Detta globala största MABR-system kommer att förändra din förståelse för luftningsprocessen!
För närvarande, i de flesta traditionella avloppsreningsverk, står energiförbrukningen för luftningsprocessen för mer än 50 % av anläggningens totala energianvändning, vilket ger en stor potential för energibesparingar. Som en biologisk membranreningsteknik för avloppsvatten som använder selektiv syreöverföring genom membran för att tillföra syre och fungera som en biofilmsbärare, kan MABR-tekniken effektivt minska energiförbrukningen för avloppsvattenrening, öka anläggningens belastning och förbättra avlägsnandet av kväve- och fosfornäringsämnen. Det har betydande tekniska fördelar vid behandling av avloppsvatten med högt syrebehov, avloppsvatten av flyktiga organiska föreningar och högt ammoniak-kväve avloppsvatten.
Hespeler Wastewater Plant: Världens största membranyta MABR-system
Hespeler Wastewater Treatment Plant ligger i Cambridge, Ontario, Kanada, och är en av tretton anläggningar som betjänar Waterloo-regionens befolkning på över 600,000 personer.
Anläggningen byggdes ursprungligen 1973 och uppgraderades 1988 och 1992, men dessa uppgraderingar var otillräckliga för att möta den ökande befolkningens efterfrågan och ökande krav på effektivitet i avloppsvattenrening. Därför beslutade den regionala regeringen i Waterloo att se över den sekundära reningsprocessen vid Hespeler-anläggningen.
Hespeler avloppsreningsverk
Under 2017 och 2018 undersökte den regionala regeringen designplanen, långsiktig prestanda och ekonomisk genomförbarhet för att installera MABR-teknik, och beslutade slutligen att uppgradera sitt aerobiska aktiverade slamsystem till ett MABR/AO (anoxic-oxic) kombinerat processsystem. När projektet gick i drift 2021 blev det världens största MABR-system sett till membranytan.
Beslutet att välja MABR-teknik för Hespeler-anläggningen har visat sig vara mycket fördelaktigt.
1. Ur ett energisparperspektiv:
När det gäller den ursprungliga metoden för aerobt aktiverat slam vid Hespeler, förbrukade denna sektion 60 % av den totala energin eftersom syre krävdes från mikrobubblaluftning. Under uppgraderingen resulterade en 40 % minskning av anläggningens biokemiska energiförbrukning.
I ett typiskt avloppsreningsverk använder den konventionella luftningsmetoden fläkt eller mekanisk luftning där luft eller rent syre mekaniskt tvingas in i avloppsvattnet. Även om dessa metoder är effektiva och lätta att kontrollera, har de många nackdelar: Det stora antalet luftbubblor ger hög energiförbrukning, driftskostnad och låg syreöverföringseffektivitet.
I motsats till MABR-tekniken, drivs syrehalten i fibermembranet av skillnaden mellan inre och yttre syrehalt efter att luftningen startar. Membranmaterialet löser upp och sprider syre som en enda molekyl så att det kan diffundera genom membranet. Jämfört med konventionella luftningsmetoder har MABR flera fördelar:
Syre kan dock levereras direkt till biofilmen, vilket kraftigt kan minska syreöverföringsmotståndet via vätskefasen och täcker ett syreutnyttjande på mer än 100 %. Med traditionella metoder når syreöverföringseffektiviteten endast 1,5 kg/(kW·h), medan den kan gå upp till 6 kg/(kW·h).
◎ Det är en stabil miljö för mikrobiell tillväxt och reproduktion. MABR-luftningsintensiteten är mild och producerar nästan ingen skada på mikroorganismerna fästa vid membranfibrerna, vilket stabiliserade mikrobiell tillväxt.
◎ Denna luftning är bubbelfri, vilket förhindrar att flyktiga komponenter transporteras till luften vanligtvis genom bubblor för att undvika sekundär förorening. Dessutom undertrycker det skumbildning från mikrobiell metabolism.
◎ Genom att enkelt justera syretillförseln undviks gasspill som uppstår på grund av minimalt syrebehov för reaktion.
2. Ur ett kapacitetsutbyggnadsperspektiv:
Den ursprungliga bearbetningskapaciteten för Hespeler-anläggningen var 6 600 m3/dag. Efter uppgraderingen ökade behandlingskapaciteten till 9 320 m3/dygn, en ökning med 40 %.
MABR-utrustning är kompakt, tar liten plats och kan installeras direkt i befintliga tankar. Syre överförs selektivt genom membranet för bubbelfri luftning, med hög syreöverföringseffektivitet. Syret som tillhandahålls utnyttjas fullt ut av biofilmen, vilket resulterar i högt syreutnyttjande och kraftig ökning av systemets biomassa, vilket uppnår anläggningskapacitetsexpansion utan fysisk expansion.
MABR-uppgraderingar kan öka belastningen på befintliga avloppsreningsverk med 20 %-40 % eller till och med högre.
Syreöverföringsriktningen i MABR är motström mot överföringsriktningen för ammoniakkväve och organiskt material. Nitrifierande bakterier bildar dominerande tillväxt nära membranytan och skyddas av den yttre biofilmen, vilket inte bara ökar nitrifikationshastigheten utan också säkerställer nitrifikationens stabilitet. Denna fördel är särskilt uppenbar under stötbelastningar eller under kalla vintermånader.
Före uppgraderingen översteg vinteravloppsvattnet ammoniakkväve (med en lägsta vattentemperatur på 10 grader) utsläppsstandarden på 5 mg/L; efter uppgraderingen uppfyllde avloppsvattnet standarden (vinterutsläppsgräns < 5 mg/L, sommargräns < 2 mg/L).
Dessutom möjliggör installation av MABR-reaktorer i anaeroba eller anoxiska tankar samtidig nitrifikation och denitrifikation. Under samma totala kväveförhållanden för avloppsvattnet, jämfört med andra processer för borttagning av kväve som A2O, det minskar interna återcirkulationsförhållanden, förbättrar denitrifieringseffektiviteten samtidigt som man sparar kolkällor och energi.
Tre nycklar som påverkar faktorer för Membrane Aerated Biofilm Reactor (MABR)
1. Luftningstryck
Eftersom drifttrycket i MABR måste hålla sig under membranets bubbelpunkt får vi bubbelfri luftning.
◎ Vid för lågt tryck kommer det inte att finnas tillräckligt med löst syre i den inre biofilmen, och därmed kommer aktiviteten hos aerobt nitrifierande och heterotrofa bakterier att bli lidande.
◎ Vid mycket högt tryck kommer hela biofilmen att vara aerob, vilket uppmuntrar anaeroba denitrifierande bakterier och andra anaerober att inte växa och påverka denitrifieringsprocessen negativt.
I själva verket bör behandlingseffekten uppnås i praktiken under lämplig vattenkvalitetsintensitet enligt specifik vattenkvalitet.
2. Vattenflödeshastighet
Vid det mikrobiella vidhäftningsstadiet kommer den alltför höga flödeshastigheten att hindra mikrobiella tillväxt och vidhäftning, därför är flödeshastigheten inte för hög i detta skede.
När biofilmen väl har bildats, minskar en ökning av vattenflödeshastigheten tjockleken på vätskegränsskiktet. Eftersom biofilmtjockleken stabiliseras under stabil drift, minskar ökande flödeshastighet en gränsskiktstjocklek av vätskefas och främjar biofilmsförnyelse, vilket reducerar biofilmtjockleken överdrivet, vilket ökar effektiviteten för överföring av syre och föroreningar.
Avloppsflödeshastigheten är en av faktorerna som påverkar mikrobiell tillväxt och biofilmtjocklek, enligt forskningen.
◎ Ju tunnare gränsskiktet är på grund av den högre flödeshastigheten och motsvarande stabila biofilmtjocklek.
◎ Ökad nedbrytningshastighet av föroreningar kräver minskande flödeshastighet, tjockare stabil biofilm och en tjockare stabil biofilm vid lägre flödeshastighet.
3. Kol-, kväve- och fosforförhållande i avloppsvatten
Ett lämpligt C:N:P-förhållande främjar mikrobiell tillväxt i MABR-biofilmen, vilket underlättar samtidig nitrifikation och denitrifikation i reaktorn.
◎ I fall med lågt C:N-förhållande är koncentrationen av organiskt kol otillräcklig för att möta efterfrågan på kolkällan för denitrifiering, vilket påverkar den totala effektiviteten för avlägsnande av kväve.
◎ När C:N-förhållandet är för högt kommer aeroba heterotrofa bakterier att föröka sig och förbruka en stor mängd syre, vilket sänker koncentrationen av löst syre och hindrar nitrifikation.
Fyra vanliga tillämpningsscenarier för Membrane Aerated Biofilm Reactor (MABR)
- Rening av avloppsvatten med hög ammoniak-kvävehalt
- Integrerade anordningar för rening av avloppsvatten på landsbygden
- Biologisk restaurering av urbana flodvatten
- Uppgradering av avloppsreningsverk för bättre prestanda
Under de senaste åren har MABR faktiskt använts i allt större utsträckning i avloppsreningsverk över hela världen.
Till exempel, vid YBSD Wastewater Treatment Plant i Illinois, USA, uppgraderades 10 ursprungliga aeroba bioreaktorer till 2 anaeroba tankar, 2 MABR anoxiska tankar och 6 aeroba tankar, med 12 MABR-moduler installerade i de anoxiska tankarna. Detta omvandlade den tidigare aeroba processen till en kväve- och fosforavskiljningsprocess, vilket uppnådde målet att öka reningskapaciteten samtidigt som det biologiska kväve- och fosforavskiljningen förbättrades.
MABR-systemets biofilmsacklimatiseringsperiod var bara 3 veckor, och efter att avloppsvattenreningssystemet var fullt i drift ökade den inflytande BOD5-belastningen till 0,60 kg/(m3·dag), en ökning med 47 % jämfört med före- uppgraderingsnivåer.
Anläggningens slutliga avloppsvatten uppfyllde alla designförväntningar, med avloppsvatten 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 populationsanalys av biofilmen visade att ammoniakoxiderande bakterier (AOB) och nitritoxiderande bakterier (NOB) stod för 40 % av den mikrobiella populationen, mer än fyra gånger högre än i konventionella aktiverade slamprocesser.
Dessutom, jämfört med CAS-processen för en anläggning av samma skala (med en investeringskostnad på 25 miljoner USD och en byggtid på 2,5 år), hade MABR-processen en investeringskostnad på endast 5 miljoner USD och en byggtid på 1 år, avsevärt minska kostnaderna och byggtiden.