Membraanvervuiling in membraanbioreactoren door extracellulaire polymere substanties

Transcriptie

1 Membraanvervuiling in membraanbioreactoren door extracellulaire polymere substanties Een vergelijkend onderzoek met vier pilot-installaties Afstudeerscriptie Delft, November 2004 Afstudeerder: Stefan Geilvoet Delfgauwseweg ET Delft Studienummer: Examencommissie: Prof. ir. J.H.J.M. van der Graaf Prof. dr. ir. M.C.M. van Loosdrecht Dr. ir. J. De Koning Ir. H. Evenblij Ir. A.G.N. van Bentem (TU Delft, Civiele techniek) (TU Delft, Biotechnologie) (TU Delft, Civiele techniek) (TU Delft, Civiele techniek) (DHV Water BV) Technische Universiteit Delft Faculteit Civiele Techniek en Geowetenschappen Afdeling Watermanagement, Sectie Gezondheidstechniek

2

3 Voorwoord Voorwoord Dit rapport presenteert mijn afstudeerscriptie in het kader van de opleiding Civiele Techniek aan de Technische Universiteit van Delft. Binnen de sectie Gezondheidstechniek van de afdeling Watermanagement heb ik het afgelopen jaar met veel plezier onderzoek verricht naar de vervuiling van membranen in membraanbioreactoren. Graag wil ik een aantal mensen bedanken voor het tot stand komen van dit rapport. In de eerste plaats gaat mijn dank uit naar prof. ir. Jaap van der Graaf, die mij de mogelijkheid heeft gegeven om op een zeer actueel en interessant onderwerp af te studeren. In het verlengde hiervan wil ik ook de overige leden van mijn examencommissie bedanken, te weten prof. dr. ir. Mark van Loosdrecht, dr. ir. Jaap de Koning, ir. Herman Evenblij en ir. André van Bentem. Een speciale vermelding hierbij gaat uit naar mijn dagelijks begeleider, Herman Evenblij, het afgelopen jaar mijn steun en toeverlaat op MBR-gebied. Vanaf hier wil ik hem alle voorspoed toewensen wat betreft zijn verdere carrière na de op komst zijnde promotie en met zijn gezin. Om mijn experimenten uit te kunnen voeren heb ik kunnen rekenen op de hulp van een aantal personen en instanties. Allereerst zijn dit Tonny Schuit en Cees Boeter van het laboratorium voor Gezondheidstechniek geweest; zij hebben er voor gezorgd dat ik altijd met het beste materiaal en materieel het land in kon om mijn experimenten te doen. Frank, Van en Ria wil ik bedanken voor het uitvoeren van de EPS-analyses en het bereiden van de benodigde chemicaliën. Daarnaast gaat mijn dank uit naar DHV Water BV voor de financiering van het project waar ik in meedraaide en naar X-flow voor het ter beschikking stellen van de membranen voor mijn proefinstallatie. Ook wil ik de betrokken Waterschappen en alle medewerkers op de zuiveringen van Maasbommel, Hilversum, Beverwijk, Varsseveld en Etten bedanken voor hun gastvrijheid en de vele liters koffie. Verder wil ik ook graag al mijn huis-, club- en gilde- en Australië-projectgroepgenoten, de mannen uit Den Haag, Arthur en overige vrienden bedanken; hun verfrissende kijk op de hedendaagse afvalwaterzuivering heeft absoluut de nodige inspiratie opgeleverd. En natuurlijk wil ik Monique, meestal als enige de dupe wanneer ik een spaarzaam afstudeerdipje moest afreageren, bedanken voor haar geduld. Ten slotte wil ik mijn ouders bedanken voor hun steun en vertrouwen. Delft, november 2004 Stefan Geilvoet - i -

4 Voorwoord - ii -

5 Samenvatting Samenvatting De conventionele zuiveringsmethode voor huishoudelijk afvalwater is het actiefslib-proces. Bij deze techniek wordt het afvalwater in een reactor belucht en vermengd met een geconcentreerde suspensie bacteriën. De bacteriën, die in vlokken leven, zorgen voor de biologische afbraak van organische en andere verontreinigingen in het water. Aan het eind van het proces worden de vlokken van het water gescheiden door middel van bezinking en vervolgens teruggevoerd naar de reactor. Een innovatie binnen het actiefslib-proces is de membraanbioreactor (MBR). Bij het MBR-proces vindt de scheiding tussen slib en water niet plaats door middel van bezinking, maar met behulp van een membraanstap. Kwalitatief beter effluent en ruimtebesparing zijn hiervan de voornaamste voordelen. Het nadeel is dat de techniek relatief duur is vanwege de dure membranen, het hogere energieverbruik en de reinigingsmaatregelen die nodig zijn als gevolg van de membraanvervuiling die bij het proces ontstaat. Toch komt MBR-technologie de laatste jaren steeds meer in beeld als zuiveringstechniek voor huishoudelijk afvalwater. Drijfveer hierachter is de daling van de meerkosten die door intensief onderzoek bewerkstelligd is. Sinds 2001 participeert ook de TU Delft met een onderzoek naar membraanvervuiling in MBR. Recente MBR-studies hebben aangetoond dat extracellulaire polymere substanties (EPS) de belangrijkste biologische factor verantwoordelijk voor membraanvervuiling zijn. Er is echter maar weinig bekend over de mechanismen en situaties waarin EPS membraanvervuiling veroorzaakt. De voornaamste reden hiervoor is het heterogene karakter van EPS. Beschikbare onderzoeksresultaten zijn daarnaast moeilijk te vergelijken vanwege hun uiteenlopende aanpak, aandachtspunten en lastig te kwantificeren invloeden als verschillende pilotkarakteristieken. Omwille van dit onderzoek is daarom een kleinschalige filtratie-installatie ontwikkeld waarmee de filtreerbaarheid van verschillende slibsoorten eenduidig bepaald kan worden. De kern van de installatie wordt gevormd door een X-flow ultrafiltratie membraan met een poriegrootte van circa 0,03 µm. De installatie biedt volledige controle over de flux en de cross-flow snelheid. Daarnaast zijn op het laboratorium voor Gezondheidstechniek van de TU alle faciliteiten voorhanden om het gehalte proteïnen en polysacchariden, de voornaamste bestanddelen van EPS, te bepalen. In de periode van februari tot en met juli 2004 zijn experimenten uitgevoerd ter plaatse van de vier Nederlandse RWZI s waar MBR-pilots operationeel waren, te weten in Maasbommel (Zenon 0,04 µm), Hilversum (Kubota 0,5 µm), Beverwijk (Huber 0,04 µm) en Varsseveld (membraan buiten bedrijf). Het voornaamste doel van het onderzoek is het kwantificeren van de stoffen of andere factoren die membraanvervuiling in MBR veroorzaken, waarbij de nadruk ligt op de rol van EPS. De in ogenschouw genomen aspecten zijn de filtreerbaarheid, EPS-gehalten in het vrije water en het permeaat, drogestofgehalte, CZV-gehalte, ph en temperatuur van het slib. Voor de experimenten is een standaard meetprotocol opgesteld om tot zo eenduidig mogelijke meetresultaten te komen. Bij alle experimenten is gewerkt met een cross-flow snelheid van 1 m/s. Per pilot is gevarieerd met de flux om de invloed hiervan op de filtreerbaarheid en de EPS doorslag te beschouwen. De uiteindelijke vergelijking tussen de pilots wordt gemaakt op basis van experimenten met flux 80 l/m²*h. - iii -

6 Samenvatting Allereerst zijn de meetresultaten per pilot afzonderlijk beschouwd. Over het algemeen zijn de filtreerbaarheid, EPS-gehalten en overige slibkarakteristieken per pilot vrij constant, wat het met elkaar in verband brengen van deze factoren bemoeilijkt. De opvallendste resultaten komen naar voren bij de metingen in Beverwijk. Als gevolg van een interne recirculatieperiode van ongeveer drie dagen blijkt de filtreerbaarheid van het slib aanzienlijk te verbeteren. De EPS-gehalten zijn vóór en direct na beëindiging van de recirculatie echter gelijk, wat de invloed van EPS op de filtreerbaarheid lijkt te weerleggen. Een andere mogelijkheid is dat niet het gehalte, maar de verschijningsvorm en de bijbehorende vervuilingseigenschappen van het EPS verandert. In dit geval zou de meetmethode geen onderscheid maken tussen beide soorten EPS en dus ongeschikt zijn. Als mogelijke oorzaken van de verbeterde filtreerbaarheid blijven over verlenging van de hydraulische en slibverblijftijd, met als gevolg een daling van de slibbelasting en een verhoogde mineralisatiegraad van het slib. In Maasbommel is in de eerste meetperiode in februari bij vergissing slib uit de wissel- (W) in plaats van de membraantank (M) gebruikt voor de experimenten. Daarom is in juli een tweede meetsessie ingelast, dit keer wel met slib uit de membraantank. Het slib uit de membraantank is veel beter filtreerbaar en heeft bovendien veel lagere EPS-gehalten in het vrije water. De metingen lijken dus de invloed van EPS op membraanvervuiling duidelijk aan te tonen. De totale daling van het EPS-gehalte in de membraan- ten opzichte van de wisseltank komt voor 90% tot uiting in een daling van de retentie en slechts voor 10% in de doorslag. Dit betekent dat niet alleen het gehalte, maar ook de gemeten deeltjesgrootte van de EPS in beide tanks verschilt. In de membraantank worden relatief veel meer deeltjes met een karakteristieke deeltjesgrootte kleiner dan 0,03 µm gemeten. De verklaring voor de verschillen in filtreerbaarheid en EPS-gehalten moet waarschijnlijk gezocht worden in de procesomstandigheden waarin het slib/water mengsel zich bevindt. In de wisseltank is het merendeel van het afvalwater namelijk nog niet in aërobe omstandigheden geweest. De verschillende soorten actiefslib vertonen een sterke variatie wat betreft de filtreerbaarheid. Maasbommel (W) is veruit het slechtst filtreerbaar en het slib uit MBR Hilversum veruit het best. De slibben van het Maasbommel (M) en Beverwijk (vóór de recirculatieperiode) vertonen de grootste gelijkenis wat betreft de filtreerbaarheid. Opvallend is het gedrag van het Varsseveld-slib. Bij een flux van 80 l/m²*h is dit slib relatief slecht filtreerbaar, terwijl naarmate de flux stijgt de weerstandstoename vergeleken met Maasbommel (M) en Beverwijk veel langzamer stijgt. De verklaringen voor dit afwijkende gedrag zijn waarschijnlijk het lage drogestofgehalte (±3 gr/l tegenover ±10 gr/l bij de overige) en het feit dat het Varsseveld-slib als enige is afgetapt uit een installatie waar ten tijde van de experimenten de pilotmembranen buiten bedrijf waren. De verschillen in filtreerbaarheid lijken op het eerste gezicht niet rechtstreeks in verband te brengen met de EPS-gehalten in het vrije water en/of de retentie. Aan de andere kant geldt dat Varsseveld-slib niet aangeduid kan worden als MBR-slib en daarom eigenlijk buiten beschouwing gelaten dien te worden. Ook Hilversum slib kan wellicht niet met de andere slibsoorten vergeleken worden op basis van filtreerbaarheid en EPS-gehalten, omdat het als enige is afgetapt uit een installatie met micro- in plaats van ultrafiltratie membranen. Als alleen de pilots van Maasbommel en Beverwijk vergeleken worden, dan blijkt wel dat de filtreerbaarheid slechter is naarmate het EPS-gehalte hoger is. - iv -

7 Samenvatting De mogelijke invloed van de poriegrootte van de pilotmembranen is nader onderzocht. De overweging is dat naarmate deze groter is, deeltjes kleiner dan deze poriegrootte de pilot met het effluent verlaten en dus vervolgens niet meer voor membraanvervuiling in de filtratie-installatie kunnen zorgen. Dit zou dus betekenen dat naarmate de poriegrootte van het membaan van de pilot groter is, het slib beter filtreerbaar is in de filtratie-installatie. Deze hypothese klopt wat betreft de filtreerbaarheid van het Hilversum-slib. De membraanporiën van deze pilot (0,5 µm) zijn meer dan 10 keer groter dan die van Maasbommel en Beverwijk (0,04 µm), en het Hilversum-slib is daarbij veruit het best filtreerbaar. Dit zou dus betekenen dat de filtreerbaarheid in de filtratie-installatie zo goed is vanwege een relatief lager aandeel van deeltjes in het slib met een karakteristieke deeltjesgrootte tussen 0 µm en 0,5 µm. De hypothese wordt echter niet ondersteund door de meetresultaten wat betreft de doorslag/retentie van EPS. Verwacht mag worden dat in Hilversum veel EPS-deeltjes kleiner dan 0,5 µm met het effluent van de pilot de MBR verlaten. Dit zou betekenen dat de resterende EPS-deeltjes in het slib relatief groot zijn en er dus een hoge EPS-retentie gemeten wordt. Dit blijkt echter niet het geval. Een mogelijke verklaring is dat er voortdurend EPS geproduceerd wordt door de biomassa, zodat er altijd EPS-deeltjes kleiner dan 0,03 µm in het vrije water aanwezig zijn. De goede filtreerbaarheid van het Hilversum-slib zou dan veroorzaakt kunnen worden door de afwezigheid van andere deeltjes dan EPS in het vrije water met een grootte tussen 0,03 en 0,5 µm. De retentie is voor alle slibsoorten lineair afhankelijk van het EPS-gehalte in het vrije water, bovendien voor alle slibsoorten volgens dezelfde vergelijking. Dit betekent dat het percentage EPS kleiner dan 0,03 µm voor alle slibsoorten ongeveer gelijk is. De verschillen in filtreerbaarheid kunnen dus ook niet in verband gebracht worden met de EPS-deeltjesgrootte. De filtreerbaarheid van het actiefslib uit de verschillende MBR-pilots blijkt niet rechtstreeks in verband te brengen is met EPS-gehalten en EPS-deeltjesgrootte. De gemeten verschillen in filtreerbaarheid tussen de pilots lijken vooral af te hangen van de hydraulische verblijftijd en de poriegrootte van de pilotmembranen. Aan de hand van dit onderzoek kan dit echter niet onomstotelijk bewezen worden. Daarom is een aantal aanbevelingen opgesteld voor vervolgonderzoek. In de eerste plaats verdient het de aanbeveling om de pilot als batch-reactor in te zetten. Het nadeel van het onderzoek zoals het is uitgevoerd is namelijk dat het niet mogelijk was om zelf slibkarakteristieken te beïnvloeden, waardoor per pilot weinig variatie is gemeten. Door te variëren met bepaalde bedrijfsvoeringsparameters (bv. hydraulische verblijftijd, substraatdosering) kan meer inzicht verkregen worden wat betreft de invloed hiervan op de filtreerbaarheid en EPS-gehalten van het slib. Het onderzoek heeft zich voornamelijk gericht op het slib uit de membraantank. De meetresultaten van Maasbommel hebben echter duidelijk aangetoond dat de EPS-gehalten en de filtreerbaarheid van MBR-slib uiteenlopen gedurende het proces. Het is daarom raadzaam om EPS-gehalten en filtreerbaarheid in het totale MBR-systeem te modelleren. Dit betekent dat ook het influent en effluent van de pilot in ogenschouw genomen moeten worden. De slib/waterscheiding vindt uiteindelijk plaats op basis van de deeltjesgrootte. Daarom is het van belang om meer inzicht te krijgen in de deeltjes die zich in het vrije water bevinden. Dit kan verkregen worden door het uitvoeren deeltjestellingen en fractioneringsexperimenten. Ten slotte verdient het aanbeveling om de hydraulische omstandigheden in de membraanbuis nader te beschouwen. Het is namelijk niet bekend in hoeverre de stroming door de membraanbuis turbulent is geweest. - v -

8 Samenvatting - vi -

9 Summary Summary The conventional method for the treatment of municipal wastewater is the activated-sludge process. This technology is based on the biological degradation of organic and other pollutants in the water. For this purpose the wastewater is aerated and mixed with a concentrated suspension of bacteria. The bacteria live in flocs and feed on the pollutants in the water;.at the end of the process the sludge-flocs are seperated from the water by sedimentation and are subsequently returned into the process. An innovation within the activated-sludge process is the membranebioreactor (MBR). In the MBR process sludge and water are not seperated by means of sedimentation, but with a membrane step. Qualitatively superior effluent and a reduced footprint of the installation are the main advantages of MBR-technology. The disadvantage is that this technique is relatively costly, due to the the expensive membranes, the higher energy consumption and the cleaning measures that are required because of the membrane fouling that takes place during the process. Nevertheless, in the last few years the interest in MBRtechnology for the treatment of municipal wastewater has sharply increased, as a result of the ongoing decrease of the costs realised through extensive research. Since 2001 Delft University of Technology also participates, on a research project into membrane fouling in MBR. Recently, many MBR studies have identified extracellular polymeric substances (EPS) as the most significant biological factor responsible for membrane fouling. However, up till now little is known about the mechanisms and situations in which EPS causes membrane fouling. The main reason for this is the extreme heterogeneous character of EPS. Available research results are hard to compare because of their divergent approaches and points of attention. Besides, it is difficult to quantify differences between installations concerning pilot- and operational aspects. For this reasons a small-scale filtration installation was built, sothat the filterability of activatedsludge from different MBR installations can de determined unequivocally. The installation enables total control over the cross-flow velocity and the flux. In addition, at the laboratory for Sanitary Engineering at Delft University all facilities are available to determine the protein- and polysaccharid-concentrations, the main components of EPS. In the period from February to July 2004 experiments were conducted at the four Dutch WWTP s where MBR-pilots were operational at the time, namely Maasbommel (Zenon 0,04 µm), Hilversum (Kubota 0,5 µm), Beverwijk (Huber 0,04 µm) and Varsseveld (membrane not operational). The main objective of the research is to quantify the sources that cause membrane fouling in MBR, in which the role of EPS is emphasised. The considered aspects of the study are the filterability, suspended solids concentration, COD concentration, ph and temperature of the sludge, and the EPS concentrations in both the free water and the permeate of the filtration installation. A standard measuring protocol was developed in order to obtain results as unequivocal as possible. All experiements are carried out with a cross-flow velocity of 1 m/s. For each pilot the apllied flux is alternated, in order to investigate the effect of the flux on the filterability and the EPS breakthrough. Ultimately, the comparison between the different pilots is made on the basis of the experiments with flux 80 l/m²*h. - vii -

10 Summary Firstly the measuring results per pilot were analysed seperately. In general the filterability, EPS concentrations and other sludge characteristics are relatively constant, which makes it hard to correlate these factors. The most interesting results come to light in Beverwijk; as a result of an internal recirculation period of about three days the filterability of the sludge turns out to improve substantially. EPS concentrations before and after the the recirculation period on the other end are more or less the same. These measurements seem to invalidate the influence of EPS on the filterability. Another possibilty is that not the concentration, but the appearance and the accompanying fouling behaviour of the EPS changes. In this case, the measuring method does not make a distinction between both sorts of EPS, and would therefore be unsuitable. Extension of the hydraulic- and sludge retention time, decrease of the food to mass ratio and an increase of the stabilastion rate of the sludge can be mentioned as possible causes for the improved filterability,. In the first measuring period in February at WWTP Maasbommel by mistake the sludge was tapped from the alteration- (A) instead of the membranetank (M). For this reason a second measuring session was executed in July, this time indeed with sludge from the membranetank. Sludge tapped from the membranetank has a considerably better filterability and furthermore, it has much lower EPS concentrations. The measurements seem to prove the relation between EPS and membrane fouling. The total decrease of the EPS concentration in the membranecompared to the alteration tank is expressed in a 90% decrease of the retention and only a 10% decrease of the breakthrough. This means that not only the concentration but also the measured particle size differs in both tanks. In the membranetank relatively more EPS with a charicteristic particle size smaller than 0,03 µm is measured. The explanation for the differences in filterability and EPS concentrations probably lies in the process circumstances in which the sludge/water mixture finds itself in. In the alteration tank most of the wastewater has not yet experienced aerobic circumstances. The filterability of the activated sludge from the different pilots differs to a great extent. Maasbommel (A) sludge has by far the worst, and Hilversum sludge by far the best filterability. Only Maasbommel (M) and Beverwijk sludge (before recirculation period) show quite comparable filterability. The results for Varsseveld are remarkable; at flux 80 l/m²*h the filterability is rather bad, while by increasing flux the filterability decreases much slower compared to Maasbommel (M) and Beverwijk sludge. A possible explanation for this divergent behaviour is the low suspended solids concentration (±3 gr/l against ±10 gr/l for the others). Besides, Varsseveld sludge is the only sludge tapped from an installation with membranes out of order during the experiments. At first sight, differences in filterability appear to have no connection with the EPSconcentrations in the free water and/or the retention. On the other side, Varsseveld-sludge can not be marked as MBR-sludge and should therefore be left out of consideration. Also Hilversum-sludge can probably not be compared with the other sludges unequivocally, because it is the only sludge tapped from an installation with micro- instead of ultrafiltration membranes. If only the pilots of Maasbommel and Beverwijk are compared, filterabilty indeed appears to be worse when EPS-concentrations are high. The possible influence of the pore size of the pilotmembranes is examined more in detail. The consideration behind this is that as the pore size increases, particles smaller than this pore size can leave the system with the pilot effluent and subsequently can not cause fouling in the - viii -

11 Summary membrane of the filtration installation anymore. This would mean that as the pore size of the pilot membrane increases, the filterability in the filtration installation improves.this hypothesis is correct considering the results of Hilversum. The membrane pores (0,5 µm) of this pilot are over 10 times bigger than those of Maasbommel and Beverwijk (0,04 µm) and Hilversum sludge has by far the best filterability. This would mean that Hilversum-slib derives its good filterability from a relatively low degree of particles with a size between 0 and 0,5 µm. However, the hypothesis is not supported by the measuring results concerning the concentration and the retention of EPS. If EPS particles smaller than 0,5 µm leave the pilot with the effluent, a high retention of EPS can be expected. However, this is not to be the case. A possible explanation for this, is that the biomass continuously produces EPS, so that EPS-particles with a characteristic size smaller than 0,03 µm are always present in the free water. The good filterability of the Hilversum-sludge would therefore be caused by the absence of particles in the free water other than EPS, with a characteristic size between 0,03 and 0,5 µm. The retention appears to be dependent on the EPS concentration in the free water, moreover for all activated-sludge sorts in accordance with the same lineair function. This means that for all activated-sludge sorts the percentage EPS particles smaller than 0,03 µm is approximately equal. Differences in filterability can therefore not be linked with the EPS particle size. The filterability of the different activated-sludges in the filtration installation can neither be linked with the concentrations nor with the particle size of the EPS. It appears that particularly the aerobic hydraulic retention time and the pore size of the pilot membranes are responsible for the differences measured in the filterability. However, on the basis of this research, this can not be proved indisputably. For this reason a number of recommendations is formulated for future research. In the first place using the pilot as a batch reactor deserves recommendation. A major disadvantage of the way in which the research was executed is that it was not possible to exert influence on sludge characteristics, resulting in limited variety in the measuring results per pilot. By varying certain operational parameters (for example hydraulic retention time, substrate dosing) more information about the influence of these parameters on the filterability and the EPS concentrations can be obtained. The research was primarily focused at activated-sludge from the membrane tanks of the pilots. Measuring results from MBR Maasbommel show clearly that EPS concentrations and filterability of MBR sludge are not constant during the process. Therefore, it is recommended to model the filterability and EPS concentrations of the total MBR system. This means that also the influent and the effluent have to be monitored. The sludge/water separation eventually takes place on the basis of the particle size. For this reason it is important to obtain more information about the particles in the free water. This can be achieved by doing particle counting experiments and fractioning experiments. Finally it deserves recommendation to take a closer look at the hydraulic circumstances in the membrane tube. Because of simplifications concerning the viscosity, it is not clear to what degree the flow through the membrane tube has been turbulent. - ix -

12 Summary - x -

13 Inhoudsopgave Inhoudsopgave Voorwoord...i Samenvatting...iii Summary...vii 1 Inleiding Membraanbioreactoren Actiefslib-proces Membraanfiltratie Uitvoering membraanbioreactoren De membraanbioreactor versus het actiefslib-proces Ontwikkeling en huidige status Probleemanalyse Membraanvervuiling Biomassa Extracellulaire polymere substanties Probleemstelling Doelstelling Onderzoeksopzet Filtratiekarakterisering EPS-analyses Overige analyses Bepaling van de kritische flux Meetprotocol Verwerking resultaten De pilots afzonderlijk Inleiding Beschrijving pilots Maasbommel wisseltank Hilversum Beverwijk Varsseveld Maasbommel membraantank Samenvatting afzonderlijke resultaten Vergelijking tussen de pilots Maasbommel wissel- en membraantank De vier pilots vergeleken

14 Inhoudsopgave 7 Conclusies en aanbevelingen Conclusies Aanbevelingen...89 Literatuur...91 Bijlage I: Specificatie membraan...93 Bijlage II: Specificatie drukmeters...95 Bijlage III: EPS-analyse...97 a) Proteïnen...97 b) Polysacchariden...98 Bijlage IV: Meetresultaten...99 a) Maasbommel wisseltank b) Hilversum c) Beverwijk d) Varsseveld e) Maasbommel membraantank Bijlage V: Filtratiecurven a) Maasbommel wisseltank b) Hilversum c) Beverwijk d) Varsseveld e) Maasbommel membraantank

15 Inhoudsopgave Lijst met figuren figuur 2.1: Conventioneel actiefslib-proces, schematisch overzicht...8 figuur 2.2: Principe membraanfiltratie (micro- en ultrafiltratie)...9 figuur 2.3: MBR-proces met externe membranen, schematisch overzicht...11 figuur 2.4: MBR-proces met inwendige membranen, schematisch overzicht...12 figuur 3.1: Weerstandscomponenten, schematische weergave...18 figuur 3.2: Factoren die membraanvervuiling in MBR beïnvloeden...20 figuur 3.3: Deel van een actiefslib vlok: bacteriën omgeven door EPS...21 figuur 3.4: Filtreerbaarheid actiefslib uit verschillende MBR-pilots...26 figuur 4.1: Filtratie-installatie, schematische weergave...29 figuur 4.2: Voorbeeld verwerkte resultaten, grafiek 1: R add, TMP versus V...33 figuur 4.3: Voorbeeld verwerkte resultaten, grafiek 2: R, TMP, J versus V...34 figuur 4.4: Voorbeeld verwerkte resultaten, grafiek 3: ph, O 2, temperatuur, U cr. versus V...34 figuur 5.1: MBR Maasbommel met Zenon membranen...36 figuur 5.2: MBR Maasbommel, configuratie en (recirculatie)stromen...36 figuur 5.3: MBR Hilversum met Kubota plaatmembranen...37 figuur 5.4: MBR Hilversum, configuratie en (recirculatie)stromen...37 figuur 5.5: MBR Beverwijk met Huber plaatmembranen...38 figuur 5.6: MBR Beverwijk, configuratie en (recirculatie)stromen...38 figuur 5.7: Toekomstige grootschalige MBR Varsseveld, artist impression...39 figuur 5.8: Maasbommel wisseltank, R add. J=x versus V (a), en R add. V=x versus J (b)...40 figuur 5.9: Maasbommel wisseltank, EPS-gehalte in het vrije water...41 figuur 5.10: Maasbommel wisseltank, EPS-gehalte en -retentie bij verschillende fluxen...41 figuur 5.11: Maasbommel wisseltank, EPS- versus CZV-gehalte...42 figuur 5.12: Maasbommel wisseltank, R add. versus V bij J=40 l/m²*h...43 figuur 5.13: Hilversum, R add. J=x versus V (a), en R add. V=x versus J (b)...45 figuur 5.14: Hilversum, EPS-gehalte in het vrije water...46 figuur 5.15: Hilversum, EPS retentie bij verschillende fluxen...47 figuur 5.16: Hilversum, EPS - versus CZV-gehalte...47 figuur 5.17: Hilversum, R add. versus V bij J=160 l/m²*h...48 figuur 5.18: Beverwijk, R add. J=x versus V (a), en R add. V=x versus J (b) vóór recirculatieperiode...50 figuur 5.19: Beverwijk, R add. J=80 versus V na recirculatieperiode...51 figuur 5.20: Beverwijk, R add. V=20 bij J=80 l/m²*h voor de gehele meetperiode...51 figuur 5.21: Beverwijk, EPS-gehalte in het vrije water...52 figuur 5.22: Beverwijk, EPS-retentie bij verschillende fluxen...53 figuur 5.23: Beverwijk, gemiddelde EPS-gehalten in het vrije water en retentie per dag...54 figuur 5.24: Beverwijk, EPS-gehalten en R add. V=20 na de recirculatieperiode...55 figuur 5.25: Beverwijk, CZV-gehalte in het vrije water per dag...56 figuur 5.26: Beverwijk, EPS - versus CZV-gehalte...57 figuur 5.27: Varsseveld, R add. J=x versus V (a), en R add. V=x versus J (b)...58 figuur 5.28: Varsseveld, EPS-gehalte in het vrije water...59 figuur 5.29: Varsseveld, EPS-retentie bij verschillende fluxen...59 figuur 5.30: Varsseveld, EPS- versus CZV-gehalte in het vrije water...60 figuur 5.31: Varsseveld, R add. V=20l/m² versus EPS-gehalte in vrije water en retentie...60 figuur 5.32: Maasbommel membraantank, R add. J=x versus V (a), en R add. V=x versus J (b)...62 figuur 5.33: Maasbommel membraantank, EPS-gehalte in het vrije water...63 figuur 5.34: Maasbommel membraantank, EPS-retentie bij verschillende fluxen

16 Inhoudsopgave figuur 6.1: Maasbommel wissel- en membraantank R add. versus V bij J=80 l/m²*h...67 figuur 6.2: EPS-gehalte en -retentie in wissel- en membraantank bij J=80 l/m²*h...68 figuur 6.3: R add. versus V voor alle pilots bij J=80 l/m²*h...73 figuur 6.4: R add. V=20 versus J voor alle pilots...73 figuur 6.5: EPS-gehalte en -retentie bij J=80 l/m²*h per pilot...74 figuur 6.6: R add. V=20 versus EPS-retentie...75 figuur 6.7: Procentuele EPS-retentie versus flux voor alle slibsoorten...76 figuur 6.8: EPS-retentie en -doorslag ten opzichte van het gehalte in het vrije water bij J=80 l/m²*h...78 figuur 6.9: Mogelijke invloed poriegrootte pilotmembranen op de deeltjesgrootte in het vrije water...79 figuur 6.10: EPS-retentie versus EPS-gehalte in het vrije water...80 figuur 6.11: EPS-gehalte < 0,03 µm versus EPS-gehalte < 7 µm, absoluut...81 figuur 6.12: Hydraulische verblijftijd per pilot...82 Lijst met tabellen tabel 2.1: Specifieke kenmerken MBR met externe en ondergedompelde membranen...12 tabel 2.2: Belangrijkste voor- en nadelen MBR-technologie...14 tabel 5.1: Maasbommel wisseltank, EPS-gehalten bij afwijkende filtreerbaarheid...43 tabel 5.2: Hilversum, uitschieters polysaccharide-gehalten...46 tabel 6.1: Gemiddelde EPS-gehalten Maasbommel wissel- en membraantank slib bij J=80 l/m²*h...68 tabel 6.2: Hydraulische karakteristieken Maasbommel wissel- en membraantank slib bij J=80 l/m²*h...70 tabel 6.3: Poriegroottes pilotmembranen...77 tabel 6.4: Hydraulische verblijftijd per pilot

17 1. Inleiding 1 Inleiding Water is van essentieel belang voor het leven op aarde. De totale hoeveelheid water is met zo n 1600 miljoen km³ gigantisch [11], maar toch dreigt in de nabije toekomst waterschaarste een wereldwijd probleem te worden. Niet voor niets wordt water wel eens aangeduid als het goud van de 21 ste eeuw. In de eerste plaats is slechts 0,6% van de totale watervoorraad in de vorm van zoet water beschikbaar voor de mens. Daarnaast komen de zoetwaterbronnen die wel beschikbaar staan steeds meer onder druk te staan uit het oogpunt van zowel kwantiteit als kwaliteit. De groei van de bevolking, economische activiteiten en de verbetering van de levensstandaard hebben de laatste decennia gezorgd voor een enorme toename van het waterverbruik. In de 20 ste eeuw is de wereldbevolking verdrievoudigd, terwijl het waterverbruik is toegenomen met een factor zeven [2]. Geschat wordt dat momenteel een derde van de wereldbevolking een tekort aan bruikbaar water ondervindt. Verwacht wordt dat in 2025 dit percentage opgelopen zal zijn naar twee derde. Nederland kent nauwelijks problemen wat betreft waterschaarste, traditioneel is de strijd juist gericht geweest op het buiten de deur houden van het water. Vergeleken met waterkwantiteit is waterkwaliteit nog maar sinds kort een maatschappelijk aandachtspunt. Vervuiling van de waterbronnen is inherent verbonden aan menselijke activiteiten. Door de eeuwen heen zijn de natuurlijke waterlopen door de mens gebruikt als transportmedium om zich van huishoudelijke, agrarische en industriële afvalstoffen te ontdoen. Het inzicht van de mens in het verband tussen vervuild water en de negatieve gevolgen hiervan op de volksgezondheid leidden ertoe dat sanitaire maatregelen genomen werden. In Nederland werd eind 19 de eeuw her en der begonnen met de aanleg van rioleringssystemen en waterleidingen, wat de sanitaire situatie sterk verbeterde. Tegenwoordig is meer dan 98% van de Nederlanders aangesloten op de riolering [36]. Door de aanleg van rioleringen diende zich echter een nieuw probleem aan. Afvalstoffen die voorheen nog werden afgebroken in beerputten en vervolgens als meststof op het land werden gebracht, werden nu direct op het oppervlaktewater geloosd, met alle negatieve gevolgen van dien op de waterkwaliteit. Vooral in de jaren van de wederopbouw na de 2 e Wereldoorlog daalde de kwaliteit van de watersystemen tot een absoluut dieptepunt, als gevolg van de zware belasting door industrieën en de bevolking. Een goed voorbeeld hiervan is de situatie in de Rijn, rond De concentratie vervuilende en zuurstofbindende stoffen in het water was zo hoog geworden dat de Rijn was verworden tot een groot leven- en zuurstofloos open riool [21]. Duidelijk werd dat het van groot belang was dat de mensheid zijn afvalwater diende te zuiveren alvorens het werd teruggevoerd naar de natuurlijke waterkringloop. Vanaf het begin van de jaren 70 is de vervuiling sterk teruggedrongen door saneringen en de bouw van zuiveringsinstallaties. In 1970 bedroeg de omvang van de vervuiling in Nederland nog circa 45 miljoen inwonerequivalenten (i.e.). Tegenwoordig is de vervuiling door met name industriële saneringen teruggedrongen naar ongeveer 18 miljoen i.e. Van deze vervuiling resteert na behandeling op zuiveringsinstallaties nog circa 0,7 miljoen i.e., die op het oppervlaktewater worden geloosd [12]. De conventionele techniek voor de zuivering van afvalwater is het actiefslib-proces. Bij dit proces wordt het afvalwater belucht en met een geconcentreerde suspensie bacteriën vermengd. De bacteriën zorgen voor de biologische afbraak van de afvalstoffen in het water. Het actiefslibproces werd eind 19 de eeuw ontdekt en is sindsdien op velerlei manieren uitgebreid en geoptimaliseerd. Eén van de innovaties binnen het actiefslib-proces is de membraanbioreactor - 5 -

18 1. Inleiding (MBR). Het verschil tussen het MBR- en het conventionele actiefslib-proces is dat scheiding van slibvlokken en water niet plaatsvindt door bezinking van de vlokken, maar met behulp van een membraanstap. Kwalitatief hoogstaand effluent en ruimtebesparing zijn hiervan de voornaamste voordelen. Het nadeel van MBR-technologie is dat deze relatief duur is. De meerkosten worden gevormd door de dure membranen zelf, het hogere energieverbruik en de reinigingsmaatregelen die nodig zijn als gevolg van de vervuiling van de membranen die tijdens het proces ontstaat. Vooralsnog staan de hogere kosten een echte doorbraak van de MBR-technologie voor de zuivering van huishoudelijk afvalwater nog in de weg. Toch is de laatste jaren de interesse voor de zuivering van huishoudelijk afvalwater met behulp van MBR-technologie sterk gegroeid. Drijvende kracht hierachter is de sterke daling van de meerkosten die door intensief onderzoek op verschillende aspecten is bewerkstelligd. Ook de Technische Universiteit Delft participeert in het grootschalige MBR-onderzoek. In 2001 is de sectie Gezondheidstechniek van de faculteit Civiele Techniek en Geowetenschappen in samenwerking met DHV Water BV een onderzoek gestart naar membraanvervuiling in MBRsystemen. Membraanvervuiling is een complex proces, dat afhankelijk is van vele factoren. Recente onderzoeken hebben aangetoond dat zogenaamde extracellulaire polymere substanties (EPS) de voornaamste biologische factor verantwoordelijk voor vervuiling van membranen in MBR-systemen zijn [5][30]. EPS bestaat uit diverse bestanddelen, alle gevormd door de microorganismen in het actiefslib of reeds aanwezig in het afvalwater. Tot op heden is er nog maar weinig bekend over de manier waarop EPS membraanvervuiling beïnvloedt. Hoofdreden hiervoor is de heterogene samenstelling van de biomassa en het EPS per actiefslib-soort. Om membraanvervuiling door EPS terug te dringen door middel van gerichte bedrijfsvoering zal eerst de fundamentele kennis wat betreft de rol die EPS speelt verkregen moeten worden. Veel onderzoeken die in het verleden zijn uitgevoerd hebben elk hun eigen methodes en aandachtspunten gehad, wat het onderling vergelijken van de resultaten bemoeilijkt. Ook het vergelijken van reeds operationele installaties is problematisch, vanwege lastig te kwantificeren aspecten, zoals verschillen tussen membraantypes, influenteigenschappen en bedrijfsvoeringsaspecten per MBR-installatie. Omwille van het onderzoek is door de TU Delft daarom een kleinschalige membraanfiltratie-installatie ontwikkeld, waarmee de filtreerbaarheid van verschillende soorten actiefslib eenduidig bepaald en met elkaar vergeleken kan worden. Daarnaast zijn op het laboratorium Gezondheidstechniek van de TU Delft alle benodigde faciliteiten voorhanden om EPS-gehalten te bepalen. In dit rapport wordt een onderzoek gepresenteerd dat als voornaamste doel heeft de factoren die membraanvervuiling in MBR-systemen veroorzaken te inventariseren, waarbij de nadruk ligt op de rol die EPS hierin speelt. Actiefslib uit vier MBR pilot-installaties die ten tijde van het onderzoek in Nederland operationeel zijn wordt onderzocht en onderling vergeleken op basis van filtreerbaarheid, EPS-gehalten en enkele overige relevante slib- en pilotkarakteristieken. De opbouw van dit rapport is als volgt. Allereerst wordt in hoofdstuk 2 het principe en de ontwikkeling van het membraanbioreactor proces nader beschreven en wordt een vergelijking gemaakt met het conventionele actiefslib-proces. In hoofdstuk 3 wordt aan de hand van enkele onderzoeksresultaten het probleem van membraanvervuiling in MBR nader beschouwd en worden vervolgens de probleem- en de doelstelling van het onderzoek geformuleerd. In hoofdstuk 4 komen de opzet en de aanpak van het onderzoek aan de orde. In de volgende twee hoofdstukken worden alle meetresultaten gepresenteerd en bediscussieerd.in hoofdstuk 6 wordt eerst ingegaan op de resultaten per pilot. In hoofdstuk 7 worden de pilots met elkaar vergeleken. Het rapport wordt afgesloten met de conclusies en aanbevelingen, in hoofdstuk

19 2. Membraanbioreactoren 2 Membraanbioreactoren In dit hoofdstuk wordt het membraanbioreactor-proces nader omschreven. Allereerst komt in hoofdstuk 2.1 het conventionele actiefslib-proces aan de orde, omdat deze zuiveringstechniek nauw verbonden is aan het MBR-proces. In hoofdstuk 2.2 worden de algemene principes van membraanfiltratie behandeld, gevolgd door de toegepaste uitvoeringsvormen van membraanbioreactoren, in hoofdstuk 2.3. De voor- en nadelen van het MBR-proces ten opzichte van het conventionele actiefslib-proces worden met elkaar vergeleken in hoofdstuk 2.4. Het hoofdstuk wordt afgesloten met een beschrijving van de ontwikkeling die de MBRtechnologie in Nederland heeft doorgemaakt. 2.1 Actiefslib-proces De conventionele methode voor de zuivering van stedelijk en industrieel afvalwater is het actiefslib-proces. De hier volgende beknopte beschrijving van deze zuiveringstechniek is gebaseerd op hoofdstuk 7 (Fundamentals of biological treatment) uit Wastewater Engineering, geschreven door Metcalf en Eddy [28]. De antecedenten van het actiefslib-proces dateren reeds uit circa 1880, toen Dr. Angus Smith voor het eerst onderzoek deed naar de invloed van beluchting van afvalwater op de oxidatie van organische stoffen. De beluchting van afvalwater is vervolgens door vele onderzoekers bestudeerd. Ardern en Lockett (Manchester Sewage Works) stelden in vast dat de slibvlokken die in afvalwater ontstaan, door beluchting ervan, een belangrijke rol spelen in de kwaliteitsverbetering van het water. Het terugbrengen van slibvlokken na bezinking in nieuw belucht afvalwater zorgde bovendien voor een aanzienlijke versnelling van deze kwaliteitsverbetering. Ardern en Lockett noemden hun ontdekking het actiefslib-proces, omdat de beluchting van het afvalwater gepaard ging met de productie van micro-organismen (in de slibvlokken) die in staat waren tot aërobe stabilisatie van organisch materiaal in het afvalwater. Een schematisch overzicht van het actiefslib-proces is weergegeven in figuur 2.1. In het algemeen wordt het afvalwater eerst aan een voorbehandeling onderworpen, meestal bestaande uit verwijdering van grof vuil, zand, vet en bezinkbare stoffen. Daarna volgt dan het daadwerkelijke actiefslib-proces, bestaande uit de drie volgende componenten: o Een reactor waarin de micro-organismen verantwoordelijk voor de biologische zuivering in suspensie worden gehouden en worden belucht; o Slib/water scheiding, gewoonlijk met een nabezinktank; o Een recirculatie systeem, voor het terugvoeren van het bezonken slib uit de nabezinktank naar de reactor. Onder de gecreëerde omstandigheden zijn de micro-organismen in het actiefslib in staat om verontreinigingen in het afvalwater geheel of gedeeltelijk af te breken. Oorspronkelijk was het doel van het proces om met behulp van aërobe reactoren verlaging van het chemisch zuurstofverbruik (CZV) te bewerkstelligen. Later werden ook anaërobe en anoxische reactoren toegevoegd in het proces. Hierdoor is de biomassa ook in staat om de nutriënten stikstof (N) en fosfaat (P) te verwijderen

20 2. Membraanbioreactoren Een van de belangrijkste operationele parameters in het actiefslib-proces is de slibbelasting, die de verhouding weergeeft tussen de hoeveelheid aangevoerde voedingsstoffen en de hoeveelheid biomassa in het slib/water mengsel. Het zuiveringsrendement en de spuislibproductie blijken optimaal bij een zo laag mogelijke slibbelasting. Het drogestofgehalte in actiefslib-systemen wordt over het algemeen geregeld op 3 tot 5 gram drogestof per liter slib [17]. Vanuit het perspectief van zuiveringsprestaties is een zo hoog mogelijke biomassaconcentratie te prefereren. De hoogte hiervan wordt echter beperkt door de bezinkbaarheid van het slib. Bij te hoge waarden kan het slib onvoldoende afgescheiden worden in de nabezinktank. Effluent Voorbehandeld influent Denitrificatie Nitrificatie Nabezinktank Recirculatiestroom Spuislib figuur 2.1: Conventioneel actiefslib-proces, schematisch overzicht - 8 -

21 2. Membraanbioreactoren 2.2 Membraanfiltratie Het membraanbioreactor-proces is een variant op het conventionele actiefslib-proces, met als verschil dat de scheiding van het slib en het water niet meer geschiedt door middel van nabezinking, maar met behulp van een membraanstap. Membraanfiltratie is de zuiveringstechniek waarbij gebruik wordt gemaakt van een semi-permeabel membraan voor de scheiding van stoffen van water. Membranen zijn synthetisch en bestaan meestal uit organische polymeren. Onder invloed van een aangelegd drukverschil tussen de voedings- en de permeaatzijde van het membraan wordt permeaat door het membraan geperst terwijl verontreinigingen in het voedingswater achterblijven (figuur 2.2). In MBR-technologie wordt wat betreft de poriegrootte van de membranen gebruikt gemaakt van ultrafiltratie (poriegrootte 0,005-0,2 µm) en microfiltratie membranen (poriegrootte 0,08-2,0 µm), welke vooral geschikt zijn voor de verwijdering van colloïden, zwevende stoffen en micro-organismen. Water Opgeloste stoffen Permeaat P Membraan Colloïden Zwevende stoffen Micro-organismen Voeding figuur 2.2: Principe membraanfiltratie (micro- en ultrafiltratie) De drijvende kracht achter het proces is de transmembraandruk, die afhankelijk is van het drukverschil dat wordt aangelegd tussen de voedings- en de permeaatzijde van het membraan: Phydraulisch TMD= Pvoeding P 2 permeaat waarin: TMD = transmembraandruk [Pa] P voeding = voedingsdruk [Pa] DP hydraulisch = hydraulisch drukverlies [Pa] = druk aan permeaatzijde [Pa] P permeaat - 9 -

22 2. Membraanbioreactoren De belangrijkste bedrijfsvoeringsparameter bij membraanfiltratie is de flux, welke wordt gevormd door het quotiënt van het permeaatdebiet en het membraanoppervlak. De flux is ook uit te drukken als de transmembraandruk gedeeld door het product van de dynamische viscositeit van de vloeistof en de totale weerstand van het membraan: J Q = = Amem. ν TMD Rtot waarin: J = flux [m³/(m² s)] Q = debiet [ m³/h] A mem. = membraanoppervlak [m²] ν = dynamische viscositeit [Pa/s] = totale weerstand [m] R tot

23 2. Membraanbioreactoren 2.3 Uitvoering membraanbioreactoren Een belangrijk aspect bij de zuivering van afvalwater met behulp van MBR-technologie is de voorbehandeling; deze dient uitgebreider te zijn dan bij het conventionele actiefslib-proces. Deeltjes in het influent die de membranen kunnen beschadigen en/of verstoppen moeten zo veel mogelijk verwijderd worden. Veelal wordt het influent naast de gebruikelijke voorbehandeling door een fijnrooster met een maaswijdte van circa 0,75 mm gepompt. Membraanbioreactoren zijn er in twee uitvoeringsvormen: met externe en ondergedompelde membraanmodules Externe membranen Bij de uitvoeringsvorm met externe membranen (figuur 2.3) wordt het slib door een recirculatieleiding met daarin de membranen gepompt. De toegepaste membranen zijn voornamelijk buisvormig tubulair en worden cross-flow bedreven. Dit betekent dat slechts een klein deel van het voedingswater de module als permeaat verlaat (± 2,5%). Het merendeel van de voedingsstroom neemt het vuil mee en wordt teruggevoerd naar de bioreactor. Een overdruk aan de voedingswaterzijde of een onderdruk aan de permeaatzijde van het membraan zorgt ervoor dat het water door het membraan geperst wordt, het zogenaamde inside-out principe. De pomp die het actiefslib mengsel door de recirculatieleiding pompt moet zorgen voor een voldoende hoge transmembraandruk (TMP) en cross-flow snelheid (CFV). Voedingswater Voorbehandeld influent Denitrificatie Nitrificatie Effluent Concentraat Recirculatiestroom Spuislib figuur 2.3: MBR-proces met externe membranen, schematisch overzicht

24 2. Membraanbioreactoren Ondergedompelde membranen Bij ondergedompelde membraanfiltratie worden de membraanmodules in het actiefslib geplaatst; dit is schematisch weergegeven in figuur 2.4. Filtratie vindt plaats volgens het outsidein principe; door een onderdruk aan de permeaatzijde aan te brengen wordt het water uit het slib/water mengsel door het membraan getrokken. Deze onderdruk kan gecreëerd worden met behulp van een pomp en/of door de hydraulische druk van het actiefslib boven de membraankolom. Membraanvervuiling wordt voorkomen door met behulp van intensieve beluchting turbulente omstandigheden rond de membranen te creëren. Voorbehandeld influent Denitrificatie Nitrificatie Effluent Retourstroom Spuislib figuur 2.4: MBR-proces met inwendige membranen, schematisch overzicht De karakteristieke verschillen tussen MBR s met externe en ondergedompelde membranen zijn samengevat in tabel 2.1 [4]. De transmembraandruk is bij toepassing van inwendige membranen lager in vergelijking met de uitvoeringsvorm met uitwendige membranen. Het voordeel van inwendige ten opzichte van uitwendige membranen is dat door het ontbreken van een recirculatiestroom het energieverbruik ongeveer een factor 10 lager is. Daar staat tegenover dat door de toepassing van een lagere flux meer membraanoppervlak nodig is en dat het benodigde volume van de bioreactor groter wordt. tabel 2.1: Specifieke kenmerken MBR met externe en ondergedompelde membranen Kenmerk Extern Ondergedompeld Slib/water scheiding Buiten bioreactor In bioreactor Drukval 2-6 bar 0,2-0,5 bar Type filtratie Inside-out Outside-in Flux l/m²*uur l/m²*uur Energieverbruik 2-5 kwh/m³ 0,2-0,5 kwh/m³ Maximum drogestofgehalte kgds/m³ kgds/m³ Waterstroomsnelheid 3-6 m/s 0,5 m/s

25 2. Membraanbioreactoren 2.4 De membraanbioreactor versus het actiefslib-proces Voordelen Het MBR-proces biedt een aantal voordelen ten opzichte van het conventionele actiefslibproces. De scheiding van colloïden, zwevende stoffen en micro-organismen van het water is bij MBR-technologie vrijwel volledig. Deze hoge mate van scheiding is bij het bezinkingsproces in een actiefslib-systeem niet haalbaar. De bezinkbaarheid van het slib is niet langer de beperkende factor in het zuiveringsproces, wat als voordeel heeft dat met een veel hoger drogestofgehalte gewerkt kan worden. Waar bij het actiefslib-proces het maximale drogestofgehalte ongeveer 5 gr/l bedraagt, kan dit bij het MBR-proces opgevoerd worden tot circa 30 gr/l voor communale afvalwaterzuivering en tot zelfs 80 gr/l voor industriële afvalwaterzuivering. Het toepassen van een hoog drogestofgehalte heeft als voordeel dat het proces gevoerd kan worden met een extreem lage slibbelasting, waardoor de (spui)slibproductie afneemt. Daarnaast wordt door een hoge concentratie biomassa het benodigde volume van de bioreactoren gereduceerd. Bovendien zijn de nabezinktanks, die in het actiefslib-proces veel ruimte innemen, overbodig geworden. Al met al levert MBR-technologie dus een fikse ruimtebesparing op. De hydraulische verblijftijd en de slibverblijftijd kunnen bij MBR-technologie volledig onafhankelijk van elkaar gereguleerd worden, waardoor het zuiveringsproces beter stuurbaar wordt. Grotere oplosbare bestanddelen kunnen langer in het systeem vastgehouden worden, waardoor de afbraak verbetert. Een CZV-verwijdering van ongeveer 98% is haalbaar, terwijl dit bij het actiefslib-proces circa 95% is [39]. Ook recalcitrante verbindingen worden beter afgebroken Nadelen Tegenover de voordelen die MBR-technologie biedt, staat ook een aantal nadelen, welke vooral tot uiting komen in hogere kosten. Allereerst is een uitgebreidere en dus duurdere voorbehandeling van het influent vereist. De voornaamste meerkosten worden gevormd door de dure membranen zelf. De bedrijfsvoering en de beluchting van MBR-systemen zijn ook duurder dan die van conventionele actiefslib-systemen. De toepassing van een recirculatiesysteem bij een MBR met uitwendige membranen zorgt voor verhoogde (pomp)energiekosten. De hoge drogestofgehalten in een MBR bemoeilijken de beluchting van het actiefslib (lagere α-factor). Het slib zal intensiever belucht moeten worden zodat de aan beluchting verbonden kosten toenemen. Membraanvervuiling (fouling) is het gevolg van fysisch-chemische interacties tussen het membraanoppervlak en de bestanddelen in het actiefslib. Membraanvervuiling heeft afname van de permeaatproductie tot gevolg. Hierdoor zijn, afhankelijk van de mate van vervuiling, periodiek reinigingsmaatregelen nodig, welke extra kosten met zich meebrengen. Het fenomeen membraanvervuiling in MBR-installaties zal in dit rapport centraal staan, en komt nader aan de orde in hoofdstuk 3.1 (Membraanvervuiling)

26 2. Membraanbioreactoren Afweging De voor- en nadelen van het MBR-proces ten opzichte van het conventionele actiefslib-proces zijn samengevat in tabel 2.2. Zoals aan de orde gekomen in de vorige paragraaf komen de nadelen van MBR-technologie voor zuivering van communaal afvalwater tot uiting in hogere kosten. Deze zijn (in 2001) circa 25% hoger bij MBR-technologie: circa 55 euro/i.e. per jaar, tegenover 45 euro/i.e. per jaar voor het conventionele actiefslib-proces [19]. Dit staat een echte doorbraak van het MBR-proces in de communale waterzuivering vooralsnog in de weg. Toepassing van MBR s blijft daarom voorlopig beperkt tot specifieke gevallen, waarbij de voordelen wat betreft effluentkwaliteit en/of ruimtebesparing doorslaggevend zijn. Door recente ontwikkelingen worden de meerkosten echter steeds lager. De prijs van membranen is de laatste jaren fors gedaald en de verwachting is dat deze trend zich voorlopig zal voortzetten [19]. Grootschaliger toepassing, daling van vervangingskosten en verworven inzicht wat betreft de betrouwbaarheid en levensduur van de membranen zijn hier de oorzaken van. Ontwikkelingen wat betreft het module-ontwerp van de membranen hebben het energieverbruik danig gereduceerd [19]. Ook op het gebied van het terugdringen van de membraanvervuiling worden door intensief onderzoek vorderingen geboekt. tabel 2.2: Belangrijkste voor- en nadelen MBR-technologie Voordelen Nadelen Superieure effluentkwaliteit Membraankosten Ruimtebesparing Hogere energiekosten Beperkte spuislibproductie Membraanvervuiling Controle over biologische processen Uitgebreidere voorbehandeling vereist

27 2. Membraanbioreactoren 2.5 Ontwikkeling en huidige status Membraantechnologie vindt zijn toepassing voornamelijk in de drinkwaterbereiding. Toch is het gebruik van membranen voor afvalwaterzuivering reeds beschreven in de jaren 60 van de 20 ste eeuw [34]. De eerste commerciële toepassing van MBR vond ongeveer tien jaar daarna plaats, op kleine schaal in de Verenigde Staten. Vanuit daar werd de technologie geëxporteerd naar Japan, alwaar de membraanbioreactoren als paddestoelen uit de grond zouden schieten, voornamelijk voor de zuivering van huishoudelijk afvalwater op kleine schaal. Sindsdien is Japan de absolute koploper op het gebied van de MBR-technologie gebleven. Nederland en de rest van Europa kwamen pas in aanraking met MBR-technologie rond 1990, waarbij toepassing vooral plaats vond op het gebied van de zuivering van industrieel afvalwater met hoge concentraties verontreinigingen. Industriële afvalwaterstromen lenen zich relatief goed voor behandeling met MBR-technologie, omdat ze over het algemeen zowel kwalitatief als kwantitatief constant van aard zijn. Sinds de jaren negentig zijn in Nederland enkele tientallen (kleinschalige) MBR s voor industriële afvalwaterzuivering gebouwd. In 2002 waren er wereldwijd meer dan duizend membraanbioreactoren operationeel, voornamelijk kleinschalige installaties voor industriële afvalwaterzuivering [31]. Circa 55% van deze MBR-systemen is uitgevoerd met ondergedompelde membranen en 45% met externe membranen [31]. Het merendeel van de MBR s beoogt uitsluitend de verwijdering van CZV. Slechts 2% van de MBR s koppelt de membraanscheidingsstap aan een anaëroob zuiveringsproces [31]. Strengere eisen vanuit het Europees Parlement wat betreft de effluentkwaliteit van RWZI s leiden ertoe dat veel waterschappen hun zuiveringsproces in de nabije toekomst zullen moeten verbeteren. MBR-technologie met zijn goede zuiveringseigenschappen wordt daarom ook voor de zuivering van communaal afvalwater een steeds interessantere optie. Het startschot voor een studie hiernaar werd in Nederland gelost in In de rest van deze paragraaf worden de diverse pilot-projecten die in Nederland zijn opgezet beschreven. Deze informatie is afkomstig uit het Dossier Membraanbioreactoren op [40]. In opdracht van het Hoogheemraadschap van Uitwaterende Sluizen in Hollands Noorderkwartier (USHN) startte DHV water BV in 2000 op RWZI Beverwijk een grootschalig onderzoek met vier pilot-installaties van verschillende membraanleveranciers, elk met een capaciteit van ongeveer 10 m³/u. Directe aanleiding voor het onderzoek was de wens van USHN om de capaciteit van RWZI Beverwijk te vergroten terwijl daar geen extra ruimte meer voor beschikbaar is. In de onderzoeksperiode zijn diverse aspecten van MBR-technologie voor de zuivering van communaal afvalwater onder de loep genomen, zoals de voorbehandeling van het influent, membraanvervuiling, energieverbruik, effluentkwaliteit en slibverwerking. De doelen die gesteld waren voor het onderzoek werden ruimschoots behaald. Dit leidde ertoe dat de interesse in de MBR-technologie in Nederland en ook daarbuiten sterk toenam, niet alleen vanuit de waterkwaliteitsbeheerders branche zelf, maar ook vanuit de politiek/bestuurlijke hoek. Om de succesvolle experimenten op pilotschaal een vervolg te geven, is uitbreiding en opschaling van de MBR-pilots nodig. Deze benodigde opschaling heeft gestalte gekregen door de opdracht van Waterschap Rijn en IJssel tot de bouw van de eerste grootschalige Nederlandse MBR voor communale afvalwaterzuivering in Varsseveld. In samenwerking met DHV Water

28 2. Membraanbioreactoren BV wordt een full-scale MBR gebouwd met een capaciteit van 755 m³/u. Naar verwachting zal de bouw aan het eind van 2004 voltooid zijn. In april 2002 startte waterschap Rivierenland in samenwerking met Royal Haskoning op de RWZI van Maasbommel een MBR-pilot project met een maximale hydraulische capaciteit van 20 m³/u. Hoofddoel van het onderzoek was het bereiken van effluent met een zogenaamde Maximaal Toelaatbaar Risico kwaliteit (MTR-kwaliteit) voor de nutriënten stikstof (N< 2,2 mg/l) en fosfaat (P < 0,15 mg/l). Ook in Hilversum werd in 2002 een pilot-project gestart. De installatie (capaciteit ±5 m³/u) valt onder het beheer van de Dienst Waterbeheer en Riolering (DWR). Naar aanleiding van positieve ervaringen met de pilot-installatie in Hilversum heeft ook DWR de beslissing genomen tot de aanleg van een full-scale MBR-installatie met een capaciteit van 1500 m³/u, startend in 2006, voorlopig de op twee na grootste MBR voor communale afvalwaterzuivering ter wereld. Een veelbelovende toepassing van de MBR ligt in de deelstroomzuivering. Met inpassing van een kleinschalige relatief goedkope MBR s in combinatie met een al bestaand conventioneel actiefslib-systeem kan de effluentkwaliteit van een bestaande zuivering verbeterd worden. De zogenaamde hybride uitvoering van de MBR komt steeds meer in de aandacht, mede door geschiktheid om de MBR gefaseerd in te passen zonder dat het oorspronkelijke zuiveringsproces verstoord wordt. Onderzoeken hiernaar worden thans voorbereid door Zuiveringsschap Hollandse Eilanden en Waarden en Waterschap Regge en Dinkel, die pilotinstallaties op de RWZI s van respectievelijk Heenvliet en Oostmarsum zullen gaan bouwen

29 3. Probleemanalyse 3 Probleemanalyse In het vorige hoofdstuk is naar voren gekomen dat MBR-technologie een veelbelovende techniek is voor de zuivering van huishoudelijk afvalwater. Eén van de factoren die het succes van MBR-technologie voorlopig in de weg staat is membraanvervuiling. Membraanvervuiling leidt tot afname van de flux of toename van de transmembraandruk, waardoor de prestaties van het systeem teruglopen. Om de vervuiling te verwijderen moeten de membranen periodiek gereinigd worden. Dit brengt kosten met zich mee, want hierdoor gaat filtratietijd verloren en worden permeaat, energie en eventueel chemicaliën verbruikt. In dit hoofdstuk wordt allereerst het fenomeen membraanvervuiling in MBR-systemen nader uitgewerkt aan de hand van enkele theoretische achtergronden en onderzoeksresultaten. In hoofdstuk 3.1 zullen allereerst membraanvervuiling in het algemeen en de factoren die in MBR s een rol spelen behandeld worden. Vervolgens wordt via een nadere beschouwing van de biomassa in actiefslib (hoofdstuk 3.2) en extracellulaire polymere substanties (hoofdstuk 3.3) de probleemstelling voor het onderzoek nader gespecificeerd, in hoofdstuk 3.4. Het hoofdstuk wordt afgesloten met de doelstelling van het onderzoek in hoofdstuk Membraanvervuiling Theoretische achtergrond Membraanvervuiling (fouling) is het gevolg van fysisch-chemische interacties tussen het membraanoppervlak en de bestanddelen in het actiefslib. De International Union of Pure and Applied Chemistry (IUPAC) heeft een definitie geformuleerd voor fouling, deze luidt als volgt: fouling is het proces dat resulteert in een afname van de prestatie van een membraan, hetgeen veroorzaakt wordt door depositie van gesuspendeerde of opgeloste bestanddelen op het externe oppervlak, bij de porieopening, of in de membraanporiën [11]. In de loop der tijd zijn vele empirische en theoretische modellen opgesteld om membraanvervuiling fenomenen te beschrijven. De eenvoudigste daarvan is het weerstand-in-serie model [15][26][33]. Deze benadering gaat ervan uit dat de totale filtratieweerstand wordt gevormd door de som van drie afzonderlijke componenten (zie ook figuur 3.1): o Intrinsieke membraanweerstand; o Koeklaagweerstand; o Adsorptieweerstand en/of porieblokkering

30 3. Probleemanalyse De intrinsieke membraanweerstand is de weerstand die wordt gemeten in een nieuw membraan bij de filtratie van gedemineraliseerd water. Er zijn dan geen deeltjes in het water die het membraan kunnen verstoppen, zodat de weerstand constant blijft. Koeklaagvorming, adsorptie en porieblokkering zijn het resultaat van deeltjes in het voedingwater die zich tegen het membraanoppervlak afzetten. In figuur 3.1 zijn deze weerstandscomponenten afzonderlijk weergegeven, maar in de praktijk zullen ze uiteraard gelijktijdig optreden. A B C1 C2 figuur 3.1: Weerstandscomponenten, schematische weergave. (A) intrinsieke membraanweerstand, (B) koeklaag, (C1) adsorptie en (C2) porieblokkering De afzonderlijke foulingcomponenten volgens het weerstand-in-serie model kunnen bepaald worden door een serie filtratie-experimenten te doen met achtereenvolgens gedemineraliseerd water, actiefslib en tenslotte weer gedemineraliseerd water waarbij de koeklaag weggespoeld wordt. Punt van kritiek bij deze methode is dat wordt aangenomen dat de weerstandscomponenten volledig los van elkaar staan, terwijl dit waarschijnlijk niet zo eenvoudig gesteld kan worden. Andere onderzoekers gaan daarom uit van alleen de intrinsieke membraanweerstand en daarbij toegevoegd één weerstandsterm waarin de koeklaag-, adsorptieen porieblokkeringsweerstand zijn samengevoegd [6][16][23]

31 3. Probleemanalyse Reiniging Het slib/water mengsel in MBR-systemen heeft een hoge vuillast. Daarom zijn maatregelen in de bedrijfsvoering nodig om vervuiling van de membranen te beperken. In MBR-installaties met uitwendige membranen moet de recirculatiestroom langs de membranen een voldoende hoge cross-flow snelheid hebben, zodat een voldoende hoge turbulentie snelle vervuiling van de membranen voorkomt. Bij MBR s met ondergedompelde membranen wordt de benodigde turbulentie verkregen door intensieve beluchting van het slib rondom de membranen. Ondanks deze maatregelen kan membraanvervuiling niet voorkomen worden. De vervuilingsprocessen die optreden bij membraanfiltratie leiden in de loop van de tijd tot een terugloop van de flux (bij constante TMP), of een stijging van de TMP (bij constante flux). Wanneer op een gegeven moment de flux te laag wordt geacht of de TMP zijn maximum nadert dient het membraan gereinigd te worden. Dit kan gebeuren met behulp van de volgende (combinatie van) methoden: o Forward flush (langsspoeling); o Back flush (terugspoeling); o Air flush (lucht/water spoeling); o Relaxatie; o Chemische reiniging. Bij een forward flush wordt met behulp van een hoge langsstroomsnelheid de koeklaag (figuur 3.1, B&C2) van het membraan gespoeld. Bij een back flush wordt permeaat in de omgekeerde richting gefiltreerd. Deze reinigingsmethode is geschikt om vuil dat zich in de membraanporiën (figuur 3.1, C1,C2) bevindt uit te spoelen. De air flush is een soort forward flush; door gebruik te maken van lucht en water wordt een turbulentere stroom dan met alleen water bereikt. Vervuiling die te hardnekkig is voor een forward en/of back flush kan met behulp van chemicaliën verwijderd worden. De chemicaliën hebben meestal een sterk oxidatief karakter, waardoor de vervuilingen oxyderen en vervolgens weggespoeld kunnen worden met een forward flush. De reiniging van de membranen heeft een aantal nadelen. Bij het langs- en terugspoelen gaat filtratietijd, permeaat en energie verloren. Belangrijkste nadeel van chemische reiniging is dat de membranen er door worden aangetast. Bovendien kosten chemicaliën geld en ontstaat een chemisch belaste afvalstroom

32 3. Probleemanalyse Membraanvervuiling in membraanbioreactoren Membraanvervuiling in MBR-systemen is een complex fenomeen dat afhankelijk is van vele factoren. Chang c.s. [7] stellen dat er drie hoofdfactoren aan te wijzen zijn die de aard en mate waarin membraanvervuiling optreedt bepalen: o Het membraan; o De biomassa; o De bedrijfsvoering. In figuur 3.2 zijn deze factoren onderverdeeld in subfactoren en zijn ook de door Chang c.s. veronderstelde onderlinge relaties tussen de subfactoren weergegeven. Chang c.s. laten in dit model de kwaliteit en de samenstelling van het influent buiten beschouwing. Hoewel de voorbehandeling van het influent strikt genomen inderdaad geen daadwerkelijk onderdeel van het MBR-proces is, wordt nogmaals benadrukt dat een uitgebreide voorbehandeling van groot belang is om membraanvervuiling te voorkomen. Membraan Biomassa Bedrijfsvoering Configuratie Droge stof gehalte Configuratie Materiaal EPS Cross flow snelheid Hydrophobiciteit Slibvlokstructuur Beluchting Porositeit Porie grootte Opgeloste bestanddelen Slibvlokgrootte Hydraulische / slibverblijftijd Transmembraan druk figuur 3.2: Factoren die membraanvervuiling in MBR beïnvloeden

33 3. Probleemanalyse 3.2 Biomassa Samenstelling De biomassa in actiefslib wordt gevormd door slibvlokken waarin de vele soorten bacteriën leven die verantwoordelijk zijn voor de zuivering van het afvalwater. De samenstelling van de vlokken is uiterst complex en heterogeen. Vereenvoudigd gezien bestaan ze uit een slijmerige grondstof waarin de micro-organismen leven (zie figuur 3.3). De slijmerige grondstof bestaat uit een netwerk van extracellulaire polymere substanties (EPS). De belangrijkste stofwisselingsprocessen die zich afspelen zijn de dissimilatie (afbraak waarbij energie vrijkomt), assimilatie (celopbouw waarvoor energie nodig is) en de endogene ademhaling (zelfvertering). Kleine organische moleculen (8 à 10 C-atomen) kunnen rechtstreeks via de celwand in de bacteriecel worden opgenomen. Grotere verbindingen worden met behulp van enzymen gesplitst in kleinere moleculen en daarna afgebroken. Naast bacteriën ontwikkelen zich in het actiefslib ook andere ééncellige organismen zoals protozoën en flagellaten, welke weer leven van de bacteriën. figuur 3.3: Deel van een actiefslib vlok: bacteriën omgeven door EPS Invloed biomassa op membraanvervuiling Zoals weergegeven in figuur 3.2 is de biomassa in het actiefslib een van de factoren die verantwoordelijk is voor fouling. Chang c.s splitsen de vervuilingsfactoren van de biomassa op in drogestofgehalte, slibvlokstructuur, opgeloste bestanddelen, slibvlokgrootte en extracellulaire polymere substanties. De problematiek bij het bepalen van de invloed van de biomassa op membraanvervuiling is dat deze uiterst heterogeen van samenstelling is. Elke MBR-installatie heeft zijn eigen unieke samenstelling van de biomassa, zodat onderzoeksresultaten van één installatie niet zonder meer van toepassing zijn in het algemeen. Onderzoeksresultaten zijn in veel gevallen dan ook erg uiteenlopend of zelfs tegenstrijdig

34 3. Probleemanalyse In de beginfase van de MBR-technologie ontwikkeling is veel onderzoek uitgevoerd naar de invloed van het drogestofgehalte op membraanvervuiling. Onderzoeken uit de jaren 80 melden een lineair verband tussen het drogestofgehalte en de vervuiling [14] en een plotselinge weerstandstoename bij drogestofgehalten hoger dan 40 g/l [44]. Lubbecke [27] en Ueda [38] weerleggen midden jaren 90 echter de invloed van het drogestofgehalte. Zij kennen de weerstandstoename toe aan de hoge viscositeit van het slib, die onder andere het gevolg is van het hoge drogestofgehalte; en niet zozeer aan het drogestofgehalte zelf. Vervolgens is ook de invloed van de viscositeit ontkend, in een onderzoek uit 2002 door Rosenberger [32]. Ook de invloed van opgeloste stoffen op membraanvervuiling is door veel onderzoekers bestudeerd. De bijdrage van opgeloste bestanddelen in actiefslib aan de totale weerstand loopt in enkele beschouwde studies wederom sterk uiteen, met percentages van respectievelijk 5% [9], 26% [3] en 50% [42]. De invloed van deeltjesgrootte en structuur op membraanvervuiling is voornamelijk bestudeerd aan de hand van de Kozeny-Carmen relatie. Diverse studies tonen aan dat naarmate de deeltjesgrootte afneemt, de koekweerstand toeneemt. Deeltjesgrootte studies hebben ook aangetoond dat slibvlokken als gevolg van krachten die ze ondervinden in pompen (cross-flow filtratie) stuk kunnen slaan, resulterend in kleinere deeltjes die vervolgens weer in sterkere mate voor membraanvervuiling zorgen [43]

35 3. Probleemanalyse 3.3 Extracellulaire polymere substanties Recente MBR-studies hebben aangetoond dat extracellulaire polymere substanties (EPS) de belangrijkste biologische factor verantwoordelijk voor membraanvervuiling zijn. Toch is er nog maar weinig bekend over de exacte samenstelling van EPS en op welke manier het membraanvervuiling beïnvloedt. Hoofdreden hiervoor is het heterogene karakter van EPS. In deze paragraaf volgt een samenvatting van enkele onderzoeksresultaten met betrekking tot vervuiling in MBR door EPS Bestanddelen en functies Een slibvlok bestaat uit verschillende soorten micro-organismen die verankerd liggen in een netwerk van extracellulaire polymere substanties (EPS), dat door de micro-organismen zelf is geproduceerd (zie figuur 3.3). EPS bestaat uit vele bestanddelen die elk in sterk uiteenlopende mate deel uitmaken van het totale EPS-gehalte. De hoofdbestanddelen zijn over het algemeen proteïnen en polysacchariden, maar het bevat ook lipiden, nucleïnezuren en verscheidene heteropolymeren [8][25]. EPS heeft vele functies, welke vermoedelijk nog niet allemaal bekend zijn. De belangrijkste zijn in ieder geval [41]: o Vorming van een netwerk dat de micro-organismen in de slibvlok samenhoudt en beschermt tegen schadelijke invloeden van buitenaf; o Tijdelijke opslag van voedingsstoffen voor de micro-organismen; o Hechting van de micro-organismen aan een oppervlak in de vorm van een biofilm EPS-gehalte Chang en Lee [5] en Nagaoka c.s. [30] vinden in hun studies een lineair verband tussen het totale EPS-gehalte in het actiefslib en de optredende membraanvervuiling. Laspidou en Bruce [24], Hsieh c.s. [20] en Rosenberger en Kraume [32] stellen echter dat membraanvervuiling niet zonder meer aan het totale EPS-gehalte gerelateerd kan worden. Zij maken onderscheid tussen twee soorten EPS in actiefslib: o EPS gebonden aan de slibvlokken; o EPS in de waterfase. Alle onderzoeksresultaten wijzen erop dat alleen de EPS-deeltjes in het vrije water bijdragen aan membraanvervuiling [20][24][32]. Door de turbulentie die in MBR s rond de membranen wordt gecreëerd komen de grotere slibvlokken met gebonden EPS niet in aanmerking voor depositie op de membraanwand. Rosenberger en Kraume [32] vinden een verband tussen het EPS-gehalte (in de waterfase) en de influentkwaliteit van het afvalwater. Een hoge slibbelasting (hoge F/M verhouding) leidt tot een hoger EPS-gehalte in de waterfase en daardoor dus ook tot meer membraanvervuiling. Zhang en Bishop [46] stellen zelfs dat bij een extreem lage slibbelasting EPS weer door zijn eigen producenten en andere micro-organismen wordt gebruikt als substraat en zo wordt afgebroken. In hoofdstuk (Invloed biomassa op membraanvervuiling) is het stukslaan van slibvlokken door recirculatiepompen genoemd als een oorzaak van membraanvervuiling. Rosenberger en Kraume [32] constateren een hoger EPS-gehalte in de waterfase wanneer het slib mechanische

36 3. Probleemanalyse stress ondervindt. Blijkbaar komt het gebonden EPS door het stukslaan van de vlokken in de waterfase terecht EPS-samenstelling Meerdere onderzoekers hebben aangetoond dat membraanvervuiling afhangt van de samenstelling van EPS. Voor de twee hoofdbestanddelen proteïnen en polysacchariden geldt dat proteïnen een relatief kleine en polysacchariden een relatief grote bijdrage leveren aan membraanvervuiling [22][29]. Verscheidene studies concluderen dat de substraatcondities (en dus de influentkwaliteit) van belang zijn voor de EPS-samenstelling en dus ook voor de filtreerbaarheid. Sponza [35] onderzocht EPS van slibvlokken uit installaties voor de zuivering van industrieel (wijn-, papier-, textiel- en petrochemische industrie) en communaal afvalwater. In alle gevallen bleken proteïnen de overheersende component, gevolgd door polysacchariden en nucleïnezuren. De samenstelling verschilde echter wel per installatie. Actiefslib gevoed met complexe organische substraten bleek een relatief laag gehalte proteïnen te bevatten. Sponza concludeert ook dat de EPS-samenstelling meer afhangt van het type afvalwater dan van de bedrijfsvoering van de zuiveringsinstallaties

37 4. Onderzoeksopzet 3.4 Probleemstelling Probleem De fundamentele kennis over de oorzaken van membraanvervuiling in membraanbioreactoren en de rol van EPS hierin is tot op heden beperkt. Onderzoeksresultaten lopen sterk uiteen of zijn tegenstrijdig. Meer onderzoek is daarom vereist. In de eerste plaats naar de mechanismen en de situaties die membraanvervuiling in membraanbioreactoren veroorzaken, en de rol van EPS hierin. Pas daarna kan het uiteindelijke doel nagestreefd worden: membraanvervuiling (door EPS) voorspellen en tegengaan door middel van gerichte bedrijfsvoering Stand van zaken De Technische Universiteit Delft is in samenwerking met DHV Water BV sinds de zomer van 2000 een onderzoeksproject gestart naar de filtreerbaarheid van actiefslib uit MBR-installaties. Eén van de punten van aandacht in dit onderzoek is membraanvervuiling door EPS. Zoals in hoofdstuk 3.2 (Biomassa) ter sprake is gekomen heeft elke MBR-installatie zijn eigen unieke actiefslib-samenstelling. Lastig te kwantificeren invloeden zoals membraantypes, influenteigenschappen en bedrijfsvoeringsparameters maken dat het vergelijken van de filtratieeigenschappen van actiefslib uit verschillende MBR-installaties bemoeilijkt wordt. Om deze reden is een kleinschalige MBR-installatie ontwikkeld, waarmee de filtreerbaarheid van verschillende soorten actiefslib eenduidig bepaald kan worden, zodat onderlinge verschillen beter met elkaar vergeleken kunnen worden. Deze installatie zal nader aan de orde komen in hoofdstuk 4.1 (Filtratiekarakterisering). In het laboratorium gezondheidstechniek van de TU Delft zijn enkele inleidende experimenten uitgevoerd met actiefslib uit verschillende pilotinstallaties [13]. In figuur 3.4 is voor drie verschillende soorten actiefslib de weerstandstoename als functie van het geproduceerde volume permeaat uitgezet. De resultaten laten een aanzienlijke variatie in filtreerbaarheid zien. Een duidelijke verklaring hiervoor is vooralsnog niet gevonden. Gezien de invloed die door EPS aan membraanvervuiling wordt toegeschreven, is het aannemelijk dat de verschillen in filtreerbaarheid van de verschillende soorten actiefslib mede aan EPS kunnen worden toegeschreven. Een nader onderzoek hiernaar is tot op heden echter nog niet uitgevoerd en is daarom wenselijk. De in figuur 3.4 weergegeven curven zijn afkomstig van experimenten die zijn uitgevoerd in het laboratorium voor Gezondheidstechniek van de TU Delft. Het slib werd afgetapt van de installaties in Beverwijk en Maasbommel en per auto naar Delft getransporteerd. Daar werd het slib in een vat gegoten en voortdurend belucht. Het bleek dat de filtratie-eigenschappen van het slib na aftappen in de loop van de tijd veranderen. De oorzaak hiervan is gelegen in de totaal andere omstandigheden waarin het slib terecht komt. De micro-organismen doorlopen niet meer het voor hun vertrouwde proces met naast aërobe ook anaërobe en anoxische fasen, maar worden enkel nog belucht. Hierdoor zullen de eigenschappen van het actiefslib en dus ook de filtreerbaarheid veranderen. Daarnaast zal het slib tijdens het vervoer enige tijd bezinken, wat wellicht ook zijn invloed heeft op de filtreerbaarheid. Het is daarom wenselijk om de filtratieexperimenten direct na aftappen uit te voeren. Ten tijde van het onderzoek zijn in Nederland vier MBR-pilots operationeel, te weten in Maasbommel, Hilversum, Beverwijk en Varsseveld

38 4. Onderzoeksopzet De filtratie-installatie is vrij eenvoudig te demonteren en te vervoeren. Dit maakt het mogelijk om de filtratie-installatie tijdelijk op elk van deze locaties te plaatsen en gedurende een langere periode meerdere metingen per dag uit te voeren. Hierdoor kan voor elke pilot een uitgebreide set gegevens verzameld worden. Additional Resistance [*10 12 m -1 ] Zenon Maasbommel (2x) Toray Zenon B'wijk volume [l/m 2 ] figuur 3.4: Filtreerbaarheid actiefslib uit verschillende MBR-pilots

39 4. Onderzoeksopzet 3.5 Doelstelling Dit hoofdstuk wordt afgesloten met het formuleren van de doelstelling van het onderzoek, die is opgesteld aan de hand van de probleemstelling. Allereerst wordt de hoofdvraag van het onderzoek geformuleerd. Daarnaast wordt de werkwijze waarmee dit hoofddoel bereikt dient te worden beschreven en worden enkele randvoorwaarden en uitgangspunten opgesteld Hoofdvraag Het doel van het onderzoek bestaat uit een aantal elementen. In de eerste plaats wordt gecontroleerd of het inderdaad mogelijk is om met behulp van de ontwikkelde filtratie-installatie de filtreerbaarheid van actiefslib uit verschillende MBR-pilots eenduidig te bepalen en met elkaar te vergelijken. Vervolgens wordt nagegaan of de verschillen in membraanvervuiling in de filtratie-installatie die bij slibfiltratie ontstaat daadwerkelijk veroorzaakt worden door EPS. Ten slotte worden de bronnen die de membraanvervuiling beïnvloeden geïnventariseerd. De aandacht is hierbij primair gericht op het gedrag van EPS, maar ook eventuele overige invloeden worden in ogenschouw genomen. De inventarisatie geschiedt aan de hand van gegevens betreffende de fysisch-chemische karakteristieken van het actiefslib in combinatie met de karateristieken van de pilot-installatie. Samengevat bestaat het doel van het onderzoek dus uit de volgende elementen: o Controleren of de filtreerbaarheid van verschillende soorten actiefslib eenduidig bepaald kan worden met behulp van de filtratie-installatie; o Controleren of EPS verantwoordelijk is voor membraanvervuiling; o Inventariseren van de bronnen die membraanvervuiling door EPS veroorzaken; o Inventariseren van de overige invloeden die verantwoordelijk zijn voor membraanvervuiling Werkwijze Om het onderzoeksdoel te bereiken wordt onderzoek verricht op de vier RWZI s in Nederland waar MBR-pilots operationeel zijn, te weten Maasbommel, Hilversum, Beverwijk en Varsseveld. Van elke pilot wordt gedurende ongeveer een week meerdere malen per dag slib afgetapt en op verschillende aspecten onderzocht. Uiteindelijk worden de resultaten van de pilots met elkaar vergeleken. De aspecten die bij het onderzoek in ogenschouw worden genomen zijn: o Filtreerbaarheid: een centrale rol in het onderzoek speelt de meetopstelling, die het mogelijk maakt om de filtreerbaarheid van slib uit verschillende installaties eenduidig te bepalen, waardoor een vergelijking tussen verschillende installaties mogelijk wordt; o EPS-gehalte: het EPS-gehalte van zowel het vrije water als het permeaat van de filtratieinstallatie worden bepaald. Op het laboratorium Gezondheidstechniek in Delft zijn alle benodigde apparatuur en middelen beschikbaar om EPS-gehalten te bepalen; o Fysisch-chemische karakteristieken: naast het EPS-gehalte wordt ook een aantal andere relevante fysisch-chemische karakteristieken van het slib beschouwd, te weten: het drogestofgehalte, het CZV-gehalte in het vrije water en het zuurstofgehalte, de ph en de temperatuur van het slib;

40 4. Onderzoeksopzet o Pilot-karakteristieken: met de karakteristieken van de MBR-pilots wordt gedoeld op aspecten als bedrijfsvoering, membraan types, pomp types en influent kwaliteit. Over deze aspecten wordt zoveel mogelijk informatie ingewonnen bij de operators van de pilots Randvoorwaarden en uitgangspunten Het voornaamste probleem bij het onderzoek naar membraanvervuiling in MBR-installaties is de grote hoeveelheid factoren die van invloed zijn. Ook in dit onderzoek zullen gezien de beperkte tijd en mankracht lang niet alle van belang zijnde factoren in ogenschouw genomen kunnen worden. Enkele buiten beschouwing gelaten van belang veronderstelde factoren worden vooralsnog alleen genoemd, in hoofdstuk 7 (Conclusies en aanbevelingen) vindt een terugkoppeling plaats: o Influentkarakteristieken: de membraanvervuiling die in een MBR ontstaat zal niet alleen het gevolg zijn van de processen die zich in het systeem afspelen, maar ook van de kwaliteit van het inkomende influent. In de praktijk zal de influentkwaliteit variëren in de tijd en daarnaast per installatie. De kwaliteit van het influent wordt bij dit onderzoek niet in ogenschouw genomen; o Nutriëntenverwijdering: het functioneren van de membranen in een MBR hangt nauw samen met de biologische processen die zich afspelen. Zo zal er wellicht een verband zijn tussen membraanvervuiling en de omzetting van stikstof- en fosfaatverbindingen door de micro-organismen. De eventuele invloed van deze nutriënten op membraanvervuiling wordt in dit onderzoek buiten beschouwing gelaten; o Deeltjesgrootte: de uiteindelijke scheiding tussen het water en de overige deeltjes vindt plaats op basis van de grootte van deze deeltjes. Op het laboratorium voor Gezondheidstechniek zijn de faciliteiten voor het doen van deeltjestellingen beschikbaar. Omdat er onvoldoende tijd voor beschikbaar is om systematische deeltjestellingen te doen worden ze vooralsnog buiten beschouwing gelaten; o Viscositeit: een belangrijke hydraulische parameter bij de stroming van het slib door de membraanbuis is de viscositeit. Om snelle vervuiling van het membraan te voorkomen is het van groot belang dat de stroming in de membraanbuis turbulent is. In dit onderzoek wordt de hydraulica in de membraanbuis niet uitgebreid beschouwd. Aangenomen wordt dat de hydraulische omstandigheden voor alle experimenten gelijk zijn, zodat verschillen in filtreerbaarheid niet het gevolg zijn van verschillen in hydraulische omstandigheden. o EPS-analyses: de bepaling van de EPS-concentraties is gebaseerd op een aantal chemische reacties, die buiten het kader van dit onderzoek vallen. Aangenomen wordt dat de uitgevoerde metingen een waarheidsgetrouw beeld geven van de EPSconcentraties in het MBR-slib in de praktijk. o Flux: In de praktijk worden de membranen in MBR-systemen bedreven onder subkritische omstandigheden om snelle vervuiling van de membranen te voorkomen. In dit onderzoek worden veel hogere fluxen toegepast. Aangenomen wordt dat de mate van membraanvervuiling die optreedt bij hogere fluxen een indicatie is voor de vervuilingsgevoeligheid van het slib bij subkritische fluxen

41 4. Onderzoeksopzet 4 Onderzoeksopzet In dit hoofdstuk komt de onderzoeksopzet aan de orde. De vier te onderzoeken aspecten zoals gesteld in de doelstelling worden nader gespecificeerd. De bepaling van de filtreerbaarheid van het slib wordt besproken in hoofdstuk 4.1. De uitvoering van de EPS-analyses wordt nader verklaard in hoofdstuk 4.2, gevolgd door de overige analyses in hoofdstuk 4.3. De bepaling van de flux die per installatie wordt toegepast bij de experimenten wordt beschreven in hoofdstuk 4.4. Om tot zo eenduidig mogelijke resultaten te komen is een standaard meetprotocol opgesteld; dit protocol wordt beschreven in hoofdstuk 4.5. In hoofdstuk 4.6 wordt ten slotte beschreven hoe de resultaten verwerkt worden. 4.1 Filtratiekarakterisering Ten behoeve van het onderzoek naar membraanvervuiling in MBR is een proefinstallatie gebouwd waarmee de filtreerbaarheid van actiefslib eenduidig gemeten kan worden. Een schematisering van de filtratie-installatie is weergegeven in figuur 4.1. Kern van de installatie is een enkelvoudig tubulair X-flow polyvinylidene fluoride (PVDF) ultrafiltratie membraan met een lengte van 95 cm en een diameter van 8 mm. Het membraanoppervlak komt hiermee op circa 240 cm². De poriegrootte van het membraan is circa 0,03 µm. Voor een uitgebreide specificatie van het membraan wordt verwezen naar bijlage I. De installatie is verder voorzien van diverse onderdelen om processen te sturen en te meten. riool E1 1 A1 P 2 P Drukmeter afsluiter, bediend via PLC 3-weg afsluiter, bediend via PLC 2 C1 permeaat O 2 T handmatig bediende afsluiter P 3 ph F4 riool handmatig bediende 3-weg afsluiter chemicals massa balans E3 membraan module perslucht Actief-slib Demiwater 5 3 D1 P 1 BF backflush water F slangepomp D2 4 B1 figuur 4.1: Filtratie-installatie, schematische weergave

42 4. Onderzoeksopzet Bij de slibfiltratie wordt het actiefslib vanuit het slibvat met behulp van een slangepomp achtereenvolgens door een demper, een debietmeter en de membraanmodule gepompt waarna het weer in het slibvat terecht komt. In plaats van een centrifugaalpomp wordt een slangepomp gebruikt; dit om de structuur van de slibvlokken zo min mogelijk te beschadigen. Voorgaande experimenten [39] gaven namelijk aanwijzingen dat het gebruik van een centrifugaalpomp de slibvlokstructuur negatief beïnvloedt. Met behulp van de demper wordt de pulserende werking van de slangepomp uitgevlakt, zodat de cross-flow snelheid en de transmembraandruk gedurende het proces constanter zijn. Het toerental van de slangepomp is regelbaar. Met behulp van de tussengeschakelde debietmeter en het knijpen van de klep aan de concentraatzijde is het debiet instelbaar. Aan de hand van de bekende doorsnede van de membraanmodule kan zo de cross-flow snelheid in het membraan dus nauwkeurig gestuurd worden. Voor het onderzoek is besloten om alle experimenten uit te voeren met een cross-flow snelheid van 1 m/s. Permeaat onttrekking geschiedt met behulp van een peristaltische pomp, waarmee een onderdruk wordt aangelegd aan de permeaatzijde van het membraan. Ook het toerental van de permeaatpomp kan ingesteld worden. De geproduceerde massa permeaat wordt met behulp van een massabalans in de tijd gemonitord. Aan de hand van het bekende membraanoppervlak kan dus de flux berekend en gestuurd worden. Met behulp van drie druksensoren (voeding, concentraat, permeaat) wordt gedurende het proces de TMP gemeten. De druksensoren worden nader gespecificeerd in bijlage II. In het slibvat wordt met behulp van elektrodes de temperatuur, het zuurstofgehalte en de ph van het slib gemonitord. Aan de hand van de temperatuur wordt de dynamische viscositeit van het slib bepaald, waarmee vervolgens de totale filtratieweerstand berekend kan worden. Via twee ICP s worden alle gemonitorde gegevens uitgelezen op de computer en in het computerprogramma Testpoint opgeslagen en via EXCEL geschikt gemaakt voor verdere verwerking. Samengevat worden gedurende elk slibfiltratie experiment de volgende parameters voortdurend gemonitord: o cross-flow snelheid (regelbaar) [m/s] o flux (regelbaar) [l/m²*h] o transmembraandruk [Bar] o zuurstofgehalte van het actiefslib [mg/l] o temperatuur van het actiefslib [ C] o ph van het actiefslib [ - ] Om de vervuiling die bij elk slibfiltratie experiment ontstaat te verwijderen zijn drie reinigingsmethoden in de installatie ingebouwd: forward flush, back flush en chemische reiniging. Bij de forward flush wordt met behulp van een centrifugaalpomp vanuit het schoonwatervat gedemineraliseerd water met een hoge snelheid (± 4 m/s) langs het membraan gespoeld. Dit spoelwater kan afgevoerd worden naar het riool of naar het schoonwatervat worden teruggevoerd. In het schoonwatervat is ook een backflushpomp geplaatst waarmee het membraan outside-in gespoeld kan worden. De backflushpomp levert een TMP van circa -0,7 bar. Bij chemische reiniging worden met behulp van een peristaltische pomp chemicaliën in het membraan gebracht (NaOCl, 500 ppm)

43 4. Onderzoeksopzet 4.2 EPS-analyses Zoals gesteld in hoofdstuk 3.5 (Doelstelling) wordt het EPS-gehalte van zowel het vrije water als van het permeaat van de filtratie-opstelling bepaald. Dit wordt gedaan om te bekijken welk EPSgehalte tijdens filtratie in de voeding als retentie achterblijft en dus potentieel kan bijdragen aan de membraanvervuiling. De retentie wordt met behulp van de volgende eenvoudige formule bepaald: Retentie = Gehalte in het vrije water Gehalte in het permeaat (mg/l) Om het vrije water van het slib te scheiden wordt het slib met behulp van een vacuümpomp gefiltreerd over een standaard 589² filterpapiertje (poriegrootte 7-12 µm). Het actiefslib wordt afgetapt vanuit de recirculatieleiding naar het slibvat en het permeaat wordt rechtstreeks uit de installatie afgetapt. Het EPS-gehalte in de monsters blijft bij conservering in een koelkast ongeveer een week constant, daarna neemt het langzaam af. De uiteindelijke bepalingen vinden plaats in het Laboratorium voor Gezondheidstechniek in Delft. Zoals eerder beschreven in hoofdstuk 3.3 (Extracellulaire polymere substanties) is de samenstelling van EPS uiterst heterogeen. Dit maakt een exacte bepaling van het totale EPS-gehalte onmogelijk. In het algemeen wordt verondersteld dat proteïnen en polysacchariden de voornaamste bestanddelen zijn van EPS. De bepaling van het EPS-gehalte is daarom gebaseerd op de aanwezigheid van deze twee stoffen. Hierbij wordt aangenomen dat de gehalten proteïnen en polysacchariden een betrouwbare indicatie geven van het totale EPS-gehalte. Voor de bepaling van het gehalte proteïnen en polysacchariden wordt gebruik gemaakt van de door Brahner (2000) gemodificeerde methode van respectievelijk Frølund c.s. (1996) en van Dubois c.s (1956). Voor een uitgebreide beschrijving van deze spectrofotometrische meetmethodes wordt verwezen naar bijlage III. 4.3 Overige analyses De overige beoogde analyses voor het onderzoek betreffen het drogestofgehalte en het chemisch zuurstof verbruik gehalte (CZV) in het vrije water. Monsters voor het CZV-gehalte worden op een vergelijkbare manier geprepareerd als die voor het EPS-gehalte in het vrije water. Actiefslib wordt afgetapt uit de recirculatieleiding naar het slibvat. Het slib wordt vervolgens gefiltreerd over een standaard 589² filterpapiertje. Om de micro-organismen in het filtraat die het CZV-gehalte beïnvloeden te elimineren worden enkele druppels zwavelzuur (1 molair) aan het filtraat toegevoegd. Op deze manier zijn de monsters enkele maanden houdbaar. De CZVanalyses worden uitgevoerd op het lab in Delft, volgens de gestandaardiseerde procedure van Merck. Deze meetprocedure is ook toegepast bij het practicum Kinetics of activated sludge treatment, voor het vak ct5430, Laboratory Course on Unit Operations in Drinking water and Wastewater treatment [37]. De bepaling van het drogestofgehalte is problematischer. Deze bepaling moet ter plaatse gebeuren. Op de meetlocatie zijn de benodigde faciliteiten hiervoor wellicht niet beschikbaar en daarnaast kosten de drogestofbepalingen tijd, die gedurende de experimenten ook niet in ruime mate beschikbaar is. Over het algemeen wordt op elke pilot één maal per dag het drogestofgehalte bepaald door de operators. In dit onderzoek zal daarom vooral gebruik

44 4. Onderzoeksopzet gemaakt worden van drogestofgehalten beschikbaar gesteld door de operators van de MBRpilots. Aangenomen wordt dat het drogestofgehalte over de dag nauwelijks fluctueert. 4.4 Bepaling van de kritische flux Om de filtreerbaarheid van het actiefslib te kunnen relateren aan slibeigenschappen dient het vervuilingsproces van het membraan geforceerd te worden. Dit kan vanuit de bedrijfsvoeringsaspecten gezien door het toepassen van een lage cross-flow snelheid of een hoge flux. Voor dit onderzoek is gekozen om met een constante cross-flow snelheid van 1 m/s te werken, dus de weerstandstoename moet bewerkstelligd worden door een voldoende hoge flux. De flux mag daarentegen ook niet te hoog zijn; in dit geval zou de vervuiling van het membraan zo snel optreden dat subtiele verschillen in filtreerbaarheid niet meer waarneembaar zouden zijn. Daarom wordt in de eerste plaats voor elke MBR-pilot de kritische flux van het actiefslib bij cross-flow snelheid 1 m/s bepaald. Dit gebeurt door in één experiment de flux stapsgewijs te verhogen en te bekijken bij welke flux de weerstand gaat toenemen. Vervolgens zal het merendeel van de experimenten uitgevoerd worden met een flux net iets hoger dan de kritische flux. Daarnaast zal een aantal experimenten uitgevoerd worden met een hogere en lagere flux dan de kritische, om een beeld te krijgen van de invloed van de flux op de EPSdoorslag door het membraan. Een vergelijking tussen de verschillende soorten actiefslib wordt gemaakt aan de hand van experimenten met een flux van 80 l/m²*h. Deze waarde is gekozen op basis van voorgaande experimenten op het lab gezondheidstechniek [39]. 4.5 Meetprotocol Afhankelijk van de beschikbare tijd (reistijd, reinigingstijd, etc.) worden ongeveer vier experimenten per dag uitgevoerd. Door meerdere experimenten per dag uit te voeren kunnen eventuele fluctuaties over de dag onderzocht worden. In sommige experimenten wordt een lage met een hoge flux gecombineerd; dit is mogelijk als de lage flux geen weerstandstoename tot gevolg heeft. Om tot zo eenduidig mogelijke resultaten te komen wordt elk experiment volgens een standaard protocol uitgevoerd. Dit zogenaamde meetprotocol bestaat uit 4 stappen: 1. Bepaling schoonwater weerstand: gedemineraliseerd water wordt gefiltreerd met een cross-flow snelheid van 1 m/s en een flux van 80 l/m²*h. Op deze manier wordt de schoonwaterweerstand van het membraan bepaald; deze moet een waarde van circa 0,5 E10 12 m -1 (±0,1 E10 12 ) hebben. Als de schoonwaterweerstand te hoog is moeten (aanvullende) reinigingsmaatregelen genomen worden (zie #4). 2. Slibfiltratie: uit de pilot-installatie wordt circa 30 liter actiefslib afgetapt en in het slibvat van de filtratie-installatie gegoten. In dit vat wordt het slib belucht en met een roerder in suspensie gehouden. De cross-flow snelheid door de membraanbuis wordt bij alle experimenten afgesteld op 1,0 m/s. De filtratietijd bedraagt een half uur of totdat de kritische bovengrens van de TMP (circa 0,8 bar) bereikt wordt. 3. Monstername: gedurende het experiment worden de monsters voor de CZV- en EPS bepaling geprepareerd. Het EPS-gehalte in het effluent en het vrije water worden bij elk experiment bepaald. Voor het CZV-gehalte wordt verondersteld dat het over de dag slechts weinig fluctueert. Daarom worden voor het CZV-gehalte hooguit drie monsters per dag geprepareerd, bij voorkeur zo verspreid mogelijk over de dag

45 4. Onderzoeksopzet 4. Reiniging membraan: aan het eind van elk experiment wordt het membraan gereinigd. Hiervoor kunnen drie methoden gebruikt worden: a. Forward flush met een cross-flow snelheid van circa 4 m/s bij een flux van 40 l/m²*h, totdat de weerstand niet meer verandert in de tijd; b. Back flush, gedurende 30 seconden; c. Chemische reiniging met NaOCl (500 ppm), gedurende 20 minuten. Na elk van deze reinigingsmethoden wordt de schoonwaterweerstand gemeten (#1). Het membraan is voldoende gereinigd als de schoonwaterweerstand na één van de reinigingsstappen weer circa 0,5 E10 12 m -1 is. Blijft de weerstand te hoog dan wordt een hogere concentratie NaOCl gebruikt (1500 ppm). Mocht dit ook niet werken, dan dient het membraan vervangen te worden. 4.6 Verwerking resultaten Zoals gesteld in hoofdstuk 4.1 worden alle gegevens via het computerprogramma Testpoint verwerkt en opgeslagen in een DAT-file. De gegevens uit de DAT-file worden vervolgens in EXCEL geïmporteerd in een voorgeprogrammeerde sheet. In deze sheet worden de gemonitorde parameters in drie figuren grafisch uitgezet tegen het quotiënt van het gefiltreerde volume permeaat en het membraanoppervlak. Een voorbeeld van een experiment met de drie bijbehorende grafieken is weergegeven in figuur 4.2 tot en met figuur 4.4. Naast de resultaten per experiment wordt ook een EXCEL-file aangemaakt met daarin alle gemeten slibkarakteristieken, zodat alle resultaten eenvoudig naar de gewenste slibkarakteristiek kunnen worden gesorteerd. In de eerste grafiek (figuur 4.2) zijn de weerstandstoename (R add ) en de transmembraandruk (TMP) uitgezet tegen het gefiltreerde volume permeaat. Vooral de gemeten flux, die samen met de TMP en de viscositeit de weerstand bepaalt, is erg gevoelig voor storingen van buitenaf. (bv. windvlagen, stoten tegen de balans). In het voorbeeld is zo n storing terug te zien bij volume V=20 l/m². Om deze storingen uit te vlakken wordt het uiteindelijke verloop van de weerstandstoename bepaald aan de hand van een trendlijn door alle meetpunten. Deze trendlijn blijkt in alle gevallen te verlopen volgens een tweedegraads vergelijking. Radd. [*10 12 m -1 ] 1,3 1,0 0,8 0,5 Radd TMP Polynoom (Radd) y = 5,01E-04x 2 + 1,03E-02x R 2 = 0, ,8 0,6 0,4 TMP 0,3 0,2 0, volume [l/m2] figuur 4.2: Voorbeeld verwerkte resultaten, grafiek 1: R add, TMP versus V

46 4. Onderzoeksopzet In de tweede grafiek (figuur 4.3) zijn het verloop van de totale weerstand (R), de transmembraandruk (TMP) en de flux (J) als functie van het geproduceerde volume permeaat weergegeven. 2,0 R TMP J 100 Resistance, TMP 1,5 1,0 0, Flux 0, volume [l/m2] figuur 4.3: Voorbeeld verwerkte resultaten, grafiek 2: R, TMP, J versus V 0 In de derde en laatste grafiek (figuur 4.4) zijn de karakteristieken ph, zuurstofgehalte (O2), temperatuur en de cross-flow snelheid (ucr) als functie van het geproduceerde volume permeaat weergegeven. 20 ph O2 Temp ucr 5 ph, O2, temp Ucr volume [l/m2] figuur 4.4: Voorbeeld verwerkte resultaten, grafiek 3: ph, O 2, temperatuur, U cr. versus V

47 5. De pilots afzonderlijk 5 De pilots afzonderlijk 5.1 Inleiding Zoals gesteld in hoofdstuk 3.4 (Probleemstelling) zijn ten tijde van het onderzoek op vier RWZI s in Nederland MBR-pilots operationeel, te weten in Maasbommel, Hilversum, Beverwijk en Varsseveld. Op al deze locaties zijn metingen verricht. In dit hoofdstuk worden de afzonderlijke meetresultaten per pilot gepresenteerd en bediscussieerd. Voor een overzicht van alle meetresultaten en filtratiecurven wordt verwezen naar bijlage IV en V. Allereerst volgt een beschrijving van alle pilot-installaties, in hoofdstuk 5.2. Vervolgens worden de meetperiodes in chronologische volgorde behandeld, in hoofdstuk 5.3 tot en met 5.7: 5.3 Maasbommel (wisseltank) 24 februari tot en met 4 maart 5.4 Hilversum 12 maart tot en met 1 april 5.5 Beverwijk 13 tot en met 23 april 5.6 Varsseveld 13 mei tot en met 1 juni 5.7 Maasbommel (membraantank) 6 tot en met 14 juli Verschillen wat betreft de filtreerbaarheid, EPS-gehalten en overige slibkarakteristieken binnen de meetperiode van elke pilot worden nader geanalyseerd. Aangaande de overige slibkarakteristieken moet overigens gemeld worden dat vrijwel alle zuurstofmetingen helaas mislukt zijn. Deeltjes uit het actiefslib bleken zich aan de elektrode van de zuurstofmeter te hechten, waardoor de metingen geen realistische zuurstofgehalten opleveren (zie ook hoofdstuk 4.6, figuur 4.4). Grondige chemische reiniging van de elektrode bood slechts zeer kortstondig verbetering, de afzetting op de elektrode trad heel snel na de reiniging opnieuw op. Met de perslucht van de filtratie-installatie wordt een overmaat aan zuurstof in het slib/water mengsel gebracht; daarom wordt er vanuit gegaan dat bij alle experimenten het zuurstofgehalte hoger dan 2 mg/l is. Zoals te zien zijn er twee meetsessies in Maasbommel geweest. Reden hiervoor is dat ten tijde van de eerste meetperiode verkeerd slib is afgetapt. Pas enkele maanden na de eerste meetsessie in februari/maart werd namelijk duidelijk dat het slib uit de recirculatieleiding van de wisselnaar de anoxische tank afgetapt was, in plaats van zoals verondersteld uit de leiding van de membraan- naar de wisseltank. Daarom is een aanvullende meetsessie in Maasbommel ingelast. Een geluk bij een ongeluk wat betreft de experimenten met het verkeerde slib uit de wisseltank is dat een interessante vergelijking met het goede slib uit de membraantank mogelijk wordt. Deze vergelijking komt uitgebreid aan de orde in hoofdstuk 6.1 (Maasbommel wissel- en membraantank). Het hoofdstuk wordt afgesloten met een korte samenvatting van de resultaten per pilot, in hoofdstuk

48 5. De pilots afzonderlijk 5.2 Beschrijving pilots Maasbommel Het waterschap Rivierenland wil in de komende jaren de kwaliteit van haar oppervlaktewater aanzienlijk verbeteren. Om deze reden is in het voorjaar van 2002 een MBR-pilot project gestart op de RWZI van Maasbommel. Het uiteindelijke doel van het onderzoek is het bereiken van effluent met MTR-kwaliteit, dat wil zeggen maximale gehalten van 0,15 mg/l P-totaal en 2,2 mg/l N-totaal. Het onderzoek wordt uitgevoerd in samenwerking met adviesbureau Royal Haskoning en de Stichting Toegepast Waterbeheer (Stowa). figuur 5.1: MBR Maasbommel met Zenon membranen In figuur 5.2 zijn de configuratie en de gemiddelde debieten van de (recirculatie)stromen van de pilot weergegeven ten tijde van de experimenten. De voorbehandeling van het influent bestaat uit achtereenvolgens een spiraalzeef (6 mm) en een fijnrooster (0,75 mm). Het membraangedeelte wordt gevormd door twee tanks met daarin ondergedompelde Zenon ultrafiltratie membranen van het type Zeeweed (poriegrootte circa 0,04 µm). Anaëroob Anoxisch1 Wissel Anoxisch2 Aëroob Membraan1 Membraan2 7,7 m 3 9,3 m 3 9,3 m 3 9,3 m 3 4,7 m 3 6 m 3 6 m m 3 /dag m 3 /dag 15 m 3 /h 20 m 3 /h 6,5 m 3 /h 15 m 3 /h 35 m 3 /h Spuislib 1,5 m 3 /dag figuur 5.2: MBR Maasbommel, configuratie en (recirculatie)stromen

49 5. De pilots afzonderlijk Hilversum De MBR-pilot op RWZI Hilversum-oost is opgestart in november 2002 en zuivert een deelstroom van 200 i.e. proportioneel met wisselende debieten en vuilvrachten. De installatie is ontworpen en gebouwd door de Dienst Waterbeheer Riolering (DWR), in samenwerking met het bedrijf Solis Engineering. Hoofddoel van het project is het behalen van de MTR effluentkwaliteit met maximaal 2,2 mg/l stikstof en 0,15 mg/l fosfaat. Aan de hand van de positieve resultaten van de pilot is besloten tot de bouw van een grootschalige MBR-installatie met een capaciteit van ongeveer 1500 m³/h, die volgens de planning in 2007 in gebruik zal worden genomen. De ruimte die beschikbaar komt zal benut worden voor huizenbouw. figuur 5.3: MBR Hilversum met Kubota plaatmembranen Een schematisch overzicht van de pilot-installatie is weergegeven in figuur 5.4. De voorbehandeling bestaat uit een trommelfilter met spleetwijdte 0,5 mm. Het membraangedeelte van de pilot wordt gevormd door inwendige Kubota microfiltratie plaatmembranen met een poriegrootte van circa 0,5 µm. Aan de eerste anaërobe tank wordt per dag 16,4 liter natriumacetaat oplossing (40%) toegevoegd ten behoeve van de nutriëntenverwijdering. Het spuislibdebiet bedraagt ongeveer 0,15 m³/u. Het slib voor de experimenten is afgetapt uit de recirculatieleiding van de membraan- naar de aërobe tank. Anaëroob Anoxisch1 Aëroob Onbelucht Anoxisch2 Aëroob Membraan 3 m 3 5 m 3 12 m 3 0,5 m 3 9 m 3 0,5 m 3 10 m 3 1,5 m 3 /h 1,5 m 3 /h 2-3 m 3 /h m 3 /h m 3 /h Spuislib 3,6 m 3 /dag figuur 5.4: MBR Hilversum, configuratie en (recirculatie)stromen

50 5. De pilots afzonderlijk Beverwijk In opdracht van het Hoogheemraadschap van Uitwaterende Sluizen in Hollands Noorderkwartier (USHN) startte DHV Water BV in 2000 op RWZI Beverwijk een grootschalige MBR-studie. Sindsdien is onderzoek uitgevoerd met diverse pilots van verschillende membraanleveranciers. Het MBR-onderzoek in Beverwijk loopt op zijn einde, sinds november 2003 is nog één pilot operationeel, van de Nederlandse firma Landustrie. figuur 5.5: MBR Beverwijk met Huber plaatmembranen De voorbehandeling van het influent bestaat uit een rooster, beluchte vet- en zandvang en roostergoedpers en wasser, alle drie geïntegreerd in één installatie. De MBR geconfigureerd met respectievelijk een denitrificatie-, nitrificatie- en membraantank. De volumes van de tanks en de (recirculatie)stromen zijn weergegeven in figuur 5.6. De inwendige Huber ultrafiltratie plaatmembranen (poriegrootte circa 0,04 µm) zijn op een draaiende as gemonteerd zodat in combinatie met beluchting een alternerende cross-flow richting aangelegd kan worden. Gegevens over het spuislibdebiet en eventuele substraatdosering zijn niet bekend. Het slib voor de experimenten is rechtstreeks uit de membraantank afgetapt. Denitrificatie Nitrificatie Membraan 12 m 3 12 m 3 23 m 3 4,2 m 3 /h 4,2 m 3 /h 28 m 3 /h 68 m 3 /h figuur 5.6: MBR Beverwijk, configuratie en (recirculatie)stromen

51 5. De pilots afzonderlijk Varsseveld In Varsseveld wordt de eerste grootschalige MBR-installatie voor de zuivering van communaal afvalwater in Nederland gebouwd. Naar verwachting zal de installatie eind 2004 operationeel zijn. Hoofdreden voor Waterschap Rijn en IJssel om voor MBR-technologie te kiezen is de vereiste verbetering van de effluentkwaliteit omdat het effluent geloosd wordt op ecologisch kwetsbaar oppervlaktewater. Daarnaast worden onder andere reductie van stank en slibuitwas beoogd. figuur 5.7: Toekomstige grootschalige MBR Varsseveld, artist impression De ontwikkeling van de MBR-installatie gaat gepaard met een uitgebreid onderzoeksprogramma. Doel van dit onderzoek is de kennis te verbreden wat betreft MBRtechnologie in het algemeen en de grootschalige toepassing ervan in het bijzonder. Eén van de onderdelen van het onderzoek is de opstart van een simulatie-unit. De configuratie van deze simulatie-unit is hetzelfde als die van de grootschalige installatie. Exacte gegevens over de maten van de tanks en de bedrijfsvoering zijn helaas niet bekend. Begin juli 2004 is de enting van het slib van de simulatie-unit in gang gezet. In deze fase is het slib niet gefiltreerd. Om toch een beeld te krijgen van de filtreerbaarheid van het slib is een aantal experimenten uitgevoerd. De filtratie-installatie is naar de nabij gelegen RWZI van Etten verhuisd, aangezien er op RWZI Varsseveld wegens de bouwwerkzaamheden geen plek was

52 5. De pilots afzonderlijk 5.3 Maasbommel wisseltank De eerste metingen zijn verricht op RWZI Maasbommel, van 24 februari tot en met 4 maart. Deze periode werd gekenmerkt door vorst en hevige sneeuwval. Dit had enkele storingen van de pilot als gevolg. Daarnaast was de ervaring met de filtratie-installatie in deze beginfase van het onderzoek nog beperkt en vergde het oplossen van enkele defecten na het opnieuw opbouwen de nodige tijd Filtreerbaarheid Het slib blijkt erg slecht filtreerbaar te zijn. In figuur 5.8 zijn de weerstandstoename als functie van het gefiltreerde volume permeaat (a) en van de flux weergegeven (b). De resultaten laten zien dat het membraan sneller verstopt naarmate de flux toeneemt, zoals te verwachten valt. De experimenten met een hoge flux moeten vroegtijdig afgebroken worden omdat de transmembraandruk de kritische bovengrens van 0,75 bar bereikt. In eerste instantie is veel gevarieerd met de flux om de kritische flux te bepalen. Deze blijkt erg laag te zijn, tussen 20 en 30 l/m²*h. Bij de fluxen 60 en 80 l/m²*h verstopt het membraan vrijwel even snel. Vanaf een flux hoger dan 60 l/m²*h vervuilt het membraan blijkbaar zo snel dat nog verder verhogen van de flux geen effect meer heeft op de snelheid waarmee de vervuiling optreedt. Deze afvlakking is terug te zien in figuur 5.8b, waarin de weerstandstoename als functie van de flux is weergegeven na filtratie van respectievelijk 5, 10 en 15 l/m² permeaat. Radd. (*10 12 m -1 ) Radd. (*10 12 m -1 ) Volume (l/m 2 ) Flux (l/m 2 *h) figuur 5.8: Maasbommel wisseltank, R add. J=x versus V (a), en R add. V=x versus J (b)

53 5. De pilots afzonderlijk EPS-gehalte in het vrije water Alle EPS-meetresultaten zijn weergegeven in figuur 5.9. Het EPS-gehalte in het vrije water is gedurende de meetperiode redelijk constant, met gemiddelde gehalten proteïnen en polysacchariden van respectievelijk 24,4 mg/l en 19,6 mg/l. Een trend in het EPS-gehalte over de dag of de gehele meetperiode is niet aanwezig (mg/l) feb 25-feb 25-feb 25-feb 26-feb 26-feb 26-feb 27-feb 27-feb 27-feb Proteïnen 1-mrt 1-mrt 1-mrt 1-mrt 1-mrt Polysacchariden 3-mrt 3-mrt 3-mrt 3-mrt 3-mrt 4-mrt 4-mrt 4-mrt 4-mrt figuur 5.9: Maasbommel wisseltank, EPS-gehalte in het vrije water Retentie versus flux Het gemiddelde EPS-gehalte in de waterfase en de retentie bij drie verschillende fluxen is weergegeven in figuur De meetresultaten laten zien dat proteïnen en polysacchariden zich verschillend gedragen. De gemiddelde retentie van polysacchariden is hoger dan van proteïnen, terwijl het gehalte in het vrije water juist lager is. Dit betekent dus dat de polysaccharide-deeltjes relatief groot zijn. Opvallend is de toename van de retentie van vooral proteïnen naarmate de flux stijgt. Verwacht zou worden dat bij een hogere flux juist meer deeltjes door het membraan gevoerd worden en de retentie dus daalt. Een mogelijke verklaring is dat naarmate de flux hoger wordt er zich nog sneller een slecht doorlatende koeklaag op het membraanoppervlak vormt waarin ook deeltjes nog kleiner dan de poriegrootte van het membraan achterblijven. Proteïnen Polysacchariden (mg/l) ,9 10,3 25,2 25,2 15,2 12,5 (mg/l) ,4 20,4 18,7 14,2 15,5 15,4 0 J=40 J=60 J=80 0 J=40 J=60 J=80 Retentie Vrije water Retentie Vrije water figuur 5.10: Maasbommel wisseltank, EPS-gehalte en -retentie bij verschillende fluxen

54 5. De pilots afzonderlijk Overige slibkarakteristieken Net als het EPS-gehalte zijn ook de overige slibkarakteristieken gedurende de meetperiode vrij constant geweest. Omdat de meetperiode gekenmerkt wordt door vorst is de temperatuur van het slib erg laag, gemiddeld ongeveer 9 C. Wellicht is dit mede een oorzaak van de slechte filtreerbaarheid. De lage temperatuur beïnvloedt de viscositeit van het slib/water mengsel en de activiteit van de biomassa. Door de minimale temperatuursverschillen tijdens de meetperiode is de invloed van de temperatuur op de filtreerbaarheid niet na te gaan. Een nadere beschouwing komt aan de orde in hoofdstuk 6.1.3, als de wissel- en de membraantank met elkaar vergeleken worden. Het CZV-gehalte in het vrije water varieert enigszins, tussen de 85 en 130 mg/l. In tegenstelling tot de bevindingen van Rosenberger c.s. [32] is er geen verband te vinden tussen het CZV- en het EPS-gehalte in het vrije water, zie figuur EPS-gehalte (mg/l) CZV-gehalte (mg/l) Proteïnen Polysacchariden figuur 5.11: Maasbommel wisseltank, EPS- versus CZV-gehalte In de nacht van 25 op 26 februari is de pilot-installatie als gevolg van de vorst uitgevallen. Hierdoor was al het slib in de tanks bezonken. Het afgetapte slib voor de experimenten van 26 februari had hierdoor een drogestofgehalte van slechts ongeveer 3 gr/l, terwijl dit bij de overige metingen circa 9 gr/l was. Het blijkt echter dat dit lage drogestofgehalte totaal geen invloed heeft op de filtreerbaarheid van het slib. Dit lijkt te bevestigen dat de membraanvervuiling wordt veroorzaakt door de bestanddelen in het vrije water (die niet bezonken zijn) en niet door de slibvlokken. Ook het EPS-gehalte in het vrije water bij de experimenten met het lage drogestofgehalte wijkt niet af van het gemiddelde

55 5. De pilots afzonderlijk EPS versus filtreerbaarheid De filtreerbaarheid en de EPS-gehalten zijn gedurende de gehele meetperiode vrij constant geweest, wat het met elkaar in verband brengen van deze twee parameters bemoeilijkt. Slechts bij één experiment is de filtreerbaarheid duidelijk minder slecht dan gemiddeld, op 27 februari, zie figuur De overige acht experimenten, ook op 27 februari (1x) en verder op 1 maart (1x), 3 maart (3x) en 4 maart (4x) laten een vrijwel identieke filtratiecurve zien. R add. (*10 12 m -1 ) Gemiddeld overig 27 feb Volume (l/m 2 ) figuur 5.12: Maasbommel wisseltank, R add. versus V bij J=40 l/m²*h Opvallend is dat ook de EPS-analyse van 27 februari aanzienlijk afwijkt van het gemiddelde. Vooral het gehalte polysacchariden is veel lager, ongeveer de helft van het gemiddelde, zie tabel 5.1 (zie ook figuur 5.9, 27 februari, 1 e meting). Van dit lage gehalte polysacchariden wordt nog relatief veel in het permeaat teruggevonden, wat betekent dat de retentie aanzienlijk lager is dan gemiddeld. Deze waarneming lijkt aan te tonen dat de membraanvervuiling die optreedt het gevolg is van de retentie van polysacchariden. tabel 5.1: Maasbommel wisseltank, EPS-gehalten bij afwijkende filtreerbaarheid 27 februari Gemiddeld overig Proteïnen o Vrije water [mg/l] 21,9 24,7 o Permeaat [mg/l] 10,7 14,9 o Retentie [mg/l] 11,2 10,5 Polysacchariden o Vrije water [mg/l] 10,3 20,5 o Permeaat [mg/l] 3,6 5,0 o Retentie [mg/l] 6,7 15,4-43 -

56 5. De pilots afzonderlijk Conclusies Maasbommel wisseltank Het slib uit de wisseltank van MBR Maasbommel is slecht filtreerbaar. De variatie wat betreft de filtreerbaarheid en de EPS-gehalten zijn minimaal, waardoor deze twee factoren moeilijk met elkaar in verband te brengen zijn. Slechts éénmaal blijkt het slib duidelijk minder slecht filtreerbaar dan gemiddeld (zie figuur 5.12). Bij deze meting blijkt ook het gehalte en de retentie van de polysacchariden veel lager dan gemiddeld. Dit lijkt dus aan te tonen dat de membraanvervuiling vooral veroorzaakt wordt door de retentie van polysacchariden. Deze conclusie is echter gebaseerd op slechts één afwijking in de meetresultaten. Verwacht werd dat het drogestofgehalte en het CZV-gehalte de filtreerbaarheid beïnvloeden. In deze beide slibkarakteristieken zijn gedurende de meetperiode behoorlijke afwijkingen gemeten, er blijkt echter geen verband met de filtreerbaarheid

57 5. De pilots afzonderlijk 5.4 Hilversum Vanuit Maasbommel is de filtratie-installatie verplaatst naar RWZI Hilversum. Hier is gemeten in de periode van 12 maart tot en met 1 april. Na de ervaringen met het slecht filtreerbare slib uit Maasbommel werd allereerst met een lage flux geëxperimenteerd. Al snel bleek dat de situatie niet te vergelijken is met die van Maasbommel; het Hilversum-slib blijkt namelijk uiterst goed filtreerbaar Filtreerbaarheid In figuur 5.13a is per toegepaste flux de gemiddelde weerstandstoename als functie van het gefiltreerde volume permeaat weergegeven. Bij alle experimenten met een flux van 40 en 80 l/m²*h treedt totaal geen weerstandstoename op. Pas bij een flux van 120 l/m²*h treedt enige membraanvervuiling op, maar deze blijft minimaal. Kanttekening bij de resultaten in figuur 5.13 is dat er slechts één experiment met flux 190 l/m²*h is uitgevoerd. Bovendien wordt de gemiddelde weerstandstoename bij 160 l/m²*h (7 experimenten) gevormd door twee verschillende soorten filtratiecurven. Een nadere beschouwing hiervan volgt in paragraaf In figuur 5.13b is de weerstandstoename als functie van de flux weergegeven na filtratie van respectievelijk 10, 20 en 40 l/m² permeaat. Door het afvlakkende verloop van de lijnen naarmate de flux daalt is het niet mogelijk om de kritische flux nauwkeurig te bepalen. R add. (*10 12 m -1 ) 0, , ,3 0,2 0, ,0 40 & R add. (*10 12 m -1 ) 0,5 0,4 40 0,3 20 0,2 0,1 10 0, Volume (l/m2) Flux (l/m2*h) figuur 5.13: Hilversum, R add. J=x versus V (a), en R add. V=x versus J (b) Een verklaring voor de extreem goede filtreerbaarheid van het slib is wellicht dat de MBR-pilot is uitgerust met microfiltratie membranen (poriegrootte circa 0,5 µm), terwijl de filtratieinstallatie een ultrafiltratie membraan (poriegrootte circa 0,03 µm) heeft. Dit betekent dat deeltjes kleiner dan 0,5 µm met het effluent van de pilot de MBR kunnen verlaten en dus niet meer voor vervuiling van het membraan in de filtratie-installatie kunnen zorgen. Deeltjes van 0,5 µm en groter zijn meer dan een factor 15 groter dan de poriegrootte van het membraan in de filtratie-installatie. Deze relatief grote deeltjes zullen volgens de wet van Carmen-Kozeny het membraan minder snel vervuilen dan kleinere deeltjes die dus relatief in veel geringere mate in het slib aanwezig zouden kunnen zijn. Een nadere beschouwing van de eventuele invloed van de poriegrootte van de pilotmembranen komt aan de orde in hoofdstuk

58 5. De pilots afzonderlijk EPS-gehalte in het vrije water Alle EPS-meetresultaten voor het Hilversum-slib zijn weergegeven in figuur Het proteïnegehalte is vrij constant met een gemiddelde van 18,5 mg/l. Het polysaccharide-gehalte is over het algemeen veel lager, ongeveer 7,0 mg/l. Uitzonderingen hierop worden gevormd door twee metingen op 17 maart met een gehalte van ongeveer 20 mg/l en in mindere mate op 1 april, met twee maal gehalten van ongeveer 14 mg/l mrt 11-mrt 11-mrt 12-mrt 12-mrt 15-mrt 15-mrt 15-mrt 16-mrt 16-mrt 16-mrt 17-mrt 17-mrt 17-mrt 22-mrt 22-mrt 22-mrt 1-apr 1-apr 1-apr (mg/l) Proteïnen Polysacchariden figuur 5.14: Hilversum, EPS-gehalte in het vrije water De uitschieters in de polysaccharide-gehalten werden in eerste instantie toegeschreven aan fouten bij de metingen of bij het filtreren van het slib over het filterpapiertje. De sterke daling gevolgd door de sterke stijging op 17 maart lijkt onrealistisch, zeker gezien het korte tijdsbestek waarin dit gebeurt (± 3 uur). Om nader inzicht te krijgen, is het gehalte polysacchariden in het vrije water vergeleken met de gemeten doorslag. Het blijkt dat bij de metingen met een hoog gehalte in het vrije water ook het gehalte polysacchariden dat doorslaat in het permeaat in de meeste gevallen hoger is dan gemiddeld, zie tabel 5.2. Dit lijkt te bevestigen dat het gehalte in het vrije water inderdaad hoger is en dat er dus geen sprake is van meetfouten. De verhoging van het gehalte polysacchariden in het permeaat is echter niet geheel consequent: zo wordt bij het experiment van 17 maart 12:56 uur een gemiddelde doorslag gemeten bij een zeer hoge concentratie polysacchariden in het vrije water. Overigens blijken de afwijkingen in het polysaccharide-gehalte geen invloed te hebben op de filtreerbaarheid van het slib. tabel 5.2: Hilversum, uitschieters polysaccharide-gehalten Tijd Vrije water [mg/l] Permeaat [mg/l] Gemiddeld 7,0 3,1 17 maart 10:02 uur 21,9 7,3 17 maart 10:54 uur 5,5 3,5 17 maart 12:56 uur 19,0 3,6 1 april 10:50 uur 7,4 6,0 1 april 11:37 uur 12,9 6,1 1 april 12:55 uur 14,5 6,0-46 -

59 5. De pilots afzonderlijk Retentie versus flux De retentie van EPS bij verschillende fluxen is weergegeven in figuur In deze figuur zijn de sterk afwijkende polysaccharide-metingen (zie figuur 5.14) overigens buiten beschouwing gelaten. De retentie van proteïnen is laag. Van de 18,8 mg/l proteïnen in het vrije water blijft tijdens filtratie gemiddeld slechts 6,2 mg/l achter in de voedingsstroom (33%). Dit wijst op relatief kleine proteïne-deeltjes. De retentie van polysacchariden is absoluut gezien nog lager, gemiddeld 4,6 mg/l. Door het lagere gehalte in het vrije water is de retentie procentueel gezien wel fiks hoger (60%). Er is geen duidelijk verband tussen de flux en de EPS-retentie waarneembaar. Proteïnen Polysacchariden (mg/l) ,3 18,2 18,9 18,7 6,5 6,9 5,7 5,1 J=40 J=80 J=120 J=160 (mg/l) 7,3 7,6 6,7 8,0 4,3 4,4 4,8 4,8 J=40 J=80 J=120 J=160 Retentie Vrije water Retentie Vrije water figuur 5.15: Hilversum, EPS retentie bij verschillende fluxen Overige slibkarakteristieken De overige slibkarakteristieken laten weinig bijzonderheden zien. Het drogestofgehalte in de beschouwde periode is vrij constant, tussen 11,5 en 12,1 gr/l. Ook de ph (7,8 ±0,2) en de temperatuur (15,5 C ±4,0) zijn vrij constant. Het CZV-gehalte van het slib schommelt tussen de 63 en 94 mg/l, met één maal een uitschieter naar 120 mg/l. In figuur 5.16 is voor het vrije water het EPS-gehalte als functie van het CZV-gehalte weergegeven. Er is een licht stijgende trend waarneembaar, maar de verschillen zijn niet groot. De polysaccharide uitschieters (zie ook figuur 5.14) hebben geen verband met het CZV-gehalte. 25 EPS-gehalte (mg/l) CZV-gehalte (mg/l) Proteïnen Polysacchariden figuur 5.16: Hilversum, EPS - versus CZV-gehalte

60 5. De pilots afzonderlijk Flux 160 l/m²*h In hoofdstuk (Filtreerbaarheid) is melding gemaakt van twee verschillende soorten filtratiekarakteristieken bij flux 160 l/m²*h. In figuur 5.17 zijn deze weergegeven. Hoewel in alle gevallen het slib zeer goed filtreerbaar is, zijn er toch duidelijke verschillen waarneembaar. De enige keer dat er twee experimenten met flux 160 l/m²*h op één dag zijn uitgevoerd is 1 april. Opmerkelijk is dat binnen een tijdsbestek van nog geen anderhalf uur de filtreerbaarheid aanzienlijk varieert. De verschillen in de weerstandstoenames zijn niet terug te voeren naar de onderzochte slibkarakteristieken. Het EPS-, CZV- en drogestofgehalte, de ph en de temperatuur verschillen bij alle experimenten niet noemenswaardig. R add. (*10 12 m -1 ) 0,8 15 mrt 14:13 22 mrt 12:56 1 apr 11:37 0,6 12 mrt 14:15 0,4 16 mrt 13:09 17 mrt 12:56 0,2 1 apr 12:55 0, Volume (l/m²) figuur 5.17: Hilversum, R add. versus V bij J=160 l/m²*h Het enige opvallende is het tijdstip van aftappen van het slib. De vier keer dat het de filtreerbaarheid relatief goed is, is het slib steeds afgetapt rond hetzelfde tijdstip; 13:00 uur. Bij relatief slechte filtreerbaarheid is het slib ongeveer een uur en een kwartier voor of na 13:00 uur afgetapt. Wellicht wordt de filtreerbaarheid van het slib beïnvloed door bedrijfsvoeringsaspecten die op een zeer korte termijn (< 1,5 uur) invloed uitoefenen op de filtreerbaarheid, bijvoorbeeld periodieke relaxatie van de membranen. Helaas is hier geen nadere informatie over beschikbaar. Een andere mogelijke verklaring is dat de metingen erg gevoelig zijn voor kleine verstoringen, omdat de toegepaste flux zo hoog is. Met andere woorden, een kleine toevallige verstoring aan het begin van het experiment beïnvloedt het gehele verdere verloop van de membraanvervuiling. Er zijn echter geen aanwijzingen voor verstoringen teruggevonden in de meetresultaten

61 5. De pilots afzonderlijk Conclusies Hilversum Het slib uit de MBR van Hilversum is uitermate goed filtreerbaar. Er is geen verband tussen de filtreerbaarheid en de EPS-gehalten. Slib met afwijkende EPS-gehalten (figuur 5.14, 17 maart) vertoont geen verschil wat betreft de filtreerbaarheid. Andersom vertoont bij verschillende filtreerbaarheid (figuur 5.17) het EPS-gehalte weinig variatie. Ook de overige onderzochte slibkarakteristieken vertonen geen samenhang met de filtreerbaarheid. Een mogelijke oorzaak van de goede filtreerbaarheid is het relatief grote verschil tussen de membraanporiën van de pilot (0,5 µm) en die van de filtratie-installatie (0,03 µm). Mogelijk hebben veel deeltjes met een grootte tussen 0,03 en 0,5 µm de pilot verlaten met het effluent zodat ze niet meer voor vervuiling in de filtratie-installatie kunnen zorgen. Een uitgebreide beschouwing naar de invloed van de poriegrootte van de membranen komt aan de orde in hoofdstuk

62 5. De pilots afzonderlijk 5.5 Beverwijk De experimenten in Beverwijk hebben plaatsgevonden in de periode van 13 tot en met 23 april. Van 15 tot en met 18 april is de pilot niet gevoed met influent, maar heeft alleen interne recirculatie plaatsgevonden. Deze recirculatie blijkt een grote invloed te hebben op de meetresultaten, met name op de filtreerbaarheid van het slib. Als gevolg van de recirculatie blijkt de filtreerbaarheid namelijk spectaculair te verbeteren. Ook na 18 april blijft de recirculatieperiode van invloed op de filtreerbaarheid. Omdat de resultaten van voor en na de recirculatie zo verschillen worden ze in eerste instantie apart van elkaar behandeld Filtreerbaarheid vóór recirculatieperiode (13 en 14 april) Omdat vóór de recirculatieperiode slechts twee dagen experimenten zijn uitgevoerd, is de hoeveelheid gegevens beperkt. De resultaten zijn weergegeven in figuur Met flux 100 en 120 l/m²*h is slechts één experiment uitgevoerd, dus het is onzeker of de resultaten representatief zijn voor de gemiddelde filtreerbaarheid. Een aanwijzing dat de metingen wel betrouwbaar zijn is dat bij de vier experimenten met flux 80 l/m²*h het verloop van de weerstandstoename weinig variatie vertoont. Bij de twee experimenten met 40 l/m²*h wordt er geen weerstandstoename gemeten. In figuur 5.18b is de weerstandstoename als functie van de flux weergegeven na filtratie van respectievelijk 5, 10 en 15 l/m². Extrapolatie van de lijnen toont aan dat de kritische flux ongeveer 60 l/m²*h bedraagt. 2, ,0 R add. (*10 12 m -1 ) 1,5 1,0 0,5 80 R add. (*10 12 m -1 ) 1,5 1,0 0, ,0 0, Volume (l/m²) Flux (l/m²*h) figuur 5.18: Beverwijk, R add. J=x versus V (a), en R add. V=x versus J (b) vóór recirculatieperiode

63 5. De pilots afzonderlijk Filtreerbaarheid na recirculatieperiode (19 tot en met 23 april) De filtreerbaarheid van het actiefslib verbetert enorm door de recirculatie. Dit wordt beschouwd aan de hand van de experimenten met flux 80 l/m²*h. Op dinsdag 13 en woensdag 14 april is de weerstandstoename na filtratie van 20 l/m² permeaat gemiddeld nog 0,42 E10 12 m -1 (zie ook figuur 5.18). Na het weekend, op maandag 19 april wordt er vrijwel geen weerstandstoename meer gemeten. Vanaf deze dag wordt de pilot weer gevoed met influent en neemt de weerstandstoename in de loop van de week langzaam toe, zie figuur R add. (*10 12 m -1 ) 0,20 0,15 0,10 0,05 23 apr 22 apr 21 apr 20 apr 19 apr 0, Volume (l/m 2 ) figuur 5.19: Beverwijk, R add. J=80 versus V na recirculatieperiode Weerstandstoename vóór en na de recirculatie In figuur 5.20 is voor de gehele meetperiode per dag de gemiddelde weerstandstoename na filtratie van 20 l/m² permeaat weergegeven. De twee verticale onderbroken lijnen markeren het begin en einde van de recirculatieperiode. 0,5 R add. V=20 (*10 12 m -1 ) 0,4 0,3 0,2 0,1 Recirculatie periode 0, figuur 5.20: Beverwijk, R add. V=20 bij J=80 l/m²*h voor de gehele meetperiode Opvallend is de sterke daling van de weerstandstoename bij de metingen van 15 april ten opzichte van de dag ervoor. Deze daalt namelijk, na filtratie van 20 l/m² permeaat, van 0,42 E10 12 m -1 naar 0,11 E10 12 m -1. Overigens is de sterke terugloop van de weerstandstoename niet terug te vinden in de resultaten over de dag. Bij alle drie de experimenten van 15 april is het verloop van de weerstandstoename namelijk ongeveer gelijk. Waarschijnlijk is de dalende trend

64 5. De pilots afzonderlijk in de weerstandstoename niet terug te vinden omdat alle experimenten binnen een tijdsbestek van slechts vier uur zijn uitgevoerd (circa 10:00, 12:00 en 14:00 uur). Van 16 tot en met 18 april zijn geen metingen verricht, maar de sterke daling van de weerstandstoename op 15 april doet vermoeden dat de uiterst goede filtreerbaarheid die op 19 april gemeten wordt al veel eerder bereikt is. Deze schatting is in de figuur weergegeven met de rode gestippelde lijn. Nadat er vanaf 19 april weer influent wordt aangevoerd, neemt de filtreerbaarheid van het slib in de loop van de week geleidelijk af. Dit vindt echter slechts zeer geleidelijk plaats. Zo is op 23 april, vier dagen nadat de MBR weer met influent gevoed wordt, de weerstandstoename ongeveer gelijk aan die van 15 april, één dag na de start van de recirculatie. Dit betekent dus dat de verbetering in de filtreerbaarheid die ontstaat door de interne recirculatie veel langer doorwerkt dan de tijd die er voor nodig is om deze verbetering te bereiken EPS-gehalte in het vrije water De recirculatie blijkt ook invloed te hebben op de gemeten EPS-gehalten in het vrije water. In figuur 5.21 zijn alle meetresultaten weergegeven. Tot en met het einde van de recirculatie (13 t/m 19 april) is het gemiddelde EPS-gehalte per dag vrij constant met gemiddelde proteïne- en polysaccharide-gehalten van respectievelijk 17,5 en 7,1 mg/l. Vanaf 19 april, het moment dat de installatie weer gevoed wordt met influent, neemt het EPS-gehalte geleidelijk af. Het proteïnegehalte daalt van 17,2 naar 10,8 mg/l en het polysaccharide-gehalte van 6,3 naar 3,1 mg/l (mg/l) apr 13-apr 13-apr 14-apr 14-apr 14-apr 14-apr 15-apr 15-apr 15-apr 15-apr 15-apr 19-apr 19-apr 19-apr 19-apr 19-apr 20-apr 20-apr 20-apr 20-apr 20-apr 21-apr 21-apr 21-apr 21-apr 21-apr 22-apr 22-apr 22-apr 22-apr 22-apr 23-apr 23-apr Proteïnen Polysacchariden figuur 5.21: Beverwijk, EPS-gehalte in het vrije water

65 5. De pilots afzonderlijk Retentie versus flux De retentie bij de verschillende toegepaste fluxen is weergegeven in figuur Naarmate de flux hoger wordt neemt de retentie af. Bij een hogere flux worden dus meer EPS-deeltjes door het membraan gevoerd. Overigens is ook een dalende trend van het EPS-gehalte in het vrije water waarneembaar. De reden hiervoor is dat er aan het begin van de meetperiode, bij een relatief hoog EPS-gehalte meer experimenten met een flux van 40 l/m²*h uitgevoerd zijn. Aan het eind van de meetperiode, toen het EPS-gehalte lager was, zijn meer experimenten met 120 l/m²*h uitgevoerd. Proteïnen Polysacchariden (mg/l) ,4 15,0 14,3 7,6 4,8 2,8 J=40 J=80 J=120 (mg/l) ,5 5,3 4,6 3,1 2,6 2,0 J=40 J=80 J=120 Retentie Vrije water Retentie Vrije water figuur 5.22: Beverwijk, EPS-retentie bij verschillende fluxen

66 5. De pilots afzonderlijk Invloed recirculatie op retentie In tegenstelling tot het gehalte in het vrije water, wordt de gemeten doorslag van EPS in het permeaat niet beïnvloed door de recirculatieperiode. Dit betekent dat de retentie wel verandert. In figuur 5.23 zijn het gemiddelde EPS-gehalte in het vrije water en de bijbehorende retentie per dag voor de experimenten met flux 80 l/m²*h weergegeven, met wederom de recirculatie periode tussen de verticale gestippelde lijnen. Gehalte en retentie van vooral proteïnen lijken in eerste instantie niet beïnvloed te worden door de recirculatie. Direct nadat de recirculatie is beëindigd blijkt het gehalte namelijk ongeveer gelijk aan het gehalte ervoor. Opvallend is dat, nadat de MBR weer gevoed wordt met influent, het EPS-gehalte gedurende de rest van de week een dalende trend vertoont. De retentie vertoont een gelijksoortige dalende trend. De dalende retentie nadat de recirculatieperiode is beëindigd toont aan dat de afname van het totale proteïne-gehalte na de recirculatie wordt gevormd door vermindering van relatief grote deeltjes. 20 Proteïnen 10 Polysacchariden 16 8 (mg/l) 12 8 (mg/l) Vrije water Retentie Vrije water Retentie figuur 5.23: Beverwijk, gemiddelde EPS-gehalten in het vrije water en retentie per dag De daling van de gehalten polysacchariden na 19 april is vergelijkbaar met die van proteïnen. Op de meetdag tijdens de recirculatie zijn echter wel enkele verschillen waarneembaar. Na één dag recirculeren wordt een fikse daling in het gehalte en de retentie gemeten. Aan het eind van de recirculatie zijn de meetwaarden weer iets hoger, maar nog steeds enigszins lager dan ervoor. De invloed van de recirculatie op het gedrag van het EPS is verrassend. Volgens de theorie van Zhang en Bishop [46] zou als gevolg van de recirculatie juist een daling van het EPS-gehalte verwacht worden. De biomassa wordt namelijk uitgehongerd door het wegvallen van de toevoer van voedingsstoffen. Onder deze omstandigheden zou volgens Zhang en Bishop EPS door zijn eigen producenten weer afgebroken worden. De daling van het EPS-gehalte die vervolgens na beëindiging van de recirculatie optreedt is om dezelfde reden tegen de verwachting in. Vanaf dit moment lijkt het immers logisch dat de biomassa door de aanvoer van voedingsstoffen weer meer EPS gaat produceren

67 5. De pilots afzonderlijk EPS versus filtreerbaarheid Het slib blijkt na de recirculatieperiode beter filtreerbaar terwijl het EPS-gehalte juist een dalende trend vertoont. Deze tegenstelling is weergegeven in figuur 5.24: hierin zijn het gemiddelde verloop van het EPS-gehalte en de weerstandstoename na filtratie van 20 l/m² permeaat weergegeven als functie van de tijd. EPS-gehalte (mg/l) ,20 0,15 0,10 0,05 R add. V=20 (*10 12 m -1 ) 0 0, Polysacchariden Proteïnen Radd. figuur 5.24: Beverwijk, EPS-gehalten en R add. V=20 na de recirculatieperiode De meetresultaten wat betreft de relatie tussen filtreerbaarheid en EPS-gehalten gaan lijnrecht in tegen alle theorieën. EPS-gehalten en filtreerbaarheid lijken bij de experimenten in Beverwijk geen verband met elkaar te hebben. Dit blijkt als simpelweg de resultaten van voor en direct na de recirculatie met elkaar vergeleken worden. Vóór (14 april) en direct na de recirculatie (19 april) zijn de EPS-gehalten namelijk ongeveer gelijk (zie ook figuur 5.23), terwijl de filtreerbaarheid op deze twee momenten totaal verschillend is. In dit geval zullen de verschillen in filtreerbaarheid verklaard moeten worden aan de hand van andere slibkarakteristieken dan het EPS-gehalte. Een andere mogelijkheid zou kunnen zijn dat de verschijningsvorm van de EPS, en niet zo zeer het gehalte verandert. Met andere woorden: de recirculatie beïnvloedt niet zozeer het gehalte maar wel het vervuilingsgedrag van de EPS. Er zou dan sprake zijn van twee verschillende soorten EPS wat betreft vervuilingsgedrag, welke niet onderscheiden kunnen worden met de gebruikte meetmethode. In dit geval verdient dus een ander meetmethode de voorkeur, die wel onderscheid kan maken

68 5. De pilots afzonderlijk Overige slibkarakteristieken De ph is gedurende de meetperiode vrij constant (7,70 ±0,2) en toont geen verband met de recirculatieperiode, filtreerbaarheid of EPS-gehalten van het slib. De invloed van de recirculatieperiode is wel duidelijk terug te vinden in de drogestofgehalten. Vóór de recirculatie bedraagt deze ongeveer 12,8 gr/l. Door de recirculatie wordt de toevoer van voedingsstoffen onderbroken. Als gevolg van endogene vertering daalt het drogestofgehalte naar circa 10,3 gr/l. De invloed van de recirculatie is ook duidelijk terug te vinden in de temperatuur van het actiefslib. Voor de recirculatie, op 13 en 14 april, is deze gemiddeld 18,5 C. Als gevolg van de recirculatie stijgt de temperatuur op 15 april met vier graden naar ongeveer 22,5 C. De oorzaak van de temperatuursstijging is de blower in de installatie die zorgt voor de zuurstofinbreng in het slib. De warmte-energie die deze blower levert wordt opgenomen door het actiefslib. Omdat de warmte-energie het systeem niet kan verlaten met effluent, vindt dus opwarming van het slib plaats. Nadat vanaf 19 april weer influent wordt aangevoerd daalt de temperatuur van het slib in de loop van de week weer geleidelijk naar ongeveer 20 C. Door de recirculatie verblijft het slib/water mengsel langer in aërobe omstandigheden, waardoor een vergaande afbraak van CZV mogelijk is. Na drie dagen recirculatie zou daarom een laag CZV-gehalte in het vrije water verwacht mogen worden en vervolgens een stijgende trend gedurende de week nadat weer influent in de MBR wordt gebracht. Dit blijkt echter totaal niet uit de meetresultaten, zie figuur Voor de recirculatie (13 en 14 april) is het gemiddelde CZV-gehalte in het vrije water ongeveer 98 mg/l. Op 15 april, het begin van de recirculatieperiode, is het CZV-gehalte inderdaad gedaald naar 84 mg/l. Na nog drie dagen recirculeren, zou op 19 april een nog lagere waarde verwacht worden. Dit is echter niet het geval, het CZV-gehalte stijgt juist weer naar 94 mg/l. Nadat vanaf 19 april weer influent wordt toegevoegd blijkt het CZV-gehalte tegen de verwachting in juist weer een dalende trend te vertonen. 120 CZV-gehalte (mg/l) Recirculatie Periode figuur 5.25: Beverwijk, CZV-gehalte in het vrije water per dag

69 5. De pilots afzonderlijk Er lijkt wel een verband te zijn tussen het CZV- en het EPS-gehalte. Naarmate het CZVgehalte hoger is, stijgt ook het EPS-gehalte, zie figuur EPS-gehalte (mg/l) CZV-gehalte (mg/l) Proteïnen Polysacchariden figuur 5.26: Beverwijk, EPS - versus CZV-gehalte Conclusies Beverwijk De meetresultaten tonen duidelijk aan dat de recirculatieperiode een aanzienlijk positief effect heeft gehad op de filtreerbaarheid van het slib. De verbetering van de filtreerbaarheid blijkt echter niet te koppelen aan de EPS-gehalten of de overige gemeten slibkarakteristieken. Het is daarom onduidelijk wat de precieze oorzaak van de verbeterde filtreerbaarheid is. Het is wel mogelijk om een aantal mogelijke gevolgen van de recirculatie op de slibkarakteristieken aan te wijzen. De belangrijkste consequentie van de recirculatie is dat slib- en vooral de hydraulische verblijftijd in de MBR verlengd wordt. De aanvoer van voedingsstoffen naar de biomassa wordt stopgezet. Dit heeft een daling van de slibbelasting tot gevolg, welke van invloed is op de volgende factoren en processen: o CZV-afbraak; o Slibaangroei; o Slibleeftijd en daarmee stabilisatiegraad; o Nitrificatie en denitrificatie; o Zuurstofvraag van het slib Het CZV-gehalte in het vrije water blijkt tegen de verwachting in te dalen als gevolg van de recirculatie (zie figuur 5.25). Ook over de slibaangroei zijn gegevens beschikbaar, aan de hand van de drogestofgehalten. Door de recirculatie wordt de toevoer van voedingsstoffen onderbroken. Als gevolg van endogene vertering daalt het drogestofgehalte gedurende de recirculatieperiode van 12,8 gr/l naar circa 10,3 gr/l. Er zijn geen gegevens wat betreft de verandering in stikstofverwijdering en zuurstofvraag van het slib als gevolg van de recirculatie. Mogelijk is de hoge mineralisatiegraad van het slib na de recirculatie een oorzaak van de goede filtreerbaarheid, maar dit kan niet aangetoond worden aan de hand van de meetresultaten van dit onderzoek

70 5. De pilots afzonderlijk 5.6 Varsseveld De metingen met het slib uit de simulatie-unit voor de toekomstige MBR van Varsseveld zijn uitgevoerd op de RWZI van Etten, omdat op RWZI Varsseveld door de bouwwerkzaamheden geen plaats was voor de filtratie-installatie. Vanwege de moeizame bereikbaarheid van Varsseveld vanuit Delft zijn er slechts vier meetdagen geweest, op 13, 18 en 24 mei en op 1 juli. Omdat ook de afstand tussen Etten en Varsseveld nog behoorlijk is zijn er twee experimenten met hetzelfde slib uitgevoerd. Het actiefslib van de simulatie-unit is onderzocht tijdens de entfase van het slib. Door toevoegen van substraat werd verhoging van het drogestofgehalte nagestreefd. Helaas werd de meetperiode gekenmerkt door storing van de substraatpomp. Hierdoor is het drogestofgehalte erg laag geweest, ongeveer 3 gr/l Filtreerbaarheid De gemiddelde filtreerbaarheid van het Varsseveld-slib is weergegeven in figuur De stijging van de weerstandstoename bij flux 120 l/m²*h ten opzichte van flux 80 l/m²*h is ongeveer net zo groot als die bij flux 80 l/m²*h ten opzichte van flux 40 l/m²*h. Dit betekent dat de punten in figuur 5.27b, waarin de weerstandstoename als functie van de flux is weergegeven, ongeveer op één lijn liggen. Opvallend hierbij is het vlakke verloop van deze lijnen. Wanneer ze lineair geëxtrapoleerd worden snijden ze door dit vlakke verloop zelfs niet de flux-as, maar de weerstandstoename-as. Dit zou betekenen dat bestanddelen in het actiefslib een dusdanig absorberend vermogen hebben dat zij zich zelfs zonder een opgelegde flux al aan het membraanoppervlak hechten. R add. (*10 12 m -1 ) 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0, Volume (l/m 2 ) R add. (*10 12 m -1 ) 0,5 10 0, figuur 5.27: Varsseveld, R add. J=x versus V (a), en R add. V=x versus J (b) 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 Flux (l/m 2 *h)

71 5. De pilots afzonderlijk EPS-gehalte in het vrije water Omdat er maar vier meetdagen zijn geweest en er per dag twee experimenten met hetzelfde slib zijn uitgevoerd is de hoeveelheid EPS-metingen beperkt. Bovendien zijn de metingen van de laatste meetdag (1 juni) mislukt, omdat de monsters te lang bewaard zijn na preparatie. De beperkte hoeveelheid meetresultaten, weergegeven in figuur 5.28, laten een zeer constant EPSgehalte en samenstelling zien. De gemiddelde proteïne- en polysaccharide-gehalten zijn respectievelijk 14,3 en 10,6 mg/l (mg/l) mei 13-mei 13-mei 18-mei 18-mei 24-mei 24-mei 24-mei Proteïnen Polysacchariden figuur 5.28: Varsseveld, EPS-gehalte in het vrije water Retentie versus flux In tegenstelling tot het gehalte in het vrije water is de retentie van de proteïnen behoorlijk variabel. Een nadere beschouwing van deze variatie en de invloed hiervan op de filtreerbaarheid volgt in hoofdstuk (EPS-gehalte versus filtreerbaarheid). In figuur 5.29 is vooralsnog de gemiddelde retentie per flux weergegeven. Naarmate de flux stijgt neemt de retentie enigszins af. Dit toont aan dat door de hogere flux dus meer EPS-deeltjes door het membraan worden gevoerd. Van het gemiddelde proteïne-gehalte van 14,3 mg/l blijft slechts 4,5 mg/l (31%) achter in het voedingswater. Het gehalte polysacchariden in het vrije water is vergeleken met de proteïnen lager, maar de retentie daarentegen hoger. Bij een gemiddeld gehalte van 10,6 mg/l in het vrije water geldt een retentie van 4,8 mg/l (45%). De hogere retentie van de polysacchariden toont aan dat deze deeltjes over het algemeen groter zijn dan de proteïne deeltjes. Proteïnen Polysacchariden (mg/l) ,2 14,3 15,3 5,0 4,3 4,1 J=40 J=80 J=120 (mg/l) ,3 10,8 10,6 5,9 4,6 4,1 J=40 J=80 J=120 Retentie Vrije water Retentie Vrije water figuur 5.29: Varsseveld, EPS-retentie bij verschillende fluxen

72 5. De pilots afzonderlijk Overige slibkarakteristieken Zoals gemeld in de inleiding is het drogestofgehalte gedurende de meetperiode erg laag geweest, ongeveer 3 gr/l. Het CZV-gehalte blijft gedurende de meetperiode zeer constant rond de 50 mg/l. Omdat ook het EPS-gehalte zeer weinig variatie vertoont, is er dus geen duidelijk verband tussen CZV en EPS, zie figuur De temperatuur (20 ºC ±3) en de ph (7,8 ±0,3) zijn eveneens vrij constant, wat het niet mogelijk maakt om de invloed van deze karakteristieken op filtreerbaarheid na te gaan. EPS-gehalte (mg/l) CZV-gehalte (mg/l) Proteïnen Polysacchariden figuur 5.30: Varsseveld, EPS- versus CZV-gehalte in het vrije water EPS-gehalte versus filtreerbaarheid De filtreerbaarheid van het slib is behoorlijk variabel geweest. De EPS-gehalten in het vrije water zijn echter vrij constant en lijken daarom niet te koppelen aan de filtreerbaarheid. Er blijkt daarentegen wel een verband te zijn tussen de filtreerbaarheid en de retentie. In figuur 5.31 is voor alle experimenten met flux 80 l/m²*h de weerstandstoename na filtratie van 20 l/m² permeaat uitgezet tegen de EPS het gehalten in het vrije water en de retentie. Vooral voor proteïnen geldt dat naarmate de retentie hoger is de filtreerbaarheid slechter is. De verklaring voor de invloed van EPS op de filtreerbaarheid lijkt dus te zitten in de deeltjesgrootte van de EPS. Een hogere retentie wijst immers op relatief grotere deeltjes. R add. V=20 (*1012 m -1 ) Proteïnen 1,00 0,75 0,50 0,25 0, Gehalte (mg/l) R add. V=20 (*1012 m -1 ) Polysacchariden 1,00 0,75 0,50 0,25 0, Gehalte (mg/l) Vrije water Retentie Vrije water Retentie figuur 5.31: Varsseveld, R add. V=20l/m² versus EPS-gehalte in vrije water en retentie

73 5. De pilots afzonderlijk Conclusies Varsseveld De hoeveelheid meetgegevens die verzameld is bij het onderzoek in Varsseveld is vrij beperkt. De filtreerbaarheid van het slib is behoorlijk variabel, terwijl de EPS-gehalten juist constant zijn. Er wordt dan ook geen verband gevonden tussen het EPS-gehalte en de filtreerbaarheid. Daarentegen wel tussen de retentie van proteïnen en de filtreerbaarheid. In tegenstelling tot het gehalte in het vrije water blijkt de retentie namelijk wel te variëren. Naarmate de retentie van proteïnen hoger is blijkt het membraan sneller te vervuilen (figuur 5.31). De resultaten wijzen erop dat niet het EPS-gehalte in het vrije water, maar de retentie en dus de deeltjesgrootte van de EPS van belang is voor de mate van membraanvervuiling. Er is geen verband tussen de overige onderzochte slibkarakteristieken en de filtreerbaarheid

74 5. De pilots afzonderlijk 5.7 Maasbommel membraantank De eerste meetperiode in Maasbommel werd nog gekenmerkt door sneeuw, opstartproblemen met de filtratie-installatie en slecht filtreerbaar slib. De opstart van de tweede sessie verliep door de inmiddels opgedane ervaring met de filtratie-installatie soepel en onder zomerse weersomstandigheden blijkt de filtreerbaarheid van het slib goed. De verschillen met het slib uit de wisseltank zijn dus aanzienlijk. In deze paragraaf komen alleen de resultaten van het slib uit de membraantank aan de orde. Een uitgebreide vergelijking tussen de wissel- en de membraantank wordt gemaakt in hoofdstuk 6.1 (Maasbommel wissel- en membraantank) Filtreerbaarheid In figuur 5.32 zijn de gemiddelde weerstandstoename als functie van het volume per flux (a) en als functie van de flux na filtratie van 20 l/m² permeaat (b) weergegeven. De stijging van de weerstandstoename voor 120 ten opzichte van 100 l/m²*h is ongeveer gelijk aan die van 100 ten opzichte van 80 l/m²*h. Hierdoor liggen de punten in figuur 5.32b vrijwel op één lijn. Extrapolatie van deze lijnen toont aan dat de kritische flux ongeveer 75 l/m²*h is. R add. (*10 12 m -1 ) 1,50 1,25 1,00 0,75 0,50 0,25 0, R add. (*10 12 m -1 ) 0, ,25 5 0, Volume (l/m 2 ) Flux (l/m 2 *h) figuur 5.32: Maasbommel membraantank, R add. J=x versus V (a), en R add. V=x versus J (b) 1,50 1,25 1,00 0,

75 5. De pilots afzonderlijk EPS-gehalte in het vrije water en retentie Alle meetresultaten van het EPS-gehalte in het vrije water zijn weergegeven in figuur De gehalten zijn vrij constant met gemiddelde waardes voor proteïnen en polysacchariden van respectievelijk 14,9 mg/l en 5,0 mg/l jul 6-jul 6-jul 6-jul 7-jul 7-jul 7-jul 7-jul 8-jul 8-jul 8-jul 9-jul 9-jul 9-jul 9-jul 12-jul 12-jul 12-jul 12-jul 14-jul 14-jul (mg/l) Proteïnen Polysacchariden figuur 5.33: Maasbommel membraantank, EPS-gehalte in het vrije water Retentie versus flux In figuur 5.34 is voor de verschillende fluxen het EPS-gehalte in het vrije water en de retentie weergegeven. Er is geen duidelijk verband tussen de flux en de retentie. De retentie van de proteïnen is vrij laag, gemiddeld 6,0 mg/l. Bij het gemiddelde gehalte van 14,9 mg/l in het vrije water betekent dit een retentie van 40%. Voor de polysacchariden is de retentie ondanks het lage gehalte in het water nog vrij hoog. Bij een gemiddeld gehalte in het vrije water van 5,0 mg/l bedraagt de retentie 3,6 mg/l, wat neerkomt op een percentage van 72%. De meetresultaten voor de retentie tonen aan dat de polysaccharide-deeltjes groter zijn dan de proteïne-deeltjes. Proteïnen Polysacchariden (mg/l) ,9 15,2 14,4 5,4 6,8 5,9 (mg/l) ,1 5,0 4,8 3,6 3,7 3,5 0 J=80 J=100 J=120 0 J=80 J=100 J=120 Retentie Vrije water Retentie Vrije water figuur 5.34: Maasbommel membraantank, EPS-retentie bij verschillende fluxen

76 5. De pilots afzonderlijk Overige slibkarakteristieken De overige slibkarakteristieken laten geen bijzonderheden zien. Temperatuur (19,6 ºC ±1) en ph (7,6 ±0,2) van het slib zijn gedurende de gehele meetperiode zeer constant. Helaas zijn bij de tweede meetperiode in Maasbommel geen CZV- en drogestofbepalingen meer uitgevoerd Conclusies Maasbommel membraantank De meetresultaten met het Maasbommel-slib uit de membraantank leveren op zich weinig informatie op. De filtreerbaarheid van het slib is nogal variabel. Deze variaties zijn echter niet in verband te brengen met EPS-gehalten of de overige slibkarakteristieken. Het nut van de metingen zal moeten blijken uit een vergelijking met de het slib uit de wisseltank en de overige MBR-installaties. 5.8 Samenvatting afzonderlijke resultaten Ten slotte worden in dit hoofdstuk alle resultaten voor de afzonderlijke pilots op een rijtje gezet. De slibkarakteristieken ph en temperatuur zijn bij alle metingen vrij constant geweest. Dit maakt het onmogelijk om verschillen in deze karakteristieken te koppelen aan de filtreerbaarheid van het slib. Een duidelijke afwijking in het drogestofgehalte is voorgekomen bij de metingen met het wisseltank slib van Maasbommel. Door uitval van de pilot is het drogestofgehalte één dag ongeveer 3 gr/l geweest, tegenover het gemiddelde van ongeveer 9 gr/l. De filtreerbaarheid van het slib blijkt hier echter niet door beïnvloed te worden. Dit bevestigt dat de vervuiling van het membraan inderdaad veroorzaakt wordt door (niet bezonken) bestanddelen in het vrije water, in plaats van door de slibvlokken zelf. Voor het Maasbommel wisseltank slib zijn de EPS-gehalten en de weerstandstoenames gedurende de meetperiode zeer constant geweest. Slechts één maal is de filtreerbaarheid duidelijk beter dan gemiddeld. Bij deze goede filtreerbaarheid blijkt dat ook het polysaccharidegehalte in het vrije water en de bijbehorende retentie fiks lager zijn dan gemiddeld. Dit lijkt aan te tonen dat de filtreerbaarheid in sterke mate afhankelijk is van het polysaccharide gehalte, al is dit gebaseerd op slechts één afwijking in de meetresultaten. Voor het Hilversum-slib zijn duidelijke verschillen wat betreft de filtreerbaarheid en de EPSgehalten gemeten. Deze blijken echter niet met elkaar in verband te brengen. Dit zou dus kunnen aantonen dat de filtreerbaarheid van het slib van MBR Hilversum wordt bepaald door een slibkarakteristiek die in dit onderzoek niet gemeten is. De meetresultaten voor Beverwijk worden in sterke mate beïnvloed door een interne recirculatieperiode. Als gevolg van de recirculatie verbetert de filtreerbaarheid sterk, terwijl het EPS-gehalte nauwelijks verandert. Nadat de pilot weer wordt gevoed met influent vertoont het EPS-gehalte gedurende de volgende vijf meetdagen tegen de verwachting in een licht dalende trend. De meetresultaten lijken dus aan te tonen dat ook voor het Beverwijk-slib de filtreerbaarheid niet in verband gebracht kan worden met het EPS-gehalte

77 5. De pilots afzonderlijk Het Varsseveld-slib is variabel filtreerbaar in combinatie met zeer constante EPS-gehalten. Wel blijkt er een relatie tussen de retentie van proteïnen en de filtreerbaarheid. Naarmate de retentie hoger is, verslechtert de filtreerbaarheid. Dit lijkt dus aan te tonen dat de filtreerbaarheid afhangt van de deeltjesgrootte van de proteïnen; bij grotere deeltjes wordt het slib slechter filtreerbaar. Voor het Varsseveld-slib lijken in tegenstelling tot het Maasbommel wisseltank slib dus vooral de proteïnen van invloed op de filtreerbaarheid. Het Maasbommel membraantank slib is goed maar vrij variabel filtreerbaar. Er is echter geen enkel verband waarneembaar tussen de filtreerbaarheid en de EPS-gehalten. Het verband tussen EPS-gehalten en filtreerbaarheid per installatie verschilt. Voor Maasbommel wisseltank slib lijken de polysacchariden de grootste invloed te hebben op de filtreerbaarheid, terwijl dit bij het Varsseveld-slib de proteïnen zijn. De resultaten van Hilversum, Maasbommel membraantank en met name het Beverwijk-slib lijken echter geen direct verband is tussen het gemeten EPS-gehalte en de filtreerbaarheid aan te tonen

78 5. De pilots afzonderlijk

79 6. Vergelijking tussen de pilots 6 Vergelijking tussen de pilots In dit hoofdstuk worden de resultaten van de verschillende meetperioden met elkaar vergeleken. In de eerste plaats wordt een vergelijking gemaakt tussen het slib uit de wissel- en de membraantank van MBR Maasbommel, in hoofdstuk 6.1. Daarna volgt een vergelijking tussen alle pilots in hoofdstuk Maasbommel wissel- en membraantank In eerste instantie leken de experimenten van februari/maart met het slib uit de wisseltank verspilde moeite. Het afvalwater heeft in deze fase van het proces immers nog maar een zeer beperkt deel van het totale zuiveringstraject doorlopen (zie figuur 5.2), waardoor het slib/water mengsel nog niet geschikt is voor membraanfiltratie. De experimenten in juli met het slib dat wel uit de membraantank is afgetapt maken echter een interessante vergelijking mogelijk. De eigenschappen van het slib wat betreft de filtreerbaarheid en de EPS-gehalten blijken namelijk in deze twee verschillende fasen van het proces enorm te verschillen. Dit betekent dus dat de filtreerbaarheid en de EPS-gehalten van het slib gedurende het proces veranderen Filtreerbaarheid In figuur 6.1 zijn voor flux 80 l/m²*h de filtratiecurven voor het actiefslib uit beide tanks weergegeven. Bij het slib uit de wisseltank is na filtratie van ongeveer 10 l/m² permeaat de weerstandstoename al naar meer dan 1,5 *10 12 m -1 opgelopen, en moet het experiment al bijna stopgezet worden omdat de TMP de kritische bovengrens bereikt. Voor het slib uit de membraantank daarentegen treedt er na filtratie van 10 l/m² nog vrijwel geen weerstandstoename op. Na een half uur filtreren (40 l/m²) is de weerstand gemiddeld met slechts 0,3 *10 12 m -1 toegenomen. Waar bij het slib uit de wisseltank de kritische flux ongeveer 25 l/m²*h bedraagt, is deze bij het slib uit de wisseltank circa 75 l/m²*h. R add. (*10 12 m -1 ) 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 Wisseltank Membraantank 0, Volume (l/m 2 ) figuur 6.1: Maasbommel wissel- en membraantank R add. versus V bij J=80 l/m²*h

80 6. Vergelijking tussen de pilots EPS-gehalten Naast de daling van de weerstandstoename nemen ook de EPS-gehalten in de membraantank ten opzichte van de wisseltank aanzienlijk af. In tabel 6.1 zijn voor de beide tanks de absolute waarden voor de EPS-gehalten in het vrije water, de retentie, de doorslag en de verschillen tussen de twee tanks weergegeven. tabel 6.1: Gemiddelde EPS-gehalten Maasbommel wissel- en membraantank slib bij J=80 l/m²*h Wissel Membraan Δ Proteïnen o Vrije water [mg/l] 25,2 14,9-10,3 (-41%) o Retentie [mg/l] 15,2 5,6-9,6 (-63%) o Doorslag [mg/l] 10,0 9,3-0,7 (-7%) Polysacchariden o Vrije water [mg/l] 18,7 5,1-13,6 (-73%) o Retentie [mg/l] 15,8 3,6-12,2 (-77%) o Doorslag [mg/l] 2,9 1,5-1,4 (-48%) De grote verschillen wat betreft het EPS-gehalte in de wissel- en de membraantank zijn grafisch weergegeven aan de hand van twee staafdiagrammen, zie figuur 6.2. In de beide figuren zijn aan de linkerkant de EPS-gehalten in wisseltank weergegeven en aan de rechterkant de waarden in de membraantank. De afname van het EPS-gehalte in het vrije water blijkt vooral tot een lagere retentie te leiden. Het gehalte proteïnen in het vrije water daalt met 10,3 mg/l. Deze daling komt voor 9,6 mg/l tot uiting in een daling van de retentie. Dit komt neer op een percentage van maar liefst 93% van de totale daling. Voor de polysacchariden geldt ongeveer hetzelfde. Van de totale afname van het gehalte in het vrije water komt 90% ten goede aan de daling van de retentie. Proteïnen Polysacchariden , ,7 (mg/l) ,2 Wissel 14,9 5,4 Membraan (mg/l) ,4 Wissel 5,1 3,6 Membraan Retentie Vrije water Retentie Vrije water figuur 6.2: EPS-gehalte en -retentie in wissel- en membraantank bij J=80 l/m²*h De grote verschillen wat betreft de retentie in combinatie met de beperkte verandering van de doorslag tonen aan dat de deeltjesgrootteverdeling van de EPS in beide tanks verschilt. In de membraantank zijn de EPS-deeltjes kleiner dan in de wisseltank. Alle EPS die als doorslag wordt gemeten is immers kleiner dan de poriegrootte van het membraan van de filtratieinstallatie (0,03 µm). Van het slib uit de wisseltank slaat 40% van de proteïnen en 16% van de

81 6. Vergelijking tussen de pilots polysacchariden door het membraan. Voor het slib uit de membraantank stijgen deze percentages naar 62% voor de proteïnen en 30% voor de polysacchariden Overige slibkarakteristieken Helaas zijn in de tweede periode geen CZV-bepalingen meer uitgevoerd. Ook het drogestofgehalte van het slib uit de membraantank is niet bepaald. De ph stijgt licht, van ongeveer 7,4 in de wisseltank naar 7,6 in membraantank Een groot verschil wat betreft de overige slibkarakteristieken wordt gevormd door de temperatuur van het actiefslib. Bij de experimenten van februari/maart met het slib uit de wisseltank is de gemiddelde temperatuur van het slib slechts 8,8 C, terwijl deze bij de experimenten met het slib uit de membraantank in juli 19,5 C bedraagt. De temperatuur is van aanzienlijke invloed op de biologische processen in het actiefslib. Bij een lage temperatuur neemt de activiteit van de micro-organismen af; diverse biologische processen, zoals BZVverwijdering en de nitrificatie lopen daardoor terug. Aangezien het EPS geproduceerd wordt door de biomassa, zal de temperatuur dus ook hierop mogelijk van invloed zijn. In de tweede plaats zal de temperatuur van invloed zijn op de hydraulische eigenschappen van het slib. De dynamische viscositeit van water bij 8,8 C bedraagt circa 1,36 Pa. s, tegenover 1,04 Pa. s bij 19,5 C. De hogere viscositeit bij een lage temperatuur heeft tot gevolg dat de stromingsomstandigheden in het membraan minder turbulent zullen zijn. Hierdoor kunnen de deeltjes in het actiefslib sneller op het membraanoppervlak neerslaan en dus sneller voor vervuiling zorgen. De gemeten hydraulische omstandigheden in de membraanbuis zijn bij de twee meetperioden inderdaad verschillend. Bij de experimenten in februari/maart is het hydraulisch drukverlies door de wrijving in de membraanbuis 0,136 bar, terwijl dit bij de experimenten in juli 0,147 bar was. Met behulp van deze waarden kan de wandschuifspanning voor de beide situaties berekend worden: P P ρ g influent concentraat Hfriction = z waarin: H = hydraulisch energieverlies [m] P = druk [Pa] ρ = dichtheid slib [kg/m³] 1000 g = valversnelling [m/s²] 9,81 Z = hoogteverschil drukmeters [m] 0,

82 6. Vergelijking tussen de pilots Bij de experimenten met het slib uit de wisseltank komt dit neer op een energieverlies van gemiddeld 0,44 meter, tegenover 0,55 meter bij de experimenten met het slib uit de membraantank. Aan de hand van de hydraulische drukverliezen is de wandschuifspanning voor beide situaties berekend: τ H = D S 0 ρ g ¼ friction waarin: τ 0 = wandschuifspanning [Pa] H = hydraulisch energieverlies [m] ρ = dichtheid slib [kg/m³] 1000 g = valversnelling [m/s²] 9,81 D = hydraulische diameter membraan [m] 0,008 S = lengte membraan [m] 0,95 De gemiddelde wandschuifspanning bij de experimenten met het wisseltank slib bedraagt 9,0 Pa, tegenover 11,3 Pa bij het membraantank slib. De meetresultaten bevestigen dus dat de stroming in het membraan van de filtratie-installatie bij de metingen met het membraantank slib turbulenter is. Ter samenvatting zijn alle waarden weergegeven in tabel 6.2. tabel 6.2: Hydraulische karakteristieken Maasbommel wissel- en membraantank slib bij J=80 l/m²*h Wissel Membraan Δ Temperatuur [ C] 8,8 19,5 + 10,7 (+122%) Dynamische viscositeit [Pa*s] 1,36 1,04 0,32 ( 24%) Hydraulisch drukverlies [Bar] 0,136 0, ,011 (+ 8%) Hydraulisch energieverlies [m] 0,44 0,55 + 0,11 (+ 25%) Wandschuifspanning [Pa] 9,0 11,3 + 2,3 (+26%)

83 6. Vergelijking tussen de pilots Discussie De verschillen tussen het slib uit de wissel- en membraantank wat betreft de filtreerbaarheid zijn aanzienlijk; het slib uit de membraantank is veel beter filtreerbaar (zie figuur 6.1). Ook de EPSgehalten van het actiefslib uit de twee verschillende tanks vertonen aanzienlijke verschillen. Bij het membraantank slib zijn het gehalte in het vrije water en de retentie veel lager (figuur 6.2). De resultaten lijken dus duidelijk te bevestigen dat EPS verantwoordelijk is voor de membraanvervuiling. Het lagere EPS-gehalte in het slib uit de membraantank komt vooral tot uiting in een lagere retentie van het EPS. De retentie daling voor proteïnen (9,6 mg/l) en polysacchariden (12,2 mg/l) bedragen ongeveer 90% van de daling van het totale EPS-gehalte in het vrije water. De verschillen die optreden wat betreft de doorslag van EPS zijn veel kleiner. De doorslag van proteïnen en polysacchariden dalen met respectievelijk 0,7 mg/l en 1,4 mg/l, wat neerkomt op ongeveer 10% van de totale daling. De sterke daling van de retentie in combinatie met het ongeveer gelijk blijven van de doorslag toont aan dat de deeltjesgrootte van de EPS in de membraantank kleiner is geworden in vergelijking met de wisseltank. Een uitgebreidere beschouwing van de invloed van de deeltjesgrootte van de EPS op de filtreerbaarheid komt aan de orde in hoofdstuk 6.2. Samengevat kan gesteld worden dat de verbetering van de filtreerbaarheid van het slib uit de membraantank ten opzichte van de wisseltank het gevolg lijkt te zijn van een daling van de retentie van de EPS. De vraag is nu wat de oorzaak is van deze daling. Om deze vraag te kunnen beantwoorden wordt in de eerste plaats beschouwd waarom het EPS-gehalte in de wisseltank zo hoog is. Hier zijn slechts twee mogelijke oorzaken voor aan te wijzen: o Een hoog EPS-gehalte in het influent; o Vorming van EPS in de anaërobe en/of de anoxische tank. Aan de hand van de resultaten van het uitgevoerde onderzoek is helaas niet na te gaan in welke mate deze twee factoren aan het hoge EPS-gehalte in de wisseltank bijdragen. Zeker is in ieder geval dat het EPS-gehalte in het vrije water in het traject van de wissel- tot aan de membraantank sterk daalt. De meest voor de hand liggende oorzaak hiervan is het verschil in procesomstandigheden waarin het slib/water mengsel zich in de beide tanks bevindt. Daarnaast is het grote temperatuurverschil van het slib uit de beide tanks mogelijk van invloed. De wisseltank is de derde van de zes tanks dat het slib/water mengsel in het totale MBR-proces doorloopt (zie ook hoofdstuk 5.2.1, figuur 5.2). Dit betekent dus dat in deze fase het totale zuiveringsproces nog maar voor een beperkt deel is doorlopen. Alvorens het afvalwater in de wisseltank terecht komt doorloopt het alleen een anaërobe en een anoxische tank. Behoudens de waterstroom die met de recirculatie vanuit de membraantank wordt aangevoerd, heeft dus nog geen aërobe zuivering van het afvalwater plaatsgevonden. De meest waarschijnlijke oorzaak van het lagere EPS-gehalte in de membraantank is dus gelegen in de beluchting die in het proces vanaf de wisseltank plaatsvindt. De zuurstofinbreng zal op een aantal slibkarakteristieken van invloed zijn. In de wisseltank kan een hoger gehalte ammonium en CZV verwacht worden. In de membraantank zullen nitraat en zuurstof in hogere concentraties aanwezig zijn. Helaas kan dit niet aan de hand van de meetresultaten nagegaan worden. Bij de tweede meetsessie, met het slib uit de membraantank, zijn helaas geen CZV-bepalingen meer uitgevoerd. Door het defect

84 6. Vergelijking tussen de pilots aan de zuurstofmeter zijn de zuurstofgehalten van de beide slibsoorten niet bekend. Wel is het slib bij beide experimenten direct na aftappen uit de installatie belucht, dus ook het slib uit de wisseltank zal gedurende de filtratie in de filtratie-installatie wel degelijk enige zuurstof bevatten. Deze zuurstofinbreng zal echter te kort geweest zijn om voor noemenswaardige aërobe zuivering te kunnen zorgen. Zoals gesteld zal ook de temperatuur invloed hebben op de biologische processen. Bij een lage temperatuur loopt de nitrificatie terug, met als gevolg een hoger ammoniumgehalte in het slib. Zeer waarschijnlijk zal ook het EPS-gehalte in het slib beïnvloed worden door de temperatuur. Door de geringe variatie in de temperatuur binnen de beide meetperioden is het echter niet mogelijk een verband tussen enkel de temperatuur en het EPS-gehalte te vinden Conclusies vergelijking Maasbommel wissel- en membraantank Het actiefslib uit de membraantank is aanzienlijk beter filtreerbaar dan dat uit de wisseltank. Daarnaast zijn de EPS-gehalten in het vrije water en de retentie voor het slib uit de wisseltank aanzienlijk hoger. Dit lijkt een duidelijke aanwijzing dat EPS inderdaad verantwoordelijk is voor de membraanvervuiling. Ten opzichte van de wisseltank komt de daling van het EPS-gehalte in de membraantank vooral tot uiting in een daling van de retentie. Dit betekent dat de EPSdeeltjes in de membraantank veel kleiner zijn. De belangrijkste oorzaak van de veranderingen wat betreft de EPS-gehalten is waarschijnlijk de verblijftijd van het actiefslib in aërobe condities

85 6. Vergelijking tussen de pilots 6.2 De vier pilots vergeleken Filtreerbaarheid Zoals gesteld in hoofdstuk 4 (Onderzoeksopzet) wordt het slib van de verschillende pilots met elkaar vergeleken op basis van de experimenten met flux 80 l/m²*h. In figuur 6.3 is de gemiddelde weerstandstoename als functie van het geproduceerde volume permeaat per pilot voor deze flux weergegeven. De curve voor het Beverwijk-slib is samengesteld uit alleen de meetresultaten van vóór de recirculatieperiode, toen de filtreerbaarheid van het slib nog constant was (zie hoofdstuk 5.5). R add. (*10 12 m -1 ) 2,5 2,0 Maasbommel (W) 1,5 Varsseveld Beverwijk 1,0 0,5 Maasbommel (M) 0,0 Hilversum Volume (l/m 2 ) figuur 6.3: R add. versus V voor alle pilots bij J=80 l/m²*h De verschillen in filtreerbaarheid zijn aanzienlijk. De experimenten met het Maasbommel-slib uit de wisseltank moeten na filtratie van 12 l/m² permeaat, dus al binnen tien minuten, stopgezet worden omdat de TMP de kritische bovengrens bereikt. Voor het Hilversum-slib daarentegen wordt na filtratie van 40 l/m², dus een half uur, nog steeds geen noemenswaardige weerstandstoename gemeten. De verschillen in filtreerbaarheid komen nog duidelijker naar voren als ook de overige fluxen waarmee experimenten zijn uitgevoerd worden beschouwd. In figuur 6.4 is voor alle slibsoorten de weerstandstoename na filtratie van 20 l/m² permeaat uitgezet tegen de toegepaste flux. R add. V=20 (*10 12 m -1 ) 2,5 Maasbommel (W) 2,0 Beverwijk 1,5 1,0 Maasbommel (M) 0,5 Varsseveld Hilversum 0, Flux (l/m 2 *h) figuur 6.4: R add. V=20 versus J voor alle pilots

86 6. Vergelijking tussen de pilots De slibben uit de membraantank van Maasbommel en van Beverwijk vertonen een redelijk vergelijkbaar verloop, de overige resultaten verschillen aanzienlijk van elkaar. Opvallend is het verschil tussen Maasbommel (M)/Beverwijk en Varsseveld. Bij flux 80 l/m²*h zijn Maasbommel en Beverwijk-slib beter filtreerbaar, terwijl dit bij flux 120 l/m²*h voor het Varsseveld-slib het geval is. Dit zou mogelijk kunnen betekenen dat de keuze om de filtreerbaarheid van de verschillende actiefslib soorten te vergelijken op basis van de experimenten met een flux van 80 l/m²*h nogal arbitrair is geweest. Aan de andere kant kan gesteld worden dat de slibkarakteristieken van het Varsseveld-slib aanzienlijk verschillen van de overige slibsoorten. Bij de experimenten met het slib uit de simulatie-unit van Varsseveld is het drogestofgehalte door een defect aan de substraatpomp namelijk zeer laag geweest, ongeveer 3 gr/l, terwijl dit bij de overige slibben ongeveer 10 gr/l was. Bovendien is het Varsseveld-slib afgetapt uit een installatie waar geen filtratie met de pilotmembranen plaatsvond. Varsseveld-slib kan om deze twee redenen dan ook niet aangeduid worden als volwaardig MBR-slib Filtreerbaarheid versus EPS-gehalten Allereerst wordt beschouwd of de mate van membraanvervuiling is te koppelen aan de gemeten EPS-gehalten. In figuur 6.5 zijn per slibsoort het gemiddelde EPS-gehalte in het vrije water en de retentie bij een flux van 80 l/m²*h weergegeven. Overigens zijn in deze figuur de extreme meetwaarden voor het polysaccharide-gehalte in het Hilversum-slib (zie figuur 5.14) en de periode in Beverwijk vanaf de start van de recirculatieperiode (zie hoofdstuk 5.5) buiten beschouwing gelaten. Proteïnen Polysacchariden (mg/l) ,2 19,4 18,2 14,3 14,9 15,2 4,3 7,5 5,4 6,9 Maasb.(w) Vars. Beverw. Maasb.(m) Hilvers. (mg/l) ,7 15,4 10,8 9,7 5,1 6,7 4,6 6,8 3,6 4,4 Maasb.(w) Vars. Beverw. Maasb.(m) Hilvers. Retentie Vrije water Retentie Vrije water figuur 6.5: EPS-gehalte en -retentie bij J=80 l/m²*h per pilot Zoals al aan de orde gekomen in hoofdstuk 6.1 zijn de EPS-gehalten in de wisseltank van MBR Maasbommel erg hoog. Dit slib blijkt ook veruit het slechtst filtreerbaar, wat lijkt aan te tonen dat de slechte filtreerbaarheid inderdaad verband houdt met hoge EPS-gehalten. Op het eerste gezicht is voor overige slibben het verband tussen de filtreerbaarheid en de EPS-gehalten minder duidelijk waarneembaar. Toch lijkt er bij nader inzien wel een verband zichtbaar. Het Varsseveld-slib kan namelijk niet aangeduid als MBR-slib. Vanwege het lage drogestofgehalte en het feit dat het niet gefiltreerd wordt in de pilot moet het Varsseveld-slib in deze vergelijking buiten beschouwing gelaten worden

87 6. Vergelijking tussen de pilots In dit geval wordt wel een dalende trend zichtbaar in de EPS-gehalten naarmate de filtreerbaarheid slechter is, met uitzondering van de resultaten van MBR Hilversum. Het Hilversum-slib is echter wellicht ook niet eenduidig met de andere slibben te vergelijken, omdat het als enige is afgetapt uit een pilot-installatie met microfiltratie membranen. De mogelijke invloed van de poriegrootte van de membranen wordt nader beschouwd in paragraaf (Poriegrootte pilotmembranen). Als enkel de installaties van Maasbommel en Beverwijk met elkaar vergeleken worden dan blijkt de filtreerbaarheid wel beter naarmate het EPS-gehalte in het vrije water en de retentie lager zijn. Een zwak punt hierbij is dat er in dit geval nog maar twee installaties met elkaar vergeleken worden. In figuur 6.6 is de weerstandstoename na filtratie van 20 l/m² permeaat weergegeven als functie van de EPS-retentie. Het slib uit de wisseltank van Maasbommel is in deze figuur buiten beschouwing gelaten. De filtreerbaarheid van dit slib is zo slecht dat vanwege de sterke stijging van de transmembraandruk een permeaatproductie van 20 l/m² bij lange na niet gehaald wordt. De weerstandstoename na 20 l/m² uitgezet tegen het EPS-gehalte in het vrije water is niet in een grafiek weergegeven, maar laat een vergelijkbaar beeld zien als figuur 6.6. R add. V=20 (*10 12 m -1 ) Proteïnen 0,8 0,6 0,4 Varsseveld Beverwijk 0,2 Maasbommel (m) Hilversum 0, R add. V=20 (*10 12 m -1 ) Polysacchariden 0,8 Varsseveld 0,6 Beverwijk 0,4 0,2 Maasbommel (m) Hilversum 0, Retentie (mg/l) Retentie (mg/l) figuur 6.6: R add. V=20 versus EPS-retentie

88 6. Vergelijking tussen de pilots Retentie versus flux Om voor de verschillende slibben de EPS-retentie als functie van de flux met elkaar te vergelijken is in figuur 6.7 de retentie als percentage van het gehalte in het vrije water weergegeven, voor Maasbommel (MB) wissel- (w) en membraantank (m), Hilversum (HS), Beverwijk (BW) vóór en na de recirculatieperiode en Varsseveld (VV). Voor proteïnen is een dalende trend in de retentie zichtbaar naarmate de flux wordt verhoogd. Een uitzondering hierop wordt gevormd door het slib van Maasbommel, met name uit de wisseltank. Ook de retentie van polysacchariden neemt procentueel over het algemeen enigszins af naarmate de flux wordt opgevoerd, al is de trend minder duidelijk dan bij proteïnen. De resultaten tonen dus aan dat over het algemeen de hoeveelheid EPS-deeltjes die door het membraan gevoerd wordt toeneemt naarmate de flux wordt verhoogd. 100% Proteïnen 100% Polysacchariden Retentie (%) 80% 60% 40% 20% Retentie (%) 80% 60% 40% 20% 0% Flux (l/m 2 *h) 0% Flux (l/m 2 *h) MB (w) MB (m) HS BW (voor rec.) BW (na rec.) V V MB (w) MB (m) HS BW (voor rec.) BW (na rec.) V V figuur 6.7: Procentuele EPS-retentie versus flux voor alle slibsoorten Mogelijke overige invloeden op de filtreerbaarheid Zoals gesteld in paragraaf (Filtreerbaarheid versus EPS-gehalten) zijn de verschillen in filtreerbaarheid van de slibsoorten niet zonder meer in verband te brengen met de gemeten EPS-gehalten. Vooral Hilversum-slib is duidelijk beter filtreerbaar, terwijl de EPS-gehalten vergelijkbaar zijn met die van de overige slibsoorten. Daarom wordt gezocht naar enkele andere aspecten die mogelijk van invloed zijn op de filtreerbaarheid. In de eerste plaats is mogelijk de poriegrootte van de pilotmembranen van invloed op de filtreerbaarheid. Het Hilversum-slib dat is afgetapt uit een pilot met relatief grote membraanporiën blijkt namelijk veruit het beste filtreerbaar. Wellicht is de poriegrootte van de membranen van invloed op de (EPS)-deeltjesgrootte in het vrije water. Daarom worden de mogelijke invloed van de poriegrootte van de membraanporiën en de EPS-deeltjesgrootte nader beschouwd, in paragraaf en Ten tweede lijkt de verblijftijd van het slib/watermengsel in aërobe omstandigheden van invloed op de filtreerbaarheid. Aanwijzingen hiervoor zijn de interne recirculatieperiode, en dus verlenging van de hydraulische verblijftijd, in Beverwijk die een aanzienlijk positief effect heeft op de filtreerbaarheid (figuur 5.20). Daarnaast blijkt het slib/water mengsel uit de wisseltank van Maasbommel, dat nog helemaal niet in aërobe omstandigheden is geweest slecht filtreerbaar. De mogelijke invloed van de hydraulische verblijftijd wordt nader beschouwd in paragraaf

89 6. Vergelijking tussen de pilots Poriegrootte pilotmembranen Eerdere onderzoeksresultaten tonen aan dat EPS gebonden aan slibvlokken niet in aanmerking komt voor membraanvervuiling, omdat deze deeltjes te groot zijn [32]. Verwacht mag worden dat juist kleine deeltjes met een karakteristieke afmeting ongeveer gelijk aan de membraanporiën voor membraanvervuiling zorgen. Deze deeltjes zijn immers in belangrijke mate verantwoordelijk voor de vorming van een slecht doorlatende koeklaag [20][24][32]. Een benadering vanuit dit oogpunt werpt daarom een ander licht op de invloed van de retentie op de membraanvervuiling. Puur vanuit het gehalte bezien lijkt een hoge retentie van EPS voor meer vervuiling te zorgen; er blijven dan immers meer deeltjes in het voedingswater achter die voor vervuiling kunnen zorgen. Het gehalte op zich zegt echter niets over de deeltjesgrootte. Vanuit het perspectief van deeltjesgrootteverdeling kan juist een lage retentie op meer membraanvervuiling duiden. Een lage retentie toont immers de aanwezigheid van veel kleine en dus vervuiling veroorzakende deeltjes aan. Ondanks het feit dat het onderzoek in de eerste plaats niet gericht is op EPS-deeltjesgrootte leveren de meetresultaten hier wel enige informatie over op. Van twee fracties is het EPSgehalte bepaald, te weten van het permeaat van de filtratie installatie (grootte 0 tot 0,03 µm) en van het vrije water (grootte 0 tot 7 µm). Voor de EPS-deeltjes die teruggevonden worden in het permeaat geldt dat ze in ieder geval kleiner zijn dan 0,03 µm. Voor de overige EPS-deeltjes zijn er twee opties. In de eerste plaats kunnen ze groter zijn dan 0,03 µm. Een andere mogelijkheid is dat ze wel kleiner dan 0,03 µm zijn, maar dat ze gebonden zijn aan andere deeltjes in het vrije water (bv. colloïden) en gezamenlijk een grootte tussen 0,03 en 7 µm hebben. Zoals gesteld in paragraaf wordt een mogelijke invloed op de (EPS-)deeltjesgrootte in het actiefslib gevormd door de poriegrootte van de pilotmembranen. De overweging hierachter is dat naarmate de poriën van het membraan van de pilot groter zijn, relatief meer deeltjes met het effluent van de MBR het systeem kunnen verlaten en dus vervolgens niet meer voor vervuiling in het membraan van de filtratie-installatie kunnen zorgen. In dit geval zou dus gelden dat naarmate de poriën van de pilotmembranen groter zijn, het slib in de filtratie-installatie beter filtreerbaar is. In tabel 6.3 zijn ter volledigheid alle poriegroottes van de membranen nog eens weergeven. Het membraan van de pilot van Varsseveld wordt buiten beschouwing gelaten, omdat de membranen van deze installatie de gehele meetperiode buiten bedrijf zijn geweest. tabel 6.3: Poriegroottes pilotmembranen Installatie Poriegrootte (µm) Filtratie-installatie 0,03 Varsseveld - Maasbommel 0,04 Beverwijk 0,04 Hilversum 0,5 De resultaten wat betreft de filtreerbaarheid van het slib zijn inderdaad volgens de hypothese. Het microfiltratie Hilversum-slib is namelijk veruit het best filtreerbaar. Het ultrafiltratie Beverwijk en Maasbommel-slib volgen, en het Varsseveld-slib dat niet gefiltreerd wordt in de pilot is het slechtst filtreerbaar. Kanttekening hierbij is dat dit geldt voor de vooraf gekozen flux van 80 l/m²*h. Bij een flux van 100 of 120 l/m²*h is de volgorde van filtreerbaarheid weer anders, zie figuur

90 6. Vergelijking tussen de pilots De hypothese wordt echter slechts matig ondersteund door de EPS-metingen. Verwacht mag worden dat het Varsseveld-slib relatief meer kleine deeltjes bevat en dus een relatief lage EPSretentie vertoont in de filtratie-installatie. In het Hilversum-slib zullen daarentegen relatief meer grote deeltjes resteren, met als gevolg een hogere EPS-retentie. Voor alle soorten actiefslib treedt echter aanzienlijke en vergelijkbare doorslag van EPS in het permeaat op, zie figuur 6.8. De kleine EPS-deeltjes die in het permeaat van de filtratie-installatie worden gevonden zijn dus blijkbaar niet door het membraan van de pilots gevoerd. 100% Proteïnen 100% Polysacchariden 80% 60% 70% 61% 64% 62% 80% 60% 57% 30% 29% 34% 40% 40% 70% 71% 66% 20% 30% 39% 36% 38% 20% 43% 0% 0% Vars. Beverw. Maasb.(m) Hilvers. Vars. Beverw. Maasb.(m) Hilvers. Retentie Doorslag Retentie Doorslag figuur 6.8: EPS-retentie en -doorslag ten opzichte van het gehalte in het vrije water bij J=80 l/m²*h Vooral voor Beverwijk, Maasbommel en Hilversum is het percentage EPS doorslaat vrijwel gelijk. Wel blijkt dat de retentie bij het Varsseveld-slib duidelijk het laagst is. Dit kan twee mogelijke oorzaken hebben: o Kleine EPS-deeltjes blijven voortdurend in het systeem, omdat ze niet door het membraan van de pilot afgevoerd worden. Dit betekent dus dat er vergeleken met de andere slibsoorten relatief veel kleine EPS-deeltjes in het vrije water van het Varsseveldslib zitten; o Er zijn relatief weinig andere deeltjes dan EPS tussen 0,03 en 7 µm in het vrije water aanwezig waar kleine EPS-deeltjes zich aan kunnen hechten. De gelijke verhoudingen tussen de retentie en de doorslag voor Beverwijk, Maasbommel en Hilversum lijken aan te tonen dat het vrije water van deze drie slibsoorten een min of meer constant percentage EPS met een karakteristieke deeltjesgrootte kleiner dan 0,03 µm bevat, ondanks de verschillende poriegroottes van de pilotmembranen. Deze waarneming lijkt dus de invloed van de poriegrootte van de pilotmembranen op de EPS-doorslag te weerleggen. De vraag is of er inderdaad evenveel EPS door de microfiltratie- als door de ultrafiltratiemembranen slaat. Dit kan helaas aan de hand van metingen in dit onderzoek niet nagegaan worden. Hiervoor had ook een EPS-analyse van het effluent van de pilots uitgevoerd moeten worden. Een mogelijke verklaring voor het feit dat er zoveel EPS-deeltjes kleiner dan 0,03 µm in het vrije water gevonden worden is dat ze constant geproduceerd worden door de biomassa. Met andere woorden: er worden wel constant kleine EPS-deeltjes afgevoerd met het effluent van de pilot (en ook in ruimere mate door de microfiltratie membranen), maar er komen ook voortdurend nieuwe kleine EPS-deeltjes in het vrije water bij. Dit in tegenstelling tot andere deeltjes in het

91 6. Vergelijking tussen de pilots water die niet door de biomassa zijn geproduceerd; deze zullen tijdens het zuiveringsproces alleen maar afgebroken worden, door het membraan het systeem verlaten, of hooguit in gelijke mate aanwezig blijven. Vanuit deze hypothese is wellicht ook de uiterst goede filtreerbaarheid van het Hilversum-slib te verklaren. In figuur 6.9 zijn schematisch de veronderstelde verschillen tussen het microfiltratieproces in Hilversum en het ultrafiltratieproces in Maasbommel en Beverwijk weergegeven. Overigens zijn de verschillen in poriegrootte tussen de membranen niet op schaal getekend. In werkelijkheid zijn de poriën van de membranen van MBR Hilversum meer dan een factor tien groter dan die van Maasbommel, Beverwijk en de filtratie-installatie. De kleine deeltjes bestaan uit EPS. In het rode gearceerde vierkant is een deeltje (geen EPS) met een grote tussen 0,03 µm en 0,5 µm weergegeven, met hieraan een EPS-deeltje gehecht. Bij de installaties van Maasbommel en Beverwijk zullen deze deeltjes sowieso in het slib blijven en dus voor vervuiling van het membraan in de filtratie-installatie in aanmerking komen. In Hilversum kan dit deeltje echter wel het slib/water mengsel verlaten via de pilotmembranen, weergegeven met de blauwe pijl. Dit zou betekenen dat het grote verschil tussen het Hilversum-slib en het Maasbommel/Beverwijk-slib wordt gevormd door de afwezigheid van andere deeltjes dan EPS met een karakteristieke deeltjesgrootte tussen 0,03 µm en 0,5 µm in het Hilversum-slib. Mogelijk zorgen deze deeltjes voor membraanvervuiling, juist in combinatie met EPS, omdat ze dan makkelijker aan het membraanoppervlak kunnen hechten. Opgemerkt dient te worden dat deze verklaring erg prematuur is; om deze hypothese nader te testen zal meer onderzoek nodig zijn. Maasbommel / Beverwijk Filtratie-installatie Hilversum Filtratie-installatie figuur 6.9: Mogelijke invloed poriegrootte pilotmembranen op de deeltjesgrootte in het vrije water

92 6. Vergelijking tussen de pilots EPS-retentie versus EPS-gehalte in het vrije water In de vorige paragraaf is gebleken dat de retentie als percentage van het totale gehalte EPS in het vrije water voor alle slibsoorten ongeveer gelijk is. In deze paragraaf wordt dit nader onderzocht. In figuur 6.10 is voor alle metingen de retentie ten opzichte van het gehalte EPS in het vrije water weergegeven. Overigens zijn de meetwaarden afkomstig van experimenten met verschillende fluxen; dit om zoveel mogelijk meetpunten in de grafiek weer te geven. Strikt genomen is een vergelijking van de meetresultaten niet correct, want de retentie vertoont een enigszins dalende trend naarmate de flux stijgt (zie figuur 6.7), en de toegepaste fluxen verschillen nogal per slibsoort. Om van een ruime set data gebruik te kunnen maken wordt er toch voor gekozen om de invloed van de flux op de retentie in deze analyse buiten beschouwing te laten. Vooral voor polysacchariden bevinden de meetwaarden zich vrij constant rondom een lineaire trendlijn. Voor proteïnen is de spreiding van de punten groter, maar ook hier is een trend zichtbaar. De resultaten bevestigen de gelijkenis wat betreft de EPS-deeltjesgrootteverdeling van de verschillende slibben. Alleen bij het Varsseveld-slib liggen alle polysaccharide-waarden duidelijk onder de trendlijn. De retentie is dus lager dan gemiddeld, wat inhoudt dat de deeltjesgrootte van de gemeten polysacchariden relatief klein is (zie ook figuur 6.8). 25 Proteïnen 25 Polysacchariden Retentie (mg/l) Retentie (mg/l) Vrije water (mg/l) Maasb. (w) Hilvers. Beverw. Vars. Maasb. (m) Vrije water (mg/l) Maasb. (w) Hilvers. Beverw. Vars. Maasb. (m) figuur 6.10: EPS-retentie versus EPS-gehalte in het vrije water De trendlijn geeft een vergelijking weer die de gemiddelde retentie als functie van het totale EPS-gehalte in het vrije water uitdrukt. Opvallend is dat de trendlijnen niet starten vanuit het snijpunt van de twee assen. Ongeacht het gehalte in het vrije water slaat er dus altijd een bepaalde hoeveelheid EPS door het membraan. Voor proteïnen begint pas retentie op te treden bij gehalten in het vrije water hoger dan 8,0 mg/l. Voor polysacchariden ligt deze waarde lager: 1,6 mg/l. Voor de trendlijnen gelden de volgende vergelijkingen en de bijbehorende determinatiecoëfficiënt R² (berekend door EXCEL): Proteïnen: retentie = 0,67 * gehalte in het vrije water - 5,0 (R² = 0,51) Polysacchariden: retentie = 0,83 * gehalte in het vrije water - 1,3 (R² = 0,93)

93 6. Vergelijking tussen de pilots Vanuit de retentie kan ook een uitspraak gedaan worden wat betreft de deeltjesgrootteverdeling van het EPS. Alle EPS in het vrije water dat in het permeaat wordt teruggevonden heeft immers een karakteristieke deeltjesgrootte kleiner dan 0,03 µm. Ongeacht het gehalte in het vrije water kan gesteld worden dat in ieder geval 8,0 mg/l van de proteïne- en 1,6 mg/l van de polysaccharide-deeltjes kleiner is dan 0,03 µm. Vanaf gehalten in het vrije slib hoger dan deze waarden gelden de volgende vergelijkingen: Proteïnen: gehalte (<0,03 µm) = 0,33 * gehalte in het vrije water + 5,0 Polysacchariden: gehalte (<0,03 µm) = 0,17 * gehalte in het vrije water + 1,3 In figuur 6.11 zijn in een grafiek deze beide vergelijkingen en de gemiddelde waarden van alle metingen per pilot weergegeven. De vergelijking stijgt met richtingscoëfficiënt 1 tot en met gehalten in het vrije water van 8,0 mg/l (proteïnen) en 1,6 mg/l (polysacchariden), daarna vlakt de stijging af. Alleen bij het Varsseveld-slib blijkt het gehalte polysacchariden kleiner dan 0,03 µm duidelijk hoger dan bij de overige slibsoorten. EPS < 0,03 µm (mg/l) Proteïnen 10 5 Polysacchariden EPS < 7µm (mg/l) Maasb.(w) Hilvers. Beverw. Vars. Maasb.(m) figuur 6.11: EPS-gehalte < 0,03 µm versus EPS-gehalte < 7 µm, absoluut De resultaten tonen aan dat voor alle onderzochte soorten actiefslib het gemeten EPS-gehalte kleiner dan 0,03 µm ongeveer volgens dezelfde vergelijking afhankelijk is van het totale EPSgehalte in het vrije water. Hieruit mag voorzichtig de conclusie getrokken worden dat ook de totale EPS-deeltjesgrootteverdeling van de verschillende soorten actiefslib elkaar niet veel ontloopt. Dit zou betekenen dat de verschillen in filtreerbaarheid niet kunnen worden verklaard aan de hand van verschillen in de EPS-deeltjesgrootteverdeling per slibsoort. Het afvlakkende verloop van de lijn na proteïne- en polysaccharide-gehalten van respectievelijk 8,0 mg/l en 1,6 mg/l kan de volgende (combinatie van) oorzaken hebben: o Naarmate het EPS-gehalte in het vrije water hoger is, neemt het aandeel EPS-deeltjes groter dan 0,03 µm toe, bijvoorbeeld door samenklontering van verschillende kleine EPS-deeltjes; o Naarmate het EPS-gehalte in het vrije water hoger is, hechten kleine EPS-deeltjes zich sneller aan andere relatief grote deeltjes in het vrije water, zodat deze EPS-deeltjes als retentie gemeten worden. Dit zou kunnen betekenen dat alle EPS-deeltjes kleiner dan 0,03 µm zijn

94 6. Vergelijking tussen de pilots Hydraulische verblijftijd De meetresultaten met het slib van MBR Beverwijk hebben aangetoond dat door een interne recirculatieperiode van enkele dagen, dus een verlenging van de hydraulische verblijftijd, de filtreerbaarheid van het slib sterk verbetert. Daarom is de hydraulische verblijftijd voor alle pilots nader beschouwd. In tabel 6.4 is voor alle pilots aan de hand van het totale volume van de reactoren en de effluentdebieten de hydraulische verblijftijd (HVT) berekend. tabel 6.4: Hydraulische verblijftijd per pilot Volume (m³) Debiet HVT (uur) Maasbommel 52,3 80 m³/dag 15,7 Beverwijk 47,0 4,2 m³/uur 11,2 Hilversum 40,0 36 m³/dag 26,7 Als per pilot voor de experimenten met flux 80 l/m²*h de gemiddelde weerstandstoename na filtratie van 20 l/m² permeaat wordt uitgezet tegen de hydraulische verblijftijd, dan blijkt de filtreerbaarheid inderdaad beter naarmate de hydraulische verblijftijd hoger is, zie figuur Eventueel zouden nog twee meetpunten aan deze grafiek toegevoegd kunnen worden, die eveneens de stelling ondersteunen dat de filtreerbaarheid verbetert naarmate de hydraulische verblijftijd toeneemt: o Het inkomende afvalwater in de wisseltank van Maasbommel heeft een zeer korte verblijftijd gehad (circa 45 minuten) en heeft een zeer slechte filtreerbaarheid. Dit meetpunt zou dus uiterst linksboven in de grafiek terecht komen; o Na de recirculatieperiode, en dus een hydraulische verblijftijd van enkele dagen, in Beverwijk is het slib uiterst goed filtreerbaar. Dit zou een meetpunt opleveren uiterst rechtsonder in de grafiek. Aan hand van de beschikbare meetgegevens is niet na te gaan welke slibkarakteristiek door de hydraulische verblijftijd beïnvloed wordt. Mogelijk worden bij verlenging van de hydraulische verblijftijd meer deeltjes afgebroken en/of ingevangen in de slibvlokken, zodat deze deeltjes niet meer beschikbaar zijn voor membraanvervuiling. Er blijkt in ieder geval geen verband met de gemeten EPS-gehalten. Om nader inzicht te krijgen in de invloed van de hydraulische verblijftijd op de filtreerbaarheid zal (vervolg)onderzoek nader op deze parameter moeten worden afgestemd. R add. V=20 (*10 12 m -1 ) 0,5 Beverwijk 0,4 0,3 0,2 Maasbommel (m) 0,1 Hilversum 0, Hydraulische verblijftijd (uur) figuur 6.12: Hydraulische verblijftijd per pilot

95 7. Conclusies en aanbevelingen Conclusies alle pilots vergeleken De verschillen in filtreerbaarheid van de verschillende actiefslib soorten zijn aanzienlijk (figuur 6.3 en 6-4). Deze verschillen blijken niet zonder meer rechtstreeks te koppelen aan de EPSgehalten en retentie (figuur 6.5). Belangrijkste invloeden lijken de poriegrootte van de pilotmembranen en hydraulische verblijftijd te zijn. De pilot van Hilversum heeft met zijn microfiltratie membranen relatief grote poriën vergeleken met de installaties van Maasbommel en Beverwijk (ultrafiltratie) en Varsseveld (membraan buiten bedrijf). Het slib van MBR Hilversum blijkt veruit het beste filtreerbaar. De mogelijke verklaring hiervoor is dat deeltjes met een deeltjesgrootte tussen de poriegrootte van het membraan van de pilot en de filtratie-installatie met het effluent van de pilot uit het systeem afgevoerd kunnen worden. Dit blijkt echter niet te gelden voor EPS. Voor alle slibsoorten is het merendeel van de gemeten EPS-deeltjes namelijk kleiner dan de poriegrootte van het membraan in de filtratie-installatie. Dit kan dus betekenen dat de EPS-deeltjes niet de pilot met het effluent verlaten. Een andere mogelijkheid is dat er wel EPS-deeltjes door de pilotmembranen de MBR verlaten, maar dat er ook voortdurend nieuwe EPS geproduceerd wordt door de micro-organismen. Dit in tegenstelling tot andere deeltjes dan EPS; deze worden tijdens het proces alleen maar afgebroken, verlaten het systeem door de membranen of blijven hooguit in dezelfde mate aanwezig. Een mogelijke verklaring voor de goede filtreerbaarheid is dus de afwezigheid van andere deeltjes dan EPS in het vrije water met een grootte tussen 0,03 en 0,5 µm. Het gemeten EPS-gehalte, met een deeltjesgrootte kleiner dan 0,03 µm blijkt lineair afhankelijk van het totale EPS-gehalte in het vrije water. Bovendien geldt dit voor alle slibsoorten ongeveer volgens dezelfde vergelijking. De resultaten wijzen er dus op dat de deeltjesgrootteverdeling van de slibsoorten elkaar niet veel ontloopt. Ook de deeltjesgrootteverdeling van het EPS is dus niet verantwoordelijk voor de membraanvervuiling. Dit zou betekenen dat noch het gehalte, noch de deeltjesgrootte van EPS van invloed is op de membraanvervuiling in de filtratie-installatie. Verder lijkt ook de hydraulische verblijftijd van invloed op de filtreerbaarheid van het slib. Dit was al eerder gebleken uit de recirculatieperiode in Beverwijk (zie hoofdstuk 5.5) Ook als alle pilots met elkaar vergeleken worden, dan blijkt de filtreerbaarheid beter naarmate de hydraulische verblijftijd toeneemt. Als de verschillen tussen de poriegroottes van de membranen en de hydraulische verblijftijden inderdaad de voornaamste invloeden zijn op de filtreerbaarheid van het slib, dan is het niet mogelijk om verschillen in filtreerbaarheid van alle slibsoorten te verklaren aan de hand van verschillen in EPS-concentraties. Alleen het slib van Maasbommel en van Beverwijk (vóór de recirculatie) zouden in dit geval redelijk vergelijkbaar zijn. De poriegrootte van de membranen van deze pilots is namelijk gelijk en de hydraulische verblijftijden verhouden zich redelijk tot elkaar

96 7. Conclusies en aanbevelingen Dat de verschillen in filtreerbaarheid van deze twee slibsoorten wel met elkaar te verklaren zijn op basis van verschillen in EPS-gehalten lijkt te worden bevestigd door een aantal overeenkomsten tussen deze twee slibsoorten: o De verhouding tussen het gehalte proteïnen en polysacchariden in het vrije water is voor beide slibsoorten identiek; o De weerstandstoename na 20 l/m² permeaat als functie van de flux vertoont voor alleen deze twee slibsoorten een gelijksoortig verloop (zie figuur 6.4). Het slib uit de membraantank van Maasbommel is beter filtreerbaar dan het Beverwijk-slib. Daarbij zijn de EPS-gehalten in het vrije water en de EPS-retentie bij het Maasbommel-slib lager. Dit lijkt te bevestigen dat EPS verantwoordelijk is voor de membraanvervuiling

97 7. Conclusies en aanbevelingen 7 Conclusies en aanbevelingen 7.1 Conclusies De uiteindelijke conclusies van het onderzoek worden opgemaakt aan de hand van een terugkoppeling naar de probleemstelling. Ter volledigheid worden de onderzoeksdoelen nogmaals genoemd: o Controleren of de filtreerbaarheid van verschillende soorten actiefslib eenduidig bepaald kan worden met behulp van de filtratie-installatie; o Controleren of EPS verantwoordelijk is voor membraanvervuiling; o Inventariseren van de bronnen die membraanvervuiling door EPS veroorzaken; o Inventariseren van de overige invloeden verantwoordelijk voor membraanvervuiling Controle eenduidigheid filtreerbaarheid Het eerste onderzoeksdoel is na te gaan of het met behulp van de filtratie-installatie inderdaad mogelijk is om de filtreerbaarheid van verschillende soorten actiefslib eenduidig te bepalen. Dit lijkt inderdaad het geval, afgaande op de volgende waarnemingen: o In alle gevallen stijgt zoals verwacht mag worden de weerstandstoename als functie van het gefiltreerde volume permeaat sneller naarmate de flux verhoogd wordt; o De filtreerbaarheid van het slib per pilot is over het algemeen vrij constant. Dit is volgens verwachting, want in de korte meetperiodes zullen de slibkarakteristieken en dus ook de filtreerbaarheid vrij constant zijn. De uniformiteit in de filtreerbaarheidsmetingen per pilot indiceert dat de metingen betrouwbaar zijn; o Alleen in Beverwijk is de filtreerbaarheid niet constant gedurende de meetperiode. De stijgende trend van de weerstandstoename nadat de interne recirculatieperiode is beëindigd wordt echter systematisch teruggevonden in de meetresultaten, wat wederom de betrouwbaarheid van de metingen bevestigt. Er is slechts één indicatie die de eenduidigheid van de filtreerbaarheidsmetingen in twijfel lijkt te trekken. Voor het Varsseveld-slib geldt dat het bij flux 80 l/m²*h slechter filtreerbaar is dan Maasbommel/Beverwijk-slib. Bij flux 120 l/m²*h is het Varsseveld-slib daarentegen juist beter filtreerbaar dan Maasbommel/Beverwijk-slib. Er zou dus in dit geval gelden dat niet zonder meer gesteld kan worden dat het slib uit de ene MBR beter filtreerbaar is dan uit de andere, maar dat dit afhankelijk is van de flux. Daarentegen geldt dat deze verschillen vooral veroorzaakt lijken te worden door afwijkend gedrag van het Varsseveld-slib, dat op enkele aspecten aanzienlijk verschilt van de overige slibsoorten. Het drogestofgehalte van het Varsseveld-slib (±3 gr/l) is gedurende de experimenten aanzienlijk lager geweest dan van de overige slibsoorten (±10 gr/l). Daarnaast is het Varsseveld-slib als enige afkomstig uit een pilotinstallatie waar de membranen van de pilot tijdens de metingen buiten bedrijf waren. Varsseveld-slib kan dus niet aangemerkt worden als volwaardig MBR-slib

98 7. Conclusies en aanbevelingen Controle verantwoordelijkheid EPS voor membraanvervuiling De onderzoeksresultaten hebben geen duidelijk algemeen geldend verband tussen de EPSgehalten en/of de retentie van de verschillende onderzochte soorten actiefslib met de filtreerbaarheid in de filtratie-installatie aangetoond. Er is wel een aantal individuele aanwijzingen die de hypothese dat het EPS-gehalte verantwoordelijk is voor membraanvervuiling ondersteunen: o In de eerste meetperiode, met het Maasbommel wisseltank slib, is het slib één maal duidelijk beter filtreerbaar geweest dan gemiddeld (zie figuur 5.12). In dit geval blijken ook het gehalte in het vrije water en de retentie van de polysacchariden duidelijk lager dan gemiddeld. Een hoge retentie van de polysacchariden lijkt dus verantwoordelijk voor de membraanvervuiling; o De filtreerbaarheid en de EPS-gehalten van het slib uit de wissel- en de membraantank van Maasbommel verschillen aanzienlijk. Het slecht filtreerbare wisseltank slib heeft een veel hoger EPS-gehalte. Dit lijkt de duidelijkste aanwijzing dat EPS verantwoordelijk is voor de membraanvervuiling. Het gedrag voor proteïnen en polysacchariden is gelijk, waardoor het niet mogelijk is te bepalen of en zo ja in welke mate beide stoffen verschillend aan de membraanvervuiling bijdragen; o De filtreerbaarheid van het Varsseveld-slib is vrij variabel, terwijl de EPS-gehalten juist zeer constant zijn. Er blijkt echter wel een verband tussen de retentie en de filtreerbaarheid. Naarmate de retentie van proteïnen hoger is blijkt het slib slechter filtreerbaar (zie figuur 5.31). In dit geval lijkt dus de retentie van de proteïnen de membraanvervuiling te veroorzaken; o Verschillen in filtreerbaarheid tussen het slib uit de membraantank van Maasbommel en van Beverwijk lijken het beste met elkaar te vergelijken op basis van verschillen in EPSgehalten. De hydraulische verblijftijd voor deze slib/water mengsels is vergelijkbaar en daarnaast zijn de poriegroottes van de pilotmembranen van Beverwijk en Maasbommel gelijk. Juist de hydraulische verblijftijd en de poriegrootte van de membranen lijken namelijk van invloed te zijn op de filtreerbaarheid (zie paragraaf en 6.2.7). Het blijkt dat het Beverwijk-slib hogere EPS-gehalten heeft en daarbij slechter filtreerbaar is, wat lijkt aan te tonen dat hoge EPS-gehalten inderdaad verantwoordelijk zijn voor de slechtere filtreerbaarheid. Tegenover de aanwijzingen die de invloed van EPS op de membraanvervuiling bevestigen staan ook enkele waarnemingen die de invloed van het EPS-gehalte juist weerleggen: o Voor het Hilversumse slib zijn enkele malen aanzienlijke uitschieters wat betreft de EPSgehalten (figuur 5.14), alsmede structurele verschillen in de filtreerbaarheid geconstateerd (figuur 5.17). Deze zijn echter aan de hand van de metingen in dit onderzoek op geen enkele manier met elkaar in verband te brengen. Een mogelijke verklaring is dat de metingen erg gevoelig zijn voor storingen vanwege de zeer hoge flux (160 l/m²*h) die is toegepast; o De meetresultaten met het slib van MBR Beverwijk worden sterk beïnvloed door een interne recirculatieperiode van ongeveer vier dagen. Als gevolg van de recirculatie verbetert de filtreerbaarheid van het slib enorm (figuur 5.20). Het EPS-gehalte in het vrije water en de retentie vóór en direct na de recirculatieperiode zijn echter vrijwel gelijk (figuur 5.23). Direct nadat de interne recirculatieperiode beëindigd is en er weer influent toegevoerd wordt gaat de weerstand in de loop van de week weer langzaam toenemen

99 7. Conclusies en aanbevelingen Tegen de verwachting in blijkt het EPS-gehalte vanaf dan juist een dalende trend te vertonen. De waarnemingen in Hilversum en Beverwijk lijken dus de invloed van het EPS-gehalte op de filtreerbaarheid van het slib te weerleggen. Een andere mogelijkheid is dat niet het gehalte, maar een andere karakteristiek van het EPS van belang is voor de membraanvervuiling, bijvoorbeeld de mate waarin EPS zich aan het membraanoppervlak kan hechten. In dit geval zou de EPSmeetmethode dus geen onderscheid maken tussen EPS die wel en EPS die niet zorgt voor membraanvervuiling. Aan de hand van het gehalte in het vrije water en de retentie is vervolgens de mogelijke invloed van de EPS-deeltjesgrootte op de membraanvervuiling onderzocht. Dit biedt geen uitkomst; de retentie van EPS is namelijk ongeveer lineair afhankelijk van het gehalte in het vrije water, bovendien voor alle actiefslib soorten volgens dezelfde lineaire vergelijking (figuur 6.10). Dit maakt het waarschijnlijk dat ook het EPS-gehalte met een karakteristieke deeltjesgrootte kleiner dan de membraanporiën van de filtratie-installatie (0,03 µm) voor alle slibsoorten lineair afhankelijk is van het gehalte in het vrije water. Hieruit mag voorzichtig de conclusie getrokken worden dat ook de totale EPS-deeltjesgrootteverdeling van de verschillende slibben elkaar niet veel ontloopt. De verschillen in de filtreerbaarheid van de verschillende slibsoorten zijn dus in niet naar de deeltjesgrootte van EPS terug te voeren Inventarisatie bronnen die het EPS-gehalte bepalen Aan de hand van bekende pilot- en slibkarakteristieken is getracht de bronnen die het EPSgehalte bepalen te inventariseren. Een belangrijke aanwijzing lijkt gevonden te kunnen worden aan de hand van een vergelijking tussen de meetresultaten van de wissel- en de membraantank van MBR Maasbommel. Het EPS-gehalte neemt namelijk in het traject van de wissel- tot aan de membraantank sterk af (figuur 6.2). In de eerste plaats is gezocht naar de bron(nen) verantwoordelijk voor het hoge EPS-gehalte in de wisseltank. Mogelijke oorzaken hiervoor zijn een hoog EPS-gehalte van het influent of de vorming van EPS in de eerste twee anaërobe en anoxische tanks. Aan de hand van de uitgevoerde metingen is dit echter niet na te gaan. De meest voor de hand liggende verklaring voor de daling van het EPS-gehalte is het verschil in procesomstandigheden van het slib in de beide tanks. Behoudens de recirculatiestroom vanuit de membraantank is het afvalwater in de wisseltank nog niet in aërobe omstandigheden geweest. De daling van het EPS-gehalte in de membraantank lijkt dus het gevolg van de verblijftijd van het slib/water mengsel in aërobe omstandigheden. De hypothese dat het EPS-gehalte in het slib daalt onder invloed van verblijftijd in aërobe omstandigheden wordt echter niet ondersteund door de meetresultaten met het slib uit de MBR van Beverwijk. Door de interne recirculatie die daar heeft plaatsgevonden is het slib/water mengsel ook veel langer in aërobe omstandigheden geweest. Dit blijkt wel een positief effect op de filtreerbaarheid te hebben, er wordt daarentegen geen daling van het EPS-gehalte gemeten. Rosenberger c.s. [32] tonen een verband aan tussen het CZV- en het EPS-gehalte. Dit verband wordt in dit onderzoek deels bevestigd. Voor het slib uit de MBR s van Hilversum en Beverwijk is een stijgende trend in het EPS-gehalte zichtbaar naarmate het CZV-gehalte hoger is. Bij het slib uit de wisseltank van Maasbommel daarentegen is het CZV-gehalte in het vrije water vrij

100 7. Conclusies en aanbevelingen variabel, maar zijn de EPS-gehalten constant. De verschillen in CZV- en EPS-gehalte zijn voor het Varsseveld-slib te klein om een verband te kunnen waarnemen Inventarisatie overige bronnen die membraanvervuiling veroorzaken De overige gemeten slibkarakteristieken (ph, temperatuur, drogestofgehalte, CZV) zijn gedurende de experimenten vrij constant geweest, wat het moeilijk maakt om deze karakteristieken met membraanvervuiling in verband te brengen. Mogelijk is aan de hand van de experimenten met het slib uit de wissel- en de membraantank van Maasbommel de temperatuur als factor van invloed aan te wijzen. Het koude slib blijkt veel slechter filtreerbaar. Bij een lage temperatuur van het slib is de viscositeit van het slib hoger, wat als gevolg heeft dat de stroming in de membraanbuis minder turbulent zal zijn. Hierdoor kunnen vervuilende deeltjes zich makkelijker aan het membraanoppervlak hechten. Verder lijken vooral de hydraulische verblijftijd en de poriegrootte van de membranen van de pilotmembranen van invloed geweest op de filtreerbaarheid: o Naarmate de poriegrootte van de pilotmembranen groter is, is de filtreerbaarheid van het slib in de filtratie-installatie beter. De mogelijke verklaring hiervoor is dat naarmate de poriegrootte van de pilot membranen groter is, meer relatief kleine deeltjes de MBR met het effluent kunnen verlaten, en dus vervolgens niet meer voor vervuiling van het membraan van de filtratie-installatie kunnen zorgen. Volgens de theorie van Carmen- Kozeny zijn namelijk juist de kleine deeltjes verantwoordelijk voor membraanvervuiling. De hypothese blijkt inderdaad te kloppen wat betreft de meetresultaten van MBR Hilversum. De poriegrootte van de membranen van deze pilot is namelijk ruim tien keer groter dan van de overige pilots en van de filtratie-installatie, en het slib is veruit het beste filtreerbaar. De hypothese wordt echter niet bevestigd aan de hand van de EPSretentie. Zoals gesteld mag verwacht worden dat bij een grote poriegrootte van de pilot membranen veel deeltjes kleiner dan deze poriegrootte de MBR met het effluent verlaten. In het Hilversumse slib zouden dus relatief minder EPS-deeltjes met een grootte tot 0,5 µm verwacht mogen worden, wat zich zou moeten uiten in een relatief hoge retentie in de filtratie-installatie. Dit blijkt echter nauwelijks het geval. Het percentage EPS dat door het membraan van de filtratie-installatie slaat verschilt voor de verschillende actiefslib soorten maar minimaal (figuur 6.8). Voor het slib uit Maasbommel, Beverwijk en Hilversum is het percentage EPS dat doorslaat vrijwel identiek. De retentie van het Varsseveld-slib is wel lager dan van de overige slibsoorten, wat aantoont dat de EPS-deeltjes in dit slib inderdaad relatief klein zijn; o De resultaten in Beverwijk hebben aangetoond dat door een interne recirculatieperiode van enkele dagen de filtreerbaarheid van het slib sterk verbetert. Ook als alle pilots met elkaar vergeleken worden blijkt dat de filtreerbaarheid beter is naarmate de hydraulische verblijftijd langer is (figuur 6.12). Aan de hand van dit onderzoek is niet na te gaan op welke wijze verlenging van de hydraulische verblijftijd de filtreerbaarheid ten goede komt. Er blijkt geen relatie tussen de hydraulische verblijftijd en EPS-gehalten

101 7. Conclusies en aanbevelingen 7.2 Aanbevelingen Ten slotte worden enkele aanbevelingen gedaan voor vervolgonderzoek. De meeste in deze paragraaf genoemde aanbevelingen kunnen elk individueel nieuwe informatie opleveren over de mechanismen die membraanvervuiling in MBR-systemen veroorzaken, maar zouden natuurlijk ook in combinatie met elkaar toegepast kunnen worden Meer MBR s in het onderzoek betrekken Het onderzoek heeft aangetoond dat de slibkarakteristieken en de filtreerbaarheid per pilot aanzienlijk verschillen. Waar de filtratie-installatie als doel heeft om verschillende soorten actiefslib eenduidig te vergelijken, lijkt het erop dat deze eenduidige vergelijking bemoeilijkt wordt door verschillen in karakteristieken tussen pilot-installaties, zoals de hydraulische verblijftijd en de poriegrootte van de pilotmembranen. Om meer inzicht te krijgen in de invloed van deze pilotkarakteristieken is het nuttig om nog meer MBR-pilots in het onderzoek te betrekken. Wellicht kunnen ook MBR s voor industriële afvalwaterzuivering nuttige informatie opleveren Batch experimenten Het voordeel van de metingen ter plaatse van de RWZI s is dat de experimenten direct na het aftappen van het slib plaatsvinden, waardoor de slibkarakteristieken bij de experimenten gelijk zijn aan die in de MBR. Een groot nadeel van de experimenten zoals ze in dit onderzoek zijn uitgevoerd is echter dat het nauwelijks mogelijk is om de slibkarakteristieken en de omstandigheden zelf te beïnvloeden. Dit betekent in de praktijk dat er per pilot maar weinig variatie in de meetresultaten gevonden is, waardoor het onderling in verband brengen van de filtreerbaarheid en de slibkarakteristieken bemoeilijkt wordt. Bij eerder onderzoek met MBR-slib op het lab van de TU Delft [39] geldt het omgekeerde. In dit geval konden de omstandigheden wel beïnvloed worden (substraatdosering), maar hier bleek dat de karakteristieken van het slib in de loop van de tijd ongewild veranderen nadat het is afgetapt uit de pilot. Om van beide onderzoeken de voordelen te combineren en de nadelen te elimineren zouden metingen met de filtratie-installatie ter plaatse van de pilots moeten worden uitgevoerd, waarbij de pilot-installatie als batch reactor wordt gebruikt. Dit betekent dat gevarieerd moet worden met de omstandigheden/ bedrijfsvoering van de pilot (bv. verblijftijden, substraatdosering, recirculatiestromen, enz.), waarbij de metingen ter plaatse met de filtratie-installatie worden uitgevoerd. Op deze manier kan gerichter gezocht worden naar factoren die de filtreerbaarheid bepalen EPS modellering van het totale systeem De metingen in het uitgevoerde onderzoek waren gericht op enkel het slib/water mengsel uit de membraantank van de pilots. In Maasbommel zijn onbedoeld metingen verricht met slib uit de wisseltank en dit leverde interessante resultaten op. Het blijkt dat de filtreerbaarheid en de EPSgehalten van het slib gedurende het totale MBR-proces aanzienlijk daalt. Om meer inzicht te krijgen in het gedrag van EPS is het nuttig om een model op te stellen die de filtreerbaarheid en het EPS-gehalte op elk punt in de MBR-installatie beschrijft. Op deze manier kan precies nagegaan worden waar in het systeem wijzigingen wat betreft filtreerbaarheid en EPS-gehalten

102 7. Conclusies en aanbevelingen optreden, zodat ook gerichter naar oorzaken gezocht kan worden. Om deze balans op te kunnen stellen moeten de filtreerbaarheids- en EPS-metingen uitgebreid worden. Dit betekent dat ook de volgende stromen onderzocht moeten worden op basis van de filtreerbaarheid en de EPS-gehalten: o Het voorbehandelde influent; o De slib/water stroom tussen elk van de tanks in de MBR-pilot; o Het effluent van de pilot Deeltjestelling De uiteindelijke scheiding van het water en de deeltjes in het water geschiedt op basis van de grootte van de deeltjes in het actiefslib.het is daarom van belang om meer in zicht te krijgen in de grootte van deze deeltjes. Gedurende het onderzoek zijn enkele inleidende deeltjestellingen uitgevoerd. De gebruikte deeltjesteller telt deeltjes tussen 2 µm en 100 µm. Het minpunt van deze metingen is dat het bereik van de deeltjesteller niet aansluit bij de poriegrootte van het membraan (0,03 µm). Voor bruikbaardere informatie zullen ook tellingen met een deeltjesteller met een kleiner bereik uitgevoerd moeten worden Fractioneren In het verlengde van de deeltjestellingen kunnen fractioneringsproeven informatie verschaffen over de grootte van de deeltjes in het actiefslib. Gedurende het onderzoek zijn enkele malen fractioneringsproeven uitgevoerd waarbij het slib is gefiltreerd over filters met poriegroottes van respectievelijk 7 µm, 0,45 µm en 0,1 µm. Bij deze experimenten werden geen noemenswaardige verschillen gevonden tussen de gemeten EPS-gehalten. Toch is het raadzaam om de fractioneringsproeven uit te breiden. De tot op heden uitgevoerde fractioneringsproeven zijn nogal kleinschalig en hebben meer het karakter van inleidende experimenten. Daarom zijn ze niet in dit rapport opgenomen. Een meer systematische en uitgebreidere aanpak van de fractioneringsproeven kunnen meer inzicht verschaffen wat betreft de deeltjesgrootte in het actiefslib en de invloed hiervan op membraanvervuiling Hydraulica In het uitgevoerde onderzoek is de hydraulica van de slib/water stroom in de membraanbuis vrijwel buiten beschouwing gebleven. Alleen voor de vergelijking tussen de wissel- en de membraantank van Maasbommel is enigszins op de hydraulische omstandigheden ingegaan. Het is van groot belang dat de stroming in de membraanbuis turbulent is om snelle vervuiling van het membraan te voorkomen. In de praktijk is de viscositeit afhankelijk van het drogestofgehalte en de opgelegde afschuifsnelheid in de membraanbuis. Op het laboratorium Gezondheidstechniek zijn de faciliteiten aanwezig om de actuele schijnbare viscositeit te bepalen. Bij vervolgonderzoek zal ook de viscositeit nader in beschouwing genomen moeten worden

103 Literatuur Literatuur [1] Battjes, J.A.. (1999). Vloeistofmechanica ct2100, collegehandleiding. Faculteit der Civiele Techniek en Geowetenschappen, sectie Vloeistofmechanica.. [2] Beek, E. van, Huisman, P. (2002). Integrated watermanagement, hand-out. Faculteit der Civiele Techniek en Geowetenschappen, sectie land- en waterbeheer. [3] Bouhabila, E.H., Aim, R. Ben, en Buisson, H. (2001). Fouling characterisation in membrane bioreactors. Sep. Purif. Technol., 22-23, [4] Brouwer, H., Meuleman, E. (2001), Membraanbioreactor-technologie. Achtergronden, nieuwe ontwikkelingen, modules en processen. TNO Milieu- Energie- en Procesinnovatie, [5] Chang, I.S., en Lee, C.H. (1998). Membrane filtration characteristics in membrane coupled activated sludge system the effect of physiological states of activated sludge on membrane fouling. Desalination, 120, [6] Chang, I.S., Gander, M., Jefferson, B., en Judd, S. (2001). Low-cost membranes for use in a submerged MBR. Process Saf. Envir. Prot., 79(3), [7] Chang, I.S., Le Clech, P., Jefferson, B., en Judd, S. (November 2002). Membrane fouling in membrane bioreactors for wastewater treatment. Journal of environmental engineering, [8] Christensen, B.E., (1989). The role of extracellular polysaccharides in biofilms. Biotechnology 10, [9] Defrance, L., Jaffrin, M.Y., Gupta, B. Paullier, P., en Geaugey, V. (2000). Contribution of various constituents of activated sludge to membrane bioreactor fouling. Bioresource Technol., 38, [10] DHV Water BV (2004), Membrane BioReactor (MBR) Technology. [11] Dijk, J.C. van, Rietveld, L.C., Verberk, J.Q.J.C. (2001). Drinkwater 1 technologie, collegedictaat. Faculteit der Civiele Techniek en Geowetenschappen, sectie Gezondheidstechniek. [12] Dijk, J.C. van, Verberk, J.Q.J.C. (2004). CT3011, Inleiding watermanagement [13] Evenblij, H. (2003). Substraatexperimenten September November Technische Universiteit Delft. [14] Fane, A.G., Fell, C.J.D., en Nor, M.T. (1981). Ultrafiltration/Activated sludge system development of a predictive system. Polym. Sci. Technol., 13, [15] Field, R.W., Wu, D., Howell, J.A., en Gupta, B.B. (1995). Critical flux concept for microfiltration fouling. Journal of Membrane Science, 100, [16] Gander, M., Jefferson, B., en Judd, S. (2000). Aerobic MBRs for domestic wastewater treatment: a review with cost considerations. Sep. Purif. Technol., 18, [17] Graaf, J.H.J.M. van der (1995). Behandeling van afvalwater 1, collegedictaat. Faculteit der Civiele Techniek en Geowetenschappen, sectie Gezondheidstechniek.. [18] Graaf, J.H.J.M. van der (1995). N51 Behandeling van afvalwater 2, collegedictaat. Faculteit der Civiele Techniek en Geowetenschappen, sectie Gezondheidstechniek.. [19] Houten, R.T. van (2001). Membraanbioreactoren, state-of-the-art. [20] Hsieh, K.M., Murgel, G.A., Lion, L.W., Shuler, M.L. (1994). Interactions of microbial biofilms with toxic trace medals. Observation and modelling of cell growth, attachment, and production of extracellular protein. Biotechnol Bioeng, 44, [21] Huisman, P, Verhallen, J.M. (2001). Integraal waterbeheer, collegedictaat. Faculteit der Civiele Techniek en Geowetenschappen, afdeling watermanagement. [22] Jarusutthirak, C., Amy, G., en Croué, J.P (2002). Fouling characteristics of wastewater effluent organic matter (EfOM) isolates on NF and UF membranes. Desalination, 145, [23] Kwon, D.Y., Vigneswaran, S., Fane, A.G., en Ben Aim, R. (2000). Experimental determination of critical flux in cross-flow microfiltration. Sep. Purif. Technol., 19, [24] Laspidou, C.S., Bruce, E.R (2002). A unified theory for extracellular polymeric substances, soluble microbial products, active and inert biomass. Water Res., 11,

104 Literatuur [25] Lazarova, V., Manem, J. (1995). Biofilm characterization and activity analysis in water and wastewater treatment. Water Res. 29, [26] Lee, S.M., Jung, J.Y., en Chung, Y.C. (2001). Novel method for enhancing permeate flux of submerged membrane system in two-phase anaerobic reactor. Water Res., 35, [27] Lubbecke, S., Vogelpohl, A., en Dewjanin, W. (1995). Wastewater treatment in a biological highperformance system with high biomass concentration. Water Res., 29, [28] Metcalf and Edyy, Inc. (2003). Wastewater Engineering - treatment and reuse. Fourth edition McGraw- Hill, New York. [29] Mukai, T., Takimoto, K., Kohno, T., en Okada, M. (2000). Ultrafiltration behaviour of extracellular and metabolic products in activated sludge systems with UF separation process. Water Res., 34, [30] Nagaoka, H., Ueda, S., en Miya, A. (1998). Influence of bacterial extracellular polymers on the membrane separation activated sludge process. Water Sci. Technol., 34, [31] Roest, H.F. van der, Bentem, A.G.N. van, Lawrence, D.P. (2002). MBR-technology in municipal wastewater treatment: challenging the traditional treatment technologies. Wat. Sci. Technol, 46, [32] Rosenberger, S., Kraume, M. (2002). Filterability of activated sludge in membrane bioreactors. Desalination, 151, [33] Silva, C.M., Reeve, D.W., Husain, H., Rabie, H.R., en Woodhouse, K.A. (2000). Model for flux prediction in high microfiltration systems. Journal of Membrane Science, 173, [34] Smith, C.V., Gregorio, D.O. en Talcott, R.M (1969). The use of ultrafiltration membranes for activated sludge separation. Proc 24rd Ind. Waste Conf , Arbor Science. [35] Sponza, D.T. (2002). Investigation of extracellular polymeric substances (EPS) and physicochemical properties of different activated sludge flocs under steady-state conditions. Enz. Microb. Techn., 32, [36] Stichtong Rioned (2002). Riool in cijfers [37] TU Delft, sectie gezondheidstechniek (2002). Kinetics of activated sludge treatment. Practicumhandleiding, ct5430, Laboratory Course on Unit Operations in Drinking water and Wastewater treatment, 4-5. [38] Ueda, T., Hata, K., en Kikuoka, Y. (1996). Treatment of domestic sewage from rural settlements by a membrane bioreactor. Water Sci. Technol., 34, [39] Verrecht, B. (2004). Membraanvervuiling in membraanbioreactoren. Master thesis. Katholieke Universiteit Leuven, Technische Universiteit Delft.. [40] Waterforum online, Stowa (2004). Dossier membraanbioreactoren. [41] Wingender, J., Neu, T.R., Flemming, H.-C. (1999). Microbial Extracellular Polymeric Substances Characterization, structure and function. Springer-Verlag Berlin Heidelberg New York, [42] Wisniewski, C., en Grasmick, A. (1998). Floc size distribution in a membrane bioreactor and consequences for membrane fouling. Colloids Surf., A, 138, [43] Wisniewski, C., en Grasmick, A., en Cruz, A.L. (2000). Critical particle size in membrane bioreactors case of a denitrifying bacterial suspension. J. Membr. Sci., 138, [44] Yamamoto, K., Hissa, M., Mahmood, T., en Matsuo, T. (1989). Direct solid liquid separation using hollow fibre membrane in an activated sludge membrane tank. Wat. Sci. Technol., 21, [45] Zhang, B., Yamamoto, K., Ohgaki, S., en Kamiko, N. (1997). Floc size distribution and bacterial activities in membrane separation activated sludge processes for small scale wastewater treatment/reclamation. Water Sci. Technol., 35, [46] Zhang, X., Bishop, P.L. (2002). Biodegradability of biofilm extracellular polymeric substances. Chemosphere, 50,

105 Bijlagen Bijlage I: Specificatie membraan X-Flow B.V. Phone: + 31 (0) P.O.Box 739 Fax: + 31 (0) AS Enschede info@xflow.nl The Netherlands Web site: Compact ultrafiltration membrane F5385 Basic characteristics o Hydrophilic tubular polyvinylidene fluoride membrane cast on a composite polyester/polyolefine carrier; o Tubular membrane available in 8.0 mm; o Structure asymmetric; o High performance and a very good anti-fouling behaviour; o Membranes are supplied in a standard range of elements. Applications o Effluent treatment; o Membrane bioreactor. Performance data Parameter Unit FR 5385 Remarks Clean water flux l/m².h.100 kpa > 750 RO water at 25 ºC Transmembrane pressure kpa Mean pore size nm 30 PH 2-10 at 25 ºC Chlorine exposure ppm.h at 25 ºC Temperature ºC 1-70 at ph 7 and 100 kpa Operation of membranes at any combination of maximum limits of ph, concentration, pressure or temperature, during cleaning or production, will severely influence the membrane lifetime

106 Bijlagen Solvent resistance Since the resistance of the membrane to solvents strongly depends on the actual process conditions, the indications given below should only be considered as guidelines. Acids, ph > 2 + Bases, ph < 11 + Organic esters, ketones, ethers - - Aliphatic alcohols ++ Aliphatic hydrocarbons ++ Halogenated hydrocarbons ++ Aromatic hydrocarbons + Polar organic solvents - - Oils ++ Cleaning Depending on the nature of the feed solution the following cleaning agents can be chosen: Chemical : NaOCl (active chlorine) 500 ppm max. : H2O ppm max. : NaOH ph 11 : Nitric acid ph 1 : Phosphoric acid ph 1 : EDTA ph 11 : Citric acid : Enzymatic compounds It is recommended to keep the ph between 1 and 11 and not to exceed a temperature of 40 C during cleaning and/or disinfection. If those standard cleaning techniques fail to remove the foulants, more concentrated cleaning solutions can be tried. Please contact X-Flow for recommendations. It has to be stressed, however, that no warranty can be given on the efficiency of any cleaning nor on the membrane performance after such cleaning attempts. Storage New membrane modules can be stored as supplied. Membrane modules should be stored in a dry, normally ventilated place, away from sources of heat, ignition and direct sunlight. Store between 0 and 40 C. The membrane modules should not be subjected to any freezing temperatures. After use, UF membranes need to be stored wet at all times. To avoid biological growth during shutdowns or storage, wet membranes should be treated with a compatible biocide. The membrane is compatible with many common disinfecting agents or biocidal preservatives. For short-term shutdowns, a daily flush with permeate quality water containing up to 2.0 ppm free available chlorine for 30 to 60 minutes may be adequate for bacteria control. In case of long-term storage, membranes should be cleaned before the disinfection step is carried out. For disinfection, a 1% sodium metabisulfite solution can be used. In either situation, modules should be stored hydraulically filled

107 Bijlagen Bijlage II: Specificatie drukmeters J&M Instruments B.V. Phone: +31 (0) Postbus 607 Fax: +31 (0) ZJ Rockanje The Netherlands Web site: Presurre transmitter, type series CB3010 o measuring ranges mbar up to bar o measuring system ceramic cell o signal output: ma, 2-wire circuitry ma, 3-wire circuitry V, 3-wire circuitry o easily zero-point adjustment o stainless steel case, degree of protection IP 65 o encapsulated electronics o process temperature up to 100 C o stainless steel process connection Application Design and Function The pressure transmitter is fitted with a ceramic measuring cell as sensor. The measuring signal is converted by the electronics to an impressed current signal of ma (optional ma or V). Due to their robust design, these transmitters are suited for general industrial applications. The process temperature may reach 100 C. Design and function The electronics is encapsulated to protect it against moisture and vibrations. Zero-point can be adjusted with an internal trimming potentiometer. The potentiometer may be accessed from outside by loosening a casing screw. The output is available in 2- or 3-wire circuitry. Pressure is compensated through an opening in the top of the case and the connection plug. Mounting and installation instructions The installation position has no effect on the measuring procedure. However, it is recommended that the transmitter be protected against all forms of stressing from its service environment (vibrations, temperature, corrosion). The adjustment for the zero-point is situated behind the casing screw. The potentiometer can be accessed through the encapsulation by undoing the screw