Test Oxidatieve biologische behandeling met een MBR

Transcriptie

1 Test Oxidatieve biologische behandeling met een MBR Concept eindrapportage Document nr: Project nr: T843 Versie: 0 Client: Provincie Noord-Brabant Contact Triqua: Christel Kampman Triqua bv Vadaring 7 NL-6702 EA Wageningen P.O. Box 132 NL-6700 AC Wageningen T F info@triqua.nl

2 Inhoudsopgave 1. Introductie 3 2. Doelstelling en onderzoeksvragen 4 3. Beschrijving MBR-pilot Reactorsysteem Opstart Procesvoering Analyses 6 4. Opstart en opvoeren belasting 7 5. Resultaten Biologische oxidatie van CZV Verwijdering specifieke componenten Membraancapaciteit Slibproductie in de bioreactor en slibbelasting ph, zuurstof en temperatuur in de bioreactor N- en P-verbindingen Verbruiksparameters: anti-schuim, zuur en nutriënten Onderzoek naar de verdere behandeling van het permeaat Full scale ontwerp en kosten Samenvatting en conclusies 16 2 van 16

3 1. Introductie Op 19 juni 2012 is op het voormalige terrein van Chemie-Pack door Triqua een pilot Membraan Bioreactor (MBR) opgestart. Gedurende 2 maanden is deze MBR door Triqua bedreven conform het Plan van Aanpak voor de test van de oxidatieve behandeling met een MBR (Triqua referentie BKN, v1). De resultaten van deze test met de MBR worden gepresenteerd in deze rapportage. 3 van 16

4 2. Doelstelling en onderzoeksvragen In het Plan van Aanpak worden de volgende doelstellingen en onderzoeksvragen onderscheiden: 1. Vaststellen biologische afbreekbaarheid van koolstofverbindingen aanwezig in grondwater (op basis van TOC en CZV) 2. Vaststellen van verwijdering van specifieke componenten (bestrijdingsmiddelen, organische koolwaterstoffen, zware metalen, etc.). Hiervoor loopt een monsternameprogramma 3. Vaststellen van de procestechnologische stabiliteit van het systeem (biologische oxidatie, membraancapaciteit, schuimvorming) aan de hand van de volgende procesparameters: CZV, N-totaal, P-totaal, NH 4 -N en NO 3 -N Slibgehalte (droge stof in reactor) en -belasting Verloop ph, zuurstof, temperatuur in de bioreactor Verloop gerealiseerd toevoerdebiet Verloop permeaat productie membranen (l/m 2 membraan h) Verloop druk voor en na membranen (kolom S-X Proces) Visuele waarnemingen 4. Vaststellen verbruiksparameters: Nutriëntendosering (N, P) Loog- en zuurverbruik voor ph-correctie Schuimvorming biologie en verbruik antischuim 5. Vaststellen zuiveringsslibproductie (droge stof productie per m 3 behandeld) 6. Invloed van biologische behandeling op (voorkomen van) polymeervorming in effluent ultrafiltratie 7. Vaststellen van het effect van behandeling van het effluent van de MBR met chemische oxidatie met peroxide en daaropvolgend actief koolfiltratie 8. Vaststellen ontwerpparameters voor full scale installatie MBR 9. Vaststellen investerings- en bedrijfsvoeringkosten ( /m 3 ) 4 van 16

5 3. Beschrijving MBR-pilot 3.1. Reactorsysteem De MBR (2.000 l; processchema in figuur 1) is gedurende twee maanden continue bedreven. Grondwater is in een buffertank gepompt, waaruit de reactor is gevoed. Permeaat uit de membraaninstallatie is teruggevoerd naar de buffertank; geconcentreerd grondwater is teruggevoerd naar de MBR. De membraaninstallatie is opgebouwd uit: twee Berghof UF membranen, die sinds eind 2010 in de pilot MBR aanwezig waren en in 2011 ook zijn bedreven op een ander afvalwater. één set van 4 nieuwe X-Flow UF membranen. Figuur 1:Processchema van de MBR-pilot 3.2. Opstart De reactor is opgestart met 25 l slib van een RWZI (Ede) en 25 l slib van een MBR, welke draait op percolaatwater van een vuilstort. Na 3 dagen is 25 l slib uit een industriële waterzuivering op afvalwater uit de houtvezelbewerking, wat fenolen en formaldehydes bevat, toegevoegd Procesvoering De installatie is tijdens de opstart gevoed met grondwater. Daarnaast is, na de opstart, een paar keer geconcentreerd grondwater bijgemengd. Naarmate het slibgehalte in de MBR toenam, is de belasting opgevoerd. Het doel was om de installatie onder zo stabiel mogelijke condities continue te bedrijven. Daarom is bij het bereiken van een HRT van ruim 0,5 dag bij een slibgehalte van 9 g ds/l de hydraulische belasting niet verder opgevoerd. Initieel is een lage slibbelasting toegepast (0,1 0,15 g CZV/g TSS d, hydraulische verblijftijd 4 5 d). Tot dag 27 is de ph in de reactor gecontroleerd op 8,0 ± 0,2. Op dag 27 is de ph-controle gestopt en is gestart met de dosering van NH 4 Cl (ph 1,5) om een gunstige CZV : N verhouding (van : 1) te realiseren. 5 van 16

6 3.4. Analyses De volgende analyses zijn uitgevoerd: CZV, N-totaal, P-totaal, 2-3 x per week (influent en permeaat) Biomassa (droge stof) gehalte, 2 x per week om groei biomassa te monitoren Stofspecifieke analyses, 2 x per week tot eens per 2-3 weken, afhankelijk van paramater Monitoring van verbruiksparameters Monitoring van influent, effluent en biomassa aan de hand van de in hoofdstuk 2 genoemde procesparameters 6 van 16

7 4. Opstart en opvoeren belasting Gedurende de eerste 18 dagen is de belasting in stappen opgevoerd van ca. 240 naar l/d, onderbroken door enkele technische storingen (te hoge temperatuur bioreactor door onvoldoende functionerende koeling en verstopping van de circulatiepomp voor de UF membranen (figuur 2)). De hydraulische verblijftijd in de bioreactor is dus afgenomen van 5 d bij de start tot 1,4 d sinds dag 18. In totaal is de eerste 18 d 14 m 3 grondwater toegevoerd aan de MBR, 7 x het reactorvolume Influentdebiet (l/d) Figuur 2. Toename influentdebiet MBR. Tijd (d) De slibbelasting is gedurende de eerste 23 dagen toegenomen van ca. 0,02 naar 0,14 g CZV/g ds d (figuur 3), hetgeen qua grootteorde overeenkomt met de belasting in het indicatief ontwerp van de biologische behandeling (0,15 g BZV/g ds d). Daarom is de hydraulische belasting niet verder opgevoerd, maar constant gehouden op 60 l/h (1,44 m 3 /d). 0,2 0,15 Slibbelasting (g CZV/g DS d) 0,1 0, Tijd (d) Figuur 3. Toename slibbelasting MBR. 7 van 16

8 5. Resultaten 5.1. Biologische oxidatie van CZV De biologische afbreekbaarheid van het influent is vastgesteld aan de hand van de influent- en permeaatconcentratie CZV (figuur 4a). Tot en met dag 17 was de ingaande concentratie mg CZV/l en de uitgaande concentratie <90 mg/l (CZV-verwijderingsrendement %; figuur 4b). Hierna is het influentdebiet verhoogd van 50 naar 60 l/h en varieerde de influentconcentratie tussen 500 mg CZV/l en 4,9 g CZV/l. De toenames in influentconcentratie, waargenomen van dag 20 tot 34 en vanaf dag 52, zijn het gevolg van toediening van geconcentreerd grondwater. Als gevolg van de eerste toediening is ook de permeaatconcentratie tijdelijk toegenomen tot 618 mg/l bij een influentconcentratie van 1,7 g/l (verwijderingsrendement 63%), maar nam snel af tot mg/l (verwijderingsrendement 76 98%). Tijdens de tweede toediening van geconcentreerd grondwater is ook de beluchting uitgevallen en is de permeaatconcentratie opgelopen tot 435 mg/l (verwijderingsrendement 78%). De TOC concentratie in het influent bedroeg mg/l, hiervan is % verwijderd, resulterend in een permeaatconcentratie van mg/l. In aanvulling op CZV en TOC is de BZV concentratie gemeten. De concentratie in het influent was mg/l. De behaalde permeaatconcentratie is <3 mg/l, dit betekent dat >98,5% van het BZV is verwijderd a Influent Permeaat 4000 CZV (mg/l) tijd (d) 8 van 16

9 b CZV (mg/l) tijd (d) Figuur 4: (a) CZV in influent en permeaat en (b) verwijderingsrendement in de tijd. 9 van 16

10 5.2. Verwijdering specifieke componenten In het influent van de MBR aanwezige organische verontreinigingen (minerale olie, cis-1,2- dichlooretheen en vinylchloride) zijn grotendeels verwijderd door behandeling in de MBR; ijzer is nagenoeg verwijderd, de meeste (zware) metalen zijn daarentegen beperkt verwijderd (tabel 1). Tabel 1. Verwijdering van specifieke organische componenten en metalen in de MBR. Resultaten MBR Influent Permeaat Pakket VI IJzer mg/l ,20 0,64 Calcium mg/l Natrium mg/l Zwavel mg/l Fluor mg/l 0,66 1,1 0,73 1,4 Broom mg/l 1,3 2,3 1,3 1,8 Pakket VII Minerale olie C10-C40 µg/l < VOCl 1,1-dichloorethaan µg/l <0,1 <1,0 <0,1 1,2-dichloorethaan µg/l 1,2 <4,0 <0,1 1,1-dichlooretheen µg/l <0,1 < 1,0 <0,1 cis-1,2 dichlooretheen µg/l <0,1 1,9 som (cis, trans) 1,2-dichlooretheen µg/l <0,2 1,9 trans 1,2-dichlooretheen µg/l <0,1 <4,0 <0,1 dichloormethaan µg/l <0,5 <20 <0,5 1,1-dichloorpropaan µg/l <0,3 <3,0 <0,3 1,2-dichloorpropaan µg/l <0,2 <2,0 <0,2 1,3-dichloorpropaan µg/l <0,25 <2,5 <0,25 Som dichloorpropanen µg/l <0,9 <7,5 <0,9 tetrachlooretheen µg/l 1,2 4,2 <0,1 tetrachloormethaan µg/l <0,1 <1,0 <0,1 1,1,1-trichloorethaan µg/l <0,1 <1,0 <0,1 1,1,2-trichloorethaan µg/l <0,1 <1,0 <0,1 trichlooretheen µg/l 3 5,9 <0,1 chloroform µg/l <0,1 <1,0 <0,1 vinylchloride µg/l 4,2 <20 <0,5 tribroommethaan µg/l <0,2 <2,0 <0,2 Pakket IX Arseen µg/l Cadmium µg/l <1 <1 Chroom µg/l ,8 5,3 Koper µg/l <6 9, Kwik µg/l <0,1 <1 <0,1 Lood µg/l <8 15 <8 Mangaan µg/l < Nikkel µg/l 6,5-26 9,4 24 Zink µg/l < van 16

11 5.3. Membraancapaciteit De membraanflux van alle membranen is geleidelijk afgenomen en vervolgens gestabiliseerd (figuur 5). Voor reeds gebruikte membranen is de flux afgenomen van ca. 120 tot 80 l/m 2 h en voor de nieuwe membranen van ca. 225 tot 200 l/m 2 h. Vanaf dag 49 is de flux snel afgenomen t.g.v. de toediening van geconcentreerd grondwater. Na reiniging op dag 57 nam de flux toe tot l/m 2 h voor de reeds gebruikte membranen en 200 l/m 2 h voor de nieuwe membranen. De behaalde fluxen zijn beduidend hoger dan de flux die in het prototype van de UF installatie behaald is op onbehandeld grondwater. Deze lag doorgaans rond de 50 l/m 2 h (overeenkomend met 10 m 3 /h permeaat) of lager en membranen moesten gemiddeld eens per week gereinigd worden. De resultaten suggereren dat biologische behandeling van het grondwater een duidelijk positieve invloed heeft op de capaciteit en reinigingsfrequentie van de UF membranen Berghof 1 Berghof 2 X Flow flux (l/m 2 h, 30 C) tijd (d) Figuur 5. Verloop membraanfluxen (l/m 2 membraan h, gemodelleerd naar 30 C) in de tijd. De procescondities waaronder de membranen zijn bedreven zijn tijdens de test zo constant mogelijk gehouden. De circulatiesnelheid door de membranen bedroeg ca. 8 m 3 /h (3 3,5 m/s). De druk nam af van ca. 4 bar voor het eerste membraan tot 3,1 bar na de eerste set membranen, 2,3 bar na de tweede set membranen en 1,8 bar na de derde set membranen. De transmembraandruk (TMP) bedroeg ca. 3,6 bar voor het eerste (oude) Berghof membraan, ca. 2,8 bar voor het 2 e Berghof membraan en ca. 2,2 bar voor de nieuwere X-flow membranen. Deze condities komen in grote lijnen overeen met de condities die in de praktijk voorkomen. 11 van 16

12 5.4. Slibproductie in de bioreactor en slibbelasting Het slibgehalte in de bioreactor is gemeten als totale droge stof en onopgeloste bestanddelen, ook is het gehalte vaste organische stof (volatile suspended solids, VSS) berekend op grond van de gloeirestanalyse (figuur 5). Het droge stofgehalte in de bioreactor was tot dag 17 stabiel rond 4 g ds/l. Hierna nam de concentratie toe tot 12 g ds/l op dag 27 (figuur 5), een voor een MBR gangbare waarde. Dit komt overeen met een slibproductie van 0,5 g ds/g CZV verwijderd. T.g.v. het spuien van 50 l reactorinhoud is de concentratie droge stof op dag 30 afgenomen. Op dag 41 is de helft van de reactorinhoud gespuid om bij een verlaagd influentdebiet een gelijke slibbelasting te behouden. Vanaf dag 41 is de niveaumeting verstoort, resulterend in het continue verliezen van biomassa. Daarnaast heeft de tweede toediening van geconcentreerd grondwater geresulteerd in sterke schuimvorming en biomassa-afbraak. Gezamenlijk heeft dit geresulteerd in een afgenomen slibconcentratie. De concentratie onopgeloste bestanddelen was stabiel rond 4 g/l, en nam vanaf dag 17 toe tot 8 g/l op dag 27 (figuur 6). Van dag 13 tot 30 was de concentratie vaste organische stof stabiel rond 3 g/l. De gloeirest is door toename van het organisch stofgehalte toegenomen van 25 % (dag 17) tot ca. 60 % (vanaf dag 23). Dit geeft aan dat slibproductie vooral is toe te schrijven aan accumulatie van zout(kristallen), welke in hoge concentraties aanwezig zijn in het influent Droge stof Onopgeloste bestanddelen Organische stof (VSS) 10 concentratie (g/l) tijd (d) Figuur 6. Verloop slibconcentratie in de MBR in de tijd. Door een fluctuerende CZV-concentratie (van 500 mg/l tot 4,9 g/l) fluctueerde ook de slibbelasting. Na de opstart schommelde deze rond 0,10 g CZV/g ds d (figuur 7). 12 van 16

13 1 0,9 0,8 Slibbelasting (g CZV/g DS d) 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0, Tijd (d) Figuur 7: Slibbelasting in de MBR in de tijd ph, zuurstof en temperatuur in de bioreactor De ph in de MBR (tabel 2) is tussen dag 3 en 27 gecontroleerd op 8,0 ± 0,2 door middel van automatische dosering van 30 % zoutzuur. Vanaf dag 27 is deze dosering gestopt omdat het verbruik van zuur zeer laag bleek en de automatische doseerinstallatie is ingezet voor dosering van stikstof. De ph bleef echter vrij constant en binnen een range optimaal voor microbiologische omzettingen. Het zuurstofgehalte is met de blower op 3 mg/l geregeld. Tot aan dag 10 waren de concentraties hoger. Vanaf dag 14 was het zuurstofgehalte ca. 3 mg/l (tabel 2). De temperatuur is met een warmtewisselaar met toevoer van koelwater (RO-effluent) geregeld op ca. 32 C. Lagere temperaturen traden op als gevolg van eerdergenoemde stilstanden (paragraaf 4.2.). Enkele keren was er te weinig RO-effluent beschikbaar waardoor de temperatuur op liep tot 39 C en een alarm werd gegenereerd dat de toevoer van ruw water en de recirculatie stop zette (tabel 2) N- en P-verbindingen In het influent is mg N-totaal/l en 0 31 mg P-totaal/l aangetroffen (tabel 1). Evenals CZV-concentraties namen influentconcentraties stikstof en fosfor toe wanneer geconcentreerd grondwater gedoseerd werd. De CZV : N-totaal verhouding van het influent varieerde tussen de 31 en de 57, de CZV : P- totaal verhouding tussen de 205 en de 745. Op grond van deze verhoudingen is nutriëntendosering in de vorm van N en P in principe noodzakelijk om een gezonde slibgroei in de bioreactor te krijgen. Desondanks zijn er NH 4 -N en totaal-p aangetroffen in het permeaat. Deze waardes waren lager dan in het influent. Echter, niet alle aanwezige N en P is vastgelegd met de groei van biomassa en dit is een aanwijzing dat nutriëntendosering niet noodzakelijk zou zijn. Achteruitgang van de organische stofomzetting op termijn kan echter niet uitgesloten worden. Daarom is vanaf dag 27 automatisch via een doseerpomp ammoniumchloride gedoseerd (15 g N/d). P-dosering werd noodzakelijk geacht indien het P-gehalte structureel 13 van 16

14 <0,3 mg P/l zou zijn. Influent en permeaatconcentraties zijn gemonitord; beide waren meestal >0,3 mgp/l, P-dosering is dus toegepast. Tabel 2:pH, DO, temperatuur en nutriëntenconcentraties. Parameter Eenheid MBR Influent Permeaat ph - 6,6 9,0 a 7,1 9,0 6,6 8,3 DO mg/l 3,0 3,8 b Temperatuur C Totaal-N mgn/l ,1 120 N kj mgn/l ,9 47 NH 4 -N mgn/l 0,7 19 0,06 25,5 NO 3 -N mgn/l 1,3 23 1,1 31 Totaal-P mgp/l ,07 47 a. ph ingesteld op 8,0 ± 0,2. Ook binnen de gemeten range functioneert een biologisch systeem echter goed. b. Opstartdata (t/m dag 10) en storingen buiten beschouwing gelaten Verbruiksparameters: anti-schuim, zuur en nutriënten In geval van schuimvorming is dit bovenin de bioreactor automatisch gedetecteerd en is automatisch antischuim gedoseerd. Schuimvorming in de bioreactor is echter niet of nauwelijks opgetreden, niet tijdens opstart, noch tijdens regulier bedrijf. Het verbruik van antischuim is daarom beperkt gebleven tot 1 l op een totale toevoer van 45 m 3 (0,02 l/m 3 ). Het verbruik aan 30 % zoutzuur voor correctie van de ph bedroeg ca. 5 liter over de eerste 27 dagen. Hierna is de ph-correctie gestopt zonder gevolgen voor de processtabiliteit. N-dosering is gestart op dag 27. In een periode van 30 dagen is 58 l NH 4 Cl gedoseerd op een totale toevoer van 18 m 3 (3 l/m 3 ). Na aanvang van de dosering is de activiteit van de MBR niet toegenomen, het is nog niet duidelijk of de dosering nodig is voor een stabiel proces. P-dosering is niet nodig gebleken gezien de hoge P-concentraties in influent en permeaat Onderzoek naar de verdere behandeling van het permeaat Op korte termijn zullen chemische oxidatie en actief koolfitratie van het effluent onderzocht worden. Chemische oxidatie d.m.v. peroxide zal gebruikt worden om persistente verontreinigingen zoals bestrijdingsmiddelen uit het effluent van de MBR te verwijderen. Effluent van de MBR zal zowel direct (zoals beschreven in de memo d.d ) als na behandeling met peroxide behandeld worden in een actief koolfilter. De effluentkwaliteit na directe actief koolfiltratie, na chemische oxidatie en na RO (huidige configuratie) zullen vergeleken worden om te beoordelen of het gebruik van de RO noodzakelijk is. 14 van 16

15 5.9. Full scale ontwerp en kosten Ontwerpgrondslagen: CZV ingaand 700 milligram / liter Rendement 75% Belasting 0,15 kg CZV verwijderd / kg slib * dag Biomassa concentratie 8 gram / liter Voor de behandeling van 5 m3 afvalwater per uur (ontwerpdebiet prototype) kom je hiermee op een tankgrootte van 52 m3. Momenteel is al een MBR voor het prototype in gebruik. Hierbij is een 100 m3 (neto) Vlerk container in gebruik waarin een beluchting is ingebouwd. Overige grotere equipement is gehuurd, evenals de Vlerk container, en leidingwerk en bekabeling is reeds aangekocht. Bij het omzetten naar een volledige aankoop waarbij: een vergelijkbare container nieuw wordt aangekocht, echter zonder hydraulische hefinrichting, alle overige onderdelen worden omgezet en aangekocht vanuit de huidige verhuur, leidingwerk en bekabeling vast wordt uitgevoerd, opgenomen in de totale automatisering en beveiliging, dient rekening gehouden te worden met een investering van ongeveer ,-. [Operationele kosten: in nader overleg in te vullen + gebruik van de laatste overzichten aan operationele kosten (gemaakt door Johan, Tauw)] 15 van 16

16 6. Samenvatting en conclusies De opstart van de MBR was zeer snel. De hydraulische verblijftijd is verkort van 5 d bij de start tot 1,4 d vanaf dag 18. De slibbelasting is gedurende de eerste 23 dagen toegenomen van ca. 0,02 naar 0,14 g CZV/g ds d (indicatief ontwerp 0,15 g CZV/g ds d). In de MBR is bij een slibbelasting van ca. 0,1 g CZV/g ds d een stabiele CZVverwijdering van >80 % en een BZV-verwijdering >98,5 % bereikt. Deze verwijdering is behaald bij wisselende influentconcentraties, influentdebieten en biomassaconcentraties. Een eerste piekbelasting t.g.v. toediening van geconcentreerd grondwater is goed opgevangen; een tweede piekbelasting resulteerde in schuimvorming en, in combinatie met een verkeerde instelling, biomassaverlies De geselecteerde organische verontreinigingen (waaronder minerale olie, cis-1,2- dichlooretheen en vinylchloride) zijn grotendeels verwijderd door behandeling in de MBR; ijzer is nagenoeg verwijderd, de meeste (zware) metalen zijn daarentegen beperkt verwijderd. De biologische oxidatiestap zal de vervolgstappen in het systeem, UF (als onderdeel van de MBR), omgekeerde osmose en actief koolfiltratie, ontlasten. Een kleine hoeveelheid antischuim (0,02 l/m 3 ) en stikstof (3 l NH 4 Cl/m 3 ) zijn toegediend. Stikstof is gedoseerd om een gunstige CZV : N verhouding te realiseren, het effect hiervan is nog onduidelijk. ph-sturing en P-dosering zijn niet nodig geweest. Gedurende deze pilottest is de UF lange tijd bedreven bij een membraanflux van 80 tot 120 l/m 2 h. Verontreiniging t.g.v. het toedienen van geconcentreerd grondwater kon makkelijk verwijderd worden waarna de membraanflux herstelde. Wanneer grondwater direct door UF behandeld is, is een lagere flux behaald (50 l/m 2 h) en moesten de membranen eens per week gereinigd worden. Deze resultaten geven aan dat biologische oxidatie van het grondwater een duidelijk positieve invloed op de capaciteit en reinigingsfrequentie van de UF membranen heeft. De biomassaconcentratie in de reactor is een aandachtspunt. I.v.m. het hoge zoutgehalte en de neerslag van zouten zou de anorganische fractie van het slib verder toe kunnen nemen, resulterend in een afnemend biomassagehalte. Hiermee kan ook de omzettingscapaciteit van de reactor afnemen. 16 van 16