Intresset för membranbioreaktorer ökar intensivt på grund av processens bättre prestanda jämfört med konventionell reningsteknik. Problem finns dock i form av hög igensättningsrisk av membranen och hög energiförbrukning primärt på grund av detta. Stort behov finns för en automatisering av processen för att minska energiförbrukningen och för att optimera hela processen.
Av: Bengt Andersson
Teknologin med membranbioreaktorer (MBR) introducerades i slutet av 1960-talet men det var först i början av 1990-talet, då membranen applicerades nedsänkta i en bioreaktor, som tekniken började bli intressant inom kommunal avloppsvattenrening. Det finns olika applikationer av processen, där den vanligaste är nedsänkta membran i bioreaktorn. Membranen kan även installeras i en separat enhet efter bioreaktorn.
Igensättning av membranen och energiförbrukningen är nyckelfrågor för driften av en MBR-process. Ännu så länge saknas en tillräcklig förståelse av de komplexa mekanismer som orsakar igensättning av membranen. Strategier för att minska effekten av igensättning har varit luftspolning, fysisk rengöring genom backspolning och relaxation (avställning av membranen under en kort period) samt kemisk underhållsrengöring och dessa metoder har blivit standard i utformningen av MBR. Strategierna utnyttjas vanligtvis i ett förutbestämt mönster, som baseras på erfarenheter och leverantörernas rekommendationer och inte efter behov eller flexibilitet för att beakta variationer som förekommer i driften.
Det finns ett stort behov att optimera driften av MBR, att applicera driftstrategier som tar hänsyn till förekommande variationer och att skapa en större potential för förbättring av processen. På senare år har membranleverantörerna modifierat sina driftinstruktioner för att minska behovet av luftspolning och ändå klara igensättningen även om det inte är självklart att de nya strategierna är långsiktigt hållbara.
För att nå längre erfordras en ökad automatisering av processen med styrning och reglering av olika ingående delar. Eftersom igensättning av membranen är en nyckelfråga har utvecklingen främst ägnats åt att åtgärda detta och övriga delar av processen som den biologiska processen och helheten som tar hänsyn till både filtreringen och biologin har kommit i bakgrunden.
Trots ett stort behov finns det endast ett begränsat antal publicerade undersökningar eller patent som avser införande av styrning och reglering för en kostnadsminimering eller en prestandaökning. Syftet med genomgången av aktuell utveckling var att på ett strukturerat sätt sammanställa de framsteg som gjorts vad gäller automatisering av processen. Många publicerade ansatser är till stor del patentskrifter, där uppfinningen i mycket olika grad validerats genom försök i pilot- eller fullskala.
En strukturerad genomgång
Styr- och kontrollsystem för en MBR-process kan avse filtreringsprocessen, den biologiska processen eller båda processerna integrerade.
Systemen kan vara återkopplade (closed loop control) eller icke återkopplade (open loop control). I ett icke återkopplat system erhålls ingen feedback utan det baseras endast på tid eller störningar. I ett återkopplat system justerar regulartorn en variabel för att minska avvikelsen mellan uppmätt värde och dess börvärde.
För en framgångsrik styrning i framtiden erfordras sensorer för bestämning av slammets filtrerbarhet och den momentana permeabiliteten eller TMP-värdet både som mätvärde och trend, där TMP står för transmembrane pressure, som är det genomsnittliga trycket över membranen.
Det finns ett fåtal sensorer som utvecklats för användning on-line i en MBR-process för att bestämma igensättningen av membranen. Den mätare som har applicerats för automatisk styrning (MBR-VFM) bygger på principen att igensättningsbenägenheten beräknas genom att pumpa aktivt slam från en MBR-tank till en yttre enhet med ett membran och mäta permeatproduktionen vid ett givet värde på TMP. En annan princip bygger på online identifiering av lösliga mikrobiella produkter (SMP) varvid det förutsätts att det finns en korrelation mellan SMP och igensättning. En tredje princip utgörs av en in situ testcell som mäter aktiva slammets filtrerbarhet, igensättningshastigheten och det kritiska flödet genom en stegflödesmetod.
Styrning och reglering av filtreringsprocessen
Merparten av publicerade referenser avser filtreringsprocessen. Övervakning och styrning av filterprocessen inkluderar styrning av luftspolningen, filtreringscykeln, genomströmnings- och backspolningsflöden, tillsatsdoseringar och kemisk rengöring.
Utnyttjade av icke återkopplade system för MBR-processen syftar i huvudsak till att påverka endast en aspekt av processen, t.ex. att minska luftspolningen. I många applikationer är membransystemet uppdelat i avskilda delar, där luftflödet i en del kan vara högt eller lågt oberoende av flödet i de andra delarna. Vanligtvis används en 10/10 cykel, där luftningen är på under 10 s och av under 10 s. På senare tid har en 10/30 cykel utvecklats, där luftningen är på under 10 s och av under 30 s, vilket antas kunna minska luftbehovet med upp till 50 %.
Andra icke återkopplade system har implementerats i anläggningar där membranen applicerats utanför bioreaktorn och där luftspolning endast sker under backspolning och inte under filtrering, eller där luftflödet för spolningen är normalt under en cykel och lägre eller högre under nästa cykel eller där kombinationer med ökad relaxation och proportionell luftning tillsammans med en variabel cykeltid utnyttjats. I dessa system har luftflödet minskat med upp till cirka 40 % genom styrningen.
Återkopplade system måste ha en mätvariabel eller beräknad variabel. Parametrar som används vid automatisk styrning är TMP, motstånd, permeabilitet, mängd genomflöde och storlek på genomflödet vid en extern filterenhet. Det refereras till 17 patent eller publikationer som handlar om utveckling och optimering av MBR med hjälp av återkopplade styrsystem.
TMP är den mest använda variabeln på grund av att den är lätt att använda, för att de flesta anläggningarna är utrustade med tryckgivare och nivåmätare så att värdet kan beräknas och för att maximalt värde på TMP i allmänhet anges av leverantören för att garantin skall gälla.
I tre refererade patenterade system används TMP som variabel. Det första systemet baseras på bestämning av ett kontinuerligt kritiskt flöde för att förhindra en ackumulering av en beläggning på membranen. Det andra systemet optimerar backspolningens frekvens och varaktighet. Det finns två delar där en del initierar backspolning vid en ökning av trycket och den andra delen bestämmer varaktigheten av spolningen, som avslutas då trycket är i jämviktsläge. Det tredje systemet baseras på en strategi för att kontrollera igensättningen dynamiskt genom att variera luftflödet, permeatflödet, relaxationsfasens och filtreringsfasens längd som funktion av TMP.s variation över tiden och över en filtercykel.
I ett annat patenterat system bestäms igensättningsmekanismerna genom realtidsanalys av driftförhållandena. Regleringen omfattar tre steg där motståndsvärdet bestäms, där detta värde jämförs med ett fördefinierat börvärde och där driftparametrarna justeras så att motståndet minskar till ett lägre värde. De parametrar som justeras är luftspolning, använt luftflöde, initiering och varaktighet av backspolning, varaktighet av relaxation, genomströmmat flöde, längd av filtreringscykel samt kemisk rengöring.
Styrning och reglering av den biologiska processen
Endast ett fåtal referenser avser den biologiska processen. Övervakning och styrning inkluderar styrning av den finblåsiga luftningen, slamrecirkulationsflöde, slamuttag och tillsatsdoseringar. Vanligtvis används samma styrparametrar som för en konventionell aktivslamprocess, vilket normalt inte är optimalt.
Ett patenterat system beräknar optimal SRT och ger information till operatören att öka eller minska slamhalten i systemet. Då slamhalten kan minskas vid högre vattentemperatur ökar a-faktorn för luftningssystemet och luftbehovet för den biologiska reningen minskar med en minskad energiförbrukning som resultat. En annan publicerad tillämpning avser ett system för intermittent luftning av bioreaktorn, där profilerna för syre och redox kontrolleras så att kväveavskiljningen optimeras och energiförbrukningen minimeras.
Kritisk analys
Den kritiska analysen av genomgången ovan är mycket detaljerad. Här ges endast en mycket kort sammanfattning.
Generellt noterades i genomgången att återkopplad reglering bättre kan justera för en störning och därmed uppnå en bättre processoptimering än en icke återkopplad styrning.
Vid genomgången konstaterades att variabler som TMP, motstånd och permeabilitet inte kan betraktas som starka parametrar eftersom de endast ger information om konsekvenserna och inte om orsakerna till igensättning av membranen. De ger dock relevant information om membranens historia och nuvarande tillstånd och de bör integreras med andra parametrar för att bestämma vilka regleråtgärder som bör vidtas.
För en automatisering av filtreringsprocessen krävs sensorer som bestämmer slammets filtrerbarhet och permeabilitet. Några av de ovan nämnda sensorerna ger värdefull information om irreversibel igensättning, som utgör ett komplement till existerande system som mäter reversibel igensättning baserat på mätningar av t.ex. TMP.
En integrerad styrning inkluderar både filtrering och biologi och börvärden för regleringarna syftar till att optimera driftsförhållandena för båda processerna, minimera igensättning av membranen och uppnå tillräcklig reningsgrad.
En utveckling av styr- och reglerstrategier av den biologiska processen i MBR är viktig eftersom det finns skillnader mellan MBR och en konventionell aktivslamprocess. I analysen tas upp olikheter i strategier för hantering av cirkulationsflöden, hänsynstagande till fluktuationer i MBR då buffertvolymen i sedimenteringsbassänger saknas, hantering av höga syrehalter vid låg belastning på grund av luftspolningen av membranen samt reglering av nitrifikationshastigheten där syrehalten inte kan ändras i MBR-processen av andra skäl.
Erfarenheter och resultat av några modellbaserade styr- och reglersystem har visat lovande resultat. Modellerna har dock brister eftersom mekanismerna för filtreringsprocessen inte är helt klarlagda. En ansats kan nämnas här som omfattar automatisk bestämning av den dominanta igensättningsmekanismen genom att jämföra realtidsdata för flödesminskningen vid ett konstant TMP med data som simulerats med hjälp av fem olika modeller för igensättning och där modellen med bäst överensstämmelse betraktades som dominant mekanism.
Slutsatser
Följande slutsatser kunde dras av genomgången:
- Genomgången av aktuell utveckling har visat att föreslgna ansatser för optimering av MBR-processen genom styrning eller reglering har gett en förbättring av processen och långsiktiga ekonomiska fördelar.
- För närvarande finns det endast ett fåtal lösningar som har tillämpats i praktisk drift.
- För att nå framgång erfordras arbete i tre steg: validering av styrning och reglering av filtreringsprocessen, undersökning av styrning och reglering av biologin och integration av automationen för både filtrering och biologisk rening.
- Applikationer med en kombination av befintliga styrsystem och modellbaserade system kan ha en stor potential i framtiden.
- Optimal styrning av MBR-processen är avgörande för processens framtida konkurrenskraft både i liten och i stor skala.
Källa: G. Ferrero, I. Rodrigues-Roda, J. Comas. Automatic control systems for submerged membrane bioreactors: A state-of-the-art review. Water Research 46 (2012) pp 3421 – 3433.
Hela artikeln från Water Research finns att köpa här.
