Ten największy na świecie system MABR zmieni Twoje rozumienie procesu napowietrzania!
Obecnie w większości tradycyjnych oczyszczalni ścieków zużycie energii w procesie napowietrzania stanowi ponad 50% całkowitego zużycia energii w oczyszczalni, pozostawiając duży potencjał oszczędności energii. Jako technologia biologicznego membranowego oczyszczania ścieków, która wykorzystuje selektywne przenoszenie tlenu przez membrany w celu dostarczania tlenu i pełnienia roli nośnika biofilmu, technologia MABR może skutecznie zmniejszyć zużycie energii podczas oczyszczania ścieków, zwiększyć obciążenie obiektu i usprawnić usuwanie składników odżywczych zawierających azot i fosfor. Ma znaczące zalety techniczne w oczyszczaniu ścieków o wysokim zapotrzebowaniu na tlen, ścieków zawierających lotne związki organiczne i ścieków o wysokiej zawartości amoniaku i azotu.
Oczyszczalnia ścieków Hespeler: System MABR o największej na świecie powierzchni membranowej
Oczyszczalnia ścieków Hespeler, zlokalizowana w Cambridge w Ontario w Kanadzie, jest jedną z trzynastu zakładów obsługujących ponad 600000 mieszkańców regionu Waterloo.
Oczyszczalnię wybudowano w 1973 r., a w latach 1988 i 1992 zmodernizowano ją, lecz modernizacje te były niewystarczające, aby sprostać rosnącemu zapotrzebowaniu ludności i rosnącym wymaganiom w zakresie efektywności oczyszczania ścieków. Dlatego też samorząd regionalny Waterloo podjął decyzję o modernizacji procesu wtórnego oczyszczania w zakładzie Hespeler.
Oczyszczalnia Ścieków Hespeler
W latach 2017 i 2018 władze regionalne zbadały plan projektu, długoterminowe wyniki i ekonomiczną wykonalność instalacji technologii MABR, ostatecznie podejmując decyzję o modernizacji swojego systemu aerobowego osadu czynnego do kombinowanego systemu procesowego MABR/AO (beztlenowo-tlenowy). Kiedy projekt został uruchomiony w 2021 r., stał się największym na świecie systemem MABR pod względem powierzchni membrany.
Decyzja o wyborze technologii MABR dla zakładu Hespeler okazała się bardzo korzystna.
1. Z punktu widzenia oszczędzania energii:
Jeśli chodzi o pierwotną metodę aerobowego osadu czynnego w Hespeler, sekcja ta zużywała 60% całkowitej energii, ponieważ tlen był wymagany do napowietrzania mikropęcherzykami. Podczas modernizacji zaowocowało to 40% redukcją zużycia energii biochemicznej w zakładzie.
W typowej oczyszczalni ścieków konwencjonalna metoda napowietrzania wykorzystuje dmuchawę lub napowietrzanie mechaniczne, podczas którego do ścieków wtłacza się mechanicznie powietrze lub czysty tlen. Chociaż metody te są skuteczne i łatwe do kontrolowania, mają wiele wad: Napowietrzanie z dużą liczbą pęcherzyków powoduje wysokie zużycie energii, koszty operacyjne i niską wydajność transferu tlenu.
W przeciwieństwie do technologii MABR, zawartość tlenu w membranie włóknistej zależy od różnicy pomiędzy zawartością tlenu wewnątrz i na zewnątrz po rozpoczęciu napowietrzania. Materiał membrany rozpuszcza i dyfunduje tlen w postaci pojedynczej cząsteczki, dzięki czemu może on dyfundować przez membranę. W porównaniu do konwencjonalnych metod napowietrzania MABR ma kilka zalet:
Jednakże tlen może być dostarczany bezpośrednio do biofilmu, co może znacznie zmniejszyć opór przenoszenia tlenu przez fazę ciekłą i zapewnia wykorzystanie tlenu na poziomie ponad 100%. Przy zastosowaniu tradycyjnych metod efektywność transferu tlenu sięga jedynie 1,5 kg/(kW·h), podczas gdy może wzrosnąć do 6 kg/(kW·h).
◎ Jest to stabilne środowisko dla wzrostu i reprodukcji drobnoustrojów. Intensywność napowietrzania MABR jest niewielka i nie powoduje prawie żadnych uszkodzeń mikroorganizmów przyczepionych do włókien membrany, co stabilizuje rozwój drobnoustrojów.
◎ To napowietrzanie jest wolne od pęcherzyków, co zapobiega przedostawaniu się lotnych składników do powietrza zwykle przez pęcherzyki, aby uniknąć wtórnego zanieczyszczenia. Ponadto hamuje powstawanie piany powstałej w wyniku metabolizmu drobnoustrojów.
◎ Dzięki łatwej regulacji dopływu tlenu unika się strat gazu wynikających z minimalnego zapotrzebowania tlenu na reakcję.
2. Z punktu widzenia zwiększania wydajności:
Pierwotna zdolność przerobowa zakładu Hespeler wynosiła 6600 m3/dobę. Po modernizacji wydajność oczyszczania wzrosła do 9320 m3/dobę, co oznacza wzrost o 40%.
Urządzenia MABR są kompaktowe, zajmują mało miejsca i można je instalować bezpośrednio w istniejących zbiornikach. Tlen jest selektywnie przepuszczany przez membranę, zapewniając napowietrzanie bez pęcherzyków, z wysoką wydajnością przenoszenia tlenu. Dostarczony tlen jest w pełni wykorzystywany przez biofilm, co skutkuje wysokim wykorzystaniem tlenu i znacznym zwiększeniem biomasy systemu, osiągając wzrost wydajności rośliny bez ekspansji fizycznej.
Modernizacje MABR mogą zwiększyć obciążenie istniejących oczyszczalni ścieków o 20%-40% lub nawet więcej.
Kierunek przenoszenia tlenu w MABR jest przeciwprądowy do kierunku przenoszenia azotu amonowego i materii organicznej. Bakterie nitryfikacyjne tworzą dominujący wzrost w pobliżu powierzchni membrany i są chronione przez zewnętrzny biofilm, który nie tylko zwiększa szybkość nitryfikacji, ale także zapewnia stabilność nitryfikacji. Zaleta ta jest szczególnie widoczna przy obciążeniach udarowych lub podczas mroźnych zimowych miesięcy.
Przed modernizacją azot amonowy w ściekach zimowych (przy minimalnej temperaturze wody 10 stopni) przekraczał normę zrzutu 5 mg/l; po modernizacji ścieki spełniały normę (zimowy limit zrzutu < 5 mg/L, letni limit zrzutu < 2 mg/L).
Dodatkowo instalacja reaktorów MABR w zbiornikach beztlenowych lub beztlenowych pozwala na jednoczesną nitryfikację i denitryfikację. W tych samych warunkach całkowitego azotu na ściekach, w porównaniu z innymi procesami usuwania azotu, takimi jak A2O, zmniejsza współczynniki wewnętrznej recyrkulacji, poprawiając wydajność denitryfikacji, jednocześnie oszczędzając źródła węgla i energię.
Trzy kluczowe czynniki wpływające na reaktor z biofilmem z napowietrzoną membraną (MABR)
1. Ciśnienie napowietrzania
Ponieważ ciśnienie robocze w MABR musi utrzymywać się poniżej punktu wrzenia membrany, uzyskujemy napowietrzanie bez pęcherzyków.
◎ Przy zbyt niskim ciśnieniu w wewnętrznym biofilmie nie będzie wystarczającej ilości rozpuszczonego tlenu, co ucierpi na aktywności tlenowych bakterii nitryfikacyjnych i heterotroficznych.
◎ Przy bardzo wysokim ciśnieniu cały biofilm będzie tlenowy, co spowoduje, że beztlenowe bakterie denitryfikacyjne i inne beztlenowce nie będą się rozwijać i nie będą miały niekorzystnego wpływu na proces denitryfikacji.
W praktyce efekt oczyszczania powinien zostać osiągnięty przy odpowiednim natężeniu jakości wody, w zależności od jej jakości.
2. Prędkość przepływu wody
Na etapie przyłączania drobnoustrojów nadmierna prędkość przepływu będzie utrudniać wzrost i adhezję drobnoustrojów, dlatego też natężenie przepływu na tym etapie nie jest zbyt duże.
Po utworzeniu biofilmu wzrost prędkości przepływu wody zmniejsza grubość warstwy granicznej cieczy. Gdy grubość biofilmu stabilizuje się podczas stabilnej pracy, zwiększenie prędkości przepływu zmniejsza grubość warstwy granicznej fazy ciekłej i sprzyja odnowie biofilmu, co nadmiernie zmniejsza grubość biofilmu, zwiększając skuteczność przenoszenia tlenu i zanieczyszczeń.
Z badania wynika, że prędkość przepływu ścieków jest jednym z czynników wpływających na rozwój drobnoustrojów i grubość biofilmu.
◎ Im cieńsza warstwa graniczna wynika z większej prędkości przepływu i odpowiadającej jej stabilnej grubości biofilmu.
◎ Zwiększenie szybkości degradacji zanieczyszczeń wymaga zmniejszenia prędkości przepływu, uzyskania grubszego stabilnego biofilmu i grubszego stabilnego biofilmu przy niższej prędkości przepływu.
3. Stosunek węgla, azotu i fosforu w ściekach
Odpowiedni stosunek C:N:P sprzyja wzrostowi drobnoustrojów w biofilmie MABR, ułatwiając jednoczesną nitryfikację i denitryfikację w reaktorze.
◎ W przypadku niskiego stosunku C:N stężenie węgla organicznego jest niewystarczające, aby zaspokoić zapotrzebowanie źródła węgla na denitryfikację, co wpływa na całkowitą skuteczność usuwania azotu.
◎ Gdy stosunek C:N jest zbyt wysoki, tlenowe bakterie heterotroficzne będą się rozmnażać i zużywać duże ilości tlenu, obniżając stężenie rozpuszczonego tlenu i utrudniając nitryfikację.
Cztery typowe scenariusze zastosowań reaktora z napowietrzoną biofilmem membranowym (MABR)
- Oczyszczanie ścieków o wysokiej zawartości amoniaku i azotu
- Zintegrowane urządzenia do wiejskiej oczyszczalni ścieków bytowych
- Biologiczna renaturyzacja miejskich wód rzecznych
- Modernizacja oczyszczalni ścieków w celu uzyskania lepszej wydajności
W ostatnich latach MABR jest coraz częściej stosowany w oczyszczalniach ścieków na całym świecie.
Na przykład w oczyszczalni ścieków YBSD w Illinois w USA zmodernizowano 10 oryginalnych bioreaktorów tlenowych do 2 zbiorników beztlenowych, 2 zbiorników beztlenowych MABR i 6 zbiorników tlenowych, a w zbiornikach beztlenowych zainstalowano 12 modułów MABR. Przekształciło to poprzedni proces aerobowy w proces usuwania azotu i fosforu, osiągając cel polegający na zwiększeniu wydajności oczyszczania przy jednoczesnej poprawie biologicznego usuwania azotu i fosforu.
Okres aklimatyzacji biofilmu w systemie MABR wynosił zaledwie 3 tygodnie, a po osiągnięciu pełnej sprawności systemu oczyszczania ścieków dopływający ładunek BZT5 wzrósł do 0,60 kg/(m3·dzień), co stanowi wzrost o 47% w porównaniu do stanu sprzed poziomy aktualizacji.
Końcowe ścieki z zakładu spełniały wszystkie oczekiwania projektowe pod względem BZT5<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.
Analiza populacji drobnoustrojów w biofilmie wykazała, że bakterie utleniające amoniak (AOB) i bakterie utleniające azotyny (NOB) stanowiły 40% populacji drobnoustrojów, ponad czterokrotnie więcej niż w konwencjonalnych procesach z osadem czynnym.
Co więcej, w porównaniu z procesem CAS dla obiektu o tej samej skali (koszt inwestycji 25 milionów dolarów i czas budowy 2,5 roku), koszt inwestycji procesu MABR wyniósł zaledwie 5 milionów dolarów, a czas budowy 1 rok, znacznie redukując koszty i czas budowy.