NO20131634A1 - Fremgangsmåte for biologisk rensing av vann - Google Patents

Description

FREMGANGSMÅTE FOR BIOLOGISK RENSING AV VANN.

Beskrivelse

Foreliggende oppfinnelse vedrører en fremgangsmåte for biologisk rensing av offentlig avløpsvann, industrielt avløpsvann, overflatevann og grunnvann i en bioreaktor hvor vann og substrat kommer i kontakt med bærerelementer for biofilm vekst og utløpsvann (permeat) kommer ut ved membranfiltrering i en nedsenket membranenhet som er plassert i bioreaktoren hvor også bærerelementene er.

Fremgangsmåten kan være anordnet for aerob rensing av kommunalt avløpsvann, industrielt avløpsvann, overflatevann og grunnvann. Fremgangsmåten er basert på prinsippet om at det dannes biomasse på et bærerelement for dannelse av biofilmvekst. Bærerelementene blir holdt på plass i reaktoren ved hjelp av en sil. Bærerelementene er i kontakt med membranoverflaten i bioreaktoren. Permeatet som har en lav turbiditet blir trukket ut av bioreaktoren med et nedsenket membranfiltreringssystem som kan inneholde membraner som enten er fremstilt av uorganiske materialer (keramiske eller metalliske) eller polymermaterialer, som tillater at permeatet kan brukes igjen. Oksygenholdige gassbobler blir tilveiebragt med lufteanordninger som er plassert ved bunnen av bioreaktoren, fortrinnsvis under membranelementene. Gassboblene tjener flere hensikter, innbefattende å tilveiebringe oksygen som emn elektronakseptor for vekts av mikroorganismer, mobilisere bærerelementer og andre suspenderte partikler i bioreaktoren og rense bort avsetninger på membranoverflaten.

Bakgrunn

Biologiske behandlingsprosesser

Det er kjent en rekke fremgangsmåter for mekanisk, kjemisk og biologisk rensing av vann. Biologisk rensing innebærer at en kultur med mikroorganismer utfører den ønskede omdannelsen av materialene i vannet. Biologisk rensing blir i stor grad kombinert med mekaniske og kjemiske rensemetoder.

Biologisk rensing er mye brukt for rensing av forurenset vann. Tradisjonelt har biologisk rensing vært fullstendig dominerende for fjerning av organiske materialer og i løpet av de siste årene, har biologisk rensing også blitt dominerende for fjerning av nitrogen (nitrifisering, denitrifisering, anammox) og relativt vanlig for fjerning av fosfor (bio-P fjerning).

Man skiller mellom aerobe, anoksiske og anaerobe biologiske prosesser. I aerobe prosesser trenger mikroorganismene molekylært oksygen som en elektronakseptor. For anoksiske prosesser er man avhengig av fravær av molekylært oksygen og mikroorganismene vil bruke nitrat som elektronakseptoren. For biologiske fjerning av nitrogen, kombinerer man en aerob prosess, som oksiderer ammonium til nitrat, med en anoksisk prosess som reduserer nitrat til molekylær nitrogengass. For bio-P fjerning må mikroorganismene alternerende eksponeres for et anaerobt (intet oksygen eller nitrat) miljø og et aerobt miljø, for å trigge frigjøringen av fosfor i den anaerobe bioreaktoren og det luksuriøse opptaket av fosfor i den aerobe bioreaktoren. Virkelige anaerobe prosesser skjer i fravær av oksygen og nitrat og er kjennetegnet ved at det organiske materialet i vannet både er elektron-donor og elektron-akseptor. Anaerobe prosesser er mest relevante for høyt konsentrert industrielt avløp med organisk materiale og ved en fullstendig dekomponering vil sluttproduktet være en blanding av metan og karbon dioksid (biogass).

Mikroorganismene som man trenger for biologisk rensing kan i prinsippet være suspendert i vannfasen i en bioreaktor, eller være festet til overflater i bioreaktoren. En prosess med suspenderte mikroorganismer kalles for en aktivert-slam prosess. Mikroorganismene i en aktivert-slam prosess må være i stand til å danne klokker som blir separert fra vannet i en nedstrøms reaktor og blir ført tilbake til bioreaktoren. Alternativt kan de suspenderte mikroorganismene holdes på plass i bioreaktoren ved at det rensede vannet blir drenert fra bioreaktoren via membraner med poreåpninger som er så små at mikroorganismene blir holdt tilbake i reaktoren. Dette er kjent som en membran bioreaktor (MBR) prosess.

En prosess hvor mikroorganismene er festet til en overflate kalles for en biofilmprosess. Eksempler på biofilmprosesser som brukes ved rensing av vann er biofilter, nedsenkede biologiske filtre, prosesser med bevegelig sjikt og prosesser med fluidiserte sjikt. Nedsenkede biologiske filtre inkluderer både filtre med et relativt åpent bærermedium av plast og filtre med et bærermedium med liten diameter (sand, Leca-kuler, små polystyrenkuler). Nedsenkede biologiske filtre med et bærermedium med liten diameter vil relativt raskt tettes til med bioslam og må regelmessig tas ut av drift for tilbakespyling og fjerning av slammet. Nedsenkede biologiske filtre med et åpent bærermedium som holdes liggende stille, kan opereres i en relativt lang tid med kontinuerlig tilførsel av vann, men erfaringer har vist at til og med filtre med et stort bærermedium og en åpen struktur vil tettes til etter en viss tid. Siden mikroorganismene i biofilmprosesser er festet på overflaten av et bærermateriale i en bioreaktor, er selve biofilmprosessen uavhengig av nedstrøms slamseparasjon.

Kombinasjoner av prosesser med suspenderte mikroorganismer og prosesser med fast mikroorganismer i den samme bioreaktoren er kjent som IFAS

(intergrated fixed film and activated sludge [integrert fast film og aktivert slam])

prosesser. IFAS-prosesser har bestått av aktivert slam i kombinasjon med enten nedsenkede biologiske filtre med et åpent bærermedium eller prosesser med bevegelig sjikt.

På global basis er det helt klart flere biologiske renseanlegg med suspenderte mikroorganismer, men biofilmprosesser blir stadig mer populære. Noe av årsaken til dette er at aktivertslam-prosesser er beheftet med en rekke ulemper. Det er ofte vanskelig å holde kontroll på slamseparasjonen. Dette kan føre til store tap av slam og i det verste tilfellene bryter den biologiske prosessen sammen, med tilhørende konsekvenser for resipienten.

En annen ulempe er at konvensjonelle aktivertslam-prosesser krever meget store volumer både for reaktoren og slamseparasjonen i

sedimenteringsbassenget. Fordelene med konvensjonelle aktivertslam-prosesser er imidlertid at vannet blir behandlet i åpne reaktorer hvor det ikke er noen fare for a reaktoren blir blokkert.

Tradisjonelle dryppfiltre er biofilmprosesser som først ble tatt i bruk for rensing av avfallsvann. I begynnelsen var dryppfiltrene fylt med stein, men moderne dryppfiltre er fylt med plastmaterialer med et større overflateareal som biofilmen kan vokse på. Moderne dryppfiltre er relativt høye. Vannet blir pumpet inn på toppen av dryppfilteret og blir jevnt fordelt over hele overflaten. Tilførselen av oksygen skjer ved naturlig ventilering. Det er vanskelig å regulere mengden av vann, materialbelastningen og den naturlige tilførselen av oksygen i dryppfilteret slik at alt fungerer optimalt. Det er relativt vanlig at biofilmen i de øvre delene av et dryppfilter ikke får nok oksygen. Dryppfiltre har derfor normalt lavere omdannelsesrate og krever større reaktorvolumer enn andre biofilmprosesser. For å unngå å bli tettet til, må biofilmmediet være relativt åpent og det spesifikke biofilmarealet (m<2>biofilm per m<3>reaktorvolum) blir relativt lite. Dette bidrar også til et økt reaktorvolum. Selv med et åpent biofilmmedium, er tilstopping og kanaldannelse i dryppfiltre velkjente problemer som kan holdes under kontroll ved at man sikrer at hver del av dryppfilteret gjentatte ganger blir utsatt for en hydraulisk belastning som er tilstrekkelig stor til å rense partikulært materiale og løsnet biofilm ut fra dryppfilteret. I mange tilfeller betyr dette at man må resirkulere vann over dryppfilteret. Med en høyde på mange meter, kan energikostnadene til pumping være betydelige.

Nedsenkede biologiske filtre kan bruke et relativt åpent biofilmmedium, i prinsippet av samme type plastmateriale som moderne dryppfiltre. Plastmaterialet er stasjonært, nedsenket i reaktoren og oksygen blir tilført via diffusorluftere ved bunnen av reaktoren. Et problem med nedsenkede biofiltre av denne typen har vært tilstopping fra vekst av biomasse og dannelse av kanaler. Vann og luft tar den veien med minst motstand og det blir dannet soner i luftede reaktorer hvor biomassen samler seg opp og resulterer i anaerobe tilstander. En annen ulempe erat ingen har tilgang til lufteinnretningene under det stasjonære biofilmmediet. For vedlikehold og reparasjon av lufteinnretningene må man først fjerne biofilmmediet fra reaktoren.

Nedsenkede biologiske filtre med et bærermedium med en liten diameter (sand, Leca-kuler, og små polystyrenkuler) har et meget stort biofilm overflateareal. Bærer mediet er stasjonært under normal drift, men denne typen filter vil tette seg til med bioslam og må jevnlig tas ut av drift for tilbakespyling og fjerning av slam. Prosessen er følsom overfor partikler i avløpsvannet og for avløpsvann med mye suspendert materiale, blir driftssyklusene mellom hver spyling relativt kort. På grunn av tilkoblingene for spyling og plasseringen av lufteinnretningene ved bunnen a reaktorene, er disse typene av biofilmreaktorer kompliserte å konstruere. En vanlig betegnelse på denne typen biofilmreaktor er BAF (biological aerated filter [biologisk luftet filter]) og de mest kjente handelsnavnene er Biostyr, Biocarbone og Biofor.

I reaktorer med bevegelig sjikt, vokser biofilmen på et bærermateriale som flyter fritt rundt i reaktoren. Bærermaterialet er enten skumgummi eller små plastelementer. Prosessene som bruker skumgummistykker er kjent under navnene Captor og Linpor. Ulempene med skumgummibiter ert at det effektive biofilmarealet er for lite på grunn av veksten på utsiden av skumgummibitene tetter til porene og forhindrer inntrengning av substrat og oksygen til de indre delene av skumgummibitene. Videre må man bruke siler som forhindrer at skumgummibitene forlater reaktorene og man må ha et system som jevnlig pumper skumgummibitene bort fra silene for å forhindre at disse tettes til. Det har derfor blitt bygget svært få anlegg med skumgummi som bærermateriale.

I de senere årene har det imidlertid blitt bygget anlegg med bevegelig-sjikt prosesser hvor bærermaterialet er små plaststykker. Plaststykkene er vanligvis jevnt fordelt i hele vannvolumet og i praksis operer man med en fyllingsgrad av biofilmmedium opp til ca. 67%. Siler holder plaststykkene på plass i reaktoren. Reaktorene opererer kontinuerlig uten noe behov for tilbakespyling. Det er viktig at det må være en jevn strøm av produsert slam til den etterfølgende separasjonsprosessen slik at partikkelbelastningen blir mye mindre enn for separasjon av aktivert slam. Det bør også påpekes at dette er en kontinuerlig prosess med jevnlig tilbakespyling. Denne prosessen er meget fleksibel med hensyn til bioreaktorens form. Det spesifikke overflatearealet til biofilmen er høyere enn for dryppfiltre, men betydelig lavere enn for BAF prosesser. På en total volumbasis er det imidlertid funnet at prosesser med bevegelige sjikt med et bærermateriale av små plaststykker er vel så effektive som BAF prosesser når man tar i betraktning det ekstra volumet som er nødvendig for ekspansjon av filtersjiktet og for spylevannsreservoaret i BAF prosessene. Eksempler på leverandører av prosesser med bevegelig sjikt med små plaststykker som et bærermateriale er Kruger Kaldnes, Infilco, Degremont, Biowater Technology og Aqwise systems.

Nylig har Biowater Technology AS utviklet en ny biofilmprosess, nemlig Contiuous Flow Intermittent Cleaning (CFIC) (kontinuerlig strøm, diskontinuerlig rensing). CFIC inneholder tett pakkede plastbærere i en slik grad (typisk større enn 90% fyllegrad) slik at det skjer lite bevegelse av bærerne i reaktoren. Med en slik utforming blir det dannet høye karbon- og næringsstoffgradienter inne i biofilmen når avløpsvannet passerer gjennom reaktoren på en pluggstrømsmåte, og resulterer i en bedre overføring av substrat enn i en reaktor med bevegelig sjikt. I en luftet CFIC reaktor vil effekten av oksygenoverføring være forbedret, siden luftbobler vil måtte bevege seg gjennom tett pakkede bærer, og derved danne en lang oppholdstid og bevegelsesbane før luftboblene når overflaten av reaktoren. Tett pakkede bærere kan også virke som et «filter» og derved redusere partikkelbelastningene til en etterfølgende separasjonsprosess, og i visse tilfeller kan det være tenkelig med direkte utslipp av CFIC avløp uten et separasjonstrinn. Overskudd av biologisk slam i reaktoren blir fjernet ved periodisk vasking med frem overrettet strøm ved å øke vannvolumet (redusere pakningsgraden) og danne en sterk turbulens. Avløpsvannet under vaskingen, som inneholder høye konsentrasjoner av partikler, kan håndteres i en liten separasjonsenhet, så som en slamfortykker eller et fint mikrosilfilter. Prosessen er meget fleksibel med hensyn til bioreaktorens form. Det spesifikke overflatearealet til biofilmen er høyere enn for reaktorer med bevegelig sjikt biofilm, og resulterer i et mindre fotavtrykk av reaktoren.

Avløpsvann gjenbruksprosesser

Med et økt globalt trykk på vannressursene, blir det stadig mer aktuelt med resirkulering og gjenbruk av sekundært og tertiært behandlet avløpsvann for irrigering, jordbruk og industrielt prosessvann, så bel som for indirekte og til og med direkte drikkevannsforsyning. Ved sekundær behandling brukes det biologisk behandling og kjemiske prosesser for å fjerne det meste av organiske materialer. I den sekundære behandlingen inngår det typisk også separasjonsprosesser så som sedimentering og luftflotasjon. Avløp fra sekundære behandlingsprosesser inneholder rester av suspendert og kolloidalt partikkelformet materiale som kan kreve ytterligere fjerning i en tertiær prosess. De mest vanlig brukt tertiære behandlingsprosessene er dybdefiltrering, overflatefiltrering og membranfiltrering. Nå for tiden brukes det globalt i hovedsak tre tekniske kombinasjoner for gjenbruk av avløpsvann hvor biologisk behandling er nødvendig: 1) biologisk behandling med separasjonsprosess etterfulgt av dybde eller overflatefiltrering; 2) biologisk behandling med separasjonsprosess etterfulgt av membranfiltrering, og 3) membran bioreaktor (MBR) prosessen. Før gjenbruk av vannet gjennomgår det tertiære avløpsvannet typisk et desinfeksjonstrinn. Dersom målet er drikkevann (enten direkte eller indirekte) vil det måtte benyttes et omvendt osmose (RO) membran,

Dybdefiltrering er en av de eldste prosessene som brukes inn behandling av drikkevann og er den mest vanlig brukte metoden som brukes for sekundær avløpsfiltrering for gjenbruk av avløpsvann. Sand, antrasitt og syntetiske fibre er vanlig brukt ved dybdefiltrering. Tilstopping er det vanligste problemet som dybdefiltreringsprosesser har. Filtrene må frakobles periodisk for tilbakevasking for å forhindre tilstopping. I den senere tid har kontinuerlig opererte dybdefiltreringsprosesser, så som Dynasand prosessen, blitt mer populær i applikasjoner med gjenbruk av avløpsvann enn de halv-kontinuerlige prosessene.

Slik filtrering er en type filtrering som bruker tekstilmaterialet, så som duk, vevede metalltekstiler og en rekke forskjellige syntetiske materialer, som filtreringsmedium. Membranfiltrering er også en type overflatefiltrering,

Ved konvensjonell dybdefiltrering og overflatefiltrering er

turbiditetsgjennombrudd en av de vanligste bekymringene for interessentene i applikasjoner for gjenbruk av avløpsvann. Selv om konvensjonell filtrering typisk har lave oppstartskostnader, kan driftskostnadene med hensyn til

kjemikaliebruk og utbytting av medium være høyere enn for membranfiltrering. Dersom en RO prosess blir brukt nedstrøms for ytterligere vannrensing, kan den konvensjonelle filtreringen typisk ikke gi fødevann med høy kvalitet (lav silttetthetsindeks, SDI) til RO, hvilket resulterer i en redusert ytelse til RO prosessen.

Basert på størrelsen til membranporene, kan membranfiltrering kategoriseres i mikrofiltrering (MF), ultrafiltrering (UF), nanofiltrering (NF) og omvendt osmose (RO). Ved tertiær vannbehandling blir det typisk brukt MF og UF for partikkelseparasjon etter en sekundær biologisk behandling. Det er i hovedsak to hovedstrømningsmønstre med membraner: utside-inn og innside-ut. I de fleste avløpsvannapplikasjoner hvor TSS og turbiditet er typisk høye i fødevannet, blir det vanligvis brukt utside-inn. Det brukes to prosesskonfigurasjoner med membranmoduler; trykksatt og nedsenket, og begge konfigurasjoner er vanlig i applikasjoner for gjenbruk av avløpsvann.

Aktivert slam med sekundær klaring etterfulgt av en MF eller UF har blitt utstrakt brukt globalt for nye anlegg for behandling av avløpsvann og mer vanlig for oppgradering av eksisterende aktivert-slam anlegg for gjenbruk. I prosessen er membranfiltreringstrinnet (MF eller UF) separert fra det aktiverte slamtrinnet med en sekundær avløpslagringstank.

Membran bioreaktor (MBR) utgjør et alternativ til aktivert slam etterfulgt av MF eller UF ved å kombinere biologisk behandling med UF eller MF membranseparasjonen i en enhet. Noen av MBR teknologiene bruker de samme membranene og til og med membrananordninger som de som brukes for tertiær behandling. Det er mer vanlig at membraner og modulformater er spesielt utformet for MBR-kravene. Selv om kryss-strøm sidestrøm MBR'er ikke er uvanlige for småskala industriell avløpsvannbehandling og gjenbruk, er nedsenkede MBR'er, enten i flatt arkformat eller i det hule fiberformatet, dominante både i applikasjoner både for kommunalt og industrielt avløpsvann.

En av hovedfordelene med MBR-prosesser er at man slipper den sekundære klaringsenheten, hvilket i betydelig grad reduserer det totale fotavtrykket til det biologiske behandlingsanlegget. Slamsvelling er ikke mye relevant for MBR-prosessen. En annen fordel er at uten å tape biomasse i avløpsvannet, kan man øke konsentrasjonen av biomasse i MBR til et nivå som ikke kan oppnås i typiske aktivert-slam anlegg. Denne fotavtrykksreduksjonen kan videre oppnås med MBR. Ulempene med prosessen er at den fremdeles er dyr og energikrevende. To designaspekter fører til høye energikrav i MBR. Et erat utvasking med store luftbobler alltid brukes for å redusere faststoffavsetningene på membranoverflaten alltid brukes ved nedsenkede MBR'er. Det andre aspektet er at det brukes en høy internt resirkulasjonsstrøm (typisk 3-6 ganer fødevannsmengden) for å redusere differansen i slam konsentrasjon mellom den sonen hvor membranene er plassert og resten av den biologiske reaktoren. MB-MBR (bevegelig sjikt membran bioreaktor) er et hybridsystem hvor bioreaktoren med bevegelig sjikt blir fulgt av en nedsenket membran bioreaktor. Biofilmbærerne holdes på plass i bioreaktoren med bevegelig sjikt med siler og har ingen direkte kontakt med membranet.

Foreliggende oppfinnelse vedrører en fremgangsmåte for biologisk rensing av kommunalt og industrielt avløpsvann i en bioreaktor hvor både vann og substrat kommer i kontakt med biofilm-bærerelementer og behandlet vann kommer ut etter membranfiltrering i nedsenkede membranmoduler. Det tilføres lufting både for å mobilisere biofilmbærerne og rense membranoverflatene. Bærerelementene er i direkte kontakt med membranoverflaten. Periodisk vil bioreaktoren gå inn i en vaskeoperasjonsmodus for å opprettholde membranpermeabiliteten og for å fjerne overskuddsslam som har samlet seg i bioreaktoren undernormal drift.

Relevant kjent teknikk

NO 172687 beskriver en fremgangsmåte og reaktor for vannrensing. Vannet blir ført inn i reaktoren som er fylt med bærerne for biofilmen. Disse bærerne har en spesifikk vekt i området 0,90 - 1,20 og en fyllingsgrad av bærerne på 30-70% av reaktorvolumet. Videre har reaktoren blandeutstyr og også innretninger i form av en silplate for å holde tilbake bærerne i reaktoren.

EP 2438019 A1 beskriver en fremgangsmåte og anordning for vannrensing. Vannet blir ført inn i reaktoren som er fylt med bærere for biofilmen. Disse bærerne har en spesifikk vekt i området 0,8 - 1,4 og en fyllingsgrad for bærerne på 90-100% av reaktorvolumet. Bærerne holdes i ro eller hindret bevegelse under normal driftsmodus. I fremoverrettet vaskestrømsmodus blir bærerne fluidisert ved å redusere fyllingsgraden til bærerne, for fjerning av overskuddsslam.

En reaktor for biologisk rensing av vann er kjent fra CN 1730410 A. Reaktoren inneholder bærere for vekst av biofilm og disse elementene har en spesifikk vekt på 0,7 - 0,95 og fyllingsgraden til bærerne utgjør 50 - 90% av reaktorens effektive volum.

CN 02104180.6 beskriver en reaktor som er oppdelt i en oppstrømssone og en nedstrømssone med plater. Reaktoren inneholder bærere for biofilmvekst og en membranfiltreringsanordning for separasjon. Bærerne kan være i form av partikler, pulver eller små biter. Membranet er plassert i oppstrømssonen med lufteinnretninger plassert rett under membrananordningen. Intern vannsirkulasjon blir dannet ved lufting i reaktoren ved hjelp av skjermer og strømledende plater som er festet på veggene av reaktoren og skjermene.

US 7288197 beskriver et biologisk rensesystem som innbefatter et sone med bevegelig sjikt og em membranseparasjonssone. Sonen med det bevegelige sjikt inneholder porøse bærere fremstilt av polymerskum for biofilmvekst. Bærerne holdes tilbake i sonen med det bevegelige sjiktet ved hjelp av to filtreringsskjermer, en på toppen av den andre ved bunnen av sonen. Avløpsvann fra sonen med det bevegelige sjiktet blir ytterligere renset ved membranfiltrering i membranseparasjonssonen.

Beskrivelse av oppfinnelsen

Foreliggende oppfinnelse vedrører en fremgangsmåte for biologisk rensing av offentlig avløpsvann, industrielt avløpsvann, overflatevann og grunnvann i en bioreaktor hvor vann og substrat kommer i kontakt med bærerelementer for biofilmvekst og utløpsvann (permeat) kommer ut ved membranfiltrering i et nedsenket membransystem som er plassert i bioreaktoren hvor bærerelementene holdes.

Fremgangsmåten er kjennetegnet ved å føre vann i en bioreaktor gjennom et eller flere innløpsrør eller innløpssoner og lede vann og substrat gjennom bærerelementene for biofilmen som har et høyt beskyttet areal (>200m m<2>/m<3>bærerelementer) og et stort porevolum (>60%), hvor bærerelementet enten er fritt bevegelige ved lave fyllingsgrader (<90%) eller tilnærmet stasjonære ved høye fyllingsgrader (>90%). Permeat som har en lavere turbiditet blir trukket ut av bioreaktoren med et nedsenket membranfiltreringssystem som inneholder membraner som er fremstilt av enten uorganiske materialer (keramiske eller metalliske) eller polymere materialer og har en nominell membranporestørrelse under 0,3 mikron, som tillater at permeatet kan gjenbrukes. Membranelementene kan enten være i hulfiberformat eller flatt arkformat. Oksygenholdige gassbobler blir tilveiebragt med lufteinnretninger som er plassert ved bunnen av bioreaktoren, fortrinnsvis rett under membranelementene. Gassboblene har flere hensikter, tilveiebringe oksygen elektronakseptor for vekst av mikroorganismer, mobilisere bærerelementer og andre suspenderte partikler i bioreaktoren og skylle av deponeringer på membranoverflaten.

Det blir fortrinnsvis tilført en kontinuerlig strøm av fødevann til bioreaktoren. Periodiske blir overskuddsslam fjernet ved å heve vannivået i bioreaktoren enten ved å redusere eller stanse permeatstrømmen og/eller tilveiebringe turbulens ved hjelp av blandeinnretninger, som fluidiserer bærerelementene i bioreaktoren. Overskuddsslammet kommer ut av bioreaktoren via en eller flere siler som gjør at overskuddsslammet kan passere gjennom mens bærerelementene holdes tilbake i bioreaktoren.

Membranene blir tilgrodde etter hvert, hvilket indikeres enten ved et økende transmembrantrykk (TMP) eller en avtagende permeatstrøm (permeat fluks). Periodisk membranavlastning (ved å stanse filtreringen) og membranrensing (ved permeat tilbakevasking med eller uten kjemiske løsninger) vil bli anvendt for å opprettholde membranets permeabilitet. Graden til membrantilgroing og den periodiske membranavlastningen/rensingen kan resultere i fluktuerende vannivåer i bioreaktoren. Fortrinnsvis utføres det kjemisk forsterket rensing av membranet i løpet av den samme perioden som overskuddsslammet fjernes fra bioreaktoren.

Tegninger

Oppfinnelsen vil nå bli forklart mer detaljert ved hjelp av utførelseseksempler med henvisning til de medfølgende tegninger, hvor: Fig. 1A viser skjematisk normal drift av bioreaktoren i henhold til foreliggende oppfinnelse; Fig. 1B viser skjematisk slam som løsner og blir vasket ut ved kontinuerlig tilførsel av vann til bioreaktoren; Fig. 2A viser normalt drift av bioreaktoren med utløpsvann i delvis overløp gjennom et utløpsrør; Fig. 2B viser slam som løsner og blir vasket ut ved en kontinuerlig tilførsel av vann til bioreaktoren.

Detaljert beskrivelse av foretrukne utførelsesformer

Standard driftsprosedyrer for den nye biologiske prosessen uten overløp under normal drift er vist i fig. 1A og 1B. Fødevannet går gjennom et innløpsrør (1) og en fødevannsfordeler (2) og kommer kontinuerlig inn i bioreaktoren (3) som inneholder bærerelementer (4) for vekst av biofilm. En nedsenket membranenhet (5) som er plassert i bioreaktoren (3) danner permeat (8). En lufteenhet (6) tilfører oksygenholdig gas (10) inn i bioreaktoren (3). Under normal drift (fig. 1 A) er vannivået i bioreaktoren (3) under nivået til utløpsrøret (9) og permeatet (8) er den eneste strømmen som kommer ut av bioreaktoren

(3). Slam oppsamles i bioreaktoren (3).

Når man ønsker å fjerne slam (fig. 1B) må man først redusere eller stanse permeatstrømmen (8), hvilket vil heve vannivået. Når vannivået stiger opp til nivået til utløpsrøret (9), sikrer man meget turbulente betingelser i bioreaktoren slik at biomasse, suspenderte partikler, avsetninger på membranoverflaten og det ytre laget av biofilm blir revet av og blir suspendert i vannet. Den nødvendige turbulensen kan settes opp ved å blåse luft og/eller ved bruk av mekaniske røreinnretninger eller med sirkulasjonspumper. Den nødvendige tiden for den sterke turbulensen kan være fra 1 minutt til ca. en halv time, avhengig av formen til bioreaktoren og styrken av turbulensen. Det må passere tilstrekkelig fødevann gjennom bioreaktoren til å få det løsnede slammet transportert ut av bioreaktoren via røret (9). Bærerelementene holdes tilbake i bioreaktoren av en sil (7) som er plassert foran utløpsrøret (9). Den nødvendige mengden vann til å transportere slammet ut av bioreaktoren er normalt fra 0,2 til 3 ganger bioreaktorens volum, avhengig av hvor lav konsentrasjonen av suspendert faststoff må være når man igjen går tilbake til normal drift ved på øke strømningsraten av permeat (8).

Standard driftsprosedyrer for den nye biologiske prosessen med slam som kommer ut under normal drift er vist i fig. 2A og 2B. Fødevannet går gjennom et innløpsrør (1) og en fødevannsfordeler (2) og kommer kontinuerlig inn i bioreaktoren (3) som inneholder bærerelementer (4) for vekst av biofilm. En nedsenket membranenhet (5) som er plassert i bioreaktoren (3) danner permeat (8). En lufteenhet (6) tilfører oksygenholdig gass (10) inn i bioreaktoren (3). Under normal drift (fig. 2A) kan vannivået bioreaktoren (3) være over nivået til et slamutløpsrør (12) og behandlet vann som inneholder slam kan forlate bioreaktoren gjennom et vertikalt rør (11) og slamutløpsrøret (12) ved hjelp av tyngdekraften. Slammet kan også komme ut av bioreaktoren under normal drift ved hjelp av pumping, hvilket typisk anvendes når man kombinerer den nye bioreaktoren med en eller flere andre bioreaktorer i en bioreaktorkjede hvor det er nødvendig med resirkulasjon av slammet og/eller vann til de(n) andre bioreaktoren(e). Bærerelementene holdes tilbake i reaktoren (3) av en sil (7) som er plassert foran det vertikale røret (11).

Når man ønsker å fjerne overskuddsslam (fig. 2B) må man først redusere eller stanse permeatstrømmen (8) og stenge slamutløpsrøret (12), hvilket vil heve vannivået. Når vannivået stiger opp til nivået til utløpsrøret (9), sikrer man meget turbulente tilstander i bioreaktoren slik at løs biomasse, suspenderte partikler, avsetninger på membranoverflaten og det ytre laget av biofilm blir revet løs og suspendert i vannet. Den nødvendige turbulensen kan frembringes ved å blåse luft og/eller ved bruk av mekaniske røreinnretninger eller ved sirkulasjonspumping. Den nødvendige tiden med den sterke turbulensen kan være fra 1 minutt til ca. en hav time, avhengig av formen til bioreaktoren og turbulensens styrke. Det må passere tilstrekkelig fødevann gjennom bioreaktoren til å få det løsnede slammet transportert ut av bioreaktoren via det vertikale røret (11) og utløpsrøret (9). Bærerelementene blir holdt tilbake i bioreaktoren av siler (7) som er plassert foran det vertikale røret (11). Den nødvendige mengden vann til å transportere slammet ut av bioreaktoren er normalt fra 0,2 til 3 ganger bioreaktorens volum, avhengig av hvor lav konsentrasjonen av suspendert faststoff må være når man igjen går tilbake til normal drift ved å øke permeatstrømmen (8) og åpne slamutløpsrøret (12).

Eksempler

Det vil nå blir beskrevet noen utførelseseksempler av foreliggende oppfinnelse.

Den nye bioreaktoren kan være en alenestående aerob bioreaktor for sekundær behandling av avløpsvann og gjenbruk ab utløpsvann.

Fig. 3A, 3B og 3Cviser skjematisk kombinasjonen av den nye bioreaktoren med en anaerob bioreaktor. For det første kan den nye bioreaktoren være plassert på toppen av den anaerobe bioreaktoren (fig. 3A). Fødevann strømmer oppover gjennom den anaerobe bioreaktoren (13) og kommer inn i den nye bioreaktoren (3) via åpninger mellom de to bioreaktorene (13 og 3). Åpningen tillater at vann og slam passerer gjennom, men ikke bærerelementene. For det andre, kan den nye bioreaktoren være plassert på siden av den anaerobe bioreaktoren (fig. 3B og 3C). Fødevann strømmer gjennom den anaerobe bioreaktoren og kommer inn i den nye bioreaktoren ved hjelp av tyngdekraft eller pumping. Fig. 3B viser at vaskevann som kommer ut av utløpsrøret (9) under vaskeoperasjonen i den nye bioreaktoren ikke blir resirkuler tilbake til den anaerobe bioreaktoren. Fig. 3C viser at en separasjonsenhet, som kan være en sedimenteringstank, en slamfortykker, en flotasjonsenhet med finfordelt luft eller en finsikt, blir brukt for

å separere slam (16) fra utløpsvannet (15) i vaskevannet og det separerte slammet (16) blir resirkulert tilbake til den anaerobe bioreaktoren (13) for anaerob råtning. Biogass som blir produsert i den anaerobe bioreaktoren blir samlet opp via en biogass lufterør (17).

Fig. 4A og 4B viser skjematisk biologiske nitrogenfjerningsprosesser integrert med den nye bioreaktoren. I fig. 4A er det plassert en totrinns prosess, en anoksisk fast film bioreaktor (18) foran den nye bioreaktoren (3). Både fjerning av organiske materialer og nitrifisering skjer i den nye bioreaktoren. En indre sirkulasjonsstrøm (19) som er rik på nitrationer blir resirkulert til den anoksiske bioreaktoren. I fig. 4B er det vist en tretrinns prosess, en anoksisk fast film bioreaktor (18) fulgt av en aerob fast film bioreaktor (20) som blir etterfulgt av den nye bioreaktoren (3). Den aerobe bioreaktoren (20) er utformet i hovedsak for fjerning av organiske materiale i fødevannet og den nye bioreaktoren (3) i hovedsak for nitrifisering og membranfiltrering. Den inder

resirkulasjonsstrømmen (19) blir resirkulert til den anoksiske bioreaktoren (18) i tretrinnsprosessen.

Fig. 5 viser skjematisk en kombinert biologisk nitrogen og fosforfjerningsprosess integrert med den nye bioreaktoren. Prosessen innbefatter fire bioreaktorer og de er: en anaerob bioreaktor (21), en anoksisk bioreaktor (22), en anaerob fast film bioreaktor (20) og den nye bioreaktoren (3). Både den anaerobe bioreaktoren (21) og den anoksiske bioreaktoren (22) inneholder ingen bærerelementer. Organiske materialer blir fjernet i de første tre bioreaktorene (21, 22 og 23) og delvis nitrifisering skjer i den aerobe bioreaktoren (20). Ytterligere nitrifisering og membranfiltrering skjer i den nye bioreaktoren (3). Den indre resirkulasjonsstrømmen (19) resirkulerer nitrationer og suspendert biomasse til den anoksiske bioreaktoren (22) for denitrifisering ved hjelp av hydrolysert organisk materiale fra den anaerobe bioreaktoren (21). Den andre indre resirkulasjonsstrømmen (23) sirkulerer fosforakkumulerende organismer (PAO'er) til den anaerobe bioreaktoren (21). Med et slikt

strømningsarrangement kan PAO'er ta opp flyktige fettsyrer (VFA'er) i fødevannet, som omdannes til energirike polymere forbindelse inn i PAO cellene, og når PAO'er kommer inn i den aerobe bioreaktoren (20) kan de

lagrede polymere forbindelsene anvendes som energikilder for PAO'er for å ta opp fosfor i vannet og lagre det som polyfosfater i deres celler. Til slutt kan fosfor, som har blitt anriket i PAO'er, fjernes fra systemet via slammet som fjernes i vaskevannet.

Fordeler fremfor tidligere kjent teknikk

I forhold til den aktivert slam + sekundær klaring + MF/UF prosessen, innehar foreliggende oppfinnelse følgende fordeler: Den nye prosessen eliminerer den sekundære klaringen, hvilket i betydelig grad redusere det totale fotavtrykket til prosessen. Slamsvellingsproblemet er ikke relevant for den nye prosessen. Tettheten til biomassen i den nye bioreaktoren kan være mye høyere enn i det aktivere slamprosessene, hvilket resulterer i høyere organiske belastninger og lavere fotavtrykk.

Oksygenoverføringseffektiviteten i den nye bioreaktoren kan være betydelig høyere enn i de aktiverte slamprosessene når det anvendes høye fyllingsgrader for bærerelementene. Med tilnærmet stasjonære bærerelementer med høye fyllingsgrader, må luftboblene bevege seg gjennom tettpakkede bærere, og derved gi en lang retensjonstid og bane før luftboblene når overflaten til bioreaktoren.

I forhold til MBR prosessen har foreliggende oppfinnelse følgende fordeler: Ved foreliggende oppfinnelse kan anvendelsen av grove luftboblerfor både biofilmprosessen og membranrensingen redusere det høye energiforbruket som typisk observeres for MBR prosessene.

I foreliggende oppfinnelse har kollisjonen mellom bærerelementene og membranet en rensende effekt på membranoverflaten. Forutsetningen er at bærerelementene ikke skader membranstrukturen og i betydelig grad reduserer membranets levetid under standard driftsbetingelser, hvilket kan realiseres ved et passende valg a bærerelementer og membrantyper.

Biomassetettheten i den nye bioreaktoren kan være betydelig høyere enn i MBR prosessene, hvilket resulterer i høyere organiske belastninger og mindre fotavtrykk.

Hoveddelen (>50%) av biomassen i den nye bioreaktoren er i form av biofilm på bærerelementene, hvilket resultere i en lavere konsentrasjon av suspendert faststoff enn i typiske MBR prosesser. To hovedfordeler er assosiert med lave konsentrasjoner av suspendert faststoff: den ene er at membrantilgroing kan lettes siden ekstremt høye konsentrasjoner av suspendert faststoff reversibelt kan påvirke membranpermeabiliteten, og den andre er at nødvendigheten av den høye interne resirkulasjonsstrømmen (høyt energiforbruk) i MBR prosessen, som er nødvendig for å redusere slamkonsentrasjonsdifferansen mellom sonen som membranene er plassert i og resten av bioreaktoren, blir redusert.

For den nye bioreaktoren kan slamfjerningen under vaskeoperasjonen med fremoverrettet strøm, implementeres samtidig som det utføres en kjemisk forsterket tilbakevasking (CEB) av membranet og membranet rent-på-plass (CIP - clean-in-place), hvilket vanligvis er implementert i MBR prosessen, reduserer tiden hvor det ikke produseres permeat.

I forhold til MB-MBR prosessen har foreliggende oppfinnelse følgende fordeler: Ved foreliggende oppfinnelse kan bruk av grove luftbobler for både biofilmprosessen og membranrensningen redusere det høye energiforbruket som typisk observeres for MB-MBR prosessen.

I foreliggende oppfinnelse har kollisjonen mellom bærerelementene og membranet en rensende effekt på membranoverflaten, forutsetningen er at bærerelementene ikke skader membranstrukturen og i betydelig grad reduserer membranets levetid under standard driftsbetingelser. Biomassetettheten i den nye bioreaktoren kan være mye høyere enn i MB-MBR prosessen, hvilket resultere i høyere organiske belastninger og mindre fotavtrykk.

For den nye bioreaktoren kan slamfjerningen under vaskeoperasjonen implementeres samtidig som det utføres en kjemisk forsterket tilbakevasking (CEB) av membranet og membranet rent-på-plass (CIP - clean-in-place), hvilket vanligvis er implementert i MBR prosessen, reduserer tiden hvor det ikke produseres permeat.

Beskrivelse av reaktorutforming

Utformingen av den nye reaktoren (3) representerer ingen begrensning for oppfinnelsen, men den vil typisk ha en flat bunn og vertikale vegger. Den effektive dybden til bioreaktoren (3) vil typisk være i områder fra 1,5 til 12 meter, normalt 3 til 8 meter. Valget av materiale for fremstilling av bioreaktoren (3) har ingen betydning for prosessen og kan velges fritt.

Innstrømningen av fødevann til bioreaktoren (3) kan være tilveiebragt med rør eller kanalkonstruksjoner. Fødevannet kan enten komme inn på toppen av bioreaktoren slik at man har et vannivågap (se fig. 1A og 1B, og 2A og 2B) eller man kan ha et nedsenket innløp.

Strømningsretningen til vannet gjennom bioreaktoren kan både være horisontal og vertikal.

Utløpet for overskuddsslam og resirkulasjonsvann fra bioreaktoren kan innbefatte en eller flere utløpssoner, typisk med siler (7) for å holde tilbake bærerelementene i bioreaktoren. Utløpene kan enten være plassert nær toppen av bioreaktoren eller nær bunnen av bioreaktoren i tilfellet av at et vertikalt rør (11) er nødvendig for å sette utløpsrør (9 og 12) høyder.

Det er ingen begrensninger med hensyn til plasseringen av membransystemet i bioreaktoren så lenge som membransystemet er nedsenket i vannet. Fortrinnsvis er membranet plassert nær og over luftesystemet og i en sone hvor bærerelementene og de andre partiklene i bioreaktoren er fluidiserte.

Luftesystemet (6) skal være plassert ved bunnen av bioreaktoren, fortrinnsvis rett under membransystemet (5) slik at luften blir fordelt i den største delen av bioreaktorens horisontale utstrekning og samtidig effektivt rense membranoverflaten.

Claims (12)

1. Oversettelse av opprinnelige innleverte krav. 1. Fremgangsmåte for biologisk rensing av vann, hvilken fremgangsmåte innbefatter: føre vannet inn i en reaktor via en eller flere innløpsrør eller innløpssoner; føre vannet og substrat gjennom bærerelementer for biofilmvekst som har et høyt beskyttet overflateareal (> 200 m<2>/m<3>bærerelementer) og et stort porevolum (> 60%); hvor en eller flere membranenheter er nedsenket i vannet i reaktoren; hvor permeatet blir trukket ut av reaktoren gjennom porene i membranene; hvor oksygenholdig gass blir tilført i reaktoren via et luftesystem, hvor vannivået i reaktoren under normal drift holdes under det ene eller flere utløpsrørene eller utløpssonene som er dedikert for fjerning av overskuddsslam; hvor det under vaskeoperasjon dannes sterk turbulens for fjerning av overskuddsslam når vannivået i reaktoren midlertidig heves til nivået hvor utløpsrørene eller utløpssonene som er dedikert for fjerning av overskuddsslam er.
2. 2. Fremgangsmåte i henhold til krav 1, hvorved når vannet i reaktoren blir hevet midlertidig til nivået hvor utløpsrørene eller utløpssonene som er dedikert for fjerning av overskuddsslam er, anvende en blandemekanisme for å danne en sterk turbulens i reaktoren slik at overskuddsslam bli revet av fra elementene og membranoverflaten og sedimentert slam blir suspendert og at innløpsvann blir ledet inn i reaktoren gjennom innløpsrørene eller innløpssonene og derved bringer slammet ut av reaktoren gjennom et eller flere utløpsrør eller utløpssoner,.Når overskuddsslammet har blitt fjernet, redusere vannivået til nivået under der hvor utløpsrørene eller utløpssonen som er dedikert for fjerning av overskuddsslam er.
3. 3. Fremgangsmåte i henhold til krav 1, hvor forurenset vann kontinuerlig tilføres i reaktoren gjennom et eller flere innløpsrør eller innløpssoner.
4. 4. Fremgangsmåte i henhold til krav 1, hvorved bærerelementene haren spesifikk vekt som er i området 0,8 til 1,1.
5. 5. Fremgangsmåte i henhold til krav 1, hvorved fyllingsgraden til elementene under normal drift tilsvarer 10% til 90% av reaktorvolumet.
6. 6. Fremgangsmåte i henhold til krav 1, hvorved membranene enten kan være i hulfiberformat eller arkformat.
7. 7. Fremgangsmåte i henhold til kravene 1 og 6, hvorved membranene kan være fremstilt av keramiske materialer, metalliske materialer, polymere materialer eller kombinasjoner av uorganiske og polymere materialer.
8. 8. Fremgangsmåte i henhold til kravene 1, 6 og 7, hvorved den nominelle porestørrelsen til membranene er mindre enn 0,5 mikrometer.
9. 9. Hevingen og senkingen av vannivåene i reaktoren i henhold til krav 1 og 2 gjøres ved å redusere eller stanse og øke permeatstrømmen.
10. 10. Reaktor i henhold til krav 1 og 2 innbefattende en innretning tilveiebragt i utløpssonene for å holde tilbake bærerelementene i reaktoren.
11. 11. Fremgangsmåte i henhold til krav 1, hvorved under normal drift, en del av det behandlede vannet som inneholder slam kan komme ut av reaktoren gjennom en eller flere utløpsrør eller utløpssoner enten ved hjelp av tyngdekraft eller via pumping.
12. 12. Fremgangsmåte i henhold til krav 1, hvorved det ved fjerning av overskuddsslam diskontinuerlig tilføres forurenset vann til reaktoren gjennom et eller flere innløpsrør eller innløpssoner, stanse tilførselen av forurenset vann etter at vannivået i reaktoren har blitt hevet, og tilveiebringe turbulens ved hjelp av blandeinnretningerfor å danne turbulens i reaktoren og fluidisere elementene, slik at overskuddsslam blir revet av fra elementene og membranoverflaten og sedimentert slam blir suspendert, og deretter lede innløpsvannet inn i reaktoren gjennom et eller flere innløpsrør eller innløpssoner, slik at slammet kan føres ut av reaktoren gjennom et eller flere utløpsrør eller utløpssoner for slam.