Utvecklingen av membranbioreaktorer har gått snabbt under senare år och ett stort intresse finns för processen på grund av dess bättre effektivitet jämfört med en konventionell aktivtslamprocess. Den högre energiförbrukningen utgör emellertid en nackdel och en ökad förståelse är angelägen för att processen skall få en ökad användning.
Av: Bengt Andersson
I ett tidigare bidrag om membranbioreaktorer (MBR) konstaterades att energiförbrukningen var väsentligt högre än för en konventionell aktivtslamprocess (Internationell VA-utveckling 2013:1). Andra fördelar med membranbioreaktorer vägde emellertid upp detta och ur ett samlat perspektiv med hjälp av LCA visades att MBR var klart mera fördelaktig än aktivtslamprocessen.
Det finns inte många referenser från fullskaleanläggningar som belyser energibehovet i en MBR och de referenser som finns visar på stora variationer med normala värden mellan 0,7 och 1,6 kWh/m3. Samtidigt finns det rapporterat både extremt höga siffror mellan 2,2 och 2,6 kWh/m3 och mycket låga siffror på 0,4 kWh/m3 vid en anläggning i Singapore. Uppgifter om energiförbrukningen i en konventionell aktivtslamprocess kan även variera högst avsevärt med värden mellan 0,3 och 0,6 kWh/m3 och med extremvärden upp till 1,9 kWh/m3. Generellt anses att en MBR har en energiförbrukning som är mellan 30 och 50 % högre än en konventionell aktivtslamanläggning.
De varierande uppgifterna för energiförbrukningen i en MBR har skapat ett stort intresse för att försöka förstå och förklara energibehovet och dess fördelning i en MBR-process. Refererad artikel utgör ett sådant försök, där 6 fullskaleanläggningar med MBR valdes ut för en energirevision.
Genomförande av undersökningen
Samtliga anläggningar behandlade ett kommunalt avloppsvatten från ett kombinerat ledningssystem. Anläggningarna valdes ut för att ge en variation som täcker olika anläggningsstorlekar, olika membrantyper, olika dimensionering och olika driftförhållanden. Fyra anläggningar fanns i Frankrike, en i USA och en fanns i Spanien.
Storleken på anläggningarna varierade från 6000 till 90000 PE. Två olika typer av membran fanns i anläggningarna. Två av anläggningarna hade plattmembran från Kubota och fyra hade hålrumsmembran från Zenon.
Datainsamlings- och provtagningsprotokollet för analysen utformades så att mätningarna genomfördes på samma sätt för alla anläggningarna. Ett kontinuerligt övervakningsprogram genomfördes som bas under minst 1 år, där flöde och kvalitetsparametrar med avseende på COD, BOD, MLSS, ammoniumkväve, nitratkväve, Kjeldahlkväve, totalfosfor och alkalinitet analyserades som 24-timmars blandprov.
Som komplement till basprogrammet gjordes en intensifierad och mera detaljerad provtagning under 3 dygn vid varje anläggning med bl.a. energimätningar på samtliga motorer avseende energiåtgång, spänning, strömstyrka och cos f. Baserat på samtliga motorers drifttid beräknades den specifika energiförbrukningen i förhållande till dygnsmedelvärden för flöde och organisk belastning uttryckt som kWh/m3 resp. kWh/kg BOD.
Resultat
Samtliga anläggningar uppvisade en hög avskiljning av organiskt material och kväve. Avskiljningsgraden uppgick till mellan 95 och 99 % med mycket låga utgående halter av samtliga parametrar (COD mellan <10 – 36 mg/l, BOD <5 mg/l, NH4-N <1 mg/l och total-N mellan 1 och 2,9 mg/l).
Samtliga anläggningar var lågbelastade och den hydrauliska och organiska belastningen var i de flesta fall mindre än 50 % av dimensionerande belastning. Den genomsnittliga hydrauliska belastningen uppgick till mellan 42 och 82 % av den dimensionerande belastningen och motsvarande värde för den organiska belastningen uppgick till mellan 39 och 51 %.
Energiberäkningar för studerade anläggningar gjordes för både hela anläggningen och MBR-anläggningen separat. Specifik energiförbrukning för hela anläggningarna varierade mellan 0,8 och 2,4 kWh/m3 och för MBR-anläggningarna mellan 0,6 och 1,3 kWh/m3. MBR-anläggningarna svarade för mellan 55 och 90 % av den totala energiförbrukningen och det visar att det är viktigt att en jämförelse görs på ett riktigt sätt och att den endast avser MBR-anläggningen.
Den specifika energiförbrukningen uttryckt som kWh/m3 beror i hög grad på den hydrauliska belastningen uttryckt i % av dimensionerande belastning. Det beror framför allt på att membranrengöringen med grovblåsig luftning är konstant oavsett hydrauliskt belastning och den bestäms helt av den totala ytan av membranen. Även andra komponenter drivs konstant oberoende av flödet. Om den hydrauliska belastningen är nära den dimensionerade kan ett specifikt energitalet mellan 0,5 och 0,7 kWh/m3 uppnås.
Studien visade att typen av membran har stor betydelse för energiförbrukningen. Rengöring av plattmembran krävde upp till två gånger mer energi (mellan 0,45 och 0,55 kWh/m3) jämfört med rengöring av hålrumsmembran (mellan 0,2 och 0,3 kWh/m3). Plattmembranen krävde en konstant luftning för att undvika igensättning medan rengöringen av hålrumsmembranen kunde ske med en cyklisk luftning som var på i 10 sekunder och av i 10 sekunder. Genom en utveckling av den cykliska luftningen till 10 sekunder på och 30 sekunder av vid en av anläggningar kunde energiförbrukningen för rengöring av membranen minskas till 0,17 kWh/m3.
Den specifika energiförbrukningen uttryckt som kWh/kg BOD varierade mellan 2,2 och 4,4 kWh/kg BOD för anläggningarna med hålrumsmembran och mellan 4,2 och 5,7 kWh/kg BOD för anläggningarna med plattmembran. Energiförbrukningen vid olika organisk belastning hade inte samma betydande inverkan som vid den hydrauliska belastningen. Noteras kan dock att vid en av anläggningarna, som drevs med en MLSS halt av 3 g/l, var energitalet endast hälften av talet för en anläggning som drevs med en MLSS-halt av 6,8 g/l. Båda anläggningarna hade en belastning av cirka 40 % av dimensionerande värde.
I en MBR-anläggning ingår energiförbrukning för rengöring av membranen, luftning av det aktiva slammet, pumpning av permeatet, intern och extern recirkulation samt omrörning. Rengöring av membran och luftning av aktivtslam svarade för huvuddelen av energiförbrukningen i en MBR-process. Energifördelningen för MBR med plattmembran var 56 % för rengöring av membran, 20 % för luftning av aktivtslam, 10 % för omrörning och 14 % för recirkulation. Motsvarande fördelning för en MBR med hålrumsmembran var 30 % för rengöring av membran, 34 % för luftning av aktivtslam, 11 % för omrörning, 22 % för recirkulation samt 3 % för pumpning av permeat.
Slutsatser
Följande slutsatser kunde dras av undersökningen:
- Den specifika energiförbrukningen i en MBR-anläggning beror på ett flertal faktorer som dimensionering, layout, flödesbelastning, membranutnyttjande och driftstrategi.
- Den hydrauliska belastningen har en avgörande betydelse för den specifika energiförbrukningen med högre energital vid lägre belastning. Vid en belastning nära den dimensionerande kan en MBR-anläggning drivas med en energiförbrukning mellan 0,5 – 0,7 kWh/m3.
- Valet av membrantyp är även avgörande eftersom rengöring av membranen svarar för en stor del av den totala energiförbrukningen. Energiförbrukningen för rengöring av plattmembran är cirka 40 % högre än för hålrumsmembran.
- Samtliga anläggningar uppvisade mycket låga utsläppsvärden och det kan sannolikt vidtas olika åtgärder för energibesparing utan att utgående vattenkvalitet påverkas.
- En jämförelse av uppgifter i litteraturen avseende energital kan vara svår då det inte alltid framgår om uppgifterna avser MBR-anläggningen separat eller hela reningsverket. En jämförelse måste baseras med uppgifter endast för MBR-anläggningen.
Det finns även en liknande artikel med data från holländska MBR-anläggningar som stödjer ovan refererade resultat och slutsatser (Specific energy consumption of membrane bioreactors for sewage treatment. P. Krzeminski et.al, Water Science & Technology 2012, pp 308 – 392).
Källa: B. Barillon, S. Martin Ruel, C. Langlais, V. Lazarova. Energy efficiency in membrane bioreactors. Water Science & Technology 67.12 (2013) pp 2685 – 2691.
Hela artikeln från Water Science & Technology finns att köpa här.
