Långtidsförsök med membranbioreaktor för förbättrad avloppsvattenrening i kombination med kompakt slambehandling

• Henriksdals reningsverk i Stockholm byggs nu ut och om för ökad kapacitet (från 0,8 till 1,6 miljoner PE) och för förbättrad reningsgrad (6 mg TN/l, 0,20 mg TP/L, 5 mg BOD7/l). Projektet inkluderar uppgradering av den befintliga konventionella aktivslamprocessen till en ny membranbioreaktorprocess (MBR) med mer än 1,6 m2 installerad membranyta.Det inkluderar även utökad förbehandling och ett nytt steg för primärslamförtjockning. Termofil rötning av tjockt slam (~6 % TS) vid hög organisk belastning och relativt låg uppehållstid kommer ersätta dagens mesofila rötning.För att öka kunskapen om MBR-teknik i nordiskt klimat har Stockholm Vatten och Avfall (SVOA) och IVL Svenska Miljöinstitutet genomfört långtidsstudier på en membranprocess i pilotskala på FoU-anläggningen Hammarby Sjöstadsverk, som ligger i anslutning till Henriksdals reningsverk. MBR-piloten togs i drift 2013 och byggdes om till sin nuvarande utformning under 2016. År 2017 kompletterades MBR-piloten med en slamlinje för att kunna studera olika aspekter av slamrötning.Under 2021 kördes MBR-piloten med ett fast inflöde på 4,1 m3/h, vilket är 37 % högre än det designade medelflödet, med externt tillförskaffad glycerol och internt producerad VFA-kolkälla för efterdenitrifikation.Aluminium (PAX) användes i stället för trevärt järn (PIX) som komplement till tvåvärt järn (FeSO4) för fosforutfällning. Detta gjordes för att testa driftstrategin för den första MBR-linjen i Henriksdals reningsverk. Medelhalter av kväve och fosfor i utgående vatten var 3,9 mg TN/L respektive 0,07 mg TP/L, vilket innebär att utsläppsvärden uppfylldes även i år. För att uppnå detta krävdes 8,6 g Fe2+/m3 och 0,9 g Al3+/m3.Under försök med fluxförhöjare tillsattes totalt 17,8 g järn (Fe2++ Fe3+)/m3. Glyceroldosen motsvarade 17,3 g COD/m3, och för användning av internt producerad VFA motsvarande dosen 15,5 g COD/m3. Den något högre förbrukningen av fosforfällningskemikalier jämfört med 2020, 1,29 mol metall per mol avlägsnad fosfor, berodde främst på en lägre bio-P aktivitet under 2021. År 2021 var fosforsläppshastigheten mycket låg under våren, ex. < 1 g PO4-P/kg VSS,h i juni men återhämtade sig under sommaren med t.ex. 5,5 g PO4-P/kg VSS,h i juli, efter att doseringen av skumdämpare stoppades.Järn- och aluminiumhalten i det aktiva slammet var 6,2 respektive 0,7 %. Genomsnittlig total slamålder under 2021 var 17,2 dagar och luftad medelslamålder var 7 dagar. Nitrifikation var alltid komplett med utgående ammoniumkoncentrationer under 2 mg/L, förutom vecka 25.Tester med användning av internt producerad VFA som kolkälla visade att den specifika COD-förbrukningen var nästan densamma som för glycerol när man jämförde årsgenomsnittet från 2021 och 2020. Utgående nitrat och total kvävereduktion var liknande under försöket med VFA som resten av året, då glycerol användes.Liksom tidigare år rengjordes membranen i membrantank 1 (MT1) med oxalsyra och membranen i MT2 med citronsyra. Båda membranen rengjordes också med natriumhypoklorit. Membranen kördes med ett genomsnittligt flux på 21 till 25 L/(m2·h), men med startvecka 25 testades fullskaledesignens maximala nettoflux på 30 L/(m2·h) i piloten under 25 veckor. Netto-TMP varierade mellan 49 och 218 mbar för MT1 och mellan 51 och 146 mbar för MT2. TMP reducerades efter varje återhämtningsrengöring (RC) med hypoklorit, men effekten varade inte länge. Permeabiliteten var generellt över 200 L/(m2·h·bar) under hela 2021–2022 för båda membranen. Återhämtningsrengöringar gjordes två gånger med hypoklorit och en gång med syror under 2021. Under 2022 genomfördes en slutlig RC, först med hypoklorit sedan med syror. Den första RC för MT1 resulterade i en tydlig ökning av permeabiliteten efter rengöring. För MT2 var den största ökningen av permeabiliteten resultatet av en citronsyra-MC (en vecka efter hypoklorit-RC).Följande RC i slutet av 2021 och i mars 2022 hade tydliga men mindre positiva inverkan på permeabiliteten. Före den första RC var permeabiliteten högre för MT1 (rengöras med oxalsyra) jämfört med MT2 (rengöras med citronsyra). Efter de första RC hade båda membranen liknande permeabilitet. Som ett resultat av den tuffa driftstrategin från vecka 25 2021 minskade permeabiliteten ganska snabbt efter RC. MT2 nådde en stabil nivå runt 250-300 L/(m2·h·bar) medan MT1 sjönk ytterligare till som lägst 200 L/(m2·h·bar).Utsläpp av klorerade föreningar mättes under den slutliga återställningsrengöringen med natriumhypoklorit. Utsläppsprocessen var långsammare än förväntat och generellt sett observerades inga tydliga tecken på dämpning av utsläppen under provtagningens 21 timmar. Även om sammansatta prover på flera timmar under natten inte ger tillräckligt med detaljer, drogs slutsatsen att utsläppen kan vara skadliga under hela RC-processen ur ett exponeringsperspektiv. Exempelvis nådde trikloramin sin topp vid 36 gånger den rekommenderade gränsen, klorgas vid 73 % av korttidsexponeringsgränsen (15 min exponering) och kloroform vid 9 % av den yrkesmässiga exponeringsgränsen (genomsnittlig arbetsdag på 8 timmar).För att följa upp tidigare mätningar av växthusgaserna lustgas (N2O) och metan (CH4) genomfördes en ny mätkampanj under flera månader i 2021. Generellt sett var utsläppen som observerades 2021 betydligt högre än i tidigare kampanjer och särskilt höga N2O-utsläpp från membrantanken kunde observeras. Någon tydlig orsak kunde inte identifieras men den högre inkommande belastningen med bibehållna reningskrav och ett "bättre" provtagningsupplägg kan delvis vara en förklaring.I samarbete med Kemira genomfördes tester med en fluxförhöjande produkt (flux enhancer). Ingen uppenbar positiv eller negativ förändring i permeabiliteten på grund av dosering av fluxförhöjare kunde dock identifieras utifrån de kontinuerliga processparametrar som övervakades och vanliga variationer i permeabilitet samt effekten av membranrengöring.Eftersom skumbildning är ett vanligt fenomen i MBR-anläggningar genomfördes tester med ett skumdämpande medel som doserades i pulser och kontinuerligt till den biologiska behandlingen under perioden med kraftig skumbildning (mars-juni). Även om skumning inte upphörde helt så kunde en god minskning och kontroll av skumning uppnås. En optimal effekt konstaterades vid en kontinuerlig dos på > 10 ppm. Men även om produkten har visat sig ha en positiv effekt på skumning i MBR-piloten, framstår inte en permanent användning i fullskala som ekonomiskt genomförbar på grund av den höga förbrukningen.Tester med reducerat RAS-flöde från 4×Qin enligt design till 2×Qin syftade till att minska energiförbrukningen. Ett minskat RAS-flöde skulle dock innebära en ökad slamkoncentration i membrantankarna, vilket kan ha negativa effekter på membranets prestanda med mer igensättning, vilket i sin tur kan leda till ökad luftning för membranrengöring och behov av tätare membrantvättar. Projektgruppen kunde dock inte observera några negativa effekter av det minskade RAS-flödet på membranets prestanda.Under 2021 genomfördes tester med övergång från mesofil till termofil rötning, avvattning av rötslam efter mesofil och termofil rötning, samt termofil rötning vid hög organisk belastning (OLR) och låg hydraulisk uppehållstid (HRT) i slampiloten. Resultat visar att övergången från mesofil till termofil rötning kan ske utan större problem om den organiska belastningen minskades lite vid den mest kritiska temperaturen och att stabil drift uppnåddes efter 10-12 dagar. Att utvärdera avvattningen av mesofilt och termofilt rötat slam var svårare och inga tydliga skillnader kunde observeras. En slutsats var dock att de metoder som användes för att bestämma avvattningsbarhet eller optimal polymerdos inte framstår som tillförlitliga. Försök med hög organisk belastning vid termofil rötning visade att rötkammarens prestanda kunde bibehållas upp till en OLR på cirka 4 kg VS/m3, d och en HRT på 12 d. När belastningen ökades ytterligare och HRT minskade, minskade prestandan vad gäller utrötningsgrad och biogas-/metanproduktion, även om själva reaktordriften fortfarande var stabil.Den totala resursåtgången i piloten visade att konsumtionen av glycerol var densamma som för den framtida Henriksdalsdesignen, även om kvävebelastningen i piloten var 21 % högre och den genomsnittliga totala kvävekoncentrationen i utgående vatten var med 3,9 mg TN/L lägre än design på 6 mg TN/L. Järn-/metallförbrukningen var också 73 % av den framtida Henriksdalsdesignen, även om fosforbelastningen till piloten var cirka 50 % högre jämfört med designvärden och utgående fosfatkoncentrationerna låg under målkoncentrationen. Detta förklaras främst av EBPR-aktiviteten i pilotprojektet. Dessutom var förbrukningen av rengöringskemikalier lägre än den framtida Henriksdalsdesignen även om inflödet till piloten var 30 % högre än designen.

• Henriksdal wastewater treatment plant (WWTP) in Stockholm is currently being extended and rebuilt for increased capacity (from 0.8 to 1.6 million PE) and enhanced treatment efficiency (6 mg TN/L, 0.20 mg TP/L, 5 mg BOD7/L).The reconstruction includes retrofitting of the existing conventional activated sludge (CAS) tanks with a new membrane bioreactor (MBR) process containing 1.6 million m2 of membrane area. It also includes extended pretreatment and a new treatment step for thickening of primary sludge. Digestion of thick sludge (~6 % TS) will be done at thermophilic conditions, unlike today’s mesophilic operation, with high organic load and relatively short retention time.To increase the knowledge of MBRs in Nordic conditions, Stockholm Vatten och Avfall (SVOA) and IVL Swedish Environmental Research Institute have conducted long-term MBR studies in pilot scale at the R&D-facility Hammarby Sjöstadsverk, located on the premises of the Henriksdal WWTP. The MBR-pilot was taken into operation in 2013 and was reconstructed to its current configuration in 2016. In 2017 the MBR pilot was supplemented with a sludge treatment line to study different aspects of sludge digestion. During 2021, the MBR-pilot was operated at a fixed inflow of 4.1 m3/h, which is 37 % higher than the design average flow, with externally provided glycerol as well as internally produced VFA as carbon source for post-denitrification. Aluminum (PAX) was used instead of Ferric (PIX) as complement to Ferrous (FeSO4) for phosphorous precipitation. This was done to test the operational strategy for the first MBR line in Henriksdal WWTP. The average effluent concentration of nitrogen and phosphorus was 3.9 mg TN/L and 0.07 mg TP/L, respectively, which means that the effluent requirements were met also this year. To achieve this, 8.6 g Fe2+/m3 and 0.9 g Al3+/m3 was required.During flux enhancer trials a total of 17.8 g iron (Fe2+ + Fe3+)/m3 was added. The glycerol dose was equivalent to 17.3 g COD/m3 and for internally produced VFA the dose equivalent was 15.5 g COD/m3. The slightly higher consumption of phosphorus precipitation chemicals compared to 2020, 1.29 mole metal per mole of phosphorus removed, was mainly due to a lower enhanced biological phospho¬rus removal (EBPR) activity in 2021. In 2021 the phosphorous release rates were low during the spring and showed < 1 g PO4-P/kg VSS,h in June but recovered in the summer with 5.5 g PO4-P/kg VSS,h in July after the defoaming agent dosing was stopped.The iron and aluminum content in the activated sludge was 6.2 and 0.7 %, respectively. Average total sludge age during 2021 was 17.2 days and average aerated sludge age was 7 days. Nitrification was always complete with ammonia concentrations below 2 mg/L except week 25. Test with use of internally produced VFA as carbon source showed that the specific COD consumption was almost the same as for glycerol when comparing the yearly average from 2021 and 2020. Effluent nitrate and total nitrogen removal was similar during the trial with VFA as the rest of the year, when glycerol was used. Like previous years, the membranes in membrane tank 1 (MT1) was cleaned with oxalic acid and the membranes in MT2 with citric acid. Both membranes were also cleaned with sodium hypochlorite. The membranes were operated with an average net flux around 21 to 25 L/(m2·h) but starting from week 25, the flux was increased to 30 L/(m2·h) which is the design net max flux of the full scale MBR in Henriksdal and was tested in the pilot for 25 weeks.The net TMP varied between 49 and 218 mbar for MT1 and between 51 and 146 mbar for MT2. TMP was reduced after each recovery cleaning (RC) with hypochlorite, but the effect did not last long. The permeability was generally above 200 L/(m2·h·bar) throughout 2021-2022 for both membranes. Recovery cleanings were done twice with hypochlorite and once with acids during 2021. During 2022 a final RC, first with hypochlorite then with acids was carried out.The first RC for MT1 resulted in a clear increase in permeability after cleaning. For MT2 the major increase in permeability was the result of a citric acid MC (one week after the hypochlorite RC). The RCs at the end of 2021 and in March 2022 had clear but smaller positive impact on permeability. Prior to the first RCs, permeability was higher for MT1 (cleaned with oxalic acid) compared to MT2 (cleaned with citric acid). After the first RCs, both membranes had similar permeability. As a result of the tough operational strategy from week 25 2021, permeability decreased quite quickly after RCs. MT2 reached a stable level around 250-300 L/(m2·h·bar) while MT1 decreased even more, to as low as around 200 L/(m2·h·bar). Emission of chlorinated compounds in the off-gas ventilation were measured during the final sodium hypochlorite recovery cleaning. The emission process was slower than expected and generally no clear sign of attenuation of emissions was observed during the 21 hours of sampling. Although composite samples of several hours during the night are not providing enough details, it was concluded that the emissions can be harmful during the entire RC process from an exposure perspective. Trichloramine peaked at 36 times the recommended limit, chlorine gas at 73 % of the short-term exposure limit (15 min exposure), and chloroform at 9 % of the occupational exposure limit (8-hour workday average).To follow up previous measurements of greenhouse gases nitrous oxide (N2O) and methane (CH4), a new campaign was performed during several months in 2021. Generally, emissions observed in 2021 were significantly higher than in previous campaigns in the pilot and especially high N2O-emissions from the membrane-tank could be identified.No clear reason could be identified but the increased incoming load with a maintained effluent quality and a “better” sampling setup may partly be an explanation.In collaboration with Kemira, tests with a flux enhancer product were performed in 2021. However, no obvious positive or negative change in permeability due to dosing of flux enhancer was possible to identify based on continuously monitored process parameters and commonly observed variations in permeability and effect of membrane cleaning.  As the formation of foam is a common phenomenon in MBR plants, tests with an antifoaming agent were done by dosing in batches and continuously to the biological treatment during the period of heavy foaming (March-June).Even if foaming was not avoided, a good reduction and control of foaming could be achieved. An optimal effect was achieved with continuous dosages of > 10 ppm. However, even though the product has shown to have a positive effect in the MBR-pilot, a permanent use in full-scale may not be economically feasible due to the high consumption.Test with a reduced RAS flow from the design value of 4×Qin to 2×Qin was done with the aim to reduce energy consumption for pumping. A reduced RAS flow would however imply an increased sludge concentration in the membrane tanks, which may have negative effects on the membrane performance with more clogging and consequently increased aeration for membrane scouring and need for more frequent membrane cleaning.However, no negative effects of the reduced RAS-flow could be seen on the membrane performance.    During 2021, tests with a transition from mesophilic to thermophilic anaerobic digestion, dewatering of digested sludge after mesophilic and thermophilic digestion, and thermophilic digestion at high organic loading rate (OLR) and low hydraulic retention time (HRT) were performed in the sludge pilot. Results show that the transition from mesophilic to thermophilic digestion can be done without any major problems if the load was reduced during the most critical temperatures and that stable operation was achieved after 10-12 days. Evaluating the dewatering of mesophilically and thermophilically digested sludge was more difficult and no clear differences could be observed. However, it was concluded that used methods for determining dewaterability or optimal polymer dose are not reliable.Trials with high organic loading rate at thermophilic digestion showed that the digester performance could be maintained up to an OLR of around 4 kg VS/m3, d and an HRT of 12 d. When the load is further increased and HRT decreased, the performance in terms of VS reduction and biogas-/methane production decreased although the reactor operation was still stable.   The overall resource consumption in the pilot showed that the consumption of glycerol was the same as for the future Henriksdal design, even though the nitrogen load in the pilot was 21 % higher and the average effluent total nitrogen concentration was 3.9 mg TN/L compared to the design of 6 mg TN/L.Also, the iron/metal consumption was 73 % of the future Henriksdal design, although the phosphorus load to the pilot was about 50 % higher compared to design values and effluent phosphate concentrations were below the target concentration. This is mainly explained by the EBPR activity in the pilot. Also, the consumption of cleaning chemicals was lower than the future Henriksdal design although the inflow to the pilot was 30 % higher than design.

Subject headings

TEKNIK OCH TEKNOLOGIER  -- Miljöbioteknik -- Vattenbehandling (hsv//swe)

ENGINEERING AND TECHNOLOGY  -- Environmental Biotechnology -- Water Treatment (hsv//eng)

Keyword

MBR

avloppsvatten

wastewater

slam

sludge

pilot

Hammarby Sjöstadsverk

"MBR

avloppsvatten

wastewater

slam

sludge

pilot

Hammarby Sjöstadsverk"

Publication and Content Type

vet (subject category)

rap (subject category)