MBR Introductie

1. Wat zijn membraanbioreactoren?

Membraanfiltratie speelt een belangrijke rol bij de water- en afvalwaterbehandeling, die superieur is aan de conventionele watertechnologieën met bewezen betere prestaties en efficiëntere economie. De basismembraanprocessen zijn microfiltratie (MF), ultrafiltratie (UF), nanofiltratie (NF), omgekeerde osmose (RO). Het scheidingsbereik voor deze membranen is als volgt: 100 tot 1000 nm voor MF, 5 tot 100 nm voor UF, 1 tot 5 nm voor NF en 0,1 tot 1 nm voor RO.  De afgelopen tien jaar zijn MBR's uitgegroeid tot een effectieve secundaire behandelingstechnologie door gebruik te maken van membranen in het bereik van MF en UF.

Fig.1, Classificatie van membranen op basis van poriegrootte

Een membraanbioreactor (MBR)-processen worden voornamelijk gebruikt voor de behandeling van afvalwater (WWT) door gebruik te maken van microfiltratie (MF) of ultrafiltratie (UF) en deze te integreren met een biologisch proces zoals zwevende groei bioreactor. De membranen worden gebruikt als filter en verwijderen de vaste stoffen die tijdens het biologische proces ontstaan, waardoor een helder en pathogeenvrij product ontstaat. Een visueel voorbeeld vindt u in de volgende afbeelding van een ondergedompelde MBR (iMBR) in figuur 2.

Fig.2, Het afvalwater gaat door een fijn scherm voor het verwijderen van grote voorwerpen die schade kunnen veroorzaken aan de stroomafwaartse apparatuur. Vervolgens gaat het een anoxische zone binnen voor de behandeling van stikstofhoudend materiaal en fosfaat, gevolgd door een aërobe zone waar micro-organismen met behulp van de zuurstof die uit de FBD komt, het organische materiaal in het afvalwater zullen verteren en daarbij samenklonteren, waardoor een slib ontstaat. Dit slib komt in de Immersed Membrane Bioreactor waar het membraan zich zal scheiden. de vaste stoffen en micro-organismen uit water.

Een membraanbioreactor is in wezen een vervanging van het conventionele actiefslibsysteem (CAS) voor de bezinkingstank voor vaste-vloeistofscheiding. De MBR geeft de eindgebruiker verbeterde procescontrole en een veel betere productwaterkwaliteit.

Het MBR-proces werkt binnen een aanzienlijk ander bereik van parameters dan het conventionele actiefslibproces

• SRT 5 -20 dagen voor conventioneel systeem - 20 -30 dagen voor MBR
• F/M 0,05 -1,5 d-1voor conventioneel systeem - < 0,1 d-1 voor MBR
• MLSS 2.000 mg/l voor conventioneel proces - 5.000 -20.000 mg/l voor MBR

Over het algemeen hebben MBR's drie verschillende membraanconfiguraties (Fig.3),

1. vlakke plaat (FS)
2. holle vezels (HF)
3. multibuis (MT)

Afb. 3, MBR-membraanconfiguraties, A) Holle vezel, B) Multitube, C) Vlakke plaat

2. MBR-applicaties

MBR's hebben over het algemeen de voorkeur wanneer,

1. Er is beperkte ruimte
2. Eindgebruiker heeft behandeld water van hoge kwaliteit nodig (bijvoorbeeld voor hergebruik van water)

Steeds strengere milieuregels, samen met een afnemende MBR CAPEX en OPEX, hebben geleid tot een toename van het aantal installaties en de omvang ervan over de hele wereld. MBR's zijn nu geïmplementeerd in meer dan 200 landen over de hele wereld, met een aantal fabrieken met een capaciteit van meer dan 4.200 m³/d. Hun groeipercentages tot 15% worden regelmatig gerapporteerd in verschillende marktanalyses.

Meestal wordt MBR-technologie toegepast op afvalwater met een gemakkelijk biologisch afbreekbaar gehalte aan organische koolstof. Dit laatste geldt vooral als het gaat om de voedingsmiddelen- en drankensector, die uitgebreid gebruik heeft gemaakt van MBR-technologieën.

Afvalwatermarkten die weinig biologisch afbreekbare inhoud bevatten (bijvoorbeeld percolaat van stortplaatsen en farmaceutisch afvalwater) hebben ook een toename van MBR's gezien als gevolg van de lange vaste retentietijden (SRT) die een verbeterde biologische behandeling mogelijk maken ten opzichte van die van de conventionele biologische processen.

Water dat gesuspendeerde olie (plantaardig of mineraal) bevat, heeft een voorbehandeling nodig (bijvoorbeeld plaatscheiding, flotatie van opgeloste lucht of beide) om het membraan te beschermen.

Hoewel de wereldmarkt voor MBR voornamelijk wordt gedomineerd door een paar grote bedrijven, blijft het aantal technologieleveranciers groeien, met meer dan 70 MBR-membraanmoduleproducten die momenteel op de markt verkrijgbaar zijn.

Over het algemeen zijn MBR's toegepast om afvalwater te behandelen in een aantal industriële sectoren, zoals:

1. Voedingsmiddelen en dranken - met een hoog organisch gehalte

2. Aardolie-industrie - met exploratie, raffinage en petrochemische sectoren

3. Farmaceutische industrie - met actieve farmaceutische ingrediënten (API's)

4. Pulp- en papierindustrie - met hoge concentraties zwevende deeltjes, COD en BOD

5. Afvalwater van de textielindustrie - minus herafbreekbaarheid, toxiciteit, vet- en oliegehalte en kleur

6. Percolaat van stortplaatsen - minus een grote verscheidenheid aan opgeloste en zwevende organische en anorganische verbindingen

7.      scheepseffluent − wettelijke vereisten en ruimtebeperkingen.

8.      Industriële versus gemeentelijke zuivering

 

3. Wat zijn de voordelen van MBR's?

Het wordt algemeen erkend dat membraanbioreactoren een aantal voordelen hebben ten opzichte van andere afvalwatertechnologieën,

• I.    Onafhankelijke controle van HRT en SRT
• II.   Afvalwater van hoge kwaliteit
• III.  Kleine voetafdruk
• IV.  Verbeterde biologische behandeling.
• V.   Onafhankelijke controle van HRT en SRT
• VI.  MBR OPEX

Ik.    Onafhankelijke controle van HRT en SRT

Omdat de biologische vaste stoffen (gemengde vloeistof of slib) volledig in de bioreactor zitten, kan de retentietijd voor vaste stoffen (SRT) onafhankelijk van de hydraulische retentietijd (HRT) worden geregeld. In het CAS-proces moeten de uitvlokkende vaste stoffen ('vlokken') die in wezen de biomassa vormen, de kans krijgen om in omvang te groeien tot het punt waarop ze kunnen worden bezonken in de secundaire bezinktank. In CAS zijn de HRT en SRT dus met elkaar verbonden; naarmate de HRT toeneemt, moeten de vlokken groeien, waardoor hun bezinkbaarheid toeneemt.

II.   Afvalwater van hoge kwaliteit

Omdat de membraanporiën van de MBR klein zijn (<0,5), heeft het behandelde effluent een zeer hoge helderheid en een aanzienlijk lagere concentratie ziekteverwekkers in vergelijking met het CAS-proces. Het afvalwater heeft een voldoende hoge kwaliteit om in waterlichamen te worden geloosd of te worden gebruikt voor toepassingen als stadsirrigatie, nutsvoorzieningen of het doorspoelen van toiletten. Het kan ook rechtstreeks aan een omgekeerd osmoseproces worden toegevoegd om een permeaat met een nog hogere waterkwaliteit te verkrijgen.

III.  Kleine voetafdruk

CAS heeft een hoge HRT, waardoor een grotere plantgrootte nodig is. In MBR's zit, vanwege de hogere verkregen concentraties, dezelfde totale massa aan vaste stoffen in een kleiner volume, waardoor de voetafdruk kleiner is.

IV.  Betere biobehandeling

MBR's hebben een hogere SRT, wat de neiging heeft om een betere algehele biobehandeling te bieden vanwege het stimuleren van de ontwikkeling van de langzamer groeiende micro-organismen, met name nitrificeerders. Dit feit maakt MBR's zeer effectief bij de biologische verwijdering van ammoniak ('nitrificatie').

V.   Wat zijn de nadelen van MBR’s?

De belangrijkste nadelen van een MBR zijn de complexiteit van het operationele proces en de kosten die worden vertaald naar CAPEX en OPEX.

Deze laatste zijn beide zeer gevoelig voor de kosten van het membraan. De OPEX is bovendien gevoelig voor,

• de levensduur van het membraan
• doordringende flux
• de membraanluchtschuursnelheid (luchtschuurenergie)

VI.   MBR OPEX

Over het algemeen zijn de belangrijkste elementen die van invloed zijn op de MBR OPEX:

1. membraankosten / m² membraanoppervlak
2. membraanlevensduur in jaren
3. netto permeaatflux (productstroom/unitoppervlak), rekening houdend met de downtime en het gebruik van het productwater voor het reinigen van het membraan
4. membraanspecifieke beluchtingsvraag (SADm) in Nm³/m² membraanoppervlak/uur. Nm³ is het luchtvolume bij een temperatuur van 20°C en een druk van 1 bar.
5. grondkosten/ m² landoppervlak
6. energiekosten/kWh
7. waarde van de verbeterde waterkwaliteit

 (7) is niet gemakkelijk kwantificeerbaar, maar kan door middel van levenscyclusanalyse worden vertaald naar de kwantitatieve ecologische voetafdruk.

 

6. CAS versus MBR evalueren

Om ervoor te zorgen dat CAS een afvalwater produceert met dezelfde waterkwaliteit als die van de MBR, heeft het mogelijk alle of een deel van het volgende nodig:

1. grotere tankgroottes (en dus een groter landoppervlak) voor langere HRT
2. verhoogde dosering van chemicaliën om een hoge fosfor (P)-concentratie te bereiken
3. nabehandeling met een multimediafilter (MMF) of ultrafiltratie/microfiltratie (UF/MF) om een behandelde waterkwaliteit te bereiken die vergelijkbaar is met de MBR met betrekking tot de concentratie zwevende vaste stoffen (SS) en micro-organismen.

Voor bestaande installaties wordt het achteraf uitrusten met een MBR bepaald door de beschikbare oppervlakte. Dit maakt het mogelijk de kwaliteit van het behandelde water te verbeteren en/of de stroomcapaciteit te vergroten, zij het bij een hogere energievraag.

7. MBR-configuraties

MBR-membraanfiltratie kent twee hoofdconfiguraties; 1) vacuümaangedreven membranen die rechtstreeks in de bioreactor worden ondergedompeld (iMBR) en 2) drukaangedreven filtratie in zijstroom-MBR's (sMBR) (Fig.4).

Fig.4, Belangrijkste commerciële MBR-configuraties; (A) Ondergedompelde MBR, (B) Zijstroom MBR

MBR's hebben een schuifkracht over het membraanoppervlak nodig om membraanvervuiling door de afvalwaterinhoud te voorkomen en zijn van cruciaal belang voor het handhaven van de gewenste permeaatflux.

Wanneer een lucht-/vloeistofstroom evenwijdig aan het membraanoppervlak stroomt, ontstaat er een schuifkracht die de mate van vervuiling op dit laatste helpt beperken (Fig.5).

 

Fig.5, Luchtbellen uit de beluchting gebruiken om het oppervlak van de MBBR-membranen schoon te schuren

Ondergedompelde processen maken om deze reden gebruik van de beluchting in de bioreactor, maar zijstroom-MBR's moeten pompen gebruiken, zoals bij de meeste andere membraanprocessen. Dit verschil in energievraag verklaart de dominantie van de iMBR-configuratiemarkt.

Ook de vervuiling in de sMBR's is groter door het verpompen van actief slib, waardoor de schuifspanning op microbiële vlokken toeneemt, waardoor deze uiteenvallen, wat leidt tot een afname van de deeltjesgrootte en het vrijkomen van vuil materiaal.

De MBR-configuraties hebben drie belangrijke membraanconfiguraties die momenteel in de praktijk worden gebruikt,

1. vlakke plaat (FS)
2. holle vezels (HF)
3. meerdere buizen of meerkanalen (MT/MC)

Hoewel sMBR's energie-intensiever zijn dan iMBR's, bieden ze een aantal voordelen:

a.   verminderde behoefte aan membraanoppervlak, door hogere fluxwerking

b.  operationele flexibiliteit voor bediening & reinigingscyclus; in tegenstelling tot iMBR kan in-situ chemische reiniging van de membranen worden uitgevoerd zonder enig chemisch risico voor de biomassa

c. De kosten voor onderhoud en stilstand van de installatie, met name voor vervanging van membraanmodules, zijn over het algemeen iets lager; de modules zijn gemakkelijk toegankelijk en kunnen dus in een veel kortere tijd worden vervangen dan bij de ondergedompelde membranen

d.  de membraanmodules kunnen afhankelijk van de hydraulische belasting in- en uitgeschakeld worden

e.  werking bij hogere concentraties vaste stoffen is mogelijk

f.  werking bij een lagere energievraag is mogelijk als de druk en debieten worden verlaagd of als de membranen zijn geconfigureerd voor luchtliftwerking, hoewel dit dan meer membraanoppervlak vereist

Voor kleine stromen moeilijk te behandelen afvalwater is de sMBR vaak overheersend vanwege de eenvoudige bediening, de kleinere voetafdruk en het eenvoudiger onderhoud, vooral als het gaat om membraanvervanging. Voor zeer grote installaties wordt de iMBR altijd geselecteerd met de HF-membranen, omdat de OPEX meestal lager is.

Voor tussenstromen kiezen wij doorgaans voor een HF of FS iMBR. De FS is eenvoudiger te bedienen, maar zowel de membraankosten/m² oppervlakte als de energiebehoefte zijn iets hoger dan de HF-configuratie.

Tenslotte, hoewel de meeste sMBR's de klassieke pompconfiguratie gebruiken, kunnen de membranen, als ze in serie met een kronkelig patroon zijn gerangschikt, in luchtliftmodus werken, wat een energiebehoefte heeft die bijna hetzelfde is als die van de iMBR's en dus kunnen worden overwogen voor gemeentelijke afvalwatertoepassingen met het voordeel van een lagere voetafdruk en effectieve verwijdering van vodden. De membranen zijn echter meestal duurder dan de ondergedompelde membranen.

8. Bediening en onderhoud van MBR – vervuiling, verstopping en reiniging

De afname van de permeabiliteit in MBR's wordt voornamelijk veroorzaakt door membraanvervuiling en verstopping van membraankanalen:

1. Door ‘vervuiling’ we bedoelen het coaten van het membraanoppervlak of het verstoppen van de membraanporiën met opgeloste, colloïdale of fijne vaste stoffen. Normaal gesproken wordt het verwijderd via de fysieke en chemische reinigingscycli.
2. Door ‘verstopping’ we bedoelen de agglomeratie van grove vaste stoffen binnen of bij de ingang van de membraankanalen. Verstopping in de kanalen wordt ook wel ‘sludging’ genoemd.

In gemeentelijke afvalwaterzuiveringsinstallaties kunnen membranen soms ook verstopt raken door 'vodden'. (of ‘vlechten’) gevormd uit geaggregeerde filamenteuze materie (met name textielvezels zoals watten). Dit noemen wij 'ragging' of 'vlechten'.

Fig.6. Daling van de permeabiliteit in MBR's

Membraanreiniging kan fysisch of chemisch zijn. Fysieke reiniging verwijdert grove vaste stoffen die aan het membraanoppervlak vastzitten (omkeerbare vervuiling). Chemische reiniging verwijdert hardnekkiger materiaal (onomkeerbare vervuiling).

1. Fysieke reiniging wordt normaal gesproken uitgevoerd door middel van ‘backflushing’ (het omkeren van de terugstroom door het membraan), wat kan worden versterkt door combinatie met lucht, of door ‘ontspanning’. (stoppen van de permeatie terwijl u doorgaat met het schuren van het membraan met luchtbellen). Deze twee technieken kunnen in combinatie worden gebruikt
2. Bij chemische reiniging wordt meestal gebruik gemaakt van natriumhypochloriet (NaOCl), een oxidatieve chemische stof, in combinatie met minerale of organische zuren (meestal citroenzuur, C₆H₈O₇) zonder het membraan van de tank of skid te verwijderen (reinigen op zijn plaats of CIP). Als chemische reiniging wordt gecombineerd met terugspoelen, wordt dit normaal gesproken een 'chemisch versterkte terugspoeling' genoemd. (CEB). CEB's worden routinematig wekelijks/maandelijks uitgevoerd voor HF iMBR's.

Fysieke reiniging is 1) over het algemeen snel, 2) vereist geen chemicaliën, 3) genereert geen chemisch afval en 4) het is minder waarschijnlijk dat het membraan wordt aangetast. Op sommige punten is echter altijd chemische reiniging nodig, omdat er een restweerstand overblijft die kan worden gedefinieerd als 'onherstelbare vervuiling'. die zich in de loop van de tijd kunnen ophopen en de levensduur van het membraan kunnen verkorten.

Chemische reiniging met als doel de permeabiliteit te herstellen vereist hogere reagensconcentraties en langere contacttijden.

Van noch de routinematige fysieke reiniging, noch de chemische reiniging kan worden verwacht dat ze verstoppingen tegengaan, wat handmatige tussenkomst vereist (verwijdering van het ondergedompelde membraan uit de tanks) om het geagglomereerde materiaal te verwijderen.  

 

 Fig.7, Fysische en chemische reinigingsprocedures voor MBR-membraanreiniging