Membranfilter är alternativ till mellansedimenteringsbassängen vid avloppsrening. Fouling (igensättning) av membranen är ett problem i både kort och långt perspektiv. Luftning används för att rensa membranytan och här vill författarna lyfta fram ett alternativt sätt att utföra luftningen, vilket minskar den långsiktiga igensättningen.
Av: Jörgen Hanaeus
Luftning av membranytor i bioreaktorer är vanlig för att förhindra igensättning. Den kan utföras på flera sätt; med konstant hög intensitet (vanligt), intermittent, med viloperioder eller, som föreslås i denna artikel, en pulserande intensitet (cyclic aeration) efter ett givet mönster. Perioder med låg luftningsintensitet ger mer beläggning på membranen, men mer porös sådan och rensningsbar. I kombination med en rätt kort högintensitetsperiod erhålles ett mönster som med hänsyn till icke-reversibel beläggning är gynnsammare än vad konstant luftning med hög intensitet är. Det har fastslagits i här redovisade försök som utförts i liten pilotskala vid Jiangsu universitet i Kina.
Bakgrund
Membranbioreaktorn har i och med membranteknikens snabba utveckling blivit ett intressant alternativ till luftningsbassäng plus mellansedimentering på avloppsområdet. Minskad produktion av överskottsslam är förutom god utgående vattenkvalitet ett viktigt argument. Liksom i de flesta membrantillämpningar tilldrar sig igensättningsproblematiken stort intresse.
Den vanligaste lösningen är att lufta med hög intensitet längs membranytan. Det förhindrar beläggning med stora partiklar, men det innebär också att det material som deponeras, i stor utsträckning består av fina partiklar och dessa tenderar att i större utsträckning blockera membranporer och dessutom att vidhäfta bättre. De är då svårare att få loss vid hydraulisk backspolning och stannar till följande luftningsperiod och ökar energiåtgången för vattenpassage. Så småningom krävs kemikalietillsats för att ta bort beläggningen.
Försök
I artikeln redovisas experiment med två parallellkörda membranbioreaktorer om 16 l vardera. De belastades båda med konstant flux, 30 l/m2, h, samma hydrauliska uppehållstid, 8 h, och slamålder, 50 d. De membran som användes var 0,1m2 och av polyetylen med porstorleken 0,1 µm (mikrofiltrering).
Aktivt slam från fullstor anläggning med 8g MLSS/l doserades plus syntetisk näringslösning och en liten mängd hushållsavloppsvatten till en slamhalt av 5g MLSS/l. De kördes under 30 dygn för att uppnå stabila villkor. Därefter drevs de i 50 dygn varvid 0,32 l slam avlägsnades per dygn. När trycket över resp membran översteg 40 kPa stoppades driften och backspolning utfördes i 5 min (50 l/m2,h). Reaktor A luftades konstant med 20 l luft/h, l. Reaktor B kördes i 30 min med låg luftningsintensitet, 15 l luft/l, h vilket gav en halt löst syre av 2-3 mg/l och i 15 min med hög intensitet, 30 l luft/l,h vilket gav syrehalten 4-6 mg/l.
Halten extracellulär polymer (EPS) mättes i en beskriven sedimenteringsprocess med slamanrikning Det möjliggjorde en uppdelning i löst bunden EPS (LB-EPS) och fast bunden EPS (TB-EPS).
Efter slamsedimentering mättes COD i dekantatet och ansågs svara mot kolloidal och löst COD. Dekantatet filtrerades sedan genom 0,45 µm, vilket gav löst COD.
Flockstorleksdistributionen mättes via bildanalys med MATLAB 6.5.
Resultat
Det transmembrana trycket (TMP) ökade linjärt under varje period. För den blandade luftningen (reaktor B) var återgången mot starttrycket efter backspolning bättre än för den med konstant intensitet (reaktor A); alltså mindre icke-reversibel igensättning i B. Skillnaden ökade även med tiden. Däremot nådde reaktor B tidigare tillåtet gränstryck (40 kPa) sannolikt beroende på sämre avskiljning av stor flockar under den lågintensiva luftningsperioden och backspolning utfördes något oftare i början. Det kompenserades av att den större icke-reversibla igensättningen i A så småningom gav kortare tid att nå 40 kPa i denna reaktor.
De olika luftningsintensiteterna gav också olika flockstorlek i biomassan. För reaktor A erhölls en peak-storlek av 80µm. Reaktor B visade vid hög luftningsintensitet två toppar: vid 10µm och 70µm vilka senare tolkades som sönderslagning + återflockning. Vid låg luftningsintensitet erhölls toppen vid 100µm och man noterade att kombinationen hög+låg intensitet var gynnsam för att adsorbera kolloidalt och löst material.
Man föreslog också att den avsättning av stora flockar som skedde under lågintensitetsperioden inte interfererade med membranporerna utan tvärtom kunde utgöra ett skyddande filter mot kolloider och löst material på väg mot membranet.
Mätningar av LB-EPS gav för perioder med hög intensitet 11 mg COD/g SS (trolig erosion av mikroflockar) och för låg intensitet 20 mg COD/g SS.
Man refererar en annan artikel, där foulingen uppgavs vara sju gånger högre vid låg syrehalt jämfört med högre vilket skulle kunna vara negativt för den låga luftningsintensiteten. Emellertid hade då den minskade syrehalten kompletterats med kvävgas, varför ingen egentlig lågintensitetsperiod skapades.
Vid intermittent luftning; noll-ett, varnar författarna för anaerobiproblem under noll-perioden.
Man diskuterar även flockstorleken relativt sönderslagningsmekanismer och storlek på mikroflockar och bakterier. Intressant, men kanske något extrapolerad förklaring av resultaten.
Slutsatser
Den icke-reversibla foulingen, som kräver behandling av membranen med starka kemikalier, kan minskas med en variabel luftningsintensitet jämförd med en konstant dito.
Om högintensitetsperioden tillåts bli för lång kan mikroflockarnas förmåga till återflockning försämras (någon siffra ges ej).
Författarna understryker också försökens begränsningar, t ex endast ett fluxvärde, ett set valda periodlängder, en vald porstorlek.
För den processtekniker som brottas med problemet att reducera icke-reversibel igensättning av membran kan artikeln ge uppslag, både avseende metod och mätteknik. Britt-Marie Wilén vid CTH har arbetat med flockegenskaper för aktivt slam, vilket kan vara intressant inom området.
Källa: Wu, Jun; He, Chengda: ”Effect of cyclic aeration on fouling in submerged membrane bioreactor for wastewater treatment”. Water Research 46 (2012) pp 3507-3515.
Artikeln i Water Research kan köpas här.
Författarna från Yangzhou University, China. Korrespondens: j.wu@yzu.edu.cn
