Dieses weltweit größte MABR-System wird Ihr Verständnis des Belüftungsprozesses verändern!
Derzeit macht der Energieverbrauch des Belüftungsprozesses in den meisten herkömmlichen Kläranlagen mehr als 50 % des Gesamtenergieverbrauchs der Anlage aus, was ein großes Potenzial für Energieeinsparungen bietet. Als biologische Membran-Abwasserbehandlungstechnologie, die die selektive Sauerstoffübertragung durch Membranen nutzt, um Sauerstoff bereitzustellen und als Biofilmträger zu dienen, kann die MABR-Technologie den Energieverbrauch der Abwasserbehandlung effektiv senken, die Anlagenbelastung erhöhen und die Entfernung von Stickstoff- und Phosphornährstoffen verbessern. Es bietet erhebliche technische Vorteile bei der Behandlung von Abwasser mit hohem Sauerstoffbedarf, Abwasser mit flüchtigen organischen Verbindungen und Abwasser mit hohem Ammoniak-Stickstoff-Anteil.
Abwasseranlage Hespeler: Das weltweit größte MABR-System mit Membranoberfläche
Die Hespeler-Kläranlage befindet sich in Cambridge, Ontario, Kanada und ist eine von dreizehn Anlagen, die die über 600 Einwohner der Region Waterloo versorgen.
Ursprünglich im Jahr 1973 erbaut, wurde die Anlage 1988 und 1992 modernisiert. Diese Modernisierungen reichten jedoch nicht aus, um der steigenden Bevölkerungsnachfrage und den steigenden Anforderungen an die Effizienz der Abwasseraufbereitung gerecht zu werden. Daher beschloss die Regionalregierung von Waterloo, den Sekundäraufbereitungsprozess im Hespeler-Werk zu überarbeiten.
Kläranlage Hespeler
In den Jahren 2017 und 2018 untersuchte die Regionalregierung den Entwurfsplan, die langfristige Leistung und die wirtschaftliche Machbarkeit der Installation der MABR-Technologie und beschloss schließlich, ihr aerobes Belebtschlammsystem auf ein MABR/AO-(anoxisch-oxisches) kombiniertes Prozesssystem umzurüsten. Als das Projekt im Jahr 2021 in Betrieb ging, war es gemessen an der Membranfläche das weltweit größte MABR-System.
Die Entscheidung für die MABR-Technologie für das Hespeler-Werk hat sich als äußerst vorteilhaft erwiesen.
1. Aus energiesparender Sicht:
Im Hinblick auf das ursprüngliche aerobe Belebtschlammverfahren bei Hespeler verbrauchte dieser Abschnitt 60 % der Gesamtenergie, da Sauerstoff für die Mikroblasenbelüftung benötigt wurde. Durch die Modernisierung konnte der biochemische Energieverbrauch der Anlage um 40 % gesenkt werden.
In einer typischen Abwasseraufbereitungsanlage verwendet die herkömmliche Belüftungsmethode eine Gebläse- oder mechanische Belüftung, bei der Luft oder reiner Sauerstoff mechanisch in das Abwasser gedrückt wird. Obwohl diese Methoden effektiv und leicht zu kontrollieren sind, weisen sie viele Nachteile auf: Die große Anzahl an Luftblasen führt zu einem hohen Energieverbrauch, hohen Betriebskosten und einer geringen Effizienz der Sauerstoffübertragung.
Im Gegensatz zur MABR-Technologie wird der Sauerstoffgehalt in der Fasermembran durch die Differenz zwischen dem inneren und äußeren Sauerstoffgehalt nach Beginn der Belüftung bestimmt. Das Membranmaterial löst und diffundiert Sauerstoff als einzelnes Molekül, sodass es durch die Membran diffundieren kann. Im Vergleich zu herkömmlichen Belüftungsmethoden bietet MABR mehrere Vorteile:
Allerdings kann Sauerstoff direkt an den Biofilm abgegeben werden, was den Sauerstofftransferwiderstand über die flüssige Phase stark verringern kann und eine Sauerstoffausnutzung von mehr als 100 % ermöglicht. Mit herkömmlichen Methoden erreicht die Sauerstoffübertragungseffizienz nur 1,5 kg/(kWh·h), wohingegen sie bis zu 6 kg/(kWh·h) betragen kann.
◎ Es ist eine stabile Umgebung für mikrobielles Wachstum und Reproduktion. Die MABR-Belüftungsintensität ist mild und führt zu nahezu keiner Schädigung der an den Membranfasern haftenden Mikroorganismen, was das mikrobielle Wachstum stabilisiert.
◎ Diese Belüftung erfolgt blasenfrei und verhindert, dass flüchtige Bestandteile normalerweise durch Blasen in die Luft gelangen, um eine Sekundärverschmutzung zu vermeiden. Darüber hinaus unterdrückt es die Schaumbildung durch den mikrobiellen Stoffwechsel.
◎ Durch die einfache Anpassung der Sauerstoffzufuhr wird Gasverschwendung vermieden, die durch den minimalen Sauerstoffbedarf für die Reaktion entsteht.
2. Aus Sicht der Kapazitätserweiterung:
Die ursprüngliche Verarbeitungskapazität des Hespeler-Werks betrug 6.600 m3/Tag. Nach der Modernisierung erhöhte sich die Aufbereitungskapazität auf 9.320 m3/Tag, eine Steigerung um 40 %.
MABR-Geräte sind kompakt, nehmen wenig Platz ein und können direkt in bestehende Tanks eingebaut werden. Sauerstoff wird selektiv durch die Membran geleitet, um eine blasenfreie Belüftung mit hoher Sauerstoffübertragungseffizienz zu gewährleisten. Der bereitgestellte Sauerstoff wird vom Biofilm vollständig genutzt, was zu einer hohen Sauerstoffausnutzung und einer erheblichen Erhöhung der Biomasse des Systems führt, wodurch eine Erweiterung der Anlagenkapazität ohne physische Erweiterung erreicht wird.
MABR-Upgrades können die Belastung bestehender Kläranlagen um 20 %-40 % oder sogar mehr erhöhen.
Die Sauerstoffübertragungsrichtung im MABR verläuft im Gegenstrom zur Übertragungsrichtung von Ammoniak, Stickstoff und organischem Material. Nitrifizierende Bakterien bilden ein dominantes Wachstum nahe der Membranoberfläche und werden durch den äußeren Biofilm geschützt, was nicht nur die Nitrifikationsrate erhöht, sondern auch die Stabilität der Nitrifikation gewährleistet. Dieser Vorteil kommt besonders bei Stoßbelastungen oder in kalten Wintermonaten zum Tragen.
Vor der Modernisierung überstieg der im Winter abfließende Ammoniakstickstoff (bei einer Mindestwassertemperatur von 10 Grad) den Abflussstandard von 5 mg/L; Nach der Modernisierung entsprach das Abwasser der Norm (Winterabflussgrenzwert < 5 mg/L, Sommerabflussgrenzwert < 2 mg/L).
Darüber hinaus ermöglicht die Installation von MABR-Reaktoren in anaeroben oder anoxischen Tanks die gleichzeitige Nitrifikation und Denitrifikation. Unter den gleichen Gesamtstickstoffbedingungen im Abwasser im Vergleich zu anderen Stickstoffentfernungsverfahren wie A2O reduziert es die internen Rezirkulationsverhältnisse, verbessert die Denitrifikationseffizienz und spart gleichzeitig Kohlenstoffquellen und Energie.
Drei wichtige Einflussfaktoren für membranbelüftete Biofilmreaktoren (MABR)
1. Belüftungsdruck
Da der Betriebsdruck im MABR unter dem Blasenpunkt der Membran bleiben muss, erhalten wir eine blasenfreie Belüftung.
◎ Bei zu niedrigem Druck ist nicht genügend gelöster Sauerstoff im inneren Biofilm vorhanden und dadurch wird die Aktivität aerob nitrifizierender und heterotropher Bakterien beeinträchtigt.
◎ Bei sehr hohem Druck ist der gesamte Biofilm aerob, was dazu führt, dass anaerobe denitrifizierende Bakterien und andere Anaerobier nicht wachsen und den Denitrifizierungsprozess negativ beeinflussen.
Tatsächlich sollte der Behandlungseffekt in der Praxis bei entsprechender Wasserqualitätsintensität entsprechend der spezifischen Wasserqualität erreicht werden.
2. Wasserströmungsgeschwindigkeit
In der Phase der Mikrobenanheftung behindert die übermäßige Strömungsgeschwindigkeit das mikrobielle Wachstum und die Adhäsion, daher ist die Strömungsgeschwindigkeit in dieser Phase nicht zu hoch.
Sobald sich der Biofilm gebildet hat, verringert eine Erhöhung der Wasserströmungsgeschwindigkeit die Dicke der Flüssigkeitsgrenzschicht. Da sich die Biofilmdicke während eines stabilen Betriebs stabilisiert, verringert eine Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit die Grenzschichtdicke der flüssigen Phase und fördert die Biofilmerneuerung, wodurch die Biofilmdicke übermäßig verringert und die Effizienz der Sauerstoff- und Schadstoffübertragung erhöht wird.
Der Studie zufolge ist die Fließgeschwindigkeit des Abwassers einer der Faktoren, die das mikrobielle Wachstum und die Dicke des Biofilms beeinflussen.
◎ Je dünner die Grenzschicht ist, desto höher ist die Strömungsgeschwindigkeit und die entsprechende stabile Biofilmdicke.
◎ Eine zunehmende Schadstoffabbaurate erfordert eine verringerte Strömungsgeschwindigkeit, einen dickeren stabilen Biofilm und einen dickeren stabilen Biofilm bei niedrigerer Strömungsgeschwindigkeit.
3. Kohlenstoff-, Stickstoff- und Phosphorverhältnis im Abwasser
Ein geeignetes C:N:P-Verhältnis fördert das mikrobielle Wachstum im MABR-Biofilm und erleichtert so die gleichzeitige Nitrifikation und Denitrifikation im Reaktor.
◎ Bei niedrigem C:N-Verhältnis reicht die organische Kohlenstoffkonzentration nicht aus, um den Kohlenstoffquellenbedarf für die Denitrifikation zu decken, was sich auf die Gesamteffizienz der Stickstoffentfernung auswirkt.
◎ Wenn das C:N-Verhältnis zu hoch ist, vermehren sich aerobe heterotrophe Bakterien und verbrauchen große Mengen Sauerstoff, wodurch die Konzentration an gelöstem Sauerstoff sinkt und die Nitrifikation behindert wird.
Vier gängige Anwendungsszenarien für membranbelüftete Biofilmreaktoren (MABR)
- Behandlung von Abwasser mit hohem Ammoniak- und Stickstoffgehalt
- Integrierte Geräte für die ländliche häusliche Abwasserbehandlung
- Biologische Sanierung städtischer Flussgewässer
- Modernisierung von Abwasseraufbereitungsanlagen für eine bessere Leistung
Tatsächlich wird MABR in den letzten Jahren weltweit zunehmend in Abwasseraufbereitungsanlagen eingesetzt.
Beispielsweise wurden in der YBSD-Abwasseraufbereitungsanlage in Illinois, USA, 10 ursprüngliche aerobe Bioreaktoren zu 2 anaeroben Tanks, 2 anoxischen MABR-Tanks und 6 aeroben Tanks aufgerüstet, wobei 12 MABR-Module in den anoxischen Tanks installiert wurden. Dadurch wurde der bisherige aerobe Prozess in einen Stickstoff- und Phosphorentfernungsprozess umgewandelt und so das Ziel erreicht, die Behandlungskapazität zu erhöhen und gleichzeitig die biologische Stickstoff- und Phosphorentfernung zu verbessern.
Die Biofilm-Akklimatisierungszeit des MABR-Systems betrug nur drei Wochen, und nachdem das Abwasseraufbereitungssystem voll funktionsfähig war, stieg die BSB5-Belastung des Zulaufs auf 0,60 kg/(m3·Tag), was einem Anstieg von 47 % im Vergleich zur vorherigen Phase entspricht. Upgrade-Level.
Das Endabwasser der Anlage erfüllte mit dem BSB des Abwassers alle Designerwartungen5<10 mg/L, total suspended solids (TSS) < 10 mg/L, NH3-N < 1.5 mg/L, and TP < 1.0 mg/L. The average oxygen transfer rate (OTR) and oxygen transfer efficiency (OTE) were 10.8 g/(m2·day) and 33.3%, respectively.
Die Analyse der Mikrobenpopulation des Biofilms ergab, dass Ammoniak oxidierende Bakterien (AOB) und Nitrit oxidierende Bakterien (NOB) 40 % der Mikrobenpopulation ausmachten, mehr als viermal mehr als bei herkömmlichen Belebtschlammverfahren.
Darüber hinaus hatte das MABR-Verfahren im Vergleich zum CAS-Verfahren für eine Anlage derselben Größenordnung (mit Investitionskosten von 25 Millionen US-Dollar und einer Bauzeit von 2,5 Jahren) Investitionskosten von nur 5 Millionen US-Dollar und einer Bauzeit von einem Jahr. Kosten und Bauzeit deutlich reduziert.