopping van de poriën wordt verminderd en de toename van de transmembraandruk wordt vertraagd. Volgens NF-prestatietests vertoonde afvalwater dat was voorbehandeld met UF een hogere initiële flux, een langzamere fluxdaling en een aanzienlijk beter fluxherstel na herhaalde reinigingen vergeleken met uitvlokken-voorbehandeld water. Dit geeft aan dat UF onomkeerbare vervuiling op het NF-membraan aanzienlijk kan vertragen.
Verdere analyse met behulp van excitatie-emissiematrix (EEM) fluorescentie toonde aan dat de reinigingsoplossing van het flocculatie-NF-systeem sterke pieken bevatte die oplosbare microbiële bijproducten vertegenwoordigden, terwijl deze pieken vrijwel afwezig waren in het UF-NF-systeem. Dit bevestigt dat langdurige bezinking en de polysacharide aard van natriumalginaat de microbiële groei bevorderen, waardoor de membraanvervuiling in de NF-fase toeneemt.
Over het geheel genomen laat de vergelijking duidelijk zien dat ultrafiltratie effectiever is dan uitvlokking als voorbehandelingsmethode voor nanofiltratie van recirculerend afvalwater van de aquacultuur. Hoewel uitvlokken een goedkope optie is voor de initiële deeltjesverwijdering, leiden de vlokeigenschappen en de microbiële risico's ervan tot ernstigere, onomkeerbare membraanvervuiling. Daarom wordt verwacht dat een UF + NF-geïntegreerd membraanproces een sleuteltechnologie zal worden voor geavanceerde behandeling en hergebruik van RAS-afvalwater.
Naarmate de aquacultuurproductie toeneemt en de milieuregels strenger worden, zullen onderwerpen als vervuilingsbestrijding door nanofiltratie, optimalisatie van de voorbehandeling van ultrafiltratie en de ontwikkeling van NF-membranen met lage- hoge druk-efficiëntie de aandacht blijven trekken. Het integreren van UF en NF in compactere en energie-efficiëntere membraansystemen zal de transformatie van de afvalwaterbehandeling van de aquacultuur naar het terugwinnen van hulpbronnen, verminderde lozingen en een duurzamer waterbeheer bevorderen.
