Målsättningen med refererad artikel är att ge en översikt av de nya rön som framkommit sedan 2010 vad gäller igensättning av membranen i membranbioreaktorer och vad gäller utvecklade strategier för kontroll av igensättningen.
Av: Bengt Andersson
En systematisk genomgång av litteraturen avseende membranbioreaktorer (MBR) för rening av kommunala avloppsvatten visar att det fortsatt finns ett stort intresse för utveckling av processen. Problematiken med igensättning av membranen har ägnats särskilt stor uppmärksamhet vid de studier, som genomförts på senare tid. Stora framsteg har gjorts vad gäller förståelsen av mekanismerna för igensättning av membranen genom användning av olika avancerade analystekniker. Likaså har nya kunskaper vunnits vad gäller utvecklad metodik för konroll och begränsning av effekterna av igensättningen.
Refererad artikel är en uppdaterad översikt över de senaste framstegen vad gäller förståelsen av igensättningen av membranen i en MBR och strategier för kontroll av igensättningen. En genomgång av publicerad litteratur sedan 2010 har gjorts med nästan 400 referenser.
Karakterisering av igensättning av membranen
Igensättning av membranen i en MBR är fortfarande det mest aktuella ämnesområdet för vetenskapliga undersökningar av processen. En av begränsningarna för förståelsen av igensättning av membran är fortfarande komplexiteten av sammansättning och bildandet av påväxten. Biopolymerer i påväxten domineras av SMP-polysackarider i ett tidigt skede och av EPS-proteiner i ett sent skede av igensättningen. Avancerad mätteknik har visat att polysackarider är nyckelorsaken till igensättning av membranen vid lågtrycksfiltrering och deras gelbildningsegenskaper bidrar starkt till den höga igensättningsbenägenheten. Samtidig inverkan av proteiner och humusämnen gör igensättningen av membranen än mera komplex. Dessa ämnen tenderar att adsorberas på membranen, varvid ytegenskaperna ändras så att avsättningen av hydrofila ämnen som polysackarider ökar med en irreversibel igensättning.
Påväxten på membranen, biokakan, består av bakterier och andra mikroorganismer samt olika organiska ämnen. Normalt är det små slamflockar, som initierar påväxten på membranytan med en hög EPS halt och stor specifik yta. För att förstå utvecklingen av och samverkan mellan celler och membran liksom att förstå och karakterisera den mikrobiella strukturen av biokakan har metodik som sekvensering och djupsekvensering kunnat ge viktig information om dynamiska förändringar och ge återkoppling till användningen av olika kontrollmetoder. Studier har även visat att förhållandet mellan döda och levande celler ökar markant efter den hastiga ökningen av TMP (transmembrantrycket) vid igensättning.
En sammanfattning av utmaningar och rekommendationer för kommande undersökningar av igensättning av membranen handlar om spårning av potentiella källor till påväxt med väldefinierad bioassay, studier av biokakans mikrobiota, andelen levande resp. döda bakterier samt identifiering av renkulturer av bakterier i påväxten.
Metoder för kontroll av igensättning av membranen
Olika metoder för att kontrollera igensättningen av membranen tillämpas som rensning genom luftning, kemisk rengöring in situ, enzymatisk och bakteriell nedbrytning av påväxten, elbaserade metoder samt utveckling av nanomaterialbaserade membran.
Luftning är en vanlig och effektiv metod för kontroll av igensättning av membranen. Metoder för intermittent eller cyklisk luftning, automatisk reglering av luftningen baserat på syre- eller ammoniumhalt och en kombination av luftning och mekanisk rengöring av membranen genom tillsats av aktivt kol, plastpärlor eller rörligt bärarmaterial har utvecklats främst för en minskning av energiförbrukningen med rapporterad besparing upp till omkring 50 %. En komplettering av metoderna med TMP-återföring kan vara fördelaktig med hänsyn till biokakans dynamiska förändringar.
Kemisk rengöring utförs vid svårare igensättning både ex-situ då membranen tas ut ur bassängen och in-situ med dosering av desinfektions- eller oxidationsmedel, baser, syror, kelater eller ytaktiva ämnen. Många översikter har publicerats och i föreliggande översikt har framför allt de ogynnsamma effekterna av kemisk rengöring tagits upp. Förutom en positiv kopplingen mellan kemikalier och påväxt erhålls en negativ koppling mellan kemikalier och membran. Det kan resultera i en snabbare åldring av membranen, en ytförändring med större porstorlek och porositet och med andra vätningsegenskaper och laddningsförhållanden, vilket medför en sämre återhämtning av membranen efter en rengöring. Det har även rapporterats om negativa effekter på den biologiska processen.
Biologiska kontrollmetoder har på senare tid betraktats som hållbara metoder för praktiska tillämpningar, dock ännu så länge endast i laboratorie- och pilotskala. Beroende på verkan har metoderna delats in i två grupper, där den ena gruppen använder QQ (quorum quencing), D-aminosyror eller protozoer och metazoer för att förhindra bildandet av biokaka, och där den andra gruppen utnyttjar enzymatisk eller bakteriell nedbrytning av SMP och EPS för en ökad eliminering av biopolymerer.
Elbaserade metoder har på senare tid kopplats samman med MBR med huvudsyfte att förbättra membranens permeabilitet. En kombination av MBR och bränsleceller kan inte bara åstadkomma en effektiv kontroll av igensättningen utan även minska energiförbrukningen på grund av in-situ extraktionen av energi från avloppsvattenströmmen. Andra metoder är elektrokoagulering och electrophoresis. Inga av metoderna har dock applicerats i stor skala beroende på tekniska svårigheter med applikationen av membran och elektroder.
Utveckling och användning av nanomaterialbaserade membran är för närvarande ett av de mest populära FoU-områdena för utveckling av nya membraner. Tekniken medför att fluxet genom membranen ökar och att påväxt på membranen kan undvikas genom modifieringar av ytegenskaperna och genom in-situ rengöring av membranen.
Slutsatser
Slutsatserna av översikten var att
- förståelsen av mekanismerna vid igensättning av membranen i en MBR har ökat genom systematiska studier av de dynamiska förändringarna av påväxten vid ökningen av TMP
- genom en ökad förståelse kan metoder för kontroll av påväxten anpassas och nya metoder utvecklas som bygger på hållbar teknik
- parametrar som energiförbrukning, återvinning och mikrobiell sammansättning av påväxten är viktigare än maximering av flux genom membranen med insikten att en belastning lägre än den kritiska är att föredra för en hållbar drift
- det finns ett fortsatt stort behov av FoU vad gäller förståelse för igensättning av membranen och metoder för att minska effekten av igensättningen.
Källa: F. Meng, S. Zhang, Y. Oh, Z. Zhou, H-S Shin, S-R. Chae. Fouling in membrane bioreactors: an updated review Water Research 114 (2017), pp 151 – 180.
