Användning av dynamisk membranteknologi i en anaerob membranbioreaktor demonstrerades i laboratorieskala med membran av vävt tyg av polypropylen material. En stabil drift med utmärkta reningsresultat kunde upprätthållas under lång tid. Filtreringsegenskaperna påverkades markant av slamuppehållstiden i reaktorn.
Av: Bengt Andersson
Tillämpningen av processer för anaerob rening av avloppsvatten har utvecklats kraftigt under de senaste årtiondena på grund av fördelarna att kemiskt bunden energi i det organiska materialet i avloppsvattnet omvandlas till energirik biogas. Flera olika processtillämpningar av anaerob behandling har kommit till användning både vid industriell och vid kommunal avloppsvattenrening. Eftersom tillväxthastigheten för anaeroba mikroorganismer är lägre än för aeroba krävs en högre slamhalt i de anaeroba reaktorerna och high-rate processer bygger därför på en hög slamuppehållstid som normalt kan uppnås i processer som baseras på biofilm eller granulerat slam.
En tillämpning, som ökat kraftigt i intresse, är anaeroba membranbioreaktorer (AnMBR), där fördelarna med en anaerob process förenas med ett utgående avloppsvatten av hög kvalitet och där kvarhållandet av biomassan i systemet är oberoende av den hydrauliska uppehållstiden. Igensättning av membranen genom ackumulering av slampartiklar på membranytan är en nackdel vid konventionella membranbioprocesser. Genom att använda ett membran av nät eller vävd filterduk istället för de vanliga typerna av membran kan slampartiklar av olika slag ackumuleras på membranytan under filtreringen utan problem. Den bildade slamkakan blir den viktigaste barriären i processen och eftersom slamkakan enkelt kan avlägsnas och återskapas igen på kort tid har den kallats för ett dynamiskt membran och processen för anaerob dynamisk biomembranreaktor (AnDMBR). Membranet kan ha en relativt stor poröppning eftersom slamkakan sörjer för kvarhållaning och avskiljning av slammet i reaktorn. Dessutom kan billigare material användas, vilket medför att kostnaden för processen blir lägre.
FoU avseende dynamisk membranteknologi har oftast avsett avloppsvatten med måttliga föroreningshalter. Refererad undersökning har fokuserat på behandling av ett avloppsvatten med hög koncentration av organiska ämnen i en AnDMBR. Undersökta parametrar vid två olika slamuppehållstider omfattade COD-avskiljning, kapacitet för slamretention, biogasproduktion, utveckling av transmembrantryck (TMP) och förändring i specifikt filtreringsmotstånd (SFR), partikelstorleksfördelning (PSD) samt innehåll och påverkan av extracellulära polymerer (EPS) och lösta mikrobiella produkter (SMP).
Genomförande av undersökningen
Försöken genomfördes i en reaktor i laboratorieskala med en nedsänkt membranmodul med två filtersidor. Membranen bestod av vävt tyg av polypropylenmaterial med en genomsnittlig porstorlek av 10 mm. Tillförsel av inkommande substrat och bortförsel av utgående permeat skedde med hjälp av peristaltiska pumpar. Bildad biogas recirkulerades för omrörning av reaktorn och för rensning av membranytorna.
Försöken genomfördes under 140 dygn med två olika slamuppehållstider (SRT 20 resp. 40 dygn). Slamhalten i reaktorn uppgick till cirka 5000 mg/l vid 20 dygns SRT och till 6500 mg/l vid 40 dygns SRT. Ett syntetiskt avloppsvatten användes med en total COD-halt av cirka 20000 mg/l, varav 11500 mg/l var i löst form. Reaktorn ympades med slam från en UASB-reaktor och den fick vara i drift i 30 dygn före försöken för att uppnå stabila förhållanden. Den hydrauliska uppehållstiden (HRT) var 10 dygn, flödesbelastningen på membranen 2,6 l/m2*h, temperaturen cirka 36 oC, pH runt 7,9 och COD-belastningen uppgick till cirka 2 kg/m3*dygn. Membranen ersattes med nya då SRT ändrades från 20 till 40 dygn. Driften skedde i cykler med 190 sekunders filtrering och 35 sekunders backspolning för kontroll av TMP över membranen.
Analyser gjordes med avseende på COD, TSS, VSS, turbiditet, ammoniumkväve och total-N och total-P. Dessutom bestämdes partikelstorleksfördelning, volym av och halt metan i bildas gas samt SMP och EPS uppdelat på proteiner och polysackarider. TMP, som är det genomsnittliga trycket över membranen, mättes med en trycksond placerad på utgående permeatledning. Bildas gas mättes i en rotameter. Filtreringstest gjordes i form av CST (capilary suction time) och specifikt filtreringsmotstånd (SRF) för bestämning av det totala filtreringsmotståndet över membranen.
Resultat
En hög och stabil avskiljning av COD uppnåddes vid försöken med en avskiljning av 99,1 resp. 99,5 % vid SRT 20 resp. 40 dygn med utgående halter av 115 resp. 95 mg/l. Avskiljningen motsvarade 0,38 resp. 0,40 g COD/g VSS*d. Det dynamiska membranet med slamkakan bildades på några minuter men en stabil avskiljning uppnåddes först efter 10 till 20 dygns drift, då ett effektivt skikt bildats. Utgående halt suspenderade ämnen understeg 10 mg/l och retentionen av slam uppgick till mer än 99 %. Biogasproduktionen uppgick till 3,2 resp. 3,27 l/dygn med en metanhalt av 64 resp. 72 % vid SRT 20 resp. 40 dygn. Det motsvarade en specifik gasproduktion av 0,31 resp. 0,34 l CH4/g CODnedbrutet, vilket är 79 resp. 86 % av det maximala teoretiska värdet. Bestämning av slammets metanogena aktivitet bekräftade att aktiviteten var högre vid SRT 40 dygn jämfört med SRT 20 dygn.
Vid dynamisk membranfiltrering bestäms flödet genom membranen av bildad slamkaka och det är av stor betydelse att kontrollera tjockleken på slamkakan eftersom den påverkar filtreringsmotståndet. I försöken kontrollerades tjockleken genom recirkulation av gas och backspolning. Maximalt möjlig flödesbelastning på membranen var 9,2 l/m2*h medan kontinuerligt driftflöde uppgick till 2,6 l/m2*h, vilket är något högre än vad som rapporterats i andra undersökningar av DMBR.
Slammets innehåll av SMP och EPS, som i huvudsak består av proteiner och polysackarider, har en stor inverkan på igensättningen av membranen i en MBR-process. EPS består i huvudsak av cellväggsmaterial medan SMP består av restprodukter från metabolism och nedbrytning. EPS har en positiv effekt på slammets flockningsegenskaper och partikelstorleksfördelning och bidrar till att hålla ihop slamflockarna på membranytan.
Innehållet av SMP i slammet under försöken minskade både genom kvarhållning i slamkakan på membranen och genom nedbrytning i reaktorn. Halten SMP i slammet var högre vid SRT 40 dygn än vid 20 dygn, vilket innebar att mer protein och polysackarider anrikades i slamkakan på membranen. Samtidigt var innehållet av EPS lägre vid SRT 40 dygn, vilket medförde sämre flockningsegenskaper. Förhållandet mellan proteiner och polysackarider (P/C) är även viktigt och P/C-förhållandet i EPS var lägre vid den kortare SRT.
Andelen mindre partiklar ökade vid SRT 40 dygn, vilket bekräftades av bestämningar av partikelstorleksfördelningen, där medianstorleken var 37 mm jämfört med 45 mm vid SRT 20 dygn. Sammantaget medförde detta att filtreringsmotståndet över membranen ökade vid en ökad SRT. Det genomsnittliga TMP-värdet vid stabil drift, som uppgick till 530 mbar vid SRT 20 dygn, ökade till 680 mbar vid SRT 40 dygn samtidigt som SFR var cirka 1,8 gånger högre än motsvarande värde vid 20 dygns SRT.
Slutsatser
Följande slutsatser kunde dras av undersökningen:
- Tillämpligheten av dynamisk membranteknologi för behandling av koncentrerade avloppsvatten anaerobt i en AnDMBR-process demonstrerades och en stabil drift under lång tid kunde upprätthållas med en avskiljning av COD och partikulärt material överstigande 99 %.
- Vid försöken användes ett membranfilter av tyg av polypropylen monofilament, som utgjorde stödmaterial för bildandet av en slamkaka på membranet (dynamiskt membran) med goda filtreringsegenskaper.
- Konceptet med dynamisk membranfiltrering utnyttjade nackdelen med igensättning av membranen i en konventionell MBR till en fördel.
- Slamuppehållstiden var en viktig parameter som påverkade innehållet av EPS och SMP, P/C-förhållandet, partikelstorleksfördelningen i slammet, bildande och konsolidering av slamkakan och slammets filtrerbarhet.
- Användning av dynamiska membranfilter med membran av tyg istället för mikrofilter- och ultrafiltermembran samt produktion av biogas som en energikälla gör dynamisk membranteknologi intressant och tillämpbar för anaerob behandling av koncentrerade avloppsvatten.
Källa: M. E. Ersahin, H. Ozgun, Y. Tao, J.B. van Lier. Applicability of dynamic membrane technology in anaerobic membrane bioreactors. Water Research 48 (2014) pp. 420-429.
Hela artikeln från Water Research finns att köpa här.
