Ett betydande problem vid driften av MBR är igensättning av membranen och konventionella lösningar som ökar skjuvkraften vid membranytan genom kraftig luftning erfordrar mycket energi. System med fysisk vibration av membranen är en teknik som utvecklats under senare år med goda resultat. I en vidareutveckling med fram- och tillbakagående nedsänkta membranpaket kan tillräckliga skjuvkrafter skapas med en väsentligt lägre energiåtgång.
Av: Bengt Andersson
Användningen av membranbioreaktorer (MBR) vid kommunal avloppsvattenrening har ökat kraftigt på grund av stora fördelar med processen jämfört med konventionella lösningar. Energibehovet för driften och igensättning av membranen med svårigheter att rengöra dem har varit och är en stor utmaning. En omfattande kunskapsinsamling om orsakerna till igensättning har skett och olika driftstrategier och nya produkter har utvecklats efter hand.
Det vanligaste sättet att generera skjuvkrafter vid membranytan för att motverka igensättning är en kraftig luftning, vilket är energikrävande. Intresset för alternativa metoder för att skapa skjuvkrafter har varit stort och ett flertal olika lösningar har utvecklats av typen vibrerande MBR (VMBR). Kännetecknande för dessa är horisontella eller vertikala rörelser med hög driftfrekvens i spannet 3 till 30 Hz.
En ny utformning (rMBR) presenteras i refererad undersökning, som bygger på VMBR men som avviker vad gäller driftmekanismer och -frekvens. Skjuvkrafterna skapas genom att membranen rör sig genom fram- och tillbakagående rörelser med en frekvens lägre än 0,5 Hz. Syftet med undersökningen var att utvärdera driften och energibehovet för rMBR både vid konstant hög flödesbelastning och vid varierande flödesbelastning samt att optimera parametrarna rörelsefrekvens och amplitud.
Genomförande av undersökningen
Undersökningen genomfördes i en försöksanläggning i pilotskala vid Tampa WWTP i USA. Anläggningen var uppbyggd med tankar för anaerob, anoxisk och aerob behandling samt en tank för membranen. Membrankassetterna var upphängda i en ram, som vilade på linjära plana lager på överkanten av tanken och som rörde sig fram och tillbaka genom koppling via en axel till en rotor med konstant vinkelhastighet. Ramens fram- och tillbakagående rörelsehastighet varierade enligt en sinuskurva med en maximal hastighet av 0,12 m/s vid 0,43 Hz och 44 mm amplitud.
Membranen var tillverkade av PVDF och av hålrumstyp med en porstorlek av 0,4 μm. Den totala membranytan uppgick till 45 m2. Rörelsefrekvensen för membranpaketet i försöken uppgick till 0,38, 0,43 och 0,48 Hz och amplituden till 38, 44 och 57 mm. Flödesbelastningen på membranen varierade mellan 30 och 50 l/m2/hr (LMH). Slamhalten uppgick till mellan 8 och 12 g/l med en slamålder av omkring 25 dygn. Den hydrauliska uppehållstiden varierade mellan 4 och 6 timmar. En gång i veckan gjordes en backspolning av membranen med 250 mg/l natriumhypoklorit.
Resultat
Försök med en konstant hög flödesbelastning av 40 LMH visade att transmembrantrycket (TMP) och permeabiliteten var stabila under hela försöket. TMP var hela tiden under 18 kPa och permeabiliteten kunde hållas över 180 LMH/bar normaliserat till 20 oC.
Den specifika energiförbrukningen för membranrörelsen uppgick till 0,079 kWh/m3 vid en flödesbelastning av 40 LMH. En sammanställning av driftdata för 9 fullskaleanläggningar med MBR och hålrumsmembran, där igensättningen kontrollerades genom kraftig luftning, visade att den specifika energiförbrukningen för membranluftningen uppgick i genomsnitt till 0,29 kWh/m3. Kontroll av igenomsättning av membranen genom rMBR innebar således en energibesparing med omkring 75 % jämfört med kraftig luftning.
Försök genomfördes med en varierande flödesbelastning mellan 30 LMH under nattetid och 40 – 50 LMH under dagtid. En svag ökning av TMP vid 50 LMH kunde noteras men TMP återgick till det normala vid 30 och 40 LMH. Försöken indikerade att rMBR kunde hantera variationer i flödesbelastningen upp till 50 LMH med utmärkt resultat.
De huvudsakliga styrparametrarna för rMBR är rörelsefrekvens och amplitud. Effekten av olika kombinationer av parametrarna på den dagliga ökningen av TMP undersöktes vid en flödesbelastning av 30 LMH. Varje kombination testades under minst en vecka och backspolning med hypoklorit gjordes innan frekvens och amplitud ändrades. Med en konstant amplitud av 38 mm visade försöken att minst dalig ökning av TMP erhölls vid högre frekvenser och att skillnaden mellan 0,48 och 0,53 Hz var försumbar. Med en konstant frekvens av 0,43 Hz visade försöken att den dagliga ökningen av TMP var minst vid en amplitud av 44 mm. Det konstaterades att ett stabilt TMP kunde uppnås vid en frekvens av 0,43 Hz och en amplitud av 44 mm eller större liksom med en amplitud av 38 mm och en frekvens av 0,48 Hz eller högre.
Slutsatser
Studien visade att en processutformning med fram- och tillbakagående nedsänkta membran (rMBR) kunde skapa tillräckliga skjuvkrafter för att undvika igensättning av membranen
energiåtgången var väsentligt lägre för rMBR än för rengöring genom kraftig luftning
processen fungerade väl vid varierande flödesbelastning upp till 50 LMH.
Källa: J. Ho, S. Smith, H.K. Roh. Alternative energy efficient membrane bioreactor using reciprocating submerged membrane. Water Science & Technology 70.12 (2014) pp 1998 – 2003.
