Evaluering av en biofilm membranreaktor som et behandlingstrinn i gjenbruk av svartvann

Abstract

Avløpsvannbehandling har vært og vil fortsette å praktiseres over hele verden av mange forskjellige grunner, blant annet: betydningen av gjenbruk, urbanisering av byer, vannmangel, sirkulær økonomi og behovet for mer kompakte, robuste og effektive avløpsrenseløsninger. En kombinasjon av noen utvalgte utfordringer innenfor disse områdene danner grunnlaget for dette studiet. I denne studien ble en 9.2 L laboratorieskala biofilm membranreaktor med 5 dykkede keramiske membraner (IMBR) benyttet for undersøkelse og evaluering av behandling og gjenbruk av kildeseparert svartvann. Laboratorieanlegget ble opprigget i vann- og avløpslabben ved Fløy IV ved NMBU i utgangen av 2018 og ble driftet og testet fra januar til april 2019.

Det ble gjennomført en kvalitetssikring av permeatpumpa i reaktoren der resultatene av regresjonskurver viste at pumpa leverte programmerte verdier godt korrelert med de forventede verdiene. MBR-reaktoren ble undersøkt ved to forskjellige driftstyper; 10-16 timer og 4 timers hvileperioder. Det kildeseparerte svartvannet brukt i dette studiet, ble samlet fra vakuumtoaletter ved de nærliggende studentboligene på Kajaveien, campus Ås. Etter en oppstartsfase på 3 uker, oppnådde systemet en stabil fjerningsgrad av kjemisk oksygenbehov (KOF) på 64,4 ± 13,7 % over membranen. Den gjennomsnittlige konsentrasjonen av totalt suspendert stoff (TSS) i reaktorvæske var på 715,8 ± 177,6 mg/l og hadde en 2.8 log-fjerning over den keramiske membranen med nominell poreåpning på 0,2 μm. Transmembrantrykk (TMP) ble overvåket for de to driftstypene, og resultatene viste signifikante økninger i TMP-verdier for begge driftstyper. For kjøringer med 10-16 timers hvileperioder var det lengste batchløpet på 1984 minutter og 5596 minutter for hvileperioder på 4 timer før overtredelse av en innstilt TMP-alarmverdi på 20-25 mBar. Gjennomsnittlig kjøretid for 10-16 og 4 timers hvileperioder var 536 ± 276 min og 285 ± 943 min over den 3-uker lange oppstartsfasen.

Flyktige fettsyrer (VFA) ble samplet fra reaktorvæsken og permeatet for å illustrere prosessen i filterkaken og biofilmlagene på membranoverflaten mer detaljert. Skumdannelse i reaktoren ble overvåket daglig for ytterligere karakterisering og forklaring av mulig membranbegroing. Det ble også undersøkt om membranreaktoren kunne fjerne koliforme bakterier og E. coli. To prøver av membranpermeatet ble tatt mot slutten av andre driftsperiode og resultatene viste ingen forekomster av koliforme bakterier og E. coli da konsentrasjonen var under deteksjonsnivået. Membranreaktoren fremstod meget robust over den 80 dager lange driftsperioden og samlet gir resultatet fra denne studien en forståelse av mulighetene og begrensningene for behandling av svartvann ved hjelp av en neddykket biofilm membranreaktor (IMBR).

Wastewater management has been and will continue to be practiced all over the world for many different reasons, including: the importance of reuse, the merging urbanization of cities, water shortages and the need for more compact wastewater solutions. A combination of some of these problems forms the basis of this study. In this study, a 9.2 L laboratory scale immersed biofilm membrane reactor (IMBR) with 5 ceramic membranes was utilized for investigation and evaluation for its treatment efficiency for the treatment and reuse of blackwater (BW). The laboratory scale biofilm MBR treatment unit was rigged late atumn of 2018 and operated from January until April 2019 for the purpose of the study.

The MBR-reactor was investigated at 10-16 and 4 hour relaxation phases. The source separated BW used in this study was collected from vacuum toilets at the nearby Kaja student housings. After a start-up phase lasting for 3 weeks, the system reached a stable removal rate of 64.4 ± 13.7 % for soluble chemical oxygen demand (COD). The average concentration of total suspended solids (TSS) in the reactor fluid was 715.8 ± 177.6 mg/l and was reduced over the 0.2 μm ceramic membranes to a level under the detection limit. Transmembrane pressure (TMP) was monitored for both relaxation phases and the results showed significant rises in TMP-values for both running operations. For 10-16 hour relaxation phases, the longest batch run lasted for 1984 minutes and 5596 minutes for 4 hour relaxation phases before transgression of a set TMP-alarm value of 20-25 mBar. Average run time for 10-16 hour relaxation phases was 533 ± 321 min and 285 ± 943 min for the 4 hour relaxation phases during the 3-week start-up phase.

Volatile fatty acids (VFA) was sampled from reactor fluid and permeate to elucidate the process in the filter cake and biofilm layers on the membrane surface more in detail. Foaming in the reactor was monitored daily for further characterization and explanation of possible membrane fouling contribution. An investigation of total coliform bacteria and E. coli was done at the end of the period with 4 hour rest phases and resulted in a concentration below the detection limit when exposed for UV light for the membrane permeate. The membrane bioreactor performed well under highly robust conditions. Overall the result from this study gives an understanding of the possibilities and limitations regarding treatment of BW using IMBR.