Domestic and industrial water demands are growing globally due to population growth and rapid economic development, placing increasing strains on water resources. Wastewater effluents generated from these and other activities impact the environment and are thus subject to tightening regulation. The focus of research and development in water treatment processes aims at both pollutant removal efficiency and cost of purification. Membrane distillation (MD) is a developing thermally driven technology capable of achieving extremely high environmental performance utilizing renewable energy sources to a high degree. District heating networks, and in particular those driven by biomass, represent an ideal heat supply for MD systems. This thesis presents a technoeconomic assessment of district heating driven MD for water purification in selected industrial applications. The study covers analysis of MD separation performance and the related costs from different district heating integration scenarios. The analyses are based on three types of semi-commercial MD modules, with experiments conducted at laboratory and pilot scales. The case studies include pharmaceutical residue removal from effluents of municipal wastewater treatment plant, wastewater purification in pharmaceutical industry, and ethanol concentration in bioethanol production plant. Full-scale simulation studies were carried out for the identified case studies based on the experimental data obtained from MD module along with process information gathered from the industries. Results from the pharmaceutical residue removal pilot trials showed very good to excellent separation efficiency for 37 compounds at feed concentrations ranging from ng/L to mg/L. From alcohol-water feeds, ethanol concentrations were increased from 5% to nearly 90%. Simulation studies revealed that district heating integration of MD systems is feasible. Costs per unit volume of purified water are higher than competing technologies, however the configurations enable enhanced environmental performance that would be difficult to achieve otherwise. / Kommunala och industriella vattenkrav växer globalt på grund av befolkningstillväxt och snabb ekonomisk utveckling, vilket ökar belastningen på vattenresurserna. Avloppsvatten från alla verk-samheter påverkar miljön och är därmed föremål för tilltagande reglering. Fokus i forskning och utveckling av vattenreningsprocesser syftar till att både öka effektiviteten i avlägsnandet av föroreningarna och att minska kostnaderna för detta. Membrandestillation (MD) är en ny termiskt driven teknik som kan uppnå extremt hög miljö-prestanda genom att den är effektiv och i hög grad kan drivas av förnybara energikällor. Fjärrvärmesystem, särskilt de som drivs av biomassa, utgör en idealisk värmeförsörjning för ett MD-system. Avhandlingen presenterar en teknoekonomisk bedömning av fjärrvärmedriven MD för vattenrening i utvalda industriella applikationer. Studien analyserar MD-systemets separations-prestanda och kostnader i olika fjärrvärmeintegrationsscenarier. Analyserna baseras på tre typer av semi-kommersiella MD-moduler, med experiment utförda på laboratorie- och pilotskala. Fallstudierna innefattar: borttagning av läkemedelsrester från avloppsvatten från kommunalt avloppsreningsverk; avloppsvattenrening i läkemedels-industrin; och uppkoncentrering i bioetanolproduktionsanläggning. Fullskaliga simuleringsstudier har utförts för fallstudierna baserat på experimentella data erhållna från MD-modulen och med processinformation som samlats in från industrin. Resultaten från försöken med läkemedelsrester visade mycket god till utmärkt separationseffektivitet för 37 föreningar vid förorenings-koncentrationer som sträckte sig från ng/liter till mg/liter. Vid uppkoncentrering av alkohol ökades etanolhalten från 5 % till nära 90 %. Simuleringsstudier visade att fjärrvärmeintegration av MD-system är möjlig. Kostnader per volym renat vatten är högre än konkurrerande teknik, men konfigurationerna möjliggör förbättrad miljöprestanda som skulle vara svår att uppnå på annat sätt. / <p>This doctoral research has been carried out in the context of an agreement on joint doctoral research supervision between KTH Royal Institute of Technology, (Stockholm, Sweden), and Politecnico di Torino − PoliTo, (Turin, Italy). Erasmus Mundus Joint Doctorate, SELECT+ (Environomical pathways for sustainable energy services) program. QC 20170523</p> / SLECT+ Erasmus Mundus Joint Doctoral Program
| Identifer | oai:union.ndltd.org:UPSALLA1/oai:DiVA.org:kth-207627 |
| Date | January 2017 |
| Creators | Woldemariam, Daniel Minilu |
| Publisher | KTH, Kraft- och värmeteknologi, Stockholm |
| Source Sets | DiVA Archive at Upsalla University |
| Language | English |
| Detected Language | Swedish |
| Type | Doctoral thesis, monograph, info:eu-repo/semantics/doctoralThesis, text |
| Format | application/pdf |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
| Relation | TRITA-KRV, 1100-7990 ; 17-02 |
Page generated in 0.0032 seconds