För att förstå beläggningsutvecklingen på membranbioreaktorer för avloppsrening är flödesbilden viktig. Två modellansatser och en experimentell flödesmätning visar att buktningen hos membranplattorna kan påverka flödesbilden och skjuvspänningarna längs ytan med upp till 40 %.
Av: Jörgen Hanaeus
Beläggningar (fouling) av membranytor är ett återkommande driftproblem. För att mildra påväxten är de skjuvspänningar som uppstår under drift viktiga. Vid luftning underifrån membranplattorna uppstår en komplex bild av vatten, biofilm och luftbubblor mot membranytorna. Två beräkningsmodeller (CFD, Computational Flow Dynamics), baserade på ansatsen flödesvolym (VOF), resp Eulers multifasmetod (EMP), har bedömts. Som referens har även experiment med flödesmätning genomförts, med 7 mm avstånd mellan plattorna.
EMP-metoden krävde betydligt mindre datorkapacitet än VOF-metoden, men gav också mindre detaljnoggrannhet, bl a vid bestämning av skjuvspänningens horisontella komponent. Den var dock gott användbar för att bestämma flödesbilden i fullskala.
En inbuktning för membranplattan av 2 mm gav i fullskaleförsök en reduktion av 70 % för flödet och 40 % för skjuvspänningen vid plattväggen.
Bakgrund
Antalet membranbioreaktorer har vuxit till på senare år. I Kina installerades den första anläggningen för mer än 10 000 m3/d år 2006 och i slutet av 2014 fanns ungefär 130 verk med sådan process. Olika utformningar har utvecklats och en vanlig variant är med hålförsedda skivor som är nedsänkta i aktivt slam. Sådana system har typiskt lågt tryckfall genom membranen; måttligt vatten- (och slam) tryck som ibland förstärks med sug på utflödessidorna.
Genomströmningshastigheten och fluxen blir låg i dessa system, med fördelen att partiklar i inte dras så mycket mot membranytan. Ändå är beläggning och påväxt på membranytorna ett problem som behöver bekämpas och vanligt är att ta hjälp av luftbubblor som också behövs till syresättningen av det aktiva slammet. Luftningen är normalt det mest energikrävande steget i membranbioreaktorn med 35-50 % av total energi som vanliga andelar.
Den skjuvspänning, τ, som bildas vid membranväggen är beroende av förskjutningshastigheten γ´ och den upplevda viskositeten µapp enligt: τ = γ´ * µapp.
Man anser att en högre skjuvspänning minskar foulingens tillväxthastighet och ökar fluxen av permeat. Skjuvkraften verkar parallellt med membranytan och lyfter partiklar.
Beträffande luftbubblornas inverkan har man vid ett membranavstånd av 20 mm fått en ökad massöverföring med bubbelstorlek upp till 60 mL varefter effekten planat ut. Parallellt fann man då att en bubbelfrekvens upp till 0,4 Hz ökade överföringen som därefter planade ut.
Ju smalare membranavstånd dess högre skjuvspänning fann man gälla inom avstånden 3-7 mm och vid varierande bubbelstorlek.
Då det är svårt att studera lokala flödesmönster i membranreaktorer experimentellt används ofta datoriserade beräkningsmodeller (CFD = Computational Fluid Dynamics). Multifasmodellering är vanlig, med ingångarna flödesvolymberäkning (VOF = Volume Of Flow), Euler-Lagrange ansats samt Eulersk multifas metod (EMP). VOF-metoden analyserar ytan mellan två faser och ger hela hastigheten och skjuvkrafterna för varje enskild bubbla, något som gör ansatsen mycket beräkningstung, med korta tidssteg, och den blir därför mer lämplig för beskrivning av en detalj än en större helhet.
Då antifoulingen är central här beaktas inte syrsättningen av det aktiva slammet med luftningen; normalt dominerar antifoulingen luftningsbehovet.
Material och metod
För att modellera flödena i en fullskalig anläggning med plattor har EMP-modellen använts. Den beskriver inte de enskilda bubblornas effekt utan ger momentumöverföring mellan faserna. Tidssteg om 0,05 s användes.
Här har ett experiment skapats med fullskalestorlek kring ett par plattor 0,76*0,19*1,36 m med gapet 7 mm. Hastigheter har uppmätts med en laser Doppler anemometer. Då man observerat att plattor under produktionen kan böjas, har också beräkningar utförts med avsmalnande spalter. Luftinblåsning har skett underifrån med öppningshål om 2, 4 eller 8 mm. Tre flöden kring 10 L/min har provats.
En modellering av en fullskalig anläggning gjordes därefter. Flera detaljer i modellformuleringen presenteras i artikeln.
Resultat
Mätningarna visade att storleken på ingångshålen mellan 2-8 mm inte var viktig för hastighetsfördelningen, utan för fortsatt modellering valdes 4 mm. Vanlig bubbelstorlek var φ 3 cm och endast en mindre del av luften bestod av bubblor mindre än centimeterstorlek.
EMP-ansatsen gav medelhastigheter inom 77-92 % av den uppmätta medelhastigheten, som även tilltog med höjden. Hastighetsfördelningen återgavs tämligen väl. Bubblorna orienterade sig mer mot centrum efterhand.
VOF-ansatsen underskattade också medelhastigheten något, men återgav fördelningen väl.
Modellerna gav likvärdiga siffror för medelskjuvspänningen över ytorna. Det framgick även att skjuvspänningen hade en komponent vinkelrätt plattytan som fick beskrivas med en turbulenskomponent i modellen.
Speciellt hölls i beräkningen plattändarna fixa, medan två plattor mitt i membranpaketet tilläts bukta sig 1 eller 2 mm i de smalare kanalerna; värden som kunnat noteras i plattproduktionen pga värmespänningar. Flödet kunde därvid minska 49 resp 78 % lokalt. Precision i produktionen är alltså mycket viktig.
Slutsatser
EMP-modellen, med endast två beräkningssteg över avståndet mellan membranen och ett tidssteg av 0,05 s gav en god bild av flödesfördelningen i en jämförelse med en fysisk mätning även om den vertikala hastigheten underskattades något. En extra, turbulent dispersion infördes för att täcka en horisontell kraft vid väggen. Beträffande skjuvspänningarnas storlek behövs ytterligare modellarbete.
Artikeln fokuserar mer på modelluppbyggnaden än på membranfunktionen.
Källa: Sörensen, Lasse & Ruby Bentzen, Thomas (2018): Fluid dynamics in a full-scale flat sheet MBR, an experimental and numerical study. Water Science & Technology, 78.10, pp 2077-2087.
Hela artikeln från Water Science & Technology finns att köpa här.
Författarna från:
Department of Civil Engineering, Aalborg University, Aalborg Öst, Denmark
Kontakt: las@civil.aau.dk
