Membraanbioreactor (MBR) Varsseveld

Transcriptie

1 Membraanbioreactor (MBR) Varsseveld Philip Schyns MBR Varsseveld Principes VOORBEHANDELING Fijnrooster Zand & vet vanger Microzeef BIOLOGISCH PROCES Actief slib tank Verwijdering drijflaag SCHEIDING Membraan tank Beoogde permeaatkwaliteit N totaal 1) P totaal 2) Zware metalen Micro verontreiniginge Bacteriën n & virussen Hormonen Varsseveld 3) 5, EEG MTR 2,2,15 ja ja ja ja Slibrecirculatie Membraan tank leegtrekken 1) Jaargemiddelde 2) Gemiddelde van 1 opeenvolgende monsters 3) Periode april t/m oktober Permeaatkwaliteit MBR Varsseveld 27 Parameter Influent Permeaat Efficiency CZV mg/l 617 mg/l 24 % 96 MBR Varsseveld N-totaal P-totaal *) , Niet altijd schijnt de zon *) Chemicaliën Dosering,6 -,8 mol Fe/mol P

2 Natuur en techniek? Civiele probleempjes MBR Varsseveld Membraan tanks Optimalisatie modulebevestiging Belasting Minimum Optimaal Ontwerp Maximum *) Per Netto flux l/(m 2.h) Per membraan straat Tijdsduur dagen Debiet *) m 3 /h Optimalisatie besturing Aanpassingen software MBR Varsseveld Optimalisaties Optimalisatie blowerregeling membraantanks - Aanpassing schakelvolgorde - Eerst blower 1 naar maximum toerental, dan pas 2 in bedrijf Optimalisatie straatsturing membraantanks - Extra niveausetpoints Minder snel naar 3 of 4 membraanstraten in bedrijf Altijd minimaal 1 membraanstraat in bedrijf

3 Straatsturing Zondag 8 oktober 26 Optimalisatie besturing Aanpassingen software (vervolg) Aantal tanks in bedrijf [-] 4 Gemeten : 2: 4: 6: 8: 1: 12: 14: 16: 18: 2: 22: : Optimalisatie reinigingsprocedures membraantanks - Uitvoering per reinigingsblok instelbaar Permeaatdebiet, terugspoeltijd, inweektijd etc. - Niveau in de membraantank is per reiniging instelbaar Instelling van de membraantoevoerpomp tijdens paraatmode - Via een loop/wachttijd regeling Aantal tanks in bedrijf [-] Berekend Ontluchting membraansysteem : 2: 4: 6: 8: 1: 12: 14: 16: 18: 2: 22: : Energie verbruik Per maand Energie verbruik Per jaar Bedankt voor uw aandacht Heeft u nog vragen?

4 INNOVATIE EN DOORONTW. Locatie plangebied Resultaat vooronderzoek + optimalisatiestudie (oktober 26 27) Herontwikkeling terrein RZWI Bergermeer en directe omgeving 1. Aanleiding 2. Begrenzing uitbreidingsmogelijkheden Alkmaar; opdracht bouwen > 3 woningen binnen stedelijk gebied 1. Modernisering RWZI; voldoen aan KRW en andere Europese regelgeving 3. Nieuw centraal kantoor hoogheemraadschap; 1 13 m2 met werkplek voor ca. 5 medewerkers 2. Integrale benadering (a) Ambities: water als verbindend element IMAGO IMAGO IMAGO IMAGO MAATSCH. WINST REPRODUCEER- BAARHEID BETEKENIS ZUIVEREN ZUIVEREN CASUS THEMA WATER HUISVESTING HUISVESTING HERONTWIKKELING MEERVOUDIG GRONDGEBRUIK IMAGO IMAGO IMAGO IMAGO 3. Ruimtewinst MBR (d) Hergebruik effluent 4. Meervoudig grondgebruik (c) Scenario Noord 75% 5% 2% MBR langs Huiswaarderweg, ook fungerend als geluidsscherm MBR Noord 1

5 4. Meervoudig grondgebruik (d) Scenario Zuid (voorkeur) 4. Meervoudig grondgebruik (e) Afweging keuze scenario Zuid MBR in park stadskwekerij (deels ondergronds) 1. Meer woningen dan Noord (± 8) 2. Logistiek MBR eenvoudiger 3. Combinatie met park bijzondere uitdaging 4. Combinatie met kantoor HHNK aantrekkelijk 5. Betere faseerbaarheid MBR Zuid 8. Overleg Ministeries van VROM en V&W / Provincie NH (okt. 26 febr. 27) 1. Evaluatie door Royal Haskoning (VROM) 2. Advies door Taskforce Ruimte (NH) 3. Onderzoek naar inzet EFRO-gelden (NH) 4. Aftasten van de markt (beleggers e.d.) 9. Vervolgactiviteiten (januari augustus 27) 1. Planontwikkeling sanering NUONterrein 2. Opstellen structuurvisie 3. Opstellen plan MER 4. Uitvoeren optimalisatiestudie* * Op basis van rapporten RHK, TFR en overleg marktpartijen 1. Resultaat optimalisatiestudie (a) Algemeen 1. Doelen allen nagenoeg realiseerbaar 2. Vermindering tekort met ca. 2% ( 32 mln., c.w.) 3. Meer investeringen en kosten 4. Meer woningen en duurzaamheid 5. Sluitende grondexploitatie afhankelijk van bijdragen derden 1. Resultaat optimalisatiestudie (b) Specifiek 1. Capaciteit MBR -1% 2. Aantal woningen +25% 3. Kosten duurzaamheid ca. 22./woning 4. EPL 8,3 + EPC,24 (reductie CO2 6%) 5. Drinkwatergebruik -5% 6. Projectrealisatie via V.O.F. (advies) 2

6 11. Planning (sept. 7 jan. 8) sept./okt. 7 2 sept. 7 okt./nov. 7 november 7 Februari 8 Besluitvorming HHNK- Alkmaar Overleg Provincie NH Reflectiesessie Habiforum Aanbieden studie VROM/V&W Beslissing go / no-go 3

7 HIER KOMT EEN TITEL 1 HIER KOMT EEN TITEL Hybride MBR Heenvliet Qi max 39 m 3 /h Aeration tank disinfection MLSS = 4 g/l clarifier Q = Qi Q-permeate 29 m 3 /h MBR MLSS = 12 g/l Q-permeate max 1 m 3 /h HIER KOMT EEN TITEL 3 HIER KOMT EEN TITEL 4 Overzicht MBR Heenvliet tot nu toe Gevolgen voor het onderzoek Maart 26: eerste opstart in hybride bedrijf Zomer 26 waarneming slib in permeaat September 26: vervangen headers Januari 27: waarneming beschadiging membraanplaten; besluit membraanvervanging Juni 27: besluit verhoging beluchtingscapaciteit Oktober 27: alle modificaties gereed Volgen onderzoeksplan tot nu toe niet goed mogelijk Maar wel veel geleerd HIER KOMT EEN TITEL 5 HIER KOMT EEN TITEL 6 Permeabiliteit Permeabiliteit Permeability (15 C) Gestage daling permeabiliteit Daarna sterke daling permeabiliteit Desondanks beheersbare situatie Minder angst voor bedrijf met lagere permeabiliteit l(m 2 h.bar) Recovery cleaning 19-mrt-6 18-mei-6 17-jul-6 15-sep-6 14-nov-6 13-jan-7 14-mrt-7 13-mei-7 12-jul-7 1-sep-7 1

8 6- mr t ap r m e i- 6 MT1-1 MT 1-2 MT1-3 MT1-4 MT1-5 MT1-6 MT1-7 MT1-8 MT2-1 MT2-2 MT 2-3 MT2-4 MT2-5 MT2-6 MT2-7 MT jun ju l-6 28-aug o kt- 6 6-nov de c jan feb m r t ap r ju n jul au g - 7 HIER KOMT EEN TITEL 7 HIER KOMT EEN TITEL 8 Fluxen Stikstof permeaat mg N/l Mrt'6 Mei'6 Jul'6 Sep'6 Nov'6 Jan'7 Mrt'7 Mei'7 Jul'7 Sep'7 Bruto Flux MT2 b lm2h Netto Flux MT2 b lm2h Bruto Flux MT2 o lm2h Netto Flux MT2 o lm2h NH4-N mg/l NO3-N mg/l HIER KOMT EEN TITEL 9 HIER KOMT EEN TITEL Stikstof afloop NBT Stikstof totaal effluent mg N/l Mrt'6 Mei'6 Jul'6 Sep'6 Nov'6 Jan'7 Mrt'7 Mei'7 Jul'7 Sep' mg N/l Mrt'6 Mei'6 Jul'6 Sep'6 Nov'6 Jan'7 Mrt'7 Mei'7 Jul'7 Sep'7 NH4-N mg/l NO3-N mg/l NH4-N mg/l NO3-N mg/l HIER KOMT EEN TITEL 11 HIER KOMT EEN TITEL 12 Membraanintegriteit Membraanintegriteit van module naar verzamelheader steekmonster 3,5 Thermotolerant E-coli 3, Some leakages 2,5 CFU/ml 2, 1,5 1,,5, Module nr 26-apr-6 1-jun-6 25-okt-6 15-nov-6 29-nov-6 13-dec-6 31-jan-7 21-feb-7 28-feb-7 1-aug-7 2

9 HIER KOMT EEN TITEL Vervolg Oppakken onderzoeksplan Lering trekken uit de afgelopen 1,5 jaar Hybride bedrijf dominant Nadruk op energieverbruik (naast de andere onderzoeksitems) 3

10 Hybride variant zandfilter anaëroob selector carrousel nabezinktank Rwzi Ootmarsum influent voorbehandeling overstort effluent Leeuwarden, 16 november 27 buffer MBR fijnrooster Schematisch airlift-systeem continue luchtinjectie Stijging d.s.-concentratie MBR [2 weken] Zuurstofconcentratie MBR [2 weken] 1

11 Nutriëntenconcentratie MBR [2 weken] Membraan extractie eenheid 1 [1 uur] Werking bufferbezinktank [2 weken] A -1 A

12 1 STOWA-project Ontwerp-, aanbestedings- en beheersaspecten MBR "state-of-art" Achtergrond project Helft ontwikkelingstraject communaal Pilot: Beverwijk, Maasbommel, Hilversum, Leeuwarden, Varsseveld, Ootmarsum Praktijk: Varsseveld, Heenvliet, Ootmarsum Voorbereiding: Hilversum Haalbaarheid: Utrecht, Alkmaar, Terneuzen Behoefte aan reflectie en kennisoverdracht Zijn we goed bezig Wat hebben we geleerd Doel Praktische handleiding voor toekomstig ontwerp en beheer + aanbestedingsaspecten

13 2 Organisatie project STOWA BC Philip Schyns (VZ) Cora Uijterlinde Hans Ellenbroek Kees de Korte Jan Mulder George Zoutberg STOWA Team Jans Kruit (PL) Herman Evenblij André van Bentem Bert Geraats Ellen van Voorthuizen Opzet project Inventarisatie fase Literatuur o.a STOWA rapporten, Amadeus, EuroMBRA rapporten, The MBR book (Judd) Standaarden Brainstorm STOWA Team op 22 november Ontwerp en beheersaspecten fase Workshop 4 december Rapport ontwikkeling

14 3 Workshop 4 december Doel: Het vaststellen van de kritische ontwerp en beheerspunten van een MBR Aanpak: Interactief / groepen Met wie..? MBR platformleden en operators Uitvoering workshop 4 december Ochtend: Vaststellen critical design points Vaststellen critical control points Prioriteit van critical points Vaststellen: Aan de hand van PFD,P&ID s en C/W-tek. van Nederlandse MBR installaties (Heenvliet, Varsseveld, Ootmarsum, Hilversum) Prioriteiten: Mate van discussie (1 5) Zwaartepunt discussie T, W, C, E&B

15 4 Uitvoering workshop 4 december Middag: Uitwerking belangrijkste CDP s en CCP s Verschillen met conventioneel Oplossingen en tips Wat moet je niet doen Uitwerking CP s Interactief in 3 gemengde groepen Elke tafel een verschillende set CDP s en CCP s Met behulp van Mind manager STOWA-teamleden zijn procesbegeleiders en informatie verwerkers Mindmanager

16 5 Uitnodiging Workshop 4 december Royal Haskoning Nijmegen 1: 16: Inschrijven kan vanaf NU!!

17 BACK- WASH WATER- BUFFER O 2 Ervaringen met een nageschakelde MBR op rwzi Leeuwarden Opbouw presentatie Aanleiding Hypotheses Onderzoeksopzet MBR platformdag 16 november 27 te Leeuwarden Sybren Gerbens Sr. Zuiveringstechnoloog Wetterskip Fryslân Nageschakelde MBR EE2 batch- en CSTR testen Resultaten Conclusie Aanleiding Pilot-MBR beschikbaar gesteld door VITENS voor Blauwe Diamant project voor levering schoon water Slib nageschakelde MBR bleek een verhoogde EE2- verwijderende capaciteit te hebben Hormoonverstorende stoffen in oppervlaktewater afkomstig van RWZI (LOES). Naast Oestron wordt EE2 een belangrijke rol toegedicht! EE2 Ethinylestradiol (EE2); actieve bestanddeel anticonceptiepil Hypotheses HYPOTHESE 1 Verbeterde EE2-verwijderende capaciteit van het slib is het gevolg van een unieke bacteriepopulatie die is ontstaan door : - de specifieke voeding, rwzi effluent - de theoretisch oneindig lange slibleeftijd HYPOTHESE 2 Als een unieke bacteriepopulatie in staat is tot verbeterde EE2 verwijdering dan is het slib wellicht ook in staat andere microverontreinigingen (bv. medicijnresten en bestrijdingsmiddelen) beter biologisch te verwijderen Onderzoeksopzet Nageschakelde MBR M MBR-SYSTEM effluent Monitoring nageschakelde MBR in twee fasen Fase 1: zonder azijnzuurdosering;,16 kgbzv/kgds/d Fase 2: met azijnzuurdosering;,1 kgbzv/kgds/d Monitoring: Hormoonverwijderende slibactiviteit (WUR) Hormoonverstorende stoffen (ER-Calux; BDS) Medicijnresten (Omegam) Nutriënten en slibgehalte Slibactiviteit (respirometer) Andere micro s (Bestrijdingsmiddelen, zware metalen etc.) EE2- slibactiviteit (Batch) EE2- slibactiviteit met labschaal MBR (CSTR) AT FeClSO 4 DISCONTINUOUS SANDFILTRATION Kenmerken configuratie Side stream volume (nat) 34 m 3 merk membranen X-flow type membraan Ultrafiltratie (UF); inside-out filtratie principe membraan Cross-flow totaal oppervlak membranen 29 m 2 poriediameter membraan,3 µm permeaatpomp debiet Max. 8 m 3 /h SC A D N1 N2 effluent A D N1 N2 AT SC M : Anaerobic tank : Anoxic tank : Anoxic/aerobic tank : Aerobic tank : Activated sludge tank : Secondary clarifier : Membrane effluent

18 EE2 test labschaal MBR (CSTR) EE2 test (Batch) d.s. O2 EE2 opl. in methanol Influent Effluent RWZI start hormoon concentratie 5 ug EE2/liter Configuratie Intern-submerged volume (nat) reactor 1 liter start hormoon concentratie 5 ug EE2/liter Slibgehalte 2 g DS/l volume (nat) reactor 16 liter merk membranen Kubota type membraan Plaatmembraan filtratie principe membraan Outside-in effectieve permeaat debiet 3,6 6,8 liter / dag Slibgehalte 1,7 4,5 g DS/l Permeabiliteit & Flux Flux start = 4 l/h/m2 q Dalende permeabiliteit Effluent Lab-MBR Kenmerken Kenmerken q Buffertank Vat q Chemische reiniging tijdelijk effect q Relatief oude membranen (>5 jaar) Slibactiviteit q Slibactiviteit Fase 1 is extreem laag q Toename slibactiviteit na azijnzuurdosering Slibgroei q Zeer langzame slibgroei q gloeirest = 6% (normaal 3%) Microscopische slibanalyse Sept. 24 Nov. 25 Dec. 26 2

19 Hormoonverstorende stoffen Verwijdering hormoonverstorende stoffen (ER-Calux) - RWZI Leeuwarden ca. 9% - Nageschakelde MBR gemidd. >87% (Fase 1+2) - Discontinu zandfilter 53% Hoge influent RWZI piek hormoonverstorende stoffen in dec. 26! Azijnzuurdosering positief effect Medicijnresten Rendement nagesch. MBR = conventionele rwzi Na-MBR verwijdert medicijnresten beter dan Zandfilter Azijnzuurdosering lijkt geen effect te hebben Tabel 1: Vergelijking medicijn verwijdering tussen nageschakelde MBR en discontinu zandfilter op 13 april 25 en de gemiddelde medicijnverwijderng van de na-mbr van 4 metingen Stof MBR MBR Zandfilt Verwijderings Verwijderinsrendement Gemiddelde er -rendement Verwijdering MBR Zandfilter na-mbr (4 metingen) Influent Effluent Effluent (%) (%) (%) (ug/l) (ug/l) (ug/l) Carbamazepine,65,71,67-9% -3% -9% Coffeine <.5 <.5 < >8% Diclofenac,17,9,1 47% 41% 45% Erythromycine,8 <.1,8 >88% % 86% Gemfibrozil,7 <.1,1 >86% 86% >91% Metoprolol,63,34,59 46% 6% 61% Naproxen,4 <.2 <.2 >5% >5% 7% Sotalol 45% Sulfamethoxazol,1,9,1 1% % 7% Trimethoprim,2 <.2,13 >9% 35% >84% ibuprofen >75% Microverontreinigingen & Toxiciteit Redelijke verwijdering steroïden (o.a. nicotine, cholesterol) Pesticiden en ftalaten slecht verwijderd Zware metalen worden slecht tot redelijk verwijderd (range 8% tot 71%). één prioritaire stof, weekmaker DEHP, die KRW-eis overschrijdt Enkele stoffen RWZI effluent overschrijden MTR waarde (Diazinon, Cholesterol, Diisobutylftalaat, Di-n-octylftalaat, Koper en Zink) herbicide Diuron en pesticide Diazinon worden blijkbaar nog gebruikt, terwijl deze bestrijdingsmiddelen verboden zijn in Nederland Afname acute toxiciteit (alg, bacterie en watervlo) is beperkt (27%) EE2 Batchtest EE2 slibactiviteit (batch) na-mbr >>> RWZI slib Toename EE2-activiteit na azijnzuurdosering Resultaten: EE2 Batch & CSTR test EE2 slibactiviteit (CSTR) nageschakelde MBR >>> RWZI slib EE2 slibactiviteit lab-mbr >> Batch Verminderde diffusielimitatie slib door kleinere slibvlok lijkt oorzaak hogere EE2 activiteit Belangrijkste conclusies Goede verwijdering hormoonverstorende stoffen met nageschakelde MBR (>87%; ER-Calux) Ondanks hoog ER-Calux rendement, wordt er theoretisch slechts 5% EE2 verwijderd in Fase 2. PNEC norm (,1 ngee2/l) niet gehaald EE2 heeft een beperkt aandeel in de ER-Calux Hoge EE2-activiteit van nageschakeld-mbr slib is waarschijnlijk veroorzaakt door verminderde diffusielimitatie t.o.v. RWZI slib, als gevolg van een kleinere slibvlok Specifieke bacteriepopulatie (nog) niet aangetoond Medicijnresten redelijk verwijderd, maar vergelijkbaar met conventionele rwzi Azijnzuurdosering verbetert verwijdering hormoonverstorende stoffen en de EE2-slibactiviteit, maar niet de medicijnverwijdering

20 Meerwaarde MBR THE END Nageschakelde MBR verwijdert maar een beperkt aantal microverontreinigingen en heeft daarmee als nabehandelingstechniek een beperkte werkingsrange ten op zichte van geavanceerde oxidatie of actiefkoolfiltratie Kleinere slibvlok in MBR op ruw afvalwater in combinatie met slibretentie, resulteert in betere verwijdering van hormoonverstorende stoffen en andere (organische) microverontreinigingen ten opzichte van conventionele rwzi s MBR bedrijven bij lagere slibconcentraties??? VRAGEN??

21 Noteview / Handout CEN, the European Committee for Standardization, founded in 1961 by the national standards bodies CEN standards: approved by national standard bodies (NEN-EN..) standaardisatie MBR CEN Workshop Agreement: a technical agreement, developed by an open workshop structure within the framework of CEN and owned by CEN as a publication, which reflects the consensus of identified individuals and organizations responsible for its contents CWA 34 kees de korte STOWA 16 november 27 STOWA 16 november 27 CEN Workshop 34 - 'Submerged' Membrane Bioreactor (MBR) Technology Background The membrane-activated sludge process, commonly referred to as membrane bioreactor (MBR) technology, is implemented for treatment of municipal and industrial wastewater as a combination of the conventional activated sludge process together with a membrane filtration step to separate solids and liquids. Today, the European market is very fragmented with many MBR filtration products with diverse geometries, module capacities, and operational modes. Although this is a normal situation in a competitive market, this fragmentation of approach can be detrimental to the acceptance of the technology as 'state-of-the-art' process, and cause concern to potential clients or end-users. CEN Workshop Agreement The aim of the proposed CEN Workshop is to create a CEN Workshop Agreement (CWA) which will: improve the basis for communication and understanding of MBR technology by defining common terms and definitions; increase the comparability and transparency of products and the enduser's confidence in them, by specifying acceptance and monitoring tests; increase the end-user's reinvestment opportunities and decreasing the MBR filtration module investment costs by specifying guidelines to facilitate interchangeability of MBR filtration systems. STOWA 16 november 27 STOWA 16 november 27 stand van zaken CWA 34 initiatief door Amedeus november 26 > CWA voorbereiding mei 26 opstellen Business plan juni 26 > PT1 en PT2 bespreken concepten PT augustus 27 bespreken concepten CWA oktober 27 vaststellen definitieve versie publicatie CWA 34 januari 28 vaststellen CWA 34 juni 28 resultaat CWA 34 meer ontwerprichtlijnen dan standaard voor hardware voor aparte en gecombineerde membraansystemen geen getallen STOWA 16 november 27 STOWA 16 november 27 Basis layout Waternet Powerpoint 1

22 Noteview / Handout membraantanks Hilversum en CWA34 ontwerp principes lay out leveringsomvang bedrijfstoestanden regelstrategieën historie rwzi Hilversum 91. ve 145 m3/h MBR 15 m3/h N = 2.2 mg/l P =.15 mg/l membranen 8 eenheden voor nu en later universele membraantank one size fits all STOWA 16 november 27 STOWA 16 november 27 nieuw ontwerp rwzi Hilversum 91. ve 15 m3/h MBR 15 m3/h N = 5 mg/l P =.5 mg/l membranen 8 eenheden voor nu en later vlakke vloer plug & play membraantanks ontwerp principes uitwisselbaarheid membranen voor nu en later vlakke vloer plug & play criterium: 2 (of meer) verschillende membranen tegelijkertijd in bedrijf STOWA 16 november 27 STOWA 16 november 27 lay out membraantanks lay out membraantanks example 1 example 2 example 3 feed and return header feed and return header feed and return header STOWA 16 november 27 STOWA 16 november 27 Basis layout Waternet Powerpoint 2

23 Noteview / Handout membraantanks membraantanks leveringsomvang Item Air compressors Drain pump Effluent pump Chem circulation pump Permeate pump Feed pump Air control valve Chem dosing pump Effluent valve Drain valve supplied by customer x x x x supplied by manufacturer x x x x x x STOWA 16 november 27 STOWA 16 november 27 membraantanks bedrijfstoestanden Typical Operating conditions MT contains membraantanks regelstrategieën 8 control strategies WWTP control system membrane control system 1. On sludge 2. StandbySludge sludge 3. StandbyWater water 4. Cleaning sludge,water,air 5. Off water/air 6. Failure sludge/water/air StrategyPermeate: net flow rate of the membrane pumps StrategySludge: flow rate of the feed pump StrategyChange: changing of the membrane tanks in operation StrategySwitch: switches membrane tanks on and off StrategyStandbyWater: operating condition StandbySludge to Standby Water StategyAeration: air flow rate StrategyRelaxationBackpulse: cyles of relaxation and/or backpulse StrategyCleaning: determines whether cleaning is necessary STOWA 16 november 27 STOWA 16 november 27 membraantanks structuur control system Conclusie standaardisatie standaardisatie MBR gaat niet lukken STOWA 16 november 27 STOWA 16 november 27 Basis layout Waternet Powerpoint 3

24 Noteview / Handout Conclusie standaardisatie standaardisatie MBR gaat niet lukken maar uitwisselbaarheid kan Conclusie standaardisatie standaardisatie MBR gaat niet lukken maar uitwisselbaarheid kan mits heel goed daarop ontworpen STOWA 16 november 27 STOWA 16 november 27 conclusie standaardisatie standaardisatie MBR gaat niet lukken maar uitwisselbaarheid kan mits heel goed daarop ontworpen en aanbesteed STOWA 16 november 27 Basis layout Waternet Powerpoint 4

25 EUROMBRA An Overview on European Research on MBR Activated Sludge Filterability STOWA MBR Platform November 16, 27 Wetsus Leeuwaarden MBR Network Research Team Delft University of Technology Arjen van Nieuwenhuijzen - research co-ordinator Stefan Geilvoet - MBR2 Project Adrien Moreau - MBR Train Project Maria Lousada Ferreira - EUROMBRA Project Elif Atasoy - EUROMBRA Project / Guest Fellow Pawel Kramkensik - MBR Train Project Jaap van der Graaf - team leading professor Develop sustainable solutions for new, efficient and costeffective advanced wastewater treatment technologies for municipal wastewater based on membrane bioreactor technology Combine divers scientific research projects within EU Strengthen European MBR related Institutes and Enterprises => consultants, R&D-institutes and manufacturers Consortium EUROMBRA 12 Universiteiten Norwegian University of Science and Technology (NTNU) Cranfield University (CRAN) RWTH Aachen University (RWTH) Instituto de Biologia Experimental e Biológica, Lisboa (IBET) Institut National des Sciences Appliquées (INSA) University of Montpellier II (UM II) Delft University of Technology (DUT) Università degli Studi di Trento (UNITN) University of KwaZulu-Natal (UKZN) University of Technology of Sydney (UTS) Swiss Federal Institute EAWAG (EAWAG) UNESCO Institute for Water Education (UNESCO-IHE) Norway - Trondheim United Kingdom - Bedford Germany - Aachen Portugal - Lisboa France - Toulouse France - Montpellier Netherlands - Delft Italy - Trento South Africa - Durban Australia - Sydney Switzerland - Dübendorf Netherlands - Delft Workpackage: WP1 WP2 WP3 WP4 WP5 WP6 Workpackages EUROMBRA Workpackage titel: Project scoping Membrane module Aeration and membrane operation Process configuration Feedwater characterization and MBR monitoring Cleaning protocols WP leader CU RWTH INSA EAWAG IBET Polymem 3 Europese MKB s Polymem (POLYM) Puron / KOCH Membrane Systems (KMS) FlowConcept (FLCO) 2 Eindgebruikers (waterschappen) Water board Hollandse Delta (WHD) Erftverband (EV) France - Toulouse Germany - Aachen Germany - Hannover Netherlands - Dordrecht Germany - Bergheim / Erft WP7 WP8 WP9 WP1 Concentrate / sludge handling and management MBR case studies Presentation and dissemination of results Overall and scientific coordination UNITN TU Delft NTNU NTNU Fouling Still the most important factor affecting MBR system performance Complex, dependant on various factors FOULING Research Delft University of Technology Research on real (municipal) wastewater and sludge Investgations at full-scale or at least large pilot-scale MBR plants Filtration Characterisation of MBR Sludge Membrane operation Membrane characteristics Sludge / water characteristics 1

26 The Delft Filtration Characterisation method DFCm: example output Sample TMP J CFV Single side stream Hollow Fibre UF membrane X-flow.3µm / Millenium Pore.5 µm Sludge sample from MBR (4 liter) Clean membrane at start experiment Recirculation at fixed CFV: 1, m/s Permeate extraction at fixed flux: 8 l/m 2 h TMP monitoring Calculation filtration resistance, Darcy s law: R = TMP / (η J) temperature correction on viscosity 1 Lab unit + 1 Mobile unit (Hollow Fibre) Recent development:mobile Flat Sheet unit (Kubota / Toray.5 µm) J [L/m 2 xh] 1 2, J 8 1,5 6 1, CFV 4,5 2, Permeate Production [L/m 2 ] CFV [m/s] R [x1 12 m -1 ] TMP [Bar] 1, R,8,6 R 2,4 TMP Rmembrane,2, Permeate Production [L/m 2 ] DFCm: purpose Clean membrane at start experiment Constant cross flow velocity Constant flux FOULING DFCm: purpose Clean membrane at start experiment Constant cross flow velocity Constant flux FOULING Membrane operation Membrane characteristics Sludge / water characteristics Membrane operation Membrane characteristics Sludge / water characteristics Beverwijk Maasbommel Heenvliet Hilversum Varsseveld Cranfield Swanage Schilde Kaarst Nordkanal Rödingen Trento MBR Network Sludge Characterisation tour Trondheim Berlin Monheim Zürich European Sludge Characterisation Tour: Different Locations & Different Configurations Sampling & Testing DFCm - filterability Operational data (MLSS, SVI, Temp, Sludge age, aeration particle size distribution analysis (TUD + NTNU) SPM (Lowry Dubois) sampling for LC OCD SMP (IHE) sampling for FISH-analysis (IBET) where possible Microscopic Photo Spectrometric Analysis of membranes (TUD/Nalco/RWTH) First results Temperature SMP 2

27 4 full scale and 9 pilot scale MBRs Different configurations 1,,8 Schilde T=1,5 oc Monheim summer T=18,2 oc Monheim winter T=11,6 oc EAWAG Zenon T= 17,4 oc EAWAG Kubota T=18,7 oc EAWAG Puron T=19 oc Tilburg industrial ww T=25 oc Heenvliet winter T=12,1 oc Global overview (first shot) Schilde Monheim Trento Nordkanal Trondheim Zurich Hollow fibre: Zenon Flat sheet: Heenvliet Toray Berlin ENREM A3 Berlin AMEDEUS Zurich Kubota Cranfield Asahi Kasei Radd (1 12 m -1 ),6 Heenvliet summer T=22,3 oc Maasbommel T=2,1 oc ENREM project T=23,2 oc Veras pilot T=25,6 oc AX1,4,2, Permeate production (L/m 2 ) First comparisons Temperature Effect First comparisons Proteins 1,2 1, Temperature influence Schilde Monheim Monheim EAWAG Zenon EAWAG Kubota ,2 1 SMP influence: Proteins Berlin ENREM Berlin AMEDEUS Nordkanal EAWAG Puron Cranfield R 2 (1 12 m -1 ),8,6 Fuji Heenvliet Heenvliet Maasbommel ENREM AMEDEUS Trondheim NTNU R 2 (1 12 m -1 ),8,6 Schilde Monheim Zurich EAWAG Zenon Trondheim NTNU Heenvliet oct 6-fev 7,4,4,2,2, Temperature ( o C) Proteins (mg/l) First comparisons Polysaccharides Then assumptions start size retained Proteins 1,2 SMP influence: Polysaccharides Berlin ENREM Berlin AMEDEUS 1,2 Assumption: the most SMP in the permeate the smallest SMP Berlin ENREM 1 Nordkanal Berlin AMEDEUS Schilde 1 Nordkanal Monheim Schilde R 2 (1 12 m -1 ),8,6 Zurich EAWAG Zenon Trondheim NTNU Heenvliet oct 6-fev 7 R 2 (1 12 m -1 ),8,6 Monheim Zurich EAWAG Zenon Trondheim NTNU Heenvliet oct 6-fev 7,4,4,2, Polysaccharides (mg/l),,1,2,3,4,5,6,7,8,9 1, (Permeate / Free water) Proteins 3

28 R 2 (1 12 m -1 ) Then assumptions start size retained Polysaccharides 1,2 Assumption: the most SMP in the permeate the smallest SMP Berlin ENREM Berlin AMEDEUS 1 Nordkanal Schilde Monheim,8 Zurich EAWAG Zenon Trondheim NTNU Heenvliet oct,6 6-fev 7 Focus on MBR Heenvliet MBR Heenvliet: Hybrid configuration Q max MBR: 1 m 3 /h (25% of total capacity) Toray flat sheet membranes (,8 µm) Event: start-up, increasing MLSS,4,2,,1,2,3,4,5,6,7,8 (Permeate / Free water) Polysaccharide MBR Heenvliet during start-up Increasing dr 2 with increasing SMP concentrations, however... MBR Heenvliet steady-state operation. no correlation between dr 2 and increasing SMP concentrations 3,5 35 3,5 35 3, 3 DR 2 [x1 12 m -1 ] 3, 2,5 2, 1,5 1,,5 Proteins Polysaccharides SMP [mg/l] DR 2 [x1 12 m -1 ] 2,5 2, 1,5 1,,5 MLSS Polysaccharides Proteins SMP [mg/l], MLSS [gr/l], Day [#], Day [#] Conclusions Temperature seems to have influence on filterability, also after correction for viscosity Unsteady state conditions in an MBR have a very significant effect on sludge filterability / dr 2. Contradictory correlations between dr 2 and SMP concentrations were found Changes in the SMP concentrations in unsteady state conditions compared to steady state conditions are not proportional to the changes in dr 2 Concluding hypotheses SMPs are not the dominant foulants The used Lowery-Dubois SMP analysis method does not make distinction between fouling and non-fouling SMPs Fouling related to small colloidals / smaller SMP fractions Fouling related to metal adsorption (iron, manganese. Until now no calcium was discovered on Microscopic Photo Spectrometry ) Introduction Methods & materials Results Conclusions 4

29 Ongoing investigations Relationship dr 2 and SMP analysis with LC OCD method (TUD in co-operation with IHE Unesco) Influence of colloidal and particle related SMP on filterability (particle counting, distribution and fractionation, TUD in co-operation with NTNU Trondheim) Relationship dr 2 bacterial population in MT and on membranes FISH analysis (in co-operation with IBET Lisbon) Fouling related to metal adsorption (iron, manganium, calcium) (microscopic photo spectrometry in co-operation with Witteveen+Bos and Nalco) Statistical analysis Filterability versus operational data (MLSS, sludge age, sludge retention time, SVI, temperature, TSS, COD) Mobile Flat sheet DFCm on tour International PAO Course on MBR MembraanBioReactoren: Europees onderzoek en actuele ontwikkelingen In samenwerking met MBR-Network.eu Cursusleider(s) Prof.ir. J.H.J.M. van der Graaf, Witteveen+Bos/TU Delft ir. H.F. van der Roest, DHV Cursusdata Donderdag 13 & Vrijdag 14 december 27 Locatie TU Delft Faculteit Civiele Techniek Programma, informatie en aanmelding op: Introduction Methods & materials Results Conclusions Introduction Methods & materials Results Conclusions Acknowledgement EUROMBRA is a research project supported by the European Commission under the Sixth Framework Programme (Priority Global Change and Ecosystems ) Contract No EUROMBRA Duration: 1/1/5-3/9/8 EUROMBRA is part of the MBR-NETWORK Cluster More info: 5

30 Introduction Objective: Reducing membrane fouling via optimizing membrane properties University of Twente Increase of flux in MBR via optimal membrane properties PhD: Promotors: Assistant promotors: Ir. P. van der Marel Prof. Dr. Ir. W.G.J. van der Meer Prof. Dr. -Ing M. Wessling Dr.Ir. A. Kemperman Dr. A. Zwijnenburg combining scientific excellence with commercial relevance Result: Optimal membrane Elucidates fouling mechanisms in relation to membrane properties Optimal membrane Increase of flux < membrane area < investment cost < SAD < m 3 air / m 2 membrane Increase of cleaning efficiency < cleaning cost and/or > net flux < TMP < energy consumption University of Twente 2 Membranes & experimental system Membranes & experimental system Membrane material: Ceramic & Polymeric Surface characteristics: roughness, charge & hydrophobicity Pores: tortuosity, size & amount Configuration: Submerged flat-sheet membranes Hydrodynamics: airflow rate, channel width, turbulence promoters Sample point P P P Pressure transducer Regulating valve Pump Pulse damper Membrane Choice for flat-sheet submerged membranes Significant market player Membrane material (and thus properties) can be varied easily Membrane fouling can be investigated visually, and by SEM- or chemical analysis Water level Experimental system 1 membranes in 5 reactors Activated sludge: continuous recirculation from an MBR pilot treating real wastewater Air Pilot MBR Wastewater Sludge withdrawal Permeate University of Twente University of Twente 3 4 Membranes Membrane material & Pore size (µm) abbreviation Hydrophilic Mixed cellulose ester MCE Polycarbonate* PC Polyvinylidenefluoride PVDF.2.5 >?.2 Polyethylene PE Polyethersulfone PES.1 to Polyethersulfone PES 2.1 to.6 Non woven NW 2. Woven W RAD X-flow PES 3 <.2? Hydrophobic Polyvinylidenefluoride PVDF >? h Polyethylene PE h Ceramic Aluminum Oxide CM.3 (Al 2O 3).1 Commercial Toray PVDF.8 2 Kubota Chlorinated PE PE 2.45 MCE PC PES Membranes PE Woven PVDF [1] PVDF [2] University of Twente University of Twente 5 6

31 7 Autopsy Experiments Clean Clean Dirty Dirty Investigate the largest applicable flux Short & long term experiments Managing membrane fouling via cleaning protocols Optimal membrane properties Short term flux-step methods Critical flux Sustainable flux fouling reversibility Long term experiments Applicability of critical and sustainable flux Efficiency of different cleaning protocols Goal: operation at large net fluxes > 5 L.m -2.h -1 (twice the average design flux) University of Twente University of Twente 8 Short term experiment Critical and sustainable flux Flux-step method van der Marel Up to 1 LMH 15 min each PVDF P3 Flux TMP 6e+7 Pressure (mbar) Pressure Flux Flux (L.m -2.h -1 ) TMP fouling (Pa) J H P end P initial P P 2 1 J L J L t Time (h) Flux (l.m -2.h -1 ) Fouling rate (m -1.s -1 ) 4e+7 Total Frate 2e+7 Boundary IrreversibleFrate Flux (L.m -2.h -1 ) Time (h) Boundary: deduced from a minimum fouling rate of.1 mbar.min -1 University of Twente University of Twente 9 1 Critical/sustainable flux & pore size Critical/sustainable flux & pore size Fouling rate (m -1.s -1 ) 1e+8 8e+7 6e+7 4e+7 2e+7 PVDF P1 (.2 µm) PVDF P2 (.5 µm) PVDF P3 (.2 µm) Fouling rate (m -1.s -1 ) 1e+8 8e+7 6e+7 4e+7 2e+7 Boundary University of Twente Flux (L.m -2.h -1 ) University of Twente Flux (L.m -2.h -1 ) 11 12

32 13 Resistance (m -1 ) 3e+11 2e+11 2e+11 1e+11 1e+11 5e+1 University of Twente Long term experiment 8 min on / 2 min off Net flux: 25 L.m -2.h -1 Time (h) PVDF.2 µm PVDF.5 µm PVDF.2 µm Resistance (m -1 ) Long term experiment 5e+11 J L LMH --> 2 min 4e+11 J H 62 LMH --> 8 min Periodic relaxation J L LMH --> 2 min Net flux: 25 LMH J 3e+11 H 32 LMH --> 8 min Periodic relaxation Fixed flux Net flux: 25 LMH 25 LMH PVDF.2 µm 2e+11 PVDF.5 µm 1e+11 PVDF.2 µm Time (h) University of Twente Fixed flux 5 LMH J L LMH --> 2 min J H 94 LMH --> 8 min Periodic relaxation Net flux: 75 LMH Fixed flux 75 LMH 14 Irreversible fouling 1 run improved flux-step method Net flux: 3 L.m -2.h -1 Conclusion University of Twente Resistance (m -1 ) 4.e+11 3.e+11 2.e+11 1.e+11. PVDF.2 µm PE.4 µm PVDF.8 µm MCE.8 µm Col 1 vs Col 2 Run (#) Airflow Kubota A Toray B Norit C Airflow (L.min -1 ) 15 Search for an optimal membrane (in relation to feed conditions) Low fouling rate Low irreversible fouling potential Large recovery of permeability large applicable fluxes All keeping permeate quality in mind New membranes: Increasing backwash efficiency of flat-sheet membranes Increasing turbulence at membrane wall via surface modification University of Twente 16 Questions University of Twente 17

33 Contents How to model fouling in MBR systems? The microscale approach Paula van den Brink 16 November 27 MBR platform visit Promotor: Prof.dr.ir. M.C.M. van Loosdrecht (Env. Biotech. TU Delft) Modelling of fouling 1. Background 2. Results 3. Conclusions and follow up Experimental 1. Experimental set-up 2. Alginate experiments 3. Conclusions and follow up combining scientific excellence with commercial relevance 2 Membrane fouling Aim To come closer to predictive model, gain understanding on fouling behaviour in MBRs and to select appropriate measures for certain feed stream (steer biology (Maxime) or membrane (Perry)) Approach Uncoupling several fouling mechanisms (time, space, foulants) Detect dominant fouling mechanisms Controlled experiments in combination with mathematical modelling Existing models Resistance-in-series model R tot = R m + R cake + R block + R irr (Broeckmann et al.26) R tot = R m + R a + R p + R cp +R g (Al-Malack & Anderson, 1997) Modelling membrane fouling Different mechanisms into account/terminology Local/overall In series/parallel overlap & interaction? Empirical hydrodynamic models Not suitable for general operational and design purposes (based on one system) Can not capture complex fouling phenomena Classical fouling models Interactions foulants not taken into account (P. Van der Marel) (G. Schrader) 3 CFD models Validation Little coupling physical processes, like hydrodynamics and mass transfer 4 Motivation microscale modelling Microscale modelling Observed in practice: Different membrane geometries - Sustainable (lower) flux: fouling is back flushable cake layer - Higher flux: remaining fouling present (not removable by backflush) Remaining fouling located inside the pores? If so, hydrodynamics in bulk liquid less important Modelling on pore scale level may provide information Concentrate + information at pore scale - difficult to validate Permeate P v max = 8*1-3 m/s 2.5*1-3 m/s 2.5*1-5 m/s Entrance pore; effect cross flow Feed Effect wall resistance 5 6

34 7 Microscale modelling Conclusions and follow up Conclusions - Effect of membrane geometries seen in microscale models - Effect narrowing/blocking on flow in other pores described - Moving mesh suitable to describe growing fouling layer Follow up - Adding all chemical reactions and equilibria involved - Extension growing crystal model with more pores - Addition other fouling mechanisms (protein adsorption) - Validation microscale model 8 Alginate as model compound Materials & Methods Naturally occurring hydrophilic colloidal polysaccharide Model compound for Extracellular Polymeric Substances (EPS) PolyS major foulants* Mol. weight macromolecule 1 6 kda Commercially available: 9, 15 kda (Sigma) Forms gels, and is able to bind cations Proteins PolyS Polymannuronic acid ( M ) Filtration in test cell set-up (T.Dieudonne) Trans membrane pressure (TMP): av. P top - av. P permeate Reversibility (relaxation & high cross flow) Effluent quality (TOC) SEM analysis gel layer Permeate (P2) Concentrate P Polyguluronic acid ( G ) * Maxime Remy Varsseveld study, Lesjean & Rosenberger - WST 25 9 Feed (P1) 1 Results Results Effect alginate concentration (2.5 mm Ca 2+ ) 3E+12 Effect of variation of permeate flow [alginate]= 25 ppm ; [Ca2+]=1 mg/l 3E+12 2E+12 resistance (1/m) 2E+12 1E+12 5E amount of alginate (mg) 11 12

35 13 Conclusions and outlook Conclusions Alginate fouling not only concentration polarization Alginate layer not removable by forward flush Strong effect flux on resistance alginate layer Follow up Effect ionic strength and pre-mixing Supernatant Maxime Interaction other particles (sludge?) Include viscous layer in model Other analyses/set-up to characterise gel layer (CLSM?)

36 Waterzuivering Sneek DMT Opgericht in 1987 R. Lems M.Sc. DMT Landustrie Wetterskip Fryslan Norit Gemeente Sneek UT Vitens Klantgerichte oplossingen voor milieuproblemen (Turn-key) Project realisatie Professionele partner voor industrie en overheid Multi disciplinair, internationaal, leading company Ir. R. Lems DMT MBR decentraal Biogasopwaardering Luchtbehandeling Afvalwaterbehandeling Kleine buffer voor stabiel proces BZV/CZV, Nitrificatie, denitrificatie en fosfaat verwijdering. Geen SS en Pathogenen Mogelijkheden tot hergebruik Lage slibproductie Robuust, biologisch en mechanisch Weinig onderhoud en bediening door telemetrie Compact Minimale horizon vervuiling en stank overlast Lage kosten, investeringen, elektra en water Grondwaterbehandeling Oppervlakte beluchting MBR decentraal Sneek Fysische parameters Flow, slib belasting, SS, filtratie, SVI Slibconcentratie Filtreerbaarheid Flow Slibbelasting x 1 + filt. Slibbelasting x mrt 8-apr 28-apr 18-mei 7-jun 27-jun 17-jul 6-aug 26-aug 15-sep 5-okt 1

37 Biologisch parameters CZV 1 CZV Biologisch parameters N in/uit CZV-buffer na bezinken CZV-buffer + filter CZV Trommelzeef CZV Bioreactor + filter N-totaal Bioreactor N-totaal Effluent N-totaal buffer CZV Effluent 1 1 CZV (mg/l) mrt 8-apr 28-apr 18-mei 7-jun 27-jun 17-jul 6-aug 26-aug 15-sep 5-okt 19-mrt 8-apr 28-apr 18-mei 7-jun 27-jun 17-jul 6-aug 26-aug 15-sep 5-okt 25 Biologisch parameters P1 Biologisch robuust? PO4-P PO4-P buffer PO4-P Effluent Bij storing Rendementen nemen slechts licht/ niet af. CZV<N<P Geen uitspoeling van SS Slib groeit weer snel aan 5 19-mrt 8-apr 28-apr 18-mei 7-jun 27-jun 17-jul 6-aug 26-aug 15-sep 5-okt Toetsing aan uitgangspunten Toetsing aan uitgangspunten Component Influent theorie Influent Praktijk Effluent eis MTR Effluent praktijk Effluent Haalbaar Biologisch Debiet m3/hr C Slib (g/l) BOD (mg/l) <2 ZV: JA COD (mg/l) Na FijnZeef Ntot (mg/l) Ptot (mg/l) (35) 85 (3,3) / <3 <,15 itrificatie: JA S: JA Hormonen TSS (mg/l) % - >95% 99 athogenen: JA Pathogenen Log 5 efosfatering: Nee, Chemisch Oppervlakte water locatie: CZV:66 N:2,5 P:,6 enitrificatie: Ja, Circulatie hoger, BZV 2

38 Toetsing aan Compactheid Toetsing aan Elektra verbruik CZV Belasting:,2-,3 tov,5-,1 kg/kg*d Slib concentratie: tov 3-5 g/l Transport /km Transport totaal Verwerking Totaal Vervuiling: 6,9 VE/m3 tov 2,5 VE/m3 RWZI Sneek,64,175 (3 km),126,31 Zuiveringunit r.w.z.i. Sneek D-MBR Opp. ve/m 2 /d Opp. ve/m 2 /d Buffer * m 2 nvt 15 m 2 33 ve/m 2 /d Biologisch gedeelte 2.54 m 2 15,7 ve/m 2 /d 15 m 2 33 ve/m 2 /d Compactheid (factor) n.v.t. 2,1 D-MBR Sneek 5 Ve,2,1 (5m),7,71 Nabezinking, -dikker Totaal (5 ve, D-MBR) Totaal (1 ve, D-MBR) m m m 2 8, ve/m 2 /d 5,3 ve/m 2 /d 5,3 ve/m 2 /d 15 m 2 45 m 2 45 m 2 33 ve/m 2 /d 11,1 ve/m 2 /d 22.2 ve/m 2 /d 4,1 2,1 4,2 D/MBR Sneek 1 Ve,2,1 (5m),35,351 Totaal (1 ve,- buffer)** m 2 5,3 ve/m 2 /d 3 m 2 33,3 ve/m 2 /d 6,3 In kw*ve/m3*dag Toetsing aan uitgangspunten Volgende Fase Mechanisch Verbeteringen/ experimenten ompact: JA, tot 6x compacter ergebruik mogelijk: Ja, irrigatie, zwemwater, proceswater alco, MPE-5 toevoegen obuust mechanisch:ja, Jzer chloride toevoegen obuust biologisch: JA, ZV toevoegen age slibproductie: Extra recirculatie aag water:! m3/m3 eefbocht lectra verbruik: vanaf 3km gelijkwaardig. +/-,3 kw/ve*dag Conclusie 3