Έλεγχος αποτελεσματικότητας, με ενόργανες αναλυτικές τεχνικές, συστήματος επεξεργασίας υγρών αποβλήτων με χρήση μεμβρανών: τεχνικές βελτίωσης λειτουργικής απόδοσης συστημάτων MBR

Abstract

Reuse of treated wastewater is basic need of modern societies supported from relatively legislative frames. Wastewater treatment in MBR installations has been proved important in both small or full scale plants. The big problem of these installations is clogging because of membrane fouling, which needs high intensive air flow for the cleaning of membranes and consequently requires high energy consumption. Internationally the objective of all scientific community is to considerably decrease the consumption of air in these systems. In the present thesis the operation of MBR pilot unit is presented with use of novel synthetic wastewater (simulation of municipal wastewater). In this pilot unit, research was conducted with various mechanical, physical and chemical methods of membrane cleaning in the effort to face the problem of clogging and control of functionalism of membranes with the lower energy cost. With regard to the effectiveness of the MBR system was in conclusion confirmed the exceptional performance in removal of organic load concerning the inflow concentration in terms of COD (>96%) as well as in terms of BOD5 (97%) in all the examined retention times and sludge age (10-60 days) as well as in increased organic loads (COD inflow 675-705 mg/lt). Moreover, the removal efficiency of total nitrogen was relatively good as it presented important reduction of load in terms of total nitrogen (~50%), compared to the ww inflow concentration, independent from the temperature fluctuations and the changes of MLSS concentration of the sludge. Also the reduction of total phosphorus was very high i.e. between 80-90% compared to the, ww inflow in the MBR. Finally the removal of microbial load was exceptional as it was expected, after bacterial indicators of pollution and pathogenic bacteria were almost not detected in the permeate.Various types of mechanical, physical and chemical methods of cleaning that were applied extensively in the present thesis gave improved functional characteristics of MBR systems. The two major parameters examined for all applied methods was that of the transmembrane pressure (TMP) and the filtration flux, i.e. the permeate flow (flux) of every system. Specifically, for the experimental circle with vibrating ball improvement of TMP in the range of 4,7-5,5% and increase of flow between 2,5-3,1% for the near membranes was observed, concerning the values before the application of vibration. For the experimental circles with ultrasounds improvement of TMP in the range of 0,3-1,9% and increase of flow of filtrate at 1,3-7,2% was observed, while simultaneously a decrement of MLSS in the range of 0,7-9,2% concerning the values before the application of ultrasounds was observed, where the highest values correspond in bigger periods of application of ultrasounds. At the application of high frequency vibration with pneumatic vibrators, improvement of TMP and Flux for the all experimental circles was recorded. Concretely in the 1st experimental circle of application of vibration HFPV in a module of three hollow fiber membranes (SINOMA) with the implementation of HFPV scheme reduction of TMP in the range of 4-28,3% and increase of flow of permeate at 10,6-17,3% was recorded, depending on the applied form of vibration recovering almost the initial values of flow of permeate (5 - 6 l/m2h) and reducing considerably the values of TMP (roughly 75mbar from 200 mbar). The system maintained the above high performance of functional characteristics for a period of almost three days where vibration HFPV was periodically applied, initially every 2 hours, then every 4 hours and finally every 6 hours. After the interruption of vibration schemes, the functional characteristics of provision of membranes followed similar profiles with the one that they had at the beginning of experiment. In the 2nd experimental circle the effect of three different forms HFPV of vibration in parallel operation of four membranes of concave fibers (KHONG) was examined. In each set of examined membranes similar results were recorded. In first examined membranes (A1 and A4) two different forms of vibration (VT1 and VT5) were applied with the same vibrator while in the second ones (A3 and A6) a third form of vibration was applied (VT2) with another, more powerful vibrator and the different effects were observed. Thus for the first membranes medium reduction of TMP at 27% and increase of flow of filtrate at 25% for the first form of vibration were recorded (VT1) while proportionally reduction of TMP at 42% and increase of flow of filtrate at 100% for the second form of vibration were recorded (VT5). At the simultaneously functioning membranes (A3 and A6) medium reduction of TMP at 65% and increase of flow of permeate at 60% for the vibration scheme was recorded (VT2) which began being applied the same day. In the 3rd experimental circle in flat sheet membranes before the application of vibrations, a permanent cake layer of sludge was stucked between the membranes. The values of TMP were almost 100 mbar and flow was almost 3,5 l/m2h. Under these conditions, vibration HFPV with progressive increase of vibration schemes force was applied. Scheme VT1 that was applied two times allowed a provisional small medium improvement of TMP at 9,5% as well as a increase in the flow of permeate at 20%. Following, another vibrating scheme was implemented, VT2 vibration, where medium reduction of TMP prices at 11% was recorded while the medium flow of permeate after the third application of vibration was increased at 50% and therefore the breaking to pieces of permanent layer of sludge fouling that had taken shape between the membranes was observed. The further application of method HFPV with the same scheme of vibration that was applied after the removal of sludge layer, showed that it can ensure constant behavior of functional characteristics, preventing the increase of pressure and the reduction of flow of membrane filtration. The above experiments were carried out with low membrane cleaning air supply and this has particular energy value because in H.F membranes the energy profit exceeded the 30% of conventional method while in membranes F.S this touched upon the 85%. In the experimental circle of membrane backwash, improvement of TMP values before and after the backwash implementation was presented in percentages that varies from 16,7-28% depending on the temperature of the backwash water, the type of membrane, the time of backwash implementation and the initial situation of membrane, while the corresponding rates of flux improvement oscillated from 12% to 25%. Finally, in the experimental circle that the method of interrupted operation was examined, the TMP and flux presented improvement concerning their values before the process in percentages which oscillated from 1,5-4% depending on the time of interruption and the type of membrane. The experimental results of this study indicate that MBR modules have functionally improved, restricting membrane clogging. The methods that were used can be considered as innovated and applicable in real scale plants, ensuring energy and operational profit.

Η χρήση των επεξεργασμένων υγρών αποβλήτων είναι βασική ανάγκη των σύγχρονων κοινωνιών υποστηριζόμενη από σχετικά νομοθετικά πλαίσια. Η επεξεργασία υγρών αποβλήτων σε εγκαταστάσεις βιοαντιδραστήρων μεμβρανών έχει αποδειχθεί σημαντική τόσο σε μικρή όσο και σε μεγάλη κλίμακα εγκαταστάσεων. Το μεγάλο πρόβλημα αυτών των εγκαταστάσεων είναι η έμφραξη λόγω ρύπανσης των μεμβρανών, η οποία χρειάζεται έως σήμερα υψηλή προσφορά αέρα για τον καθαρισμό των μεμβρανών και επομένως απαιτεί μεγάλη προσφορά σε ενέργεια. Στόχος της επιστημονικής κοινότητας είναι να μειωθεί σημαντικά η κατανάλωση αέρα σε αυτά τα συστήματα. Στην παρούσα διατριβή παρουσιάζεται η λειτουργία βιοαντιδραστήρα μεμβρανών με χρήση πρότυπου συνθετικού αποβλήτου (προσομοίωση αστικού αποβλήτου). Στην παραπάνω μονάδα πραγματοποιήθηκε έρευνα με διάφορες μηχανικές, φυσικές και χημικές μεθόδους καθαρισμού μεμβρανών στην προσπάθεια να αντιμετωπίσουμε το πρόβλημα της έμφραξης και ελέγχου της λειτουργικότητας των μεμβρανών με το μικρότερο ενεργειακό κόστος. Όσον αφορά στην αποτελεσματικότητα του συστήματος MBR κατ’ αρχήν επιβεβαιώθηκε η εξαιρετική απόδοση σε απομάκρυνση οργανικού φορτίου σε σχέση με το εισερχόμενο απόβλητο τόσο σε όρους COD (>96%) όσο και σε όρους BOD5 (97%) σε όλους τους εξεταζόμενους χρόνους παραμονής και ηλικίας λάσπης (10-60 μέρες) καθώς και σε αυξημένες οργανικές φορτίσεις (COD εισερχόμενου αποβλήτου 675-705 mg/lt). Ακόμα η ικανότητα απομάκρυνσης του ολικού αζώτου ήταν σχετικά καλή αφού παρουσίασε σημαντική απομείωση φορτίου σε όρους ολικού αζώτου (~50%),σε σχέση με το εισερχόμενο απόβλητο, ανεξάρτητα από τις όποιες θερμοκρασιακές διακυμάνσεις και τις μεταβολές συγκέντρωσης αιωρούμενων στερεών (MLSS) της ιλύος. Επίσης η απομείωση του ολικού φωσφόρου ήταν υψηλότατη αφού κυμάνθηκε μεταξύ 80-90% σε σχέση με το εισερχόμενο στον βιοαντιδραστήρα απόβλητο. Τέλος η απομάκρυνση του μικροβιακού φορτίου ήταν εξαιρετική όπως αναμενόταν, αφού σχεδόν δεν ανιχνεύθηκαν στο διήθημα βακτηριακοί δείκτες μόλυνσης και παθογόνα βακτήρια και πιθανώς το ίδιο συμβαίνει και με τα παράσιτα που έχουν μεγαλύτερα μεγέθη. Τα ανωτέρω αποτελέσματα επιβεβαιώθηκαν όπως φαίνεται και στα σχετικά διαγράμματα καθ’ όλη την πορεία της έρευνας. Διάφοροι τύποι μηχανικών, φυσικών και χημικών μεθόδων καθαρισμού που εφαρμόστηκαν εκτενώς στην παρούσα διατριβή έδωσαν βελτιωμένα λειτουργικά χαρακτηριστικά των διατάξεων μεμβρανών. Οι δυο κύριες παράμετροι που εξετάστηκαν για όλες τις μεθόδους ήταν αυτή της διαμεμβρανικής πίεσης (TMP) και η ανοιγμένη ροή διήθησης, δηλαδή η παροχή (flux) κάθε συστήματος. Συγκεκριμένα για τον πειραματικό κύκλο με εμβυθιζόμενη δονούμενη σφαίρα παρατηρήθηκε βελτίωση της διαμεμβρανικής πίεσης σε εύρος 4,7-5,5% και αύξηση της ροής διηθήματος κατά 2,5-3,1% για τις εγγύς μεμβράνες, σε σχέση με τις τιμές προ της εφαρμογής της δόνησης. Για τους πειραματικούς κύκλους με υπέρηχους παρατηρήθηκε βελτίωση της διαμεμβρανικής πίεσης σε εύρος 0,3-1,9% και αύξηση της ροής διηθήματος κατά 1,3-7,2%, ενώ ταυτόχρονα παρατηρήθηκε πτώση του MLSS σε εύρος 0,7-9,2% σε σχέση με τις τιμές πριν την εφαρμογή των υπερήχων, όπου οι υψηλότερες τιμές αντιστοιχούν σε μεγαλύτερες περιόδους εφαρμογής υπερήχων. Κατά την εφαρμογή υψίσυχνης δόνησης με πνευματικούς δονητές, καταγράφηκε βελτίωση των TMP και Flux για όλους τους πειραματικούς κύκλους. Συγκεκριμένα στον 1ο πειραματικό κύκλο υψίσυχνης δόνησης HFPV σε διάταξη τριών μεμβρανών κοίλων ινών (SINOMA) με την εφαρμογή δόνησης σχήματος καταγράφηκε μείωση της TMP σε εύρος 4-28,3% και αύξηση της ροής διηθήματος κατά 10,6-17,3% ανάλογα με το εφαρμοζόμενο σχήμα δόνησης ανακτώντας σχεδόν τις αρχικές τιμές ροής διηθήματος (5 - 6 l/m2 h) και υποβιβάζοντας σημαντικά τις τιμές της διαμεμβρανικής πίεσης (περίπου 75mbar από 200 mbar της αρχικής). Το σύστημα, διατήρησε τις ανωτέρω υψηλές βελτιώσεις λειτουργικών χαρακτηριστικών για διάστημα περίπου τριών ημερών όπου εφαρμόστηκε δόνηση HFPV περιοδικά, αρχικά κάθε 2 ώρες, ακολούθως κάθε 4 ώρες και τελικά κάθε 6 ώρες. Μετά την διακοπή των σχημάτων δόνησης τα λειτουργικά χαρακτηριστικά της διάταξης των μεμβρανών ακολούθησαν παρόμοια πορεία με αυτή που είχαν κατά την έναρξη του πειράματος. Στον 2ο πειραματικό κύκλο υψίσυχνης δόνησης εξετάστηκε η επίδραση τριών διαφορετικών σχημάτων HFPV δόνησης σε παράλληλη λειτουργία τεσσάρων μεμβρανών κοίλων ινών (KHONG). Σε κάθε σετ εξεταζόμενων μεμβρανών καταγράφηκαν παρόμοια αποτελέσματα. Στις πρώτες εξεταζόμενες μεμβράνες (Α1 & Α4) εφαρμόστηκαν δυο διαφορετικά σχήματα δόνησης (VT1 & VT5) με τον ίδιο δονητή ενώ στις δεύτερες (Α3 & Α6) εφαρμόστηκε ένα τρίτο σχήμα δόνησης (VT2) με άλλο ισχυρότερο δονητή και παρατηρήθηκαν οι διαφορετικές επιδράσεις. Έτσι για τις πρώτες μεμβράνες καταγράφηκε μέση μείωση της TMP κατά 27% και αύξηση της ροής διηθήματος κατά 25% για το πρώτο σχήμα δόνησης (VT1) ενώ αναλόγως καταγράφηκε μείωση της TMP κατά 42% και αύξηση της ροής διηθήματος κατά 100% για το δεύτερο σχήμα δόνησης (VT5). Στις εν παραλλήλω λειτουργούσες μεμβράνες (Α3 & Α6) καταγράφηκε μέση μείωση της TMP κατά 65% και αύξηση της ροής διηθήματος κατά 60% για το σχήμα δόνησης (VT2) το οποίο ξεκίνησε να εφαρμόζεται την ίδια ημέρα. Στον 3ο πειραματικό κύκλο υψίσυχνης δόνησης σε επίπεδες μεμβράνες πριν από την εφαρμογή των δονήσεων, ένα μόνιμο στρώμα κέικ λάσπης είχε σχηματιστεί μεταξύ των μεμβρανών, φράσσοντάς τες. Οι τιμές της TMP ήταν περίπου 100 mbar και η ροή ήταν σχεδόν 3,5 l/m2 h. Κάτω από αυτές τις προϋποθέσεις, εφαρμόστηκε δόνηση HFPV με σταδιακή αύξηση της ισχύος των σχημάτων δόνησης. Το σχήμα VT1 που εφαρμόστηκε δυο φορές επέτρεψε μια προσωρινή μικρή μέση βελτίωση της TMP κατά 9,5% καθώς και μια αύξηση στη ροή διηθήματος κατά 20%. Ακολούθησε η εφαρμογή ενός σχήματος δόνησης VT2, όπου καταγράφηκε μέση μείωση των τιμών TMP κατά 11% ενώ αυξήθηκε κατά 50% η μέση ροή διηθήματος μετά από την τρίτη εφαρμογή δόνησης οπότε παρατηρήθηκε ο κατακερματισμός του μόνιμου στρώματος έμφραξης που είχε σχηματιστεί μεταξύ των μεμβρανών. Η περαιτέρω εφαρμογή της μεθόδου HFPV με το ίδιο σχήμα δόνησης που εφαρμόστηκε μετά την απομάκρυνση του στρώματος ιλύος, κατέδειξε ότι μπορεί να εξασφαλίσει σταθερή συμπεριφορά των λειτουργικών χαρακτηριστικών, εμποδίζοντας την αύξηση της πίεσης και την μείωση της ροής διήθησης της μεμβράνης. Τα ανωτέρω πειράματα διεξήχθησαν με χαμηλή τροφοδοσία αέρα καθαρισμού μεμβρανών και αυτό έχει ιδιαίτερη ενεργειακή αξία αφού στις μεμβράνες H.F. το ενεργειακό κέρδος ξεπερνούσε το 30% της συμβατικής μεθόδου ενώ στις μεμβράνες F.S. αυτό άγγιξε το 85%. Στον πειραματικό κύκλο της αντίστροφης πλύσης (Α.Π.) μεμβρανών, οι τιμές της διαμεμβρανικής πίεσης πριν και μετά την εφαρμογή Α.Π. παρουσίασαν βελτίωση σε ποσοστά που κυμάνθηκαν από 16,7-28% ανάλογα με την θερμοκρασία του νερού Α.Π., τον τύπο της μεμβράνης, τον χρόνο εφαρμογής Α.Π. και την αρχική κατάσταση της μεμβράνης, ενώ τα αντίστοιχα ποσοστά βελτίωσης του Flux κυμάνθηκαν από 12% έως 25%. Τέλος στον πειραματικό κύκλο που εξετάστηκε η παρατεταμένη επίδραση της φυσικής μεθόδου χαλάρωσης των στοιχείων μεμβρανών σε διακοπτόμενη λειτουργία, οι τιμές των TMP & flux παρουσίασαν βελτίωση σε σχέση με τις τιμές τους πριν την διαδικασία σε ποσοστά τα οποία κυμάνθηκαν από 1,5-4% ανάλογα με τον χρόνο της διακοπής και τον τύπο της μεμβράνης. Τα πειραματικά αποτελέσματα της διατριβής δίνουν σαφείς ενδείξεις βελτίωσης της λειτουργικής απόδοσης μονάδων MBR με περιορισμό της έμφραξης των μεμβρανών. Οι μέθοδοι που χρησιμοποιήθηκαν μπορούν να θεωρηθούν καινοτόμοι και εφαρμόσιμοι σε μεγάλης κλίμακας μονάδες εξασφαλίζοντας ενεργειακό και λειτουργικό όφελος.