Dosering av aktivt kol i pulverform (PAC) skapat genom pyrolys av avloppsslam till en membranbioreaktor visade stora fördelar genom en signifikant minskning av den irreversibla igensättningen av membranen.
Av: Bengt Andersson
Membranbioreaktorer (MBR) används allt oftare vid avloppsvattenrening. Igensättning av membranen och strategier för att motverka denna är emellertid en förhärskande problemställning för MBR och många olika strategier har prövats från anpassning av driftparametrar till backspolning med kemisk rengöring.
Aktivt kol i pulverform (PAC) har rönt intresse på senare tid för att mildra effekten av igensättningen genom adsorption av de ämnen, som orsakar igensättningen. Användning av kommersiell PAC är förknippad med höga kostnader och en billigare produkt är önskvärd. En sådan produkt kan skapas genom behandling av avloppsslam genom pyrolys och luftaktivering (B-PAC).
Syftet med genomförd studie var att undersöka användningen av aktivt kol framställt genom pyrolys och luftaktivering av avloppsslam för kontroll av igensättningen av membranen i en MBR-process med en jämförelse med kommersiellt aktivt kol (C-PAC). Dessutom utvärderades adsorptionen av SMP (soluble microbial products).
Genomförande
Försöken utfördes i tre parallella aeroba MBR-reaktorer i laboratorieskala med plattmembran med en nominell porstorlek av 0,4 mm. En reaktor utan dosering av PAC tjänade som referens (kontroll-MBR) och i de övriga två reaktorerna doserades 1 g/l PAC (B-PAC resp. C-PAC). Reaktorerna ympades med slam från en fullskaleanläggning för industriellt avloppsvatten med en acklimatisering under 30 dygn för att uppnå stationära förhållanden. Reaktorerna beskickades med förbehandlat industriellt avloppsvatten vid en belastning av 8 l/m2*h.
Prepareringen av det aktiva kolet från bioslam genomfördes genom pyrolys vid 750 oC under 0,5 timmar. Därefter fortsatte behandlingen genom luftaktivering vid 400 oC under 2 timmar. Den specifika ytan SBET uppgick till 327 m2/g med en mikro- resp. mesoporvolym av 0,06 resp. 0,18 cm3/g. Motsvarande uppgifter för den kommersiella PAC var 917 m2/g och 0,33 resp. 0,04 cm3/g.
Mättnadsadsorptionstest utfördes med en vattenlösning anrikad med kolhydrater och proteiner extraherade från slammet i MBR. Analys av igensättningen av membranen genomfördes i en trestegsprocedur för att karakterisera olika skikt på membranen. Bestämning av den kritiska flödesbelastningen utfördes enligt en stegmetod.
Resultat
De tre MBR uppvisade samma utgående resultat med en avskiljning av COD och TOC av i genomsnitt 96 resp. 93 %. Doseringen av PAC hade ingen inverkan på avskiljningen vare sig positiv eller negativ jämfört med kontroll-MBR.
Mättnadsadsorptionskapaciteten av kolhydrater och proteiner uppgick till 143 resp. 570 mg/g för B-PAC och till 130 resp. 634 mg/g för C-PAC. Kapaciteten var således lika trots den mindre ytan för B-PAC. Analys av storleksfördelningen av SMP före och efter adsorptionstestet visade att det inte var någon skillnad mellan B-PAC och C-PAC för adsorption av kolhydrater. B-PAC uppvisade en större adsorptionskapacitet för proteiner med mindre molekylstorlek än 300 kDa medan C-PAC var mera selektiv för proteiner med en större storlek.
Efter 100 dygns försök studerades effekten av PAC på slammets filtrerbarhet under 10 dygn. TPM var stabilt i B-MBR under 9 dygn med en svag ökning under det sista dygnet medan en kraftig ökning av TMP skedde efter 2 dygn i kontroll-MBR och efter 5 dygn i C-MBR. Dosering av C-PAC fördröjde ökningen av TMP men hade ingen effekt efter en viss tid. B-PAC kunde behålla adsorptionen av SMP under en längre tid med en signifikant förbättring av driften av MBR.
En analys av koncentration och sammansättning av SMP kvarhållna på membranen i de olika MBR visade att 85 % av kolhydraterna kvarhållna i kontroll-MBR var mindre än 1 mm medan denna fraktion var mindre än 70 resp. 60 % i C-MBR resp. B-MBR, Effekten var större för proteiner, där 94 % av kvarhållna proteiner på membranen i kontroll-MBR var mindre än 1 mm jämfört med 80 resp. 40 % i C-MBR resp. B-MBR.
Det är känt att irreversibel igensättning orsakas av en hög koncentration av SMP med liten storlek. Molekylviktsfraktioneringen av MBR visade en högre selektivitet för B-MBR för adsorption av proteiner mindre än 1 mm, vilket förhindrade den irreversibla igenomsättningen av membranen.
Den kritiska flödesbelastningen definierad som den belastning över vilken ökningen av TMP var större än 0,6 kPa/h, uppgick till 8 l/m2*h för kontroll-MBR vid stabila driftförhållanden. Genom doseringen av PAC ökade den kritiska belastningen med cirka 25 %.
Slutsatser
Slutsatserna av försöken med aktivt kol skapat genom behandling av avloppsslam genom pyrolys och luftaktivering (B-PAC) för kontroll av igensättningen av membranen i en MBR var att
- tillsats av B-PAC resulterade i en signifikant reduktion av igensättningen av membranen med större fördelar än för en kommersiell C-PAC
- genom dosering av PAC ökade drifttiden för membranen
- B-PAC visade en hög adsorption av proteiner och kolhydrater av samma storleksordning som C-PAC trots en lägre yta
- förbättringarna med PAC på utvecklingen av TMP kunde tillskrivas adsorptionen av små proteiner < 1 mm som orsakar irreversibel igensättning av membranen.
Källa: B. J.A. Villamil, V.M. Monsalvo, J. Lopez, A.F. Mohedano, J.J. Rodriguez. Fouling control in membrane reactors with sewage-sludge based adsorbents. Water Research 105 (2016), pp 65 – 75.
