Membraanbioreactor

Principeschema

        

 

Principe- en installatiebeschrijving

Een membraanbioreactor (MBR) koppelt een biologisch actief slib systeem aan een membraanfiltratie. De membranen vervangen hierbij het bezinkingsbekken bij klassieke biologische zuivering en zorgen voor een scheiding van slib en effluent. Op deze wijze is een volledige retentie van zwevende stoffen gegarandeerd, waardoor de bezinking als limiterende factor voor slibconcentratie vervalt. In een membraanbioreactor kan aldus met beduidend hogere slibconcentraties (10 tot 20 g/l) en kleinere reactorvolumes gewerkt worden in vergelijking met de conventionele systemen.

Het membraan kan ofwel naast het biologische bekken (=extern of gescheiden systeem), ofwel in het bekken geplaatst zijn (=intern of ondergedompeld). Bij externe systemen wordt continu in cross-flow gerecirculeerd langsheen de membranen. Zowel tubulaire als vlakke-plaat membranen worden hiervoor gebruikt. Bij een intern systeem wordt het effluent dan weer via onderdruk onttrokken uit het actief slib. Meestal worden hiervoor holle vezels of vlakke-plaat-membranen gebruikt.

Voor beide types van MBR wordt gebruik gemaakt van zowel micro- als ultrafiltratiemembranen.

Specifieke voor- en nadelen

Voordelen

Nadelen

compact

beperkingen beluchting

hoge effluentkwaliteit

stress op slib bij externe MBR

hoge volumetrische belasting mogelijk

membraanvervuiling

hoge afbraaksnelheden

kostprijs

ombouw vanuit bestaande conventionele actief slib zuivering mogelijk

 

 

Ten opzichte van conventionele actief slib systemen zorgt de membraanscheiding voor de belangrijkste voordelen:

  • er kan gewerkt worden bij hogere slibconcentraties tussen 10 en 20 g/l, waardoor de installatie compacter wordt en hogere afbraaksnelheden gehaald worden door o.a. een optimale regeling van de slibverblijftijd.
  • er wordt een zeer goede effluentkwaliteit bereikt, zowel wat betreft het gehalte aan zwevende stoffen, (pathogene) bacteriën, als CZV. De effluentkwaliteit is vaak zo goed dat:
    • lozing in kwetsbare gebieden mogelijk wordt;
    • heffingskosten verlagen;
    • rechtstreeks hergebruik als proceswater mogelijk is voor verschillende toepassingen;
    • rechtstreekse nazuivering via bv. omgekeerde osmose of nanofiltratie haalbaar is voor o.a. de verwijdering van zouten of recalcitrante organische verbindingen.

Door de hoge slibconcentraties en afbraaksnelheden is de zuurstofvraag van de biomassa zeer hoog. Anderzijds bemoeilijkt de dikke slibmassa (hoge viscositeit) de zuurstofoverdracht. Moderne beluchtingssystemen met efficiënte zuurstofoverdracht zijn aangewezen.

Ook al speelt de bezinkingscapaciteit van het slib geen rol meer, toch dient gestreefd te worden naar een gezonde slibstructuur. Met name een tekort in nutriënten of zuurstof, een over- of onderbelasting van het slib en een hoge ‘shear stress’ op het slib kunnen leiden tot desintegratie van de slibvlok, aanwezigheid van draadvormers en vrijzetting van slijmmaterialen (EPS). Dit leidt vervolgens tot een snellere vervuiling van de membranen en afnemende fluxen[1].  

Toepassing

Membraanbioreactoren kennen een wereldwijde toepassing zowel op industriële als municipale afvalwaters. Op www.waterforum.net vindt men een lijst van referenties voor municipale installaties.

Op industrieel afvalwater zijn full-scale toepassingen bekend voor verscheidene industriële sectoren zoals voeding, (petro-)chemie, farmacie, elektronica, wasserijen, papier, textiel, landbouw, slachthuizen, percolaatwaters van stortplaatsen en ziekenhuizen. Overige sectoren waarin MBR toegepast kan worden zijn: verwerking van afgewerkte olie, afvalwaterzuiveringsslib, carrosserieherstel- en carrosseriebouwbedrijven, car- en truckwash, grafische industrie, tank- en vatenreiniging, verf-, lak-, vernis- en drukinktproductie, gieterijen, metaalbewerking en raffinaderijen.

Randvoorwaarden

Membraanbioreactoren zijn inzetbaar op afvalwaterstromen die biologisch afbreekbaar zijn. Specifieke toxische deelstromen uit bv. de chemische industrie zijn niet geschikt, tenzij voldoende verdund met andere proces-effluenten.

De kwaliteit van het MBR permeaat is sterk afhankelijk van de kwaliteit van het influent. Vooraleer een afvalwater naar de MBR gevoed kan worden, moeten storende stoffen (bv. lange vezels of scherpe deeltjes) die de membraanmodule kunnen verstoppen of het membraan kunnen beschadigen verwijderd worden. Onopgeloste stoffen kunnen meestal via een eenvoudige zeef (maaswijdte 0,5 – 2 mm) afdoende verwijderd worden. Ook opgeloste stoffen, vooral hoge calciumgehaltes en aluminiumzouten,  kunnen schadelijk zijn voor de membranen.

Typische proceskarakteristieken voor een MBR zijn:

Procesparameter

Typische waarde

Opmerking

slibconcentratie

10 - 20 g MLSS[2]/l

soms tot 30 g/l

slibbelasting

0,05 - 0,25 g CZV/gMLSS.d

vergelijkbaar met conventionele actiefslibsystemen

slibleeftijd

30 - 90 dagen

eerder afhankelijk van de slibbelasting

temperatuur

5 - 25 °C

ook thermofiele toepassingen gekend

flux interne MBR

10 - 20 l/m².h

 

flux externe MBR

30 - 40 l/m².h

 

 

Werkingsgraad

Vergelijkbaar met conventionele actiefslibsystemen beoogt de MBR-technologie een verwijdering van o.a. organische verbindingen (CZV en BZV), zwevende stoffen, nutriënten (stikstof en fosfor) en bio-accumuleerbare of bio-degradeerbare micropolluenten.

De biologische omzettingsprocessen zijn gelijk aan deze beschreven voor actief slibsystemen voor CZV-verwijdering (zie fiche 'Actief slib systeem') en biologische nutriëntverwijdering (zie fiche 'biologische nutriëntverwijdering'). 

De aanwezigheid van membranen zorgt voor een volledige retentie van de biologie en voor een volledige verwijdering van de zwevende stoffen.

Doordat de bacteriën langer in de reactor gehouden worden, is er meer kans dat moeilijk afbreekbare of grotere componenten afgebroken kunnen worden. Door de verwijdering van zwevende stoffen wordt tov een conventioneel systeem quasi altijd een lagere CZV-waarde van het effluent bekomen. De absolute CZV waarde is afhankelijk van de kwaliteit van het influent.

Hulpstoffen

Industriële afvalwaters kunnen een tekort hebben aan de vereiste nutriënten voor optimale zuivering (N, P, micro-nutriënten). Dit kan gecorrigeerd worden door deze componenten aan het influent of de biologie bij te doseren.

Naast continue luchtreiniging, frequente relaxatie, hydraulische forward of back-flushes, zijn tevens chemische reinigingen vereist. Voor het wegnemen van organische verontreiniging gebruikt men vooral NaOCl of H2O2. Indien er risico is op anorganische verontreiniging wordt er ook een zure reiniging (met HCl) toegepast.

Milieu-aspecten

Als reststof dient op regelmatige tijdstippen spuislib uit de installatie verwijderd te worden. Daarnaast dienen reinigingsvloeistoffen afgevoerd te worden. Mogelijk is er vorming van AOX bij reiniging met NaOCl.

Kosten

Verschillende studies geven informatie over investerings- en werkingskosten voor grote municipale zuiveringsinstallaties. Kosten bij industriële installaties zijn sterk afhankelijk van het type afvalwater (hoeveelheid en vuilvracht).

Case 1:  voor een groot municipaal station van 50 000 i.e., hetgeen overeen komt met ongeveer 10 000 m³/d of 400 m³/u, wordt de investeringskost begroot op 16 miljoen € of 1800 €/m³/d. De werkingskost zal ongeveer 0,3 €/m³ bedragen, inclusief energie- en chemicaliënverbruik, membraanreiniging, slibafzet en onderhoud.  

Case 2: een industriële installatie binnen de chemische sector voor 2000 m³/d en een CZV van 3000 mg/l, wordt begroot op 3 miljoen €. Deze kost is echter sterk afhankelijk van de complexiteit van de installatie, de gekozen materialen, de actuele prijs van grondstoffen,… De operationele kost is dan weer sterk afhankelijk van de vereiste reinigingen van de membranen en zal tussen 0,2 en 0,5 €/m³ liggen.

Opmerkingen

Om voldoende zuurstof te kunnen inbrengen in de MBR kan gebruik gemaakt worden van zuivere zuurstof (O2). Mogelijk leidt dit tot minder problemen met schuim- en geurvorming.

Complexiteit

De MBR combineert een biologisch afvalwaterzuiveringssysteem met een fysisch proces waardoor de complexiteit verhoogt. Beide stappen vereisen specifieke aandacht voor procesvoering en optimalisatie van de sturingsparameters.

Automatiseringsgraad

Volschalige MBR-systemen zijn doorgaans verregaand geautomatiseerd; voor een goede procesmatige werking is echter een nauwgezette opvolging vereist.

Referenties

  • Andersen, M., Kristensen, G.H., Brynjolf, M. & Grüttner, H. 2002. Pilot-scale testing membrane bioreactor for wastewater reclamation in industrial laundry. Water Science and Technology 46 (4-5): 67-76
  • Appelman J., Darren L., Energie-efficiënte membranen: een belangrijke schakel in hergebruik, Watersymposium2001, Syllabus54, Technologie Centrum Corrosie, Bilthoven, Nederland
  • EIPPCB, Reference Document on BAT in Common Waste Water and Waste Gas Treatment / Management Systems in the Chemical Sector, draft februari 2009 (herziening in uitvoering)
  • Judd S., The MBR book (2006). Elsevier
  • Krause St., Cornel P., Membranbelebungsverfahren zur Behandleung industrieller Abwässer, Filtrieren und Separieren, Jahrgang 18 (2004) nr.4, 167-170
  • Stephenson, T., Judd, S., Jefferson, B. & Brindle, K. 2000. Membrane bioreactors for wastewater treatment. IWA Publishing, London
  • van Bentem A.G.N, Petri C.P., Schyns P.F.T. & van der Roest H.F. 2007. Membrane Bioreactors: Operation and results of an MBR Wastewater Treatment Plant. IWA Publishing
  • TNAV, leverancierbevraging, 2008
  • VITO-SCT, herwerking technische fiches WASS, 2008
  • www.mbr-network.eu
  • www.waterforum.net

 


 

[1] hoeveelheid permeaat per oppervlakte-eenheid membraan en per tijdseenheid

[2] Mixed Liquor Suspended Solids

 

 

Versie : februari 2010

Producten en diensten: