Dit grootste MABR-systeem ter wereld zal uw begrip van het beluchtingsproces veranderen!
Momenteel is in de meeste traditionele afvalwaterzuiveringsinstallaties het energieverbruik van het beluchtingsproces verantwoordelijk voor meer dan 50% van het totale energieverbruik van de installatie, waardoor er een groot potentieel voor energiebesparingen overblijft. Als biologische membraanwaterzuiveringstechnologie die gebruikmaakt van selectieve zuurstoftransmissie door membranen om zuurstof te leveren en als biofilmdrager te dienen, kan MABR-technologie het energieverbruik voor afvalwaterbehandeling effectief verminderen, de belasting van de installatie verhogen en de verwijdering van stikstof- en fosforvoedingsstoffen verbeteren. Het heeft aanzienlijke technische voordelen bij de behandeling van afvalwater met een hoog zuurstofverbruik, afvalwater van vluchtige organische stoffen en afvalwater met een hoog ammoniak-stikstofgehalte.
Afvalwaterinstallatie Hespeler: 's werelds grootste MABR-systeem met membraanoppervlak
De afvalwaterzuiveringsinstallatie van Hespeler, gelegen in Cambridge, Ontario, Canada, is een van de dertien fabrieken die de bevolking van de regio Waterloo, die ruim 600000 inwoners bedient, bedient.
Oorspronkelijk gebouwd in 1973, werd de fabriek geüpgraded in 1988 en 1992, maar deze upgrades waren onvoldoende om te voldoen aan de toenemende vraag van de bevolking en de stijgende efficiëntie-eisen voor afvalwaterbehandeling. Daarom besloot de regionale regering van Waterloo het secundaire zuiveringsproces in de fabriek van Hespeler te herzien.
Hespeler Afvalwaterzuiveringsinstallatie
In 2017 en 2018 onderzocht de regionale overheid het ontwerpplan, de prestaties op lange termijn en de economische haalbaarheid van het installeren van MABR-technologie, en besloot uiteindelijk haar aerobe actiefslibsysteem te upgraden naar een MABR/AO (anoxisch-oxisch) gecombineerd processysteem. Toen het project in 2021 live ging, werd het qua membraanoppervlakte het grootste MABR-systeem ter wereld.
De beslissing om voor de fabriek in Hespeler te kiezen voor MABR-technologie is zeer gunstig gebleken.
1. Vanuit een energiebesparend perspectief:
Bij de oorspronkelijke aerobe actiefslibmethode bij Hespeler verbruikte deze sectie 60% van de totale energie, aangezien er zuurstof nodig was voor de beluchting met microbellen. Tijdens de upgrade resulteerde een reductie van 40% in het biochemische energieverbruik van de fabriek.
In een typische afvalwaterzuiveringsinstallatie maakt de conventionele beluchtingsmethode gebruik van een ventilator of mechanische beluchting waarbij lucht of zuivere zuurstof mechanisch in het afvalwater wordt geperst. Hoewel deze methoden effectief en gemakkelijk te controleren zijn, hebben ze veel nadelen: het grote aantal bellenbeluchting produceert een hoog energieverbruik, operationele kosten en een laag zuurstofoverdrachtsrendement.
In tegenstelling tot de MABR-technologie wordt het zuurstofgehalte in het vezelmembraan bepaald door het verschil tussen het zuurstofgehalte binnen en buiten nadat de beluchting is gestart. Het membraanmateriaal lost zuurstof op en verspreidt het als één enkel molecuul, zodat het door het membraan kan diffunderen. Vergeleken met conventionele beluchtingsmethoden heeft MABR verschillende voordelen:
Zuurstof kan echter rechtstreeks aan de biofilm worden geleverd, wat de weerstand tegen zuurstofoverdracht via de vloeistoffase aanzienlijk kan verminderen en een zuurstofgebruik van meer dan 100% mogelijk maakt. Met traditionele methoden bereikt het zuurstofoverdrachtsrendement slechts 1,5 kg/(kW·h), terwijl dit kan oplopen tot 6 kg/(kW·h).
◎ Het is een stabiele omgeving voor microbiële groei en voortplanting. De MABR-beluchtingsintensiteit is mild en veroorzaakt vrijwel geen schade aan de micro-organismen die aan de membraanvezels vastzitten, waardoor de microbiële groei wordt gestabiliseerd.
◎ Deze beluchting is vrij van luchtbellen, waardoor wordt voorkomen dat vluchtige componenten, meestal via luchtbellen, de lucht in worden getransporteerd om secundaire vervuiling te voorkomen. Bovendien onderdrukt het de schuimvorming door het microbiële metabolisme.
◎ Door de zuurstoftoevoer eenvoudig aan te passen, wordt gasverspilling als gevolg van de minimale zuurstofbehoefte voor de reactie vermeden.
2. Vanuit het perspectief van capaciteitsuitbreiding:
De oorspronkelijke verwerkingscapaciteit van de fabriek in Hespeler bedroeg 6.600 m3/dag. Na de upgrade nam de zuiveringscapaciteit toe tot 9.320 m3/dag, een stijging van 40%.
MABR-apparatuur is compact, neemt weinig ruimte in beslag en kan direct in bestaande tanks worden geïnstalleerd. Zuurstof wordt selectief door het membraan geleid voor een belvrije beluchting, met een hoge zuurstofoverdrachtsefficiëntie. De geleverde zuurstof wordt volledig benut door de biofilm, wat resulteert in een hoog zuurstofgebruik en een aanzienlijke toename van de biomassa van het systeem, waardoor uitbreiding van de fabriekscapaciteit wordt bereikt zonder fysieke expansie.
MABR-upgrades kunnen de belasting van bestaande afvalwaterzuiveringsinstallaties met 20%-40% of zelfs hoger verhogen.
De zuurstofoverdrachtsrichting in MABR is tegengesteld aan de overdrachtsrichting van ammoniakstikstof en organisch materiaal. Nitrificerende bacteriën vormen een dominante groei nabij het membraanoppervlak en worden beschermd door de buitenste biofilm, die niet alleen de nitrificatiesnelheid verhoogt, maar ook de stabiliteit van de nitrificatie garandeert. Dit voordeel komt vooral tot uiting bij schokbelastingen of tijdens koude wintermaanden.
Vóór de upgrade overschreed het wintereffluent ammoniakstikstof (met een minimale watertemperatuur van 10 graden) de lozingsnorm van 5 mg/l; na de opwaardering voldeed het effluent aan de norm (winterafvoergrens < 5 mg/L, zomergrens < 2 mg/L).
Bovendien maakt het installeren van MABR-reactoren in anaërobe of anoxische tanks gelijktijdige nitrificatie en denitrificatie mogelijk. Onder dezelfde totale stikstofomstandigheden in het effluent, vergeleken met andere stikstofverwijderingsprocessen zoals A2O, het vermindert de interne recirculatieverhoudingen, verbetert de denitrificatie-efficiëntie en bespaart tegelijkertijd koolstofbronnen en energie.
Drie belangrijke factoren die van invloed zijn op de membraanbeluchte biofilmreactor (MABR)
1. Beluchtingsdruk
Omdat de werkdruk in MABR onder het borrelpunt van het membraan moet blijven, krijgen we een bellenvrije beluchting.
◎ Bij een te lage druk zal er niet voldoende opgeloste zuurstof in de binnenste biofilm aanwezig zijn, waardoor de activiteit van aerobe nitrificerende en heterotrofe bacteriën eronder zal lijden.
◎ Bij zeer hoge druk zal de gehele biofilm aëroob zijn, waardoor anaerobe denitrificerende bacteriën en andere anaëroben worden aangemoedigd om niet te groeien, wat het denitrificatieproces negatief beïnvloedt.
In feite zou het behandelingseffect in de praktijk moeten worden bereikt onder de juiste waterkwaliteitsintensiteit, afhankelijk van de specifieke waterkwaliteit.
2. Waterstroomsnelheid
In de fase van microbiële hechting zal de overmatige stroomsnelheid de microbiële groei en adhesie belemmeren, daarom is de stroomsnelheid in dit stadium niet te hoog.
Zodra de biofilm is gevormd, vermindert een toename van de waterstroomsnelheid de dikte van de vloeistofgrenslaag. Naarmate de dikte van de biofilm stabiliseert tijdens stabiele werking, vermindert een toenemende stroomsnelheid de dikte van de grenslaag van de vloeibare fase en bevordert de vernieuwing van de biofilm, waardoor de dikte van de biofilm excessief wordt verminderd, waardoor de overdrachtsefficiëntie van zuurstof en verontreinigende stoffen toeneemt.
Uit het onderzoek blijkt dat de stroomsnelheid van het afvalwater een van de factoren is die de microbiële groei en de dikte van de biofilm beïnvloeden.
◎ Hoe dunner de grenslaag is, vanwege de hogere stroomsnelheid en de bijbehorende stabiele biofilmdikte.
◎ Het verhogen van de afbraaksnelheid van verontreinigende stoffen vereist een afnemende stroomsnelheid, een dikkere stabiele biofilm en een dikkere stabiele biofilm bij een lagere stroomsnelheid.
3. Koolstof-, stikstof- en fosforverhouding in afvalwater
Een geschikte C:N:P-verhouding bevordert de microbiële groei in de MABR-biofilm, waardoor gelijktijdige nitrificatie en denitrificatie in de reactor wordt vergemakkelijkt.
◎ In gevallen van een lage C:N-verhouding is de concentratie organische koolstof onvoldoende om te voldoen aan de vraag naar koolstofbronnen voor denitrificatie, wat de totale efficiëntie van stikstofverwijdering beïnvloedt.
◎ Wanneer de C:N-verhouding te hoog is, zullen aerobe heterotrofe bacteriën zich vermenigvuldigen en een grote hoeveelheid zuurstof verbruiken, waardoor de concentratie opgeloste zuurstof wordt verlaagd en de nitrificatie wordt belemmerd.
Vier veel voorkomende toepassingsscenario's voor membraanbeluchte biofilmreactor (MABR)
- Behandeling van afvalwater met een hoog ammoniak-stikstofgehalte
- Geïntegreerde apparaten voor de behandeling van huishoudelijk afvalwater op het platteland
- Biologisch herstel van stedelijke rivierwateren
- Het upgraden van afvalwaterzuiveringsinstallaties voor betere prestaties
De laatste jaren wordt MABR zelfs steeds vaker toegepast in afvalwaterzuiveringsinstallaties over de hele wereld.
Bij de YBSD afvalwaterzuiveringsinstallatie in Illinois, VS, werden bijvoorbeeld 10 originele aërobe bioreactoren geüpgraded naar 2 anaërobe tanks, 2 MABR anoxische tanks en 6 aërobe tanks, met 12 MABR-modules geïnstalleerd in de anoxische tanks. Hierdoor werd het vorige aerobe proces omgezet in een stikstof- en fosforverwijderingsproces, waardoor het doel werd bereikt om de behandelingscapaciteit te vergroten en tegelijkertijd de biologische stikstof- en fosforverwijdering te verbeteren.
De biofilm-acclimatisatieperiode van het MABR-systeem bedroeg slechts drie weken, en nadat het afvalwaterzuiveringssysteem volledig operationeel was, nam de influent BZV5-belasting toe tot 0,60 kg/(m3·dag), een stijging van 47% vergeleken met vóór upgradeniveaus.
Het uiteindelijke effluent van de installatie voldeed aan alle ontwerpverwachtingen, met effluent BZV5<10 mg/L, total suspended solids (TSS) < 10 mg/L, NH3-N < 1.5 mg/L, and TP < 1.0 mg/L. The average oxygen transfer rate (OTR) and oxygen transfer efficiency (OTE) were 10.8 g/(m2·day) and 33.3%, respectively.
Microbiële populatieanalyse van de biofilm toonde aan dat ammoniak-oxiderende bacteriën (AOB) en nitriet-oxiderende bacteriën (NOB) 40% van de microbiële populatie vertegenwoordigden, ruim vier keer zoveel als bij conventionele actiefslibprocessen.
Bovendien had het MABR-proces, vergeleken met het CAS-proces voor een fabriek van dezelfde omvang (met investeringskosten van 25 miljoen dollar en een bouwtijd van 2,5 jaar), investeringskosten van slechts 5 miljoen dollar en een bouwtijd van 1 jaar. waardoor de kosten en bouwtijd aanzienlijk worden verlaagd.