Dette globale største MABR-systemet vil endre din forståelse av lufteprosessen!
For tiden, i de fleste tradisjonelle renseanlegg for avløpsvann, utgjør energiforbruket til lufteprosessen mer enn 50 % av det totale energiforbruket til anlegget, og etterlater et stort potensial for energibesparelser. Som en biologisk membranavløpsvannbehandlingsteknologi som bruker selektiv oksygenoverføring gjennom membraner for å levere oksygen og tjene som en biofilmbærer, kan MABR-teknologi effektivt redusere energiforbruket til avløpsvannbehandling, øke anleggsbelastningen og forbedre fjerningen av nitrogen- og fosfornæringsstoffer. Det har betydelige tekniske fordeler ved behandling av avløpsvann med høyt oksygenbehov, avløpsvann av flyktige organiske forbindelser og høyt ammoniakk-nitrogen avløpsvann.
Hespeler Wastewater Plant: Verdens største MABR-system med membranoverflate
Hespeler Wastewater Treatment Plant ligger i Cambridge, Ontario, Canada, og er et av tretten anlegg som betjener Waterloo-regionens befolkning på over 600,000 mennesker.
Opprinnelig bygget i 1973, ble anlegget oppgradert i 1988 og 1992, men disse oppgraderingene var utilstrekkelige for å møte den økende befolkningsetterspørselen og økende effektivitetskrav til avløpsvannbehandling. Derfor bestemte den regionale regjeringen i Waterloo å overhale den sekundære behandlingsprosessen ved Hespeler-anlegget.
Hespeler avløpsrenseanlegg
I 2017 og 2018 undersøkte den regionale regjeringen designplanen, langsiktig ytelse og økonomisk gjennomførbarhet for å installere MABR-teknologi, og bestemte seg til slutt for å oppgradere sitt aerobiske aktivert slamsystem til et MABR/AO (anoksisk-oksisk) kombinert prosesssystem. Da prosjektet ble satt i drift i 2021, ble det verdens største MABR-system når det gjelder membranoverflate.
Beslutningen om å velge MABR-teknologi for Hespeler-anlegget har vist seg å være svært fordelaktig.
1. Fra et energisparende perspektiv:
Når det gjelder den opprinnelige metoden med aerobisk aktivert slam ved Hespeler, forbrukte denne delen 60 % av den totale energien da oksygen var nødvendig fra mikroboblelufting. Under oppgraderingen resulterte det en 40 % reduksjon i det biokjemiske energiforbruket til anlegget.
I et typisk avløpsrenseanlegg bruker den konvensjonelle luftemetoden blåser eller mekanisk lufting der luft eller rent oksygen presses mekanisk inn i avløpsvannet. Selv om disse metodene er effektive og enkle å kontrollere, har de mange ulemper: Det store antallet boblelufting gir høyt energiforbruk, driftskostnader og lav oksygenoverføringseffektivitet.
I motsetning til MABR-teknologien, er oksygeninnholdet i fibermembranen drevet av forskjellen mellom innvendig og utvendig oksygeninnhold etter at lufting starter. Membranmaterialet løser opp og diffunderer oksygen som et enkelt molekyl slik at det kan diffundere gjennom membranen. Sammenlignet med konvensjonelle luftingsmetoder har MABR flere fordeler:
Imidlertid kan oksygen leveres direkte til biofilmen, noe som i stor grad kan redusere oksygenoverføringsmotstanden via væskefasen og dekker en oksygenutnyttelse på mer enn 100 %. Ved bruk av tradisjonelle metoder når oksygenoverføringseffektiviteten bare 1,5 kg/(kW·h), mens den kan gå opp til 6 kg/(kW·h).
◎ Det er et stabilt miljø for mikrobiell vekst og reproduksjon. MABR-luftingsintensiteten er mild, og produserer nesten ingen skade på mikroorganismene festet til membranfibrene, noe som stabiliserte mikrobiell vekst.
◎ Denne luftingen er boblefri, og forhindrer at flyktige komponenter transporteres inn i luften vanligvis gjennom bobler for å unngå sekundær forurensning. Dessuten undertrykker det skumdannelse fra mikrobiell metabolisme.
◎ Ved å enkelt justere oksygentilførselen, unngås gasssvinn som følge av minimalt oksygenbehov for reaksjon.
2. Fra et kapasitetsutvidelsesperspektiv:
Den opprinnelige behandlingskapasiteten til Hespeler-anlegget var 6600 m3/dag. Etter oppgraderingen økte behandlingskapasiteten til 9 320 m3/døgn, en økning på 40 %.
MABR-utstyr er kompakt, tar liten plass, og kan installeres direkte i eksisterende tanker. Oksygen overføres selektivt gjennom membranen for boblefri lufting, med høy oksygenoverføringseffektivitet. Oksygenet som tilføres utnyttes fullt ut av biofilmen, noe som resulterer i høy oksygenutnyttelse og kraftig økning av systemets biomasse, og oppnår utvidelse av anleggets kapasitet uten fysisk utvidelse.
MABR-oppgraderinger kan øke belastningen på eksisterende avløpsvannbehandlingsanlegg med 20 %-40 %, eller enda høyere.
Oksygenoverføringsretningen i MABR er i motstrøm til overføringsretningen til ammoniakknitrogen og organisk materiale. Nitrifiserende bakterier danner dominerende vekst nær membranoverflaten og er beskyttet av den ytre biofilmen, som ikke bare øker nitrifikasjonshastigheten, men også sikrer stabiliteten til nitrifikasjonen. Denne fordelen er spesielt tydelig under sjokkbelastninger eller i kalde vintermåneder.
Før oppgraderingen oversteg vinteravløpet ammoniakknitrogen (med en minste vanntemperatur på 10 grader) utslippsstandarden på 5 mg/L; etter oppgraderingen oppfylte avløpet standarden (vinterutslippsgrense < 5 mg/L, sommergrense < 2 mg/L).
I tillegg tillater installasjon av MABR-reaktorer i anaerobe eller anoksiske tanker samtidig nitrifikasjon og denitrifikasjon. Under de samme forholdene for totalt nitrogen avløp, sammenlignet med andre nitrogenfjerningsprosesser som A2O, det reduserer interne resirkulasjonsforhold, forbedrer denitrifikasjonseffektiviteten samtidig som det sparer karbonkilder og energi.
Tre nøkler som påvirker faktorer for Membrane Aerated Biofilm Reactor (MABR)
1. Luftetrykk
Siden driftstrykket i MABR må holde seg under membranens boblepunkt, får vi boblefri lufting.
◎ Ved for lavt trykk vil det ikke være nok oppløst oksygen i den indre biofilmen, og dermed vil aktiviteten til aerobt nitrifiserende og heterotrofe bakterier lide.
◎ Ved svært høyt trykk vil hele biofilmen være aerob, noe som oppmuntrer anaerobe denitrifiserende bakterier og andre anaerober til å ikke vokse og påvirke denitrifikasjonsprosessen negativt.
Faktisk bør behandlingseffekten oppnås i praksis under passende vannkvalitetsintensitet i henhold til spesifikk vannkvalitet.
2. Vannstrømningshastighet
På det mikrobielle bindingsstadiet vil den for høye strømningshastigheten hindre mikrobiell vekst og adhesjon, derfor er strømningshastigheten ikke for høy på dette stadiet.
Når biofilmen er dannet, reduserer en økning i vannstrømningshastigheten væskegrenselagets tykkelse. Ettersom biofilmtykkelsen stabiliserer seg under stabil drift, reduserer økende strømningshastighet en grenselagtykkelse av væskefasen og fremmer biofilmfornyelse, noe som reduserer biofilmtykkelsen overdrevent, og øker oksygen- og forurensningsoverføringseffektiviteten.
Avløpsstrømningshastighet er en av faktorene som påvirker mikrobiell vekst og biofilmtykkelse, ifølge forskningen.
◎ Jo tynnere grenselaget er på grunn av den høyere strømningshastigheten og den tilsvarende stabile biofilmtykkelsen.
◎ Økende forurensende nedbrytningshastighet krever synkende strømningshastighet, tykkere stabil biofilm og en tykkere stabil biofilm ved lavere strømningshastighet.
3. Karbon-, nitrogen- og fosforforhold i avløpsvann
Et passende C:N:P-forhold fremmer mikrobiell vekst i MABR-biofilmen, og letter samtidig nitrifikasjon og denitrifikasjon i reaktoren.
◎ I tilfeller med lavt C:N-forhold er den organiske karbonkonsentrasjonen utilstrekkelig til å møte karbonkildebehovet for denitrifikasjon, noe som påvirker total nitrogenfjerningseffektivitet.
◎ Når C:N-forholdet er for høyt, vil aerobe heterotrofe bakterier formere seg og forbruke en stor mengde oksygen, noe som senker konsentrasjonen av oppløst oksygen og hindrer nitrifikasjon.
Fire vanlige søknadsscenarier for membranluftet biofilmreaktor (MABR)
- Behandling av høy ammoniakk-nitrogen avløpsvann
- Integrerte enheter for rensing av avløpsvann på landsbygda
- Biologisk restaurering av urbane elvevann
- Oppgradering av avløpsrenseanlegg for bedre ytelse
Faktisk har MABR blitt brukt i økende grad i renseanlegg over hele verden de siste årene.
For eksempel, ved YBSD Wastewater Treatment Plant i Illinois, USA, ble 10 originale aerobe bioreaktorer oppgradert til 2 anaerobe tanker, 2 MABR anoksiske tanker og 6 aerobe tanker, med 12 MABR-moduler installert i de anoksiske tankene. Dette konverterte den forrige aerobe prosessen til en nitrogen- og fosforfjerningsprosess, og oppnådde målet om å øke behandlingskapasiteten og samtidig forbedre biologisk nitrogen- og fosforfjerning.
MABR-systemets biofilmtilvenningsperiode var bare 3 uker, og etter at avløpsvannbehandlingssystemet var fullt operativt, økte den innflytende BOD5-belastningen til 0.60 kg/(m3·dag), en økning på 47 % sammenlignet med før- oppgraderingsnivåer.
Anleggets endelige avløp oppfylte alle designforventninger, med avløps BOD5<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.
Mikrobiell populasjonsanalyse av biofilmen viste at ammoniakkoksiderende bakterier (AOB) og nitrittoksiderende bakterier (NOB) utgjorde 40 % av den mikrobielle populasjonen, mer enn fire ganger høyere enn i konvensjonelle aktivert slamprosesser.
I tillegg, sammenlignet med CAS-prosessen for et anlegg av samme skala (med en investeringskostnad på $25 millioner og en byggetid på 2,5 år), hadde MABR-prosessen en investeringskostnad på bare $5 millioner og en byggetid på 1 år, redusere kostnadene og byggetid betydelig.