Effekten av en ökad finblåsig luftning på slamegenskaper och på igensättningen av membranen i en membranbioreaktor studerades i två parallella MBR-reaktorer under kontrollerade förhållanden. Resultatet visade att ökade skjuvkrafter genom ett fördubblat luftflöde ökade såväl den totala som den irreversibla igensättningen av membranen.
Av: Bengt Andersson
Studier av igensättningsproblematiken för membranbioreaktorer (MBR) fokuserar ofta på åtgärder som fysiskt motverkar igensättning av membranen och mindre ofta på driftförhållanden som har en negativ påverkan på filtreringsegenskaperna hos slammet i bioreaktorn. Påverkan av skjuvkrafter genom den grovblåsiga luftningen nära membranen har belysts tämligen omfattande medan effekten av skjuvkrafterna på slamflockarna i bioreaktorn till följd av variationer i den finblåsiga luftningen för att upprätthålla rätt syrehalt har ägnats väsentligt mindre uppmärksamhet.
En ökad luftning förändrar hastighetsgradienten i reaktorn, där en mindre gradient medför större flockar i bioslammet och en större gradient mindre flockar som kan bilda en tjockare slamkaka och gelskikt på membranen. En större gradient kan även frigöra små fragment av lösliga mikrobiella produkter (SMP) från slamflockarna till omgivande vätska. Påverkas balansen mellan extracellulära polymerer (EPS) i slammet och i vätskefasen (SMP) kan igensättningen av membranen öka genom ett större blockeringsmotstånd i membranporerna.
Skjuvkrafter i bioreaktorn kan ha en stor betydelse för igensättning av membranen i en MBR-anläggning. Syftet med studien var att genom mätning av slamegenskaper och igensättningshastighet i ett kontrollerat försök belysa och kvantifiera den finblåsiga luftningens korttidseffekt och mekanismerna för flockning och flocknedbrytning genom att koppla dessa egenskaper till igensättningen av membranen.
Genomförande av undersökningen
Försöken utfördes i två identiska MBR i laboratorieskala med en bioreaktor med finblåsig luftning, en membrantank med plattmembran som belastades med ett flöde motsvarande 13 l/m2*h, med en porstorlek av 0,4 mm och med grovblåsig luftning för kontroll av igensättning samt en tank med membran av samma typ för bestämning av igensättning av membranen. Försöksanläggningarna belastades med ett kommunalt avloppsvatten.
Under normal drift erfordrades en lufttillförsel av omkring 25 m3 luft per timma per m3 slam för att upprätthålla cirka 2 mg/l löst syre i reaktorerna. Vid försöket initierades en störning i den ena reaktorn (försöksreaktorn) genom en ökning av lufttillförelsen till 50 m3 luft per timma per m3 slam under 18 timmar medan den andra reaktorn (referensreaktorn) drevs oförändrad. Mätningarna startade 24 timmar innan ökningen av luftningen och fortsatte 85 timmar efter det att luftningen hade återställts till det ursprungliga flödet.
Förändringen av sönderslagning av flockarna följdes genom mätning av partikelstorleksfördelning (PSD) i området mellan 10 och 300 mm, halten SMP i vätskefasen samt bestämning av koncentrationen submikronpartiklar i området 10 – 450 nm. Dessutom analyserades fraktioner av organiskt material som biopolymerer, humussyror och lågmolekylära syror. Vid igensättningsmätningarna mättes TMP (transmembrantrycket), temperatur och flödesbelastning kontinuerligt online. Mätningen av den irreversibla igensättningen baserades på en teknik med ökning av flödesbelastningen i steg om 5 l/m2*h i intervallet 5 – 100 l/m2*h och den totala igensättningen mättes vid en superkritisk flödesökning av 50 l/m2*h.
Resultat
En ökning av den finblåsiga luftningen i försöksreaktorn påverkade både den totala och den irreversibla igensättningen av membranen. Den totala igensättningshastigheten fördubblades från 3,54 till 7,43 m-1s-1. Igensättningen minskade snabbt då luftflödet återställdes men den återgick inte till ursprungsvärdet utan värdet blev cirka 50 % högre än i referensreaktorn. Den irreversibla igensättningen var en långsammare process och den förändrades inte omedelbart då störningen initierades. Den ökade emellertid med omkring 35 % jämfört med referensreaktorn från 3,01 till 4,15 m-1s-1 efter återställningen. Fysisk borttagning av gelskiktet på membranen medförde ingen minskning av igensättningen och det kunde konstateras att orsaken var blockering av membranporerna.
Halten SMP i vätskefasen i försöksreaktorn fördubblades i förhållande till referensreaktorn några timmar efter initiering av störningen. Halten minskade åter några timmar efter det att luftningen återställts genom inkorporering i slamflockarna. Koncentrationen av submikronpartiklar ökade även vid störningen men återgick till ursprungsnivå redan innan störningen upphörde, vilket visade att dessa partiklar hade lättare att återflockas. En högre halt av såväl SMP som submikronpartiklar i vätskefasen bidrog till en ökad irreversibel igensättning.
PSD i försöksreaktorn förändrades 5 timmar efter initiering av störningen med en förskjutning till en större andel mindre partiklar, där fördelningens maxvärde minskade från 43 till 20 mm. Även om fördelningskurvan försköts mot större partiklar efter det att luftningen återställts uppnåddes ett nytt jämviktstillstånd efter 6 timmar med mindre partikelstorlek än den ursprungliga med fler partiklar mellan 10 och 40 mm och färre mellan 40 och 300 mm. Effekten på PSD var endast delvis reversibel och störningen skapade mera kompakta flockar som var mindre porösa och gav en mindre genomsläpplig slamkaka på membranen.
Genom försöket kunde effekten av en ökad luftning studeras oberoende av andra källor som medför ökade skjuvkrafter. Variationer i lufttillförseln till bioreaktorn skapas t.ex. vid varierande inflöde, variationer i slamhalt, dåligt utformade syreregulatorer och dåligt underhållna och kalibrerade mätare. Preventiva åtgärder som att undvika stora belastningsvariationer och att införa återflockningszoner samt avhjälpande åtgärder som dosering av flockningsmedel kan vidtas för att minska den negativa effekten av en ökad luftningsintensitet på igensättning av membranen.
Slutsatser
Studien visade att
- Genom en ökad finblåsig lufttillförsel ökade andelen mindre partiklar i bioreaktorn. PSD ändrades efter det att luftningen återställts till ett nytt jämviktstillstånd med högre andel större partiklar men med mindre partikelstorlek än den ursprungliga, vilket visade att återflockningen var snabb men ofullständig. Förändringar i PSD till mindre partiklar och flockar ökade filtreringsmotståndet genom bildandet av en mindre permeabel slamkaka på membranen.
- Dynamiken i flockegenskaperna avspeglades i igensättningshastigheten, där den totala igensättningen ökade kraftigt under störningen och minskade igen efter störningen dock inte till utgångsläget. Den irreversibla igensättningen ökade kontinuerligt efter störningen genom porblockering på grund av en högre koncentration av SMP och submikronpartiklar.
- Hållbara lösningar för att förhindra stora skjuvkrafter vid finblåsig luftning bör undersökas ytterligare
Källa: L. D Temmerman, T. Maere, H. Temmink, A. Zwijnenburg. The effect of fine bubble aeration intensity on membrane bioreactor sludge characteristics and fouling. Water Research 76 (2015) pp 99 – 109.
