Kompakta biologiska reningssystem med membran och rörligt filter (SMBR och SMBBR)

• 1. Biologiska reningsprocesser med membran och rörligt bädd – MBR och MBBR
• 2. Avloppsrening med den biologiska MBBR-metoden
• 3. Avloppsrening med MBR
• 4. Kombination av avloppsreningsmetoder med MBBR och MBR
• 5. Sammanfattning

1. Biologiska reningsprocesser med membran och rörligt bädd – MBR och MBBR

Rening av industriellt avloppsvatten kräver avancerade metoder och processer som kan anpassas till varje specifikt avloppsvatten.

Till skillnad från det avloppsvatten som hanteras i reningsverk för kommunalt avloppsvatten, där föroreningshalterna ligger inom relativt jämna värden och reningsprocesserna ofta kan standardiseras, finns det inget mönster som kan standardiseras när det gäller industriellt avloppsvatten, eftersom varje sektor och bransch genererar olika typer av utsläpp.

I industriella miljöer är det dessutom vanligt att det råder brist på utrymme för att placera vattenreningsanläggningar, vilket har lett till att tekniken har utvecklats för att minska den nödvändiga storleken och förbättra reningsgraden.

I detta avseende finns det tekniker som tar liten plats och möjliggör en hög grad av anpassning, vilket är fallet med MBBR-reaktorer (Moving Bed Biofilm Reactor), som erbjuder hög prestanda. 

I en aerob MBBR-biologisk process sker nedbrytningen av organiskt material genom aeroba bakterier inuti en biologisk reaktor med rörligt bäddmaterial.

Avloppsvattnet från en MBBR-reaktor kommer, förutom den icke-biologiskt nedbrytbara COD, att innehålla rester av det slam som inte har fastnat på väggarna i det fyllnadsmaterial som hyser bakterierna i denna process (överskottsslam).

En annan viktig faktor att lyfta fram är att de aeroba biologiska reningsanläggningarna kompletteras med system för separering och återcirkulation av slam, såsom en sekundär sedimenteringsbehållare eller DAF-flotationssystem, vilket möjliggör ett utflöde av bättre kvalitet och en högre koncentration i det separerade slammet.

Kompakta biologiska system, såsom MBR-reaktorer (membranbioreaktorer), fungerar samtidigt som sekundär- och tertiärrening, eftersom de filtrerar det avloppsvatten som renats av MBBR-systemet med hjälp av ett system av ultrafiltreringsmembran (UF). På detta sätt erhålls ett renat vatten av hög kvalitet och ett koncentrat (slam) som kan återcirkuleras, eller skickas för avvattning för senare deponering, eller för återanvändning i kompostering.

MBBR- och MBR-systemen optimerar reningsprocessen när det gäller viktiga aspekter som effektivitet och utrymmesbehov.

2. Biologisk rening med MBBR-teknik

MBBR-tekniken har en hög anpassningsförmåga till olika typer av avloppsvatten, särskilt inom industrisektorn.                                              

Reaktorer med rörligt bäddmaterial använder plastbärare som täcks av en biofilm och vars uppgift är att bryta ned det organiska avfallet som de kommer i kontakt med i avloppsvattnet. Dessa bärare, även kallade carriers, är nedsänkta i den biologiska reaktorn och tack vare sin rörelse ökar de MBBR-systemets prestanda och reningskapacitet utan att reaktorns storlek behöver ökas.                         

MBBR-processen fungerar tack vare aktiviteten hos de mikroorganismer som fäster sig vid de porösa fasta partiklarna med stor yta som flyter i avloppsvattnet. Deras uppgift är att underlätta tillväxten av komplexa kolonier bestående av mikroorganismer och biomassa (biofilm).

Bärarna, som har en densitet som ligger nära vattnets, flyter och cirkulerar fritt inuti reaktorn tack vare luftbubblor (i aeroba kammare) eller mekanisk omrörning (i anaeroba kammare). Bärarnas cirkulation i vattnet reglerar och stabiliserar biofilmens tillväxt och reaktionskinetiken, vilket minskar risken för igensättning av bädden och förhindrar kortslutningar av vätskan inom det användbara volymen.

MBBR-system är ett utmärkt val för anläggningar där utrymmet är begränsat, eftersom luftningskamrarna är mindre än i konventionella system med aktivslam, samtidigt som de upprätthåller en liknande prestanda. Dessutom är det en flexibel process, eftersom konstruktören kan variera den tillgängliga ytan.

Det är vanligt att avloppsvattnet måste genomgå en förbehandling innan det leds in i MBBR-reaktorn. En rekommenderad process är koagulering/flockning, följt av en DAF, eftersom detta avlägsnar större delen av de totala suspenderade fasta ämnena och det kolloidala materialet innan avloppsvattnet leds in i MBBR-reaktorn.

Förutom att den erbjuder en hög separationsgrad ger denna förbehandling ett slam med hög koncentration (3–5 %), vilket avsevärt förenklar hanteringen och torkningen av slammet. Dessutom avskiljs oljor och fetter nästan helt, vilket skyddar MBBR-bärarna från föroreningar som kan påverka deras funktion negativt.

Efter reaktorn kan biomassan avskiljas med hjälp av en sedimenteringsbehållare eller någon annan avskiljningsprocess, som bör väljas utifrån avloppsvattnets egenskaper och dess slutdestination. På så sätt säkerställs att reaktorn alltid behåller de mikroorganismer som krävs för dess funktion, vilket garanterar effektiviteten och prestandan hos detta reningssystem.

SIGMADAF:s biologiska reaktorer med rörligt bäddmaterial erbjuder enastående prestanda, eftersom alla mikroorganismer som behövs för att bryta ned föroreningsbelastningen är nedsänkta i reaktorn och fäster vid plastbärarna. Tack vare detta system är den enda biomassa som behöver avlägsnas från systemet den som har lossnat från bärarna och den som finns i suspension i det redan behandlade avloppsvattnet.

De främsta fördelarna med MBBR-processen är följande:      

• De kräver lite utrymme för installation.
• Enkla att använda, utan behov av slamåtercirkulation eller kontroll av cellernas uppehållstid.
• Att undvika problem medbulking.
• Utmärkt kvalitet på avloppsvattnet.
• Förmåga att klara belastningstoppar och flödesvariationer.
• Det är ett system för kontinuerlig drift som inte kräver ständig övervakning eller avbrott i behandlingen.

Som vi redan nämnt är ett MBBR-system en teknik för aktivslam, där man tillför ett flytande material av polyeten som möjliggör tillväxt av biomassa på sin yta. Detta flytande material ger en effektiv yta för biofilmens tillväxt, vilket ökar den volymetriska koncentrationen av biomassa.

Denna påtvingade tillväxt av biomassa på ett flytande underlag uppvisar en rad särskilda egenskaper:

• MLSS-koncentrationen (biomassakoncentrationen i reaktorn) kan bli 1,5 till 2 gånger högre än den som uppnås med konventionella system för aktivt slam och kan nå upp till 4 000–8 000 mg/l.
• Den effektiva celllivslängden ökar.
• Systemets behandlingskapacitet ökar vid samma volym.

På grund av den ökade MLSS-halten leder dettainte till en ökning av koncentrationen hos det slam som går vidare till nästa process, utan tvärtom till en minskning, vilket innebär att dimensionerna för nästa reningssteg blir mindre än i konventionella system.

Denna MBBR-reaktor består av aeroba kamrar (med syretillförsel) där olika typer avbärare tillförs. Kamrarna är förbundna med varandra via en kanal där det finns galler som håller kvar dessa bärare.

MBBR-processen har visat sig vara effektiv för att eliminera upp till 90 % av COD och 95 % av BOD, förutsatt att uppehållstiden är tillräcklig. Prestandan hos en MBBR-reaktor beror på faktorer som:

• Andelen ämnen som tillförs reaktorn.
• Flygplanens yta .
• Löst syre.
• Den organiska belastningen.

MBBR-systemen är en kostnadseffektiv, effektiv, kompakt och lättanvänd teknik.

3. Avloppsrening med MBR

MBR-system skiljer sig från övriga biologiska processer genom att de innefattar en tertiär filtreringsrening som ger ett renat vatten av hög kvalitet, vilket kan återanvändas för vissa ändamål.

MBR-system används ofta för rening av kommunalt, industriellt och till och med hushållsavloppsvatten, där man vill återanvända vattnet.                                                                                        

Membranbioreaktorer (MBR) är en variant av system med rörligt bädd- och membranteknik som används för avloppsrening.  I ett MBR-system bryter mikroorganismerna ned det organiska materialet i avloppsvattnet, varefter det renade vattnet passerar genom ett membranfilter för att avlägsna suspenderade fasta ämnen och kvarvarande mikroorganismer. Detta resulterar i renat vatten som är lämpligt för återanvändning eller utsläpp i naturen. 

Det avloppsvatten som leds in i den biologiska reaktorn innehåller en hög koncentration av aktivt slam, som måste återcirkuleras för att upprätthålla en lämplig koncentration under den biologiska reningen. Detta slam filtreras genom en uppsättning membran och återcirkuleras till oxidationszonen.

Dessutom transporteras rester av totalt suspenderat fast material och bakterier (överskott av slam) med i strömmen, vilka måste rensas bort från systemet och avlägsnas regelbundet. Denna fraktion skickas vidare till avvattning för att minska volymen och göra den lättare att hantera.    

Membranbioreaktorer (MBR) använder främst ultrafiltreringsmembran och mikrofiltreringsmembran. Beroende på den fysiska formen kan de delas in i ihåliga fibrer, plana skivor och rörformade MBR-membran. De vanligaste materialen för tillverkning av membran är PVDF, PTFE, PE, PVC, keramik, glas och kompositmaterial. 

Avståndet mellan dessa membran är följande:

• Mikrofiltrering från 100 till 1000 nm
• Ultrafiltrering från 5 till 100 nm.

I vissa fall används NF och OI, men denna konfiguration medför ofta problem med föroreningar.           

Som framgår av följande diagram kan membranen installeras nedsänkta i bioreaktorn eller utanför systemet.

Fördelar

De främsta fördelarna med MBR-membranbioreaktorer är:

1. Högre effektivitet: MBR-system möjliggör avskiljning av föroreningar och produktion av vatten av hög kvalitet. 
2. Mindre utrymme: MBR-system kräver mindre utrymme än konventionella system för avloppsrening. 
3. Större flexibilitet: MBR-system är mer flexibla än konventionella avloppsreningssystem, vilket gör att de kan anpassas till olika typer av avloppsvatten och föroreningsbelastningar. 
4. Mindre slamproduktion: MBR-system genererar mindre slam än konventionella avloppsreningssystem, vilket minskar kostnaderna för slamhantering. 

Nackdelar

Några av de största nackdelarna med behandling med membranbioreaktorer (MBR) är:

1. Rengöringsbehov: Membranen som används i membranbioreaktorer måste rengöras regelbundet för att förhindra att fasta ämnen och mikroorganismer ansamlas på ytan. 
2. Energiförbrukning: Membranbioreaktorer förbrukar mer energi än konventionella avloppsreningssystem eftersom vattnet måste pumpas genom membranen. 
3. Känslighet för vattenkvaliteten: Membranbioreaktorer är mer känsliga för vattenkvaliteten än konventionella avloppsreningssystem, vilket kan påverka deras effektivitet. 

Jämförelse av reningsgraden mellan ett MBR-system och en konventionell process

Parameter	MBR	Konventionell
DB05	< 5 mg/l	10–30 mg/l
SST	< 1 mg/l	10–30 mg/l
MLSS	8 000 – 25 000 mg/l	2 000–3 000 mg/l
Grumlighet	< 0.2 NTU	5–20 NTU
Fekala koliforma bakterier	< 10	> 105

Rengöring av membranen

Rengöringen av membranen i membranbioreaktorer sker genom backspolning med permeatvatten och luft, och i vissa fall med hjälp av kemiska lösningar. Drivkraften genom membranet uppnås genom att tanken trycksätts eller genom att ett vakuum appliceras från permeatsidan, vilket underlättar vätskans passage genom membranet.  

För rengöring av membranen i membranbioreaktorer (MBR) används kemiska lösningar såsom natriumhypoklorit, hypoklorsyra eller väteperoxid. Dessa kemiska lösningar används för att blötlägga membranen under några minuter, varefter en vattenstråle riktas framifrån eller bakifrån för att skölja bort föroreningarna.  Valet av kemisk lösning beror på vilken typ av förorening som ska avlägsnas och på membranets beskaffenhet. 

4. Avloppsrening genom en kombination av MBBR och MBR

Biologisk avloppsrening med membran (MBR) och rörligt bädd (MBBR) är en process som kombinerar båda dessa tekniker (membran och rörlig bädd) för att rena avloppsvatten. 

Kombinationen av dessa två tekniker ger en hög effektivitet när det gäller att avlägsna föroreningar i avloppsvattnet.             

Effektiviteten hos den biologiska behandlingen med membran och rörligt bädd beror på flera faktorer:

• Kvaliteten på det inkommande avloppsvattnet
• organisk belastning
• Temperatur
• Tillgång till syre
• Förekomst av näringsämnen

Valet av bärare som används i processen med rörligt bädd kan också påverka behandlingens effektivitet. Bioreaktorer med rörligt bädd och membran som arbetar med kort hydraulisk uppehållstid garanterar en hög reningsgrad. 

Det slam som filtreras genom MBR-membranen består i huvudsak av det inerta material som lossnar från MBBR-bärarna. Detta inerta material kan avskiljas i den föregående primärreningen och kan därför återföras till denna del av anläggningen för att avskiljas tillsammans med det primära slammet. Ett annat alternativ är att spola bort det från membranen och skicka det vidare för avvattning inför senare borttransport.

Det rekommenderas att använda nedsänkta MBR-moduler som ett andra steg i en biologisk reningsprocess för att behandla avloppsvatten som kräver vatten av högre kvalitet eller som har höga halter av NTK. I dessa fall är det lämpligt att ha en återcirkulationsledning vid ingången till MBBR-systemet med en föregående anoxisk zon.

Bland fördelarna med denna kombination av processer kan följande särskilt nämnas:

• Flexibilitet i behandlingarna.
• Förbättrad systemprestanda
• Mindre utrymme krävs jämfört med en sedimenterings- eller flotationsprocess efter den biologiska reningen.
• Bättre kvalitet på det renade vattnet

5. Sammanfattning

MBBR-processen har successivt vunnit mark framför andra konventionella biologiska reningsmetoder, såsom långvarig luftning, tack vare dess fördelar i form av flexibilitet och specialanpassning till specifika industriella avloppsvatten, eftersom man kan kombinera olika typer av bakteriekolonier i olika zoner i reaktorn. Reningseffektiviteten ökar också genom att kolonierna fäster sig på en uppsättning plastelement (bärare) som erbjuder en stor yta för dem att fästa och utvecklas på (biofilm), vilket kompletteras av systemets rörlighet tack vare omrörning med luft (aerobt system) eller mekanisk omrörning (i ett anaerobt system). Allt detta resulterar i hög prestanda på minsta möjliga yta.

MBR-tekniken ersätter det sekundära reningssystemet för att avskilja det slam som avskiljs från den biologiska reningen. Om slammet kommer från ett MBBR-system består det av rester som lossnar från bärarna, och praktiskt taget allt kan betraktas som överskottsslam. Därför behövs ingen återcirkulation av aktivt slam före MBBR, och efter att det filtrerats genom MBR-membranen kan det skickas direkt för vidare avvattning eller återföras till den primära reningen.

Trots fördelarna i form av utrymmesbesparing samt högre prestanda och effektivitet jämfört med andra vanliga reningsmetoder för avloppsvatten, har denna kombination av processer nackdelarna att den är dyrare och mer komplex, vilket medför ett behov av utbildad personal.