Transcript Membran för avloppsvattenrening –teknologi

”För en renare närmiljö”
Pilotförsök med membranteknik – Bua ARV
Alexander Keucken
Envisys-seminarium, 11.-12.11.2008
Membran för avloppsvattenrening
23
Vendelsö
StråvallaUstö
strand
Jonsjö
Löftaskog
Kungsäter
121
Stråvalla
Driftsbolag för kommunal VAförsörning och avfallshantering
Kärra
By
Järlöv
Drared Eksjöberg
100
Lingome
Värö Ambjörn-Veddige
torp
Ringhals kärnkraftverk
Kullagård
Bua
35
Sunnvära
Väröbacka
Bjurum
Sällstorp
Nordskog
Stamnared
Ö Derome
Ås
Slätterna
ÅsSanddamm
kloster
Fågelskyddsområde Klosterfjorden
Årnäs
32
Svenstorp
Torstorp
Derome
65
V Derome
T orpa
Årnäshalvön
59
169
Brostorp
Ragnarp
Bönarp
Backa
Näs
177
Fjällesjö
Egnared
154
Björshult
161
Horsared
Hjärtaredsj.
198
Svarten
Hult
196
73
Olofstorp
52 Lundby
Säm
Trönninge
Storasjön
193
Fagered Lia
Obbhult
Fare
Borrås
Älv sered
Krogsered
Ås
Bösteshult
Källsjö
Kvarnfällsringen
Hule
Lindberg
Klåback
196
Darhult
Maa
Moatånga
Stora Neten
77
Släne
Skällinge
Valinge
94
Ulvanstorp
Brunabo
Barken
Mäshult
156
Gunnarshult
101
Nösslinge
Ödgården
Rya
Attorp
Tofta
VA-organisation
Kärradal
Tångaberg
Kråkeberg
Balgö
153
125
”För en renare närmiljö”
150
Basthult
D
AN
TL
GÖ
ER
D
ST
AN
VÄ
LL
HA
Videbergshamn
15
Stackenäs Brunared
Bua
Rössbo
Valasjön
Karl
Gustav
Grimmared
50
Stenshult
Jytatorp
Mäsen
98
Fridhemsberg
Ekängen
Skärshult
Bälshult
• 90 personer
• Omsättning: 150 Mkr
• Försörjer Sveriges största bryggeri, kärnkraftverk, stora
livsmedelsindustrier
• 100 000 invånare
• 25 000 abonnenter
• Mer än 5500 fritidsabbonnenter
• 8 000 000 m3 dricksvatten
• 300 mil ledning
• 200 pst
• Ytvatten, grundvatten konstgjord infiltration
Balgöfjorden
71
Trönningenäs
23
Klastorp
Varbergs fästning
78
Runesten
Torstorp
Grimetons
kyrkby
Valakärr
177
Valasjön
Skinnarlyngen
141
Apelviken
Södra Näs
Vare
19
23
Gamla Köpstad
Klev
E6
E20
23
Järnmölle
Järnvirke
Hägared
Borrås
Galtabäck
11
Björkäng
Sik
26
Sotared
Hässlås
16
Munkagård
Lindhult
Bölse
13
Glommen
Höstena
Ljungby Fors
187
100
Gässelia
Bergagård
Alfshög
Hällerup
Töllstorp
Bol
Lia
Sjönevad
Björsered
Ly
59
Måssjö
99
Hjuleberg
Sörby
Abild
Ramsjöholm
Efshult
91
146
Grinnared
176
53
Grimsholmen
Vesslunda
Eftra
121
100
E6
Långasand
Ugglarp
Mostorp
132
Svenstorp
E20
Membran för avloppsvattenrening
14
150
Moshult
Stafsinge
18
Tränshult
Rya
Månsabo
158
Bjerrome
Ås
Vessigebro
154
Vinberg
Tågarp
Vismen
Långhult
Yngered
Askome172
Hede
Gisselstad
Lyngen
Givhult
Krogsered
Yered
Klev
Gällsås
Hansabo
Talgsjö
Fegen
Skogsgärde
Stixered
Årnakulla
Sannarp
Vinbergs
Tornared
Faurås
n
kyrkby
ra
t
Ä
Årstad
Olofsbo
Skogstorp
Tröingeberg
Allberg
Blixtorp Ry 174
Alered 110
Gödastorp
Stafsingestrand
Ågård
117
Falkenberg
Skrea
Särestad
Säm KnobesHeberg
holm
Skrea strand
Hanarp
Boberg
Dalen
Asige
Ringsegård
Slöinge Öinge
20
Morups tånge
139
Okome
Stens
Skog
Öv. Århult
Tornared
184
Ätrafors
Joastorp
Sibbarp
Gödeby
Lastad
Långås
Morup
Lynga
Stranninge
Hakestad
Högryd
157
Välasjö
Näraby
Berg
ran
t
Ä
Ätran
Kornarp
Skällstorp
Gällared
Bråtagärde
Halsetorp
191
Djuparp
Holkakulla
Bredshult
153
158
Tvååker
Ås
Torp
196
Lustorp
Angryd Stegared
Svartrå
Skärsjön
Ottersjö
Nackhälle
Byasjön
Ästad
49
Dagsås
Köinge
Tjärnesjön
Gunnarp
Gunnlered 134
Häljared
Ullared 172
Buskabygd
Åsen
Heden
Släryd
Åkulla
Knutsböke
HunneS Kanåsen
stad
Himle Spannarp 143
49
Träslöv släge
Bråtås
Obbhult
Träslöv
40
Kushult
Hovgård
Gödestad
153
Getterön
16
Varberg
Brännhult
Rolfstorp
Sus
eån
56
Flahult
Gunnarsjö
Fönhult
Oklången
Ödsmåla
Gårdshorn
Fävren
Hölseböke
Brehult
Sandsered
”För en renare närmiljö”
Innehåll
•
•
•
•
Bakgrund
Pilotanläggning
VRM: roterande membranfilter
Försöksresultat
–
–
–
–
Membranprestanda
Biologisk reduktionsgrad
Bakteriell barriärverkan
Energiförbrukning
• Framtida processlösningar
Membran för avloppsvattenrening
”För en renare närmiljö”
Bakgrund
Gatuförvaltningen 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)
Membran för avloppsvattenrening
”För en renare närmiljö”
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 (+ 2700
fysiska personer inom 10 – 20 år)
=> Platsbrist, bakteriereduktion, stegvis
belastningsökning
Membran för avloppsvattenrening
”För en renare närmiljö”
Framtida avloppsrening?!
Konventionell processutformning
MBR-process: aktivslamprocess i kombination med membran
Membran för avloppsvattenrening
”För en renare närmiljö”
Membranbioreaktor
En kombinerad atkivslamprocess 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 är baserad på membranteknologin
(MBR) som framtida processlösning
Membran för avloppsvattenrening
”För en renare närmiljö”
Hur fungerar membranfiltrering?
Membran för avloppsvattenrening
”För en renare närmiljö”
Membran är …
• …tunna barriärer eller skikt av
material som tillåter substanser
med en viss partikelstorlek att
passera
Avskiljt
material
Permeat
Permeat
Armering
Membran
Membran för avloppsvattenrening
”För en renare närmiljö”
Filtreringsspektra
Membran för
avloppsvattenrening
(0,04 µm)
Membran för avloppsvattenrening
”För en renare närmiljö”
Viktiga driftparametrar
•
•
•
•
•
•
Fouling (mirco fouling)
Gross flux (momentana permeatflöde) [l/(m2.h)]
Net flux (totala permeatflöde under 24 h inkl. cleaning/relaxation)
Total Surface Area (membranyta) [m2]
Transmembrane Pressure (TMP-fouling indikator) [bar]
Permeability (flux/TMP) [l/(m2.h.bar)]
Membran för avloppsvattenrening
”För en renare närmiljö”
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.
Membran för avloppsvattenrening
”För en renare närmiljö”
Försöksverksamhet
Syfte
• Studera den hydrauliska kapaciteten och
membranprestanda under den kalla årstiden
• Samla drifterfarenheter/processdata för val
av membranteknik samt framtida
anläggningsdimensionering
Membran för avloppsvattenrening
”För en renare närmiljö”
Pilotförsök
HUBER VRM – demonstrationsanläggning
Försöksperiod: 8 månader (uppstart nov. 07)
• Förbehandling: skruvsil (3mm)
• Qmax: 2,7 m3/h (~ 5% av Qmedel av ink. flöde)
• Amembranmodul: 3 m2/modul
• Amembranyta: 108 m2
• Porstorleknominal : 38 nm
• Fluxnet: ≤ 30 l/m2*h
• TMP: ≤ 300 mbar
• Luftspolning: ~350 l/m2*h (2 m/sek över membranytan)
• Membranmaterial: Polyether sulphone
Membran för avloppsvattenrening
”För en renare närmiljö”
Förbehandling
• Roterande skruvsil
• 3 mm perforerad plåt
• Maskinellt renat råvatten
efter trappgaller (6 mm)
och sandfång
• Periodvis förfällning med
Al-salter före inpumpning
till biosteget
Membran för avloppsvattenrening
”För en renare närmiljö”
Pilotanläggning: processdesign
VacuumRotationMembrane (VRM®)
Biosteg
Filtrationskammare
VRM-unit
(luftning/omrörning)
PLC
Nivå
MLSS
O2
Nivå
Temp.
MLSS
Permeatpump
NO3-N
NH4-N
Blåsmaskin
Membran för avloppsvattenrening
”För en renare närmiljö”
Pilotanläggning: flödesschema
Permeat
Bräddning
Drivmotor
Biosteg
Aktivslam
Recirkulationspump
Inlopp (efter skruvsil)
Luftning
Filtrationskammare
Överskottsslam
Membran för avloppsvattenrening
Spolluft
”För en renare närmiljö”
Roterande vacuummembran
VacuumRotationMembrane (VRM®)
Permeatledningar
(vacuumpump/hydrostatiskt
tryck)
Anslutningar för luftspolning
VRM membranmoduler
Membran för avloppsvattenrening
”För en renare närmiljö”
VRM-membranmoduler
•
•
•
•
•
Asymmetrisk komposit membran
Stödmaterial: PP (300 µm)
Membranmaterial: PES (0,3 µm)
Membranplatta: Moplen
Membranmodul består av 4 plattor
(3 m2)
• Membranelement består av 6
membranmoduler
Membran för avloppsvattenrening
”För en renare närmiljö”
VRM-reaktor: konstruktion
Permeatuppsamling
Drivmotor
Spolluftledningar
Permeatlednigar
Permeatlager
Permeatlager
Membranelement
med
membranmoduler
Ramkonstruktion
Membran för avloppsvattenrening
”För en renare närmiljö”
Processövervakning
• PLC-styrning
• Övervakningsdator
–
–
–
–
SRÖ-system (speglat)
Dataloggning
Mätvärdesbehandling
Säkerhetskopering
• Fjärrstyrning via
modem
– Larmdistribution
– Remote control
Membran för avloppsvattenrening
”För en renare närmiljö”
Processtyrning
Membran för avloppsvattenrening
”För en renare närmiljö”
Processövervakning
Filtration
Närsalter
Biosteget
Membranprestanda
Membran för avloppsvattenrening
Inlopp
”För en renare närmiljö”
Försökfas
Processtrategi
Åtgärder
I
4 veckor
(9/11 – 15/12 -07)
Stabilisering av biosteget/filtreringsprocessen
Ympning med bioslam, låg
permeatproduktion
II
6 veckor
(16/12 -08 – 9/3 -09)
Intrimning av max. dygnsbelastning
Stegvis höjning av flux, ändring
av filtreringstider
III
5 veckor
(10/3 – 16/4 -08)
Stabil permeatproduktion och biologisk reningsgrad vid
max. dygnsbelastning och låga vattentemperaturer
Flux: 15,7 lmh
TMP:~ 55 mbar
IV 1 vecka
(17/4 -27/4 -08)
”Membranvila” inför KAPACITETSTEST 1
Minskning av flux: 11 lmh
V
2 veckor
(28/4 -13/5 -08)
KAPACITETSTEST 1: max. flux/max TMP
Nollpunkt: 11 lmh
Stegvis ökning: + 2 lmh/d
Max. flux: 24 lmh
VI 1d
(14/5 -08)
Membranrekonditionering inför KAPACITETSTEST 2
CIP med NaOCl, kontroll av
membranmoduler
VIII 2,5 veckor
(28/5 -16/6 -08)
KAPACITETSTEST 2: max. flux/max TMP
Nollpunkt: 11 lmh
Stegvis ökning: + 2 lmh/d
Max. flux: 30 lmh
VIIII + V 1,5 veckor
(17-30/6 -08)
Extremtester: max. hydraulisk belastning
Flux: 30 lmh (7d)
Flux: 35 lmh (5)
Membran för avloppsvattenrening
”För en renare närmiljö”
Fas II: Membranprestanda i
”kritiskt” område
Membran för avloppsvattenrening
”För en renare närmiljö”
Fas III: Flux 15,7 lmh (5v), 8 – 10 ºC
Membran för avloppsvattenrening
”För en renare närmiljö”
Fas V: kapacitetstest 1 (översikt)
Fluxmax: 24 lmh
Membran för avloppsvattenrening
”För en renare närmiljö”
Fas VI: 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!
Membran för avloppsvattenrening
”För en renare närmiljö”
Inspektion av membranmoduler
Membran för avloppsvattenrening
”För en renare närmiljö”
Membranavlagringar (före CIP)
Membran för avloppsvattenrening
”För en renare närmiljö”
Membranavlagringar (efter CIP)
Membran för avloppsvattenrening
”För en renare närmiljö”
Fas VII: kapacitetstest 2
Fluxmax: 30 lmh
26 – 11 – 28 lmh
28 – 11 – 30 lmh
Membran för avloppsvattenrening
”För en renare närmiljö”
Fas VIII: extremtester
Fluxmax: 30 - 35 lmh
30 lmh (7d)
35 lmh (5d)
Membran för avloppsvattenrening
”För en renare närmiljö”
Reningsresultat
Reduktionsgrad av närsalter
•
•
•
•
BOD7
COD
Ntot
Ptot
= 98,8 %
= 86,1 %
= 45, 0 %
= 81,7 %
• Fullständig nitrifikation
• Periodvis biologisk fosforreduktion
• Tendenser till skumbildning
Membran för avloppsvattenrening
”För en renare närmiljö”
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?
Membran för avloppsvattenrening
”För en renare närmiljö”
Biohydraulics
Biofilm
Tjocklek
Fysikaliskt/kemiskt
Poröshet
Biologiskt
Flux
EPS
TMP
Kolloidala partiklar
Luftning
Partikulära substanser
Kemikalier
Temperatur
Viskositet
Temperatur
”The interdependency between biological process conditions and membrane
hydraulic performance through a biofilm”
Membran för avloppsvattenrening
”För en renare närmiljö”
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
Membran för avloppsvattenrening
”För en renare närmiljö”
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
Membran för avloppsvattenrening
”För en renare närmiljö”
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].
Membran för avloppsvattenrening
”För en renare närmiljö”
MBR sludge quality spectrum
=> Mycket bra filtrerbarhet av bioslammet under hela försöksperioden
Membran för avloppsvattenrening
”För en renare närmiljö”
Badvattenkvalitet
Provtagningspunkt
efter MBR-reaktorn
=> Mycket hög barriärverkan trots stigande vattentemperatur
och utan återkommande desinficering av permeatsystemet!
Membran för avloppsvattenrening
”För en renare närmiljö”
Energiförbrukning för filtration
Processinställningar
• Recirkulationskvot: 5x Qink
• 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
Kontinuerlig registrering/beräkning av flöden, • Drivmotor (filterenhet): ~0,68 kW
gångtider och energiförbrukning i SCADA-system • Permeatpump: ~0,46 kW
=> Överdimensionerad maskinpark av filtrationen resulterar i en ej
representativ energiförbrukning för en fullskalig MBR-anläggning!
Membran för avloppsvattenrening
”För en renare närmiljö”
Energiprofil för filtration
Membran för avloppsvattenrening
”För en renare närmiljö”
Retrofit av befintlig anläggning
Membran för avloppsvattenrening
”För en renare närmiljö”
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
Membran för avloppsvattenrening
”För en renare närmiljö”
Retrofit med hålrumsmembran
(up to three days continously)
Membran för avloppsvattenrening
”För en renare närmiljö”
MBR-processlösning 1
Membranen placerade i tre tankar i avställd sedimenteringsbassäng
Membran för avloppsvattenrening
”För en renare närmiljö”
MBR-processlösning 2
Fritt placerade membran i slamstabiliseringsbassäng
Membran för avloppsvattenrening
”För en renare närmiljö”
Retrofit-lösning: 3d-modeller, Zenon
Membran för avloppsvattenrening
”För en renare närmiljö”
Retrofit-lösning: VRM-moduler
Dimensionering
• 3 separata VRM-linjer
• VRM 30/560 = 3360 m2/linje
• Total membranyta: 10.080 m2
Hydraulisk belastning:
9,3 lmh (94 m3/h)
18,7 lmh (188 m3/h)
Vid två linjer i drift (6720 m2)
14 lmh (94 m3/h)
28 lmh (188 m3/h)
Membran för avloppsvattenrening
”För en renare närmiljö”
Tack för uppmärksamheten!
Membran för avloppsvattenrening
”För en renare närmiljö”
Driftskostnader för MBR-alternativet
Membran för avloppsvattenrening
”För en renare närmiljö”
Effect of MLSS Conc on Oxygen
Transfer
Membran för avloppsvattenrening