Dokumentation av kunskaper och erfarenheter av MBR på industrianläggningar har varit sparsam samtidigt som det finns en riklig information om kommunala MBR. En jämförande studie av dimensioneringsdata, driftförhållanden och huvudsakliga utmaningar är angelägen och i refererad undersökning presenteras en sådan jämförelse för 24 MBR-anläggningar, varav 15 är industrianläggningar och 9 är kommunala anläggningar.
Av: Bengt Andersson
Membranbioreaktorer (MBR) har kommit till användning allt mer under de senaste tio åren både för rening av industriavloppsvatten och kommunala avloppsvatten. Det finns en mångfald faktorer som kan påverka en MBR-anläggning som t.ex. koncentrationen av biomassa, processvattentemperatur, innehållet av olja och fett, slammets viskositet, löst syre, ytaktiva ämnen, pH, innehåll av oorganiska partiklar och belastning av organiskt material. För kommunala MBR-anläggningar ligger dessa parametrar normalt inom ett smalt fält medan de kan variera högt avsevärt för industrianläggningar.
Omfattande litteraturreferenser har växt fram för kommunala MBR-anläggningar, som bidragit till att skapa en bättre förståelse av processen. Det finns emellertid endast ett fårtal referenser för industrianläggningar och motsvarande kunskap och förståelse för processen i dessa applikationer är väsentligt sämre.
Syftet med genomförd studie var att överbrygga bristerna i dokumentationen vad gäller karakterisering av resultaten av driften av MBR i industrianläggningar genom att ta fram detaljerade driftdata från MBR-anläggningar både för industriavloppsvatten och kommunalt avloppsvatten. Samtliga anläggningar i studien var utformade med externa membransystem och inte nedsänkta membran som dominerar marknaden. Externa membransystem kan uppvisa stora fördelar i jämförelse med nedsänkta membran som t.ex. anpassning till anläggningar med små fotavtryck, enkel in- och urkoppling vid belastningsvariationer och lättare att ta ur drift vid rutinåtgärder eller vid oplanerat underhåll.
Genomförande av undersökningen
Driftdata från 24 fullskaleanläggningar med MBR granskades i detalj, där 15 anläggningar behandlade industriavloppsvatten (främst kemisk industri men även livsmedels- och läkemedelsindustri) och 9 anläggningar kommunalt avloppsvatten.
Anläggningarna innehöll 5 olika MBR-system från tre olika leverantörer. Två olika typer av membranmaterial förekom med keramiskt material i tre anläggningar och polymerbaserat material i övriga 21 anläggningar. Porstorleken hos membranen var från 0,03 mm och uppåt.
8 anläggningar innehöll plattmembran med en porstorlek av 40 kDa och samtliga anläggningar behandlade industriavloppsvatten. 11 anläggningar innehöll rörmembran med en porstorlek av 0,08 mm, där 4 anläggningar behandlade industriavloppsvatten och 7 anläggningar kommunalt avloppsvatten. 2 av de kommunala anläggningarna var av fabrikat X-flow AirliftTM med rörmembran med porstorlek 0,03 mm, där anläggningarna behandlade kommunalt avloppsvatten. Övriga tre anläggningar innehöll membran av keramiskt material av två olika fabrikat med en porstorlek av 0,15 mm och dessa anläggningar behandlade industriavloppsvatten.
Industrianläggningarna belastades av ett flöde mellan 30 och 6200 m3/d med en inkommande COD-halt mellan 650 och 40000 mg/l. Processvattentemperaturen varierade mellan 20 och 45 oC. Avloppsvattenflödet genom de kommunala anläggningarna varierade mellan 100 och 850 m3/d men en inkommande COD-halt mellan 350 och 1500 mg/l. Avloppsvattentemperaturen varierade mellan 25 och 30 oC.
Utformningen av luftningssystemet i anläggningarna utgjordes av konventionell luftning alternativt ren syrgas. Ren syrgas dominerade i industrianläggningarna, där 10 av 15 anläggningar utformats med detta system främst beroende på en högre specifik syreförbrukning. Två av de kommunala anläggningarna var utformade med ren syrgas för syretillförseln.
Resultat
En ansenlig mängd data och information insamlades in från anläggningarna, som varit i drift mellan 4 och 10 år. En sammanfattning av utvärderingen ges i det följande.
En bra förbehandling var en nyckelparameter för en bra funktion och drift av MBR-anläggningarna. Studerade anläggningar hade samtliga silar med en spaltvidd mellan 0,8 och 1 mm för att minimera risken för skador av membranen. Samma behov av förbehandling fanns för kommunala anläggningar och industrianläggningar.
Industrianläggningarna hade inkommande COD-halter mellan 650 och 40000 mg/l och de kommunala anläggningarna mellan 350 och 1500 mg/l. COD-avskiljningen över alla anläggningar uppgick till 94 % i genomsnitt med variationer mellan 85 och 98 % för såväl industrianläggningarna som de kommunala anläggningarna. Det fanns inga systematiska variationer mellan avloppsvattenkällorna och graden av COD-avskiljning.
Dimensionerande flux för de 24 anläggningarna varierade mellan 30 och 85 l/m2*h. De två systemen med airlift hade lägst dimensionerande flux med omkring 30 l/m2*h vid TMP 1 bar, systemen med plattmembran hade ett genomsnittligt dimensionerande flux av knappt 60 l/m2*h vid TMP 2,5 bar och systemen med rörmembran hade högst dimensionerande flux med omkring 70 l/m2*h vid TMP 5 bar. För anläggningar, där en mera detaljerad uppföljning gjordes, konstaterades att några anläggningar hade ett högre flux (mellan 40 och 60 %) och att några anläggningar hade ett lägre flux (omkring 60 %) vid drift än dimensionerande flux.
Avloppsvattentemperaturen var hög vid industrianläggningarna beroende på höga inkommande temperaturer och på värmeutveckling vid den exoterma oxidationen av organiskt material i höga halter. Polymerbaserade membran är känsliga för temperaturer över 40 oC och vid tre av industrianläggningarna erfordrades kylning av inkommande avloppsvatten. Keramiska material kunde klara högre temperaturer men det var viktigt att begränsa temperaturen till 45 oC för att undvika inhibering av bakterietillväxten.
Fyra av anläggningarna drevs med slamhalter över 10 g/l med bra resultat. Övriga anläggningar hade en slamhalt av 8,9 g/l i genomsnitt med variationer mellan 4,5 och 10 g/l. Igensättningsrisken ökade vid alltför höga slamhalter och masstransporten påverkades negativt. Vid de kommunala anläggningarna var slammets reologi avhängig av slamhalten då slammet uppvisade pseudoplastiska egenskaper. Vid industriella anläggningar spelade innehållet i inkommande avloppsvatten större roll för reologin och slammets viskositet konstaterades vara ett bättre mått än slamhalten.
Vad gäller energiförbrukning erfordrar externa MBR-system generellt högre energi än nedsänkta system. Membranen behöver rengöras genom en hög flödeshastighet vid membranytan och det sker med hjälp av pumpning för de externa systemen och med luftning för de nedsänkta systemen. Energiförbrukningen för de utvärderade anläggningarna varierade mellan 4 och 10 kWh/m3. De två anläggningarna med airlift-system hade en energiförbrukning av 1,5 kWh/m3. Energiförbrukningen med nedsänkta membran uppgår vanligtvis till mellan 0,3 och 0,6 kWh/m3.
Fundamentala kunskaper erfordras om inverkan av olika processvariabler på igensättning av membranen. Olika strategier med mekanisk och kemisk rengöring för att minska effekten av igensättning tillämpades vid samtliga anläggningar. Dock saknades information om utvecklingen av permeabilitet och flux under längre tid för enskilda anläggningar.
En regelbunden kontroll av membranen genom autopsi (en total undersökning av enskilda membran som tagits ut ur processen) gjordes för att öka förståelsen för vilka faktorer som påverkar membranens flux och permeabilitet.
Slutsatser
Studien visade
- att MBR kan användas för både kommunal och industriell avloppsvattenrening med hög tillförlitlighet och med en hög kvalitet i utgående avloppsvatten
- att analysen av 24 anläggningar som varit i drift mellan 4 och 10 år visade på ett antal nyckelfaktorer som är viktiga för processen och att det finns både likheter och olikheter mellan anläggningar för industri och kommun
- att adekvat flux och permeabilitet kunde upprätthållas genom en bra driftstrategi med rengöring och igensättning och en effektiv processkontroll
- att användning av membranautopsi rekommenderades som ett effektivt sätt för att bestämma orsaker till nedbrytning och igensättning av membranen samt
- att användning av ren syrgas för luftningen kunde skapa flexibilitet för att ta hänsyn till belastningsvariationer och för att minska anläggningarnas fotavtryck.
Källa: A. Larrea, A. Rambor, M. Fabiyi. Ten years of industrial and municipal membrane bioreactor (MBR) systems – lessons from the field. Water Science & Technology 70.2 (2014) pp 279 – 288.
Hela artikeln från Water Science & Technology finns att köpa här.
