Rainwater Harvesting: A Study on Gravity-Driven Ceramic Membranes for Non-Potable Water Use

Abstract

How can our water consumption become more sustainable? How can our consumption of drinking water decrease? With increasing temperatures, climate changes, and population growth the questions becomes more important. To address this, a suggestion of reducing our drinking water consumption by utilizing rainwater is proposed. Rainwater can be used to flush our toilets, to wash clothes, and for irrigation. How do we harvest rainwater?
A gravity driven pilot-scale membrane facility has been installed at Kemicentrum in Lund consisting of two collection/storage tanks, one membrane tank and a permeate tank. Rooftop runoff from approximately 300 m2 was collected through the gutter system, redirected to the facility. The facility has a capacity of storing 5 m3 raw rainwater and 1 m3 filtered rainwater. The membrane is a ceramic silicon carbide membrane, consisting of 42 flat sheets with 0.1 µm pore size and a total 6.9 m2 membrane area, submerged in a tank with rainwater. The facility is entirely driven from the hydrostatic pressure from the water level above the membrane making the process uncomplicated and energy cheap. No pumps are required except an automatic pump which supplies two toilets with filtered rainwater by demand. During the study no cleaning of the membrane have been needed and hence no chemicals have been added to the system.
In this study, the membrane performance with tap water and rainwater have been compared in terms of hydraulics and an analysis of the physico-chemical properties of the water before and after filtration have been conducted.
The results from the physico-chemical analysis of unfiltered and filtered rainwater showed that the raw rainwater contained suspended particles, low pH, turbid appearance, and bad odor. The filtered rainwater was transparent and had a neutral pH and no odor. The hydraulic analysis showed that flux and permeability increased with increased water head. The ceramic membrane operated with hydrostatic pressure successfully filtered rainwater which has successfully been flushed in the two toilets connected to the facility without apparent differences to potable water.
Moreover, the results from the pilot have been used to provide a proposal for scaling the facility for the entire Kemicentrum. By installing a collection tank with a volume of 120 m3 and collect the rainwater runoff from both parking lots and part of the roof at a total area of 10,000 m2 the flushing in all toilets and water to washing machines could be supplied with filtered rainwater the whole year around at Kemicentrum. By this wastewater treatment plants could be relieved at the same time as less potable water could be used. The water consumption at Kemicentrum could thus be more sustainable.

Abstract (Swedish)

Hur kan vår vattenanvändning bli mer hållbar? Hur kan vi minska vår förbrukning av dricksvatten? Med stigande temperaturer, klimatförändringar och ökande befolkning blir dessa frågor allt viktigare. Ett förslag är att dra ner på vår dricksvattenkonsumption genom att använda regnvatten. Regnvatten kan användas till att spola i våra toalettstolar, till tvättmaskiner och till bevattning. Men hur kan regnvatten samlas in?
En membrananläggning i pilotskala driven av gravitationskraft har installerats på Kemicentrum i Lund, bestående av två insamlings-/lagringstankar, en membrantank och en permeat tank. Regnvattnet är takavrinning från ca 300 m2 takyta som samlades in via stuprören som letts in till anläggningen. Anläggningen har en volymskapacitet på 5 m3 för lagring av ofiltrerat regnvatten samt 1 m3 för filtrerat regnvatten. Membranet är ett keramiskt plattmembran av kiselkarbid med en porstorlek på 0,1 µm. Membranmodulen består av 42 plattor med en total membranarea på 6,9 m2 och är nedsänkt i membrantanken. Anläggningen drivs helt av det hydrostatiska trycket som uppstår från höjdskillnaden mellan vattennivån ovanför membranet och vattennivån i permeattanken, vilket gör processen okomplicerad och energibesparande. Den enda elektriciteten som används är en automatisk pump som försörjer två toaletter med filtrerat regnvatten efter behov. Under studien har ingen rengöring av membranet behövts och därmed har inga kemikalier tillsatts i systemet.
I denna studie har membranets prestanda med rent vatten och regnvatten jämförts och en analys av vattnets fysikalisk-kemiska egenskaper före och efter filtrering har utförts.
Resultaten från den fysikalisk-kemiska analysen av ofiltrerat och filtrerat regnvatten visade att regnvattnet innehöll partiklar, vilket gjorde att regnvattnet hade ett något surt pH-värde, grumligt utseende och dålig lukt. Det filtrerade vattnet var å andra sidan transparent och hade ett neutralt pH-värde och ingen lukt. Prestandatesterna visade att vatten kunde filtreras redan vid 15 mbar motsvarande vattenhöjd på 15 cm samt att fluxet och permeabiliteten ökade med ökande vattenhöjd. Det filtrerade regnvattnet har framgångsrikt spolats i de två toaletterna som är anslutna till anläggningen utan några uppenbara skillnader jämfört med dricksvatten.
Resultaten från pilotanläggningen har använts för att ta fram ett uppskalningsförslag av anläggningen. Ett förslag om att skala upp anläggningen för hela Kemicentrum har lagts fram. Genom att installera en stor insamlingstank med en volym på 120 m3 samt samla avrinningsvatten från både parkeringsplatser och en del av taket motsvarande 10 000 m2 kan spolningen i alla toaletter och vatten till tvättmaskiner försörjas med filtrerat regnvatten året om på Kemicentrum. Vid en sådan installation skulle vattenreningsverk kunna avlastas samtidigt som dricksvattenkonsumptionen skulle kunna minskas. Kemicentrums vattenanvändning skulle således kunna bli mer hållbar.

Popular Abstract (Swedish)

Gravitationsdrivna keramiska filter möjliggör användning av regnvatten i toalettstolar och tvättmaskiner
Genom att använda regnvatten kan den dagliga dricksvattenanvändningen minska med ca 30%. Regnvatten kan samlas in i vattentankar och filtreras genom nedsänkta mikrofilter membran. Membranen som drivs av det gravitationsskapade vattenpelartryck i vattentanken ger redan vid 15 cm vattenpelare 9 L/min vilket möjliggör en toalettspolning varje minut.
Varje dag förbrukar vi i genomsnitt 140 L livsmedelsklassat dricksvatten per person i Sverige. Av dessa 140 L står toalettspolning för 30 L och klädtvätt för 15 L. Med fler torra somrar och brist på vatten både i Sverige och i övriga världen ökar trycket på att säkra dricksvattentillgången. Samtidigt drabbas vi av allt mer intensiva skyfall som ger översvämningar som riskerar att förorena våra vattenreservoarer och förstöra egendomar. En lösning på ovannämnda problem är att dra nytta av regnet. Genom att samla in regnvatten ges avloppen mer tid att ta hand om vattnet samtidigt som det insamlade regnet kan användas i våra hushåll även när tillgången till dricksvatten är sämre. Vattnet i våra toalettstolar och det till våra tvättmaskiner kräver inte samma hög kvalitét som vattnet vi dricker och istället kan regnvatten användas. På så vis tas ett steg mot en mer hållbar vattenanvändning.
På Kemicentrum i Lund installerades en anläggning för insamlande av takavrinning för att ersätta dricksvattnet i två toalettstolar. För varje millimeter regn som faller på takets yta kan ca 270 L takavrinning samlas in. Regnvattnet som samlades in från taket och ner via stuprännor in till anläggningen var grumligt och illaluktande. Det renades upp genom att tryckas igenom ett keramiskt plattmembran med hjälp av trycket från vattenpelaren över membranet, skapat av gravitionskraften. Membranet fungerar som ett mycket fint kaffefilter. Vatten passerar igenom membranet medan de oönskade partiklarna stannar kvar. Det renade vattnet samlades i en egen tank och pumpades sedan in till toaletterna med en pumpautomat.
Resultaten från undersökningen visar att membrananläggningen ger ett genomskinligt och luktfritt vatten som redan vid 15 mbar motsvarande ett vattentryck från 15 cm vattenpelare klarar av att täcka toalettspolningsbehovet. Med detta tryck kan en spolning ske varje minut och vid större vattenpelare går filtreringen ännu fortare. Genom att använda regnvatten sparas det 6 L vatten per spolning som görs med toalettstolarna och ca 60 L vatten per tvätt.
Ett förslag till uppskalning av anläggningen för att ersätta dricksvattnet i Kemicentrums samtliga toalettstolar och tvättmaskiner togs fram. Resultatet visade att Kemicentrum skulle kunna spara runt 2 600 m3 dricksvatten årligen. För detta skulle det krävas att regnvatten från Kemicentrums två största parkeringsytor samt ca 20% av takytan leds om till en nedgrävd uppsamlingstank varifrån regnvattnet filtreras och pumpas in till fastigheten. Då kan hela Kemicentrum förses med dagvatten även under årets torraste månader. Med en investeringskostnad omkring 5,3 MSEK och teknisk avskrivning i 20 år gör att kostnaden för det renade regnvattnet hamnar omkring 90 SEK/m3.

• author: Braun, Oscar
• supervisor: Frank Lipnizki; Tobias Hey
• organization: Chemical Engineering (M.Sc.Eng.)
• course: VVAM05 20241
• year: 2024
• type: H2 - Master's Degree (Two Years)
• subject: Technology and Engineering
• keywords: Rainwater Harvesting, Membrane Filtration, Microfiltration, Ceramic Membranes, Gravity Driven Membranes, Rainwater, Stormwater, Sustainable Water Consumption, Water, Water and Environmental Engineering
• language: English
• id: 9151871
• date added to LUP: 2024-05-21 14:55:49
• date last changed: 2024-05-21 14:55:49