MBR för bättre avloppsrening Erfarenheter från Bua ARV. Alexander Keucken

Transkript

1 MBR för bättre avloppsrening Erfarenheter från Bua ARV Alexander Keucken

2 Innehåll Bakgrund Pilotanläggning VRM: roterande membranfilter Försöksresultat Membranprestanda Biologisk reduktionsgrad Bakteriell barriärverkan Energiförbrukning Framtida processlösningar

3 Bakgrund Varberg Vatten AB planera att modernisera och bygga ut befintligt avloppsreningsverk (ARV): Pågående VA-utbyggnad i norra upptagningsområdet Löftaskog Allmän hög exploateringstakt Prognostiserad befolkningsutveckling i de kustnära norra kommundelarna => Krav på ökad anläggningskapacitet: från 3700 personekvivalenter (PE) till 5500 (PE)

4 Förutsättningar Viktiga faktorer vid framtida uppgradering av befintlig ARV: Lokalisering (strandskydd, Natura 2000-område) Befintlig utsläppspunkt (badvatten, havsmiljön) Prognoser för befolkningsänderingar i upptagningsområdet för Bua ARV ( fysiska personer inom år) => Platsbrist, bakteriereduktion, stegvis belastningsökning

5 Membranbioreaktor En kombinerad aktivslamprocess med membranmoduler förväntas uppfylla: Kompakt reningsprocess (användning av bef. bassänger) Utökad biologisk reningsgrad (höga slamhalter ~ 12 g/l) God partikelavskiljning, stabila utsläppsvärden Möjlighet till stegvis kapacitetsökning utan ombyggnad God bakteriell barriärverkan, badvattenkvalitet (porstorlek ca 40 nm) => Tillståndsansökan baseras på membranteknologin (MBR) som framtida processlösning, daterad

6 Nytt miljötillstånd, Maximal belastning: 5500 pe Oförändrad utsläppspunkt via befintlig utloppstub (i mynningen av Båtafjorden) Utsläppsvillkor för reduktion av näringsämnen: BOD 7 : 10 mg/l (på årsbasis inkl. bräddning) P tot : 0,3 mg/l (på årsbasis inkl. bräddning) Anläggningen skall utformas baserad på MBRteknik Hög reningsgrad genom utökad biologisk rening Bakteriell barriärverkan

7 Tidplan för projektgenomförande År 2009 Sept. Dec. År 2010 Feb. År 2011 Dec. Urvalsupphandling, pågår Entreprenadsupphandling, prel. slutförd Byggstart Om-/utbyggnad med provisorisk drift Idrifttagande av MBR-anläggning

8 Framtida avloppsrening?! Konventionell processutformning MBR-process: aktivslamprocess i kombination med membran

9 Membran för avloppsvattenrening (0,04 µm) Filtreringsspektra

10 Viktiga driftparametrar Fouling (micro fouling) Gross flux (momentant permeatflöde) [l/(m 2.h)] Net flux (nettopermeatflöde under 24 h inkl. cleaning/relaxation) Total Surface Area (membranyta) [m 2 ] Transmembrane Pressure (TMP-fouling indikator) [bar] Permeability (flux/tmp) [l/(m 2.h.bar)]

11 Typiska membranavlagringar: Irreversible cake layer Adsorption, compaction precipitation, inclusion of colloids, etc. Pore blocking Particle diameter ~ Pore diameter Inner pore adsorption Permeable substances with affinity for the membrane material Biofouling Microorganisms in film consisting of EPS Source: Melin, T., Membranverfahren, Springer, 2004.

12 Försöksverksamhet Syfte Studera den hydrauliska kapaciteten och membranprestanda under den kalla årstiden Samla drifterfarenheter/processdata för val av membranteknik samt framtida anläggningsdimensionering

13 Pilotanläggning VRM 20/108 Försöksperiod: 8 månader (uppstart nov. 07): Q max : 2,7 m 3 /h (~ 5% av Q medel av ink. flöde) A membranmodul : 3 m 2 /modul 6 moduler per element (diameter: 2,3 m) A membranyta : 108 m 2 (36 element) Biosteg: 14 m 3 Filtrationskammare: 10 m 3 Drivenhet: 0,9/1,8 rpm Flux net : 30 l/m 2 *h TMP: 300 mbar Luftspolning: ~350 l/m 2 *h (2 m/sek över membranytan)

14 Förbehandling Roterande skruvsil 3 mm perforerad plåt Maskinellt renat råvatten efter trappgaller (6 mm) och sandfång Periodvis förfällning med Alsalter före inpumpning till biosteget

15 Pilotanläggning: utformning VacuumRotationMembrane (VRM ) Biosteg (luftning/omrörning) Filtrationskammare VRM-unit PLC MLSS Nivå Nivå MLSS Permeatpump O 2 Temp. NO 3 -N NH 4 -N Blåsmaskin

16 Pilotanläggning: processchema Permeat Biosteg Bräddning Drivmotor Aktivslam Recirkulationspump Filtrationskammare Spolluft Inlopp (efter skruvsil) Luftning Överskottsslam

17 Roterande vacuummembran VacuumRotationMembrane (VRM ) Permeatledningar (vacuumpump/hydrostatiskt tryck) Anslutningar för luftspolning VRM membranmoduler

18 VRM-membranmoduler Asymmetrisk komposit membran (UF-membran P150F) Stödmaterial: PP (300 µm) Membranmaterial: PES (0,038 µm) Membranplatta: Moplen Membranmodul består av 4 plattor (3 m 2 ) Membranelement består av 6 membranmoduler

19 VRM-reaktor: konstruktion Permeatuppsamling Drivmotor Spolluftledningar Permeatledningar Permeatlager Permeatlager Membranelement med membranmoduler Ramkonstruktion

20 Processövervakning PLC-styrning Övervakningsdator SRÖ-system (speglat) Dataloggning Mätvärdesbehandling Säkerhetskopiering Fjärrstyrning via modem Larmdistribution Remote control

21 Processtyrning

22 Processuppföljning/-utvärdering Parameter Provpunkt Provtagning Frekvens Syfte BOD, COD, P tot, PO 4 -P, SUSP, alkalinitet, ph Flöde, tryck, nivå, TS Temp., TS, NH 4 -N, NO 3 -N INK, permeat Stickprov 2 ggr./vecka Karakterisering av inloppsvatten, reningsgrader Filtrationskammare Givare On-line Membranprestanda avseende flux, TMP och permeabilitet Biosteg/Permeat Givare On-line Biologiska reduktionsgrader Inlopp (belastning) Biosteget (närsaltreduktion) Filtration (membranfunktion)

23 Försöksprogram Försöksperiod Processtrategier Åtgärder 1 4 veckor (9/11 15/12-07) 2 6 veckor (16/ /3-09) 3 5 veckor (10/3 16/4-08) 4 1 vecka (17/4-27/4-08) 5 2 veckor (28/4-13/5-08) Stabilisering av biosteget/filtreringsprocessen Intrimning av max. dygnsbelastning Stabil permeatproduktion och biologisk reningsgrad vid max. dygnsbelastning och låga vattentemperaturer Membranvila inför KAPACITETSTEST 1 KAPACITETSTEST 1: max. flux/max TMP Nollpunkt: 11 lmh Ympning med bioslam, låg permeatproduktion Stegvis höjning av flux, ändring av filtreringstider Flux: 15,7 lmh TMP:~ 55 mbar Minskning av flux: 11 lmh Stegvis ökning: + 2 lmh/d Max. flux: 24 lmh 6 1d (14/5-08) 8 2,5 veckor (28/5-16/6-08) Membranrekonditionering inför KAPACITETSTEST 2 KAPACITETSTEST 2: max. flux/max TMP Nollpunkt: 11 lmh CIP med NaOCl, kontroll av membranmoduler Stegvis ökning: + 2 lmh/d Max. flux: 30 lmh 9/10 1,5 veckor (17-30/6-08) Extremtester: max. hydraulisk belastning Flux: 30 lmh (7d) Flux: 35 lmh (5)

24 Fas 2: Membranprestanda i kritiskt område

25 Fas 3: Steady state operation Flux 15,7 lmh (5v), 8 10 ºC

26 Fas 5: kapacitetstest 1 (översikt) Fluxmax : 24 lmh

27 Fas 6: Membranrengöring-CIP (efter kapacitetstest 1) Nedtömning av filtrationskammare efter 7 månaders kontinuerlig drift (varav 6 veckor: flux 15,7 lmh, 8-10 C) Okulär inspektion före och efter rengöring med 12%ig NaOCl (200 ppm, reaktionstid: 2h) => Mycket avlagringar (gammalt och nytt täckskickt) på delområden av de enskilda membranplattorna!

28 Inspektion av membranmoduler

29 Membranavlagringar (före CIP)

30 Membranavlagringar (efter CIP)

31 Fas 8: kapacitetstest 2 Fluxmax : 30 lmh lmh lmh

32 Fas 9 och10: extremtester Fluxmax : lmh 30 lmh (7d) 35 lmh (5d)

33 Reningsresultat Reduktionsgrad av närsalter BOD 7 = 98,8 % COD = 86,1 % Ntot = 45, 0 % Ptot = 81,7 % Fullständig nitrifikation Periodvis biologisk fosforreduktion Tendenser till skumbildning

34 Karakterisering av slamegenskaper Sedimenteringsegenskaper är oväsentliga för MBRprocesser (OBS! Skumbildning) Slamkvalitén och filtrerbarheten är viktiga faktorer för membranprestanda! Vad menas med filtrerbarhet? Hur bestämmer jag slamkvalitén? Hur förbättrar jag slamkvalitén?

35 Biohydraulics Biofilm Tjocklek Fysikaliskt/kemiskt Flux TMP Luftning Kemikalier Viskositet Temperatur Poröshet Biologiskt EPS Kolloidala partiklar Partikulära substanser Temperatur The interdependency between biological process conditions and membrane hydraulic performance through a biofilm

36 Parametrar som påverkar MBR-fouling TTF DSVI MLSS Specific cake resistance Silt density index (SDI) Fouling index (FI) Modified fouling index (MFI) Particle size distribution (>1.5 µm) Filterability of the cake layer dominates in low-shear condition Colloidal TOC Soluble EPS Soluble carbohydrate Soluble protein Soluble humic acid Temperature Bound EPS Zeta-potential Fouling potential of colloidal particles dominates in highshear condition

37 TTF Time To Filter test Enkel metod för att mäta filtrerbarheten av bioslam Filtreringstid av en viss mängd bioslam genom ett filterpapper med 1.5 µm i porstorlek

38 ctoc colloidal Total Organic Carbon Mätmetod som indikerar koncentrationen av kolloidala ämnen i bioslammet. Skillnaden mellan TOC-koncentrationen i TTF-filtratet (1.5 µm filter) och TOCkoncentrationen i MBR-permeatet (0.04 µm membran) mät i [mg/l].

39 MBR sludge quality spectrum => Mycket bra filtrerbarhet av bioslammet under hela försöksperioden

40 Badvattenkvalitet = bakteriell barriär Provtagningspunkt efter MBRreaktorn => Mycket hög barriärverkan trots stigande vattentemperatur och utan återkommande desinficering av permeatsystemet!

41 Energiförbrukning för filtration Kontinuerlig registrering/beräkning av flöden, gångtider och energiförbrukning i SCADA-system Processinställningar Recirkulationskvot: 5x Q ink Spolluftflöde: 350 l/m2*h (permanent) VRM-rotation: 1,8 rpm (permanent) Permeatproduktion: 1,0 3,78 m3/h Uppmätt effekt Recirkulationspump: ~1,27 kw Blåsmaskin (spolluft): ~1,21 kw Drivmotor (filterenhet): ~0,68 kw Permeatpump: ~0,46 kw => Överdimensionerad maskinpark av filtrationen resulterar i en ej representativ energiförbrukning för en fullskalig MBR-anläggning!

42 Energiprofil för filtration

43 Huvudalternativet Processlösning Förbehandling med sandfång och fingaller Bräddning för Q>2 Qdim strax efter förbehandling Reduktion av organiskt material i befintlig aktivtslambassäng Simultanfällning av fosfor i befintlig aktivtslambassäng Separation av flock i MBR-tankar Slam hanteras med befintligt system

44 Retrofit-lösning: VRM-moduler (1) Dimensionering 3 separata VRM-linjer VRM 30/560 = 3360 m 2 /linje Total membranyta: m 2 Hydraulisk belastning: 9,3 lmh (94 m 3 /h) 18,7 lmh (188 m 3 /h) Vid två linjer i drift (6720 m 2 ) 14 lmh (94 m 3 /h) 28 lmh (188 m 3 /h)

45 Retrofit-lösning: VRM-moduler (2)

46 Tack för uppmärksamheten!