www.mbr-network.eu MBR v čistení komunálnych OV - pohľad na súčasnosť a vízie do budúcnosti? Zuzana Matulová, Miloslav Drtil email: zuz.matulova@gmail.com Čistenie odpadových vôd s membránovou filtráciou - súčasnosť a perspektívy na Slovensku, Výstava BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY
OBSAH História MBR MBR dnes Výhody MBR vtedy a dnes Naša skúsenosť s domovou MBR Žumpa x DČOV x MBR DČOV Benchmarking Celkové závery 2
Relatívne mladá technológia s rýchlou expanziou: 1960 - koncept komerčne vyvinutý firmou Dorr-Oliver, História MBR použitá UF membrána v bočnom prúde ako náhrada DN, 1970 - vstup na japonský trh = rýchle zdokonaľovanie, menšie DČOV, 1989 - Prof. Yamamoto (Univerzita v Tokiu) predstavuje koncepciu ponoreného HF modulu, s filtráciou z von dnu pod slabým podtlakom, po 1990-firma Kubota vyvinula doskový typ ponorených membrán (FS), - firma Zenon typ ponorených vertikálnych membrán (HF), - Wehrle bočnoprúdny multi-tubulárny Biomembrat systém, - Mitsubishi Rayon MBR na báze horizontálnych ponorených FS. 2004 celosvetovo viac ako 2200 inštalácii, v USA 258 (Yang a kol. 2006) 3
MBR dnes Na MBR trhu prevládajú 2 typy ponorených HF (Zenon 63%) a FS (Kubota 30%), s filtráciou z von dnu Prevaha ponorených systémov oproti bočnoprúdnym, 99% z celk. nainštalovaného povrchu membrán (Lesjean a kol. 2007, roky 2002-2005) v Európe - viac ako 300 priemysel. aplikácii nad 20 m 3 /d, (priemerne 180 m 3 /d) - a viac ako 100 komunál. ČOV s kapacitou viac ako 5OO EO, (priemer 2500 m 3 /d), 75% z celk. nainštalovanej membránovej plochy - Predpoklady: (---čiara) 70 nových MBR/ročne: 50 priemyselných a 20 komunálnych 4
Kompaktnosť: DN nahradená kompaktným filtračným stupňom, kt. je možné implementovať priamo do AN, menšia zastavaná plocha! Flexibilita prevádzky = MBR pracujú: s vyšším vekom kalu ( Θx), čo je žiadúce pretože: Výhody MBR vtedy a dnes - Xc (kedysi > 20 g/l, dnes skôr 10-15 g/l) a tým veľkosť reaktoru, - ale účinnosť prestupu kyslíka, alfa priemerne 0,6 pri Xc 12g/l - viskozita kalu => upchanie membrány, s nižším zaťažením kalu ( Bx), s nižšou produkciou prebytočného kalu, dnes už skôr podobnou! Bytnenie kalu sa stáva menej podstatným. Modularita Vynikajúca a stála kvalita odtoku + hygienizácia - nezávislá od pritekajúcej OV, aj pri zhoršených vlastnostiach kalu - dôležité pre: znovu využívanie vyčistenej vody a všade tam, kde sú extrémne požiadavky na kvalitu VV (CHSK < 30 mg/l, P < 0,5 mg/l)... 5
Naša skúsenosť s domovou MBR V rámci európskeho projektu MBR-TRAIN sme sa venovali návrhu a prevádzke (2-ročný podrobný monitoring) domovej MBR ČOV a naše hlavné poznania sú: Kvalita VV vždy vynikajúca aj napriek problémom s nitrifikáciou a zhoršeným sedimentač. vlastnostiam kalu, priemerné koncentrácie CHSK na výstupe 53 mg/l a BSK 5 2 mg/l, Kal v MBR DČOV opakovane vykazoval tendenciu bytnieť do takej miery, že jeho separácia sedimentáciou nebola možná a jedine membrána bola schopná udržať kal v systéme! Reálna spotreba vody domu 4-člennej rodiny bola priemerne 0,24 m 3 /d, čo predstavuje len 60 l/obyvateľ.d, Produkcia CHSK, BSK 5 a P celk na obyvateľa 40-60% návrhových hodnôt doporučovaných STN, hodnoty N celk boli skoro rovnaké! Ako dôsledok dusíkatého znečistenia, ph a veľmi zimných teplôt počas experimentu problém s nitrifikáciou! 6
MBR DČOV: 400 350 Naša skúsenosť s domovou MBR CHSK permeát 53 mg/l, CHSK supernatant 201 mg/l, CHSK permeát: CHSK supernatant = 0,27 Lab. model MBR: CHSK permeát 12 mg/l, CHSK supernatant 56 mg/l N celk, NH4-N (mg/l) 300 250 200 1. ETAPA 2.ETAPA 3. ETAPA CHSK permeát: CHSK supernatant = 0,21 N celk prítok - Prevádzka je možná aj pri kale s veľmi zlými sedimentačnými 150 vlastnosťami bez výraznejšieho vplyvu na kvalitu VV... 100 50 NH4-N permeát - V prípade našej DČOV nitrifikácia začala prebiehať až pri teplotách 0 8-9 C, napriek dostatočnému Θx, Xc a vysokému obsahu O 2 v kale. 7.12.2007 1.1.2008 26.1.2008 20.2.2008 16.3.2008 10.4.2008 5.5.2008 30.5.2008 - vysoké konc. Ncelk na prítoku, ph okolo 9, nízke teploty => substrátová inhibícia nitrifikácie - Koncentrácie NH 4 -N na odtoku <10 mg/l dosiahnuté až pri T> 20 C! 24.6.2008 19.7.2008 13.8.2008 7.9.2008 2.10.2008 27.10.2008 21.11.2008 16.12.2008 7
Vplyv membránovej filtrácie na zníženie CHSK v odtoku 450 400 350 CHSK supernatant 1. ETAPA 2. ETAPA 3. ETAPA Naša skúsenosť s domovou MBR CHSK perm eát CHSK (mg l -1 ) CHSK mg/l 300 250 200 150 100 50 0 7.12 2.2007 1.1 1.2008 26.1 1.2008 20.2 2.2008 16.3 3.2008 10.4 4.2008 5.5 5.2008 30.5 5.2008 24.6 6.2008 19.7 7.2008 13.8 8.2008 7.9 9.2008 2.10 0.2008 27.10 0.2008 21.11 1.2008 16.12 2.2008 Zima a jar: CHSK permeát 54 mg/l, CHSK supernatant 123 mg/l CHSK permeát : CHSK supernatant = 0,43 Leto: CHSK permeát 53 mg/l, CHSK supernatant 300 mg/l, CHSK permeát : CHSK supernatant = 0,17 8
Naša skúsenosť s domovou MBR V dôsledku vysokého ph a nízkych T a vysokého dusíkatého znečistenia na prítoku nedochádzalo k anaerób. rozkladu primárneho kalu v UN =!nestabilizovaný kal! Pre DČOV s MBR bez pravidelného chemického čistenia odporúčame prietok <10 LMH a meranie TMP (najrýchlejší indikátor stavu filtrácie) Pri vyšších prietokoch (nízkych T a zbytnelom kale) nekontrolovateľné upchatie membrány v relat. krátkom čase => všeobecne deklarovaná údržba 2x ročne nie je bezpečná! Pre väčšie MBR ČOV s pravidelným chem. čistením priemerne pre FS 27 LMH a pre HF okolo 20 LMH (vyplynulo z benchmarkingu). 9
Naša skúsenosť s domovou MBR Špecifický membránový prietok počas jednotlivých etáp 45 40 1. ETAPA = trvanie 90 d; Vysoký J start : nový membr. modul, čerpadlo 35 W; J neregulovaný 35 30 2. ETAPA = trvanie 72 d; stredný J start : nový membr.modul, čerpadlo 90 W; J do 20.3 regulovaný J (l m -2 h -1 ) 25 20 15 1.1 m 3 /m 2 3. ETAPA =trvanie210 d; nízky J start : chem. zregenerovaný membr. modul, čerpadlo 38 W ; J regulovaný do 15.9 10 1.5 m 3 /m 2 6.7 m 3 /m 2 5 0 2.9 m 3 /m 2 3.2 m 3 /m 2 5.8 m 3 /m 2 7.12.2007 1.1.2 008 26.1.2008 20.2.2008 16.3.2008 10.4.2008 5.5.2 008 30.5.2008 24.6.2008 19.7.2008 13.8.2008 7.9.2 008 2.10.2008 27.10.2008 21.11.2008 16.12.2008 10
Investičné náklady: Porovnanie cien pre nakladanie s OV pre malé zdroje znečistenia - s DPH 2 850 kruhová 3 400 pravouhlá Plastová žumpa DČOV MBR DČOV 10 m 3 4-5 EO 4-5 EO 2 300 4 300 Investičný rozdiel - 550 + 1 450 ČOV vers. kruhová žumpa Investičný rozdiel ČOV vers. pravouhlá žumpa Prevádzkové náklady: Aerácia, (režim: 8/2 min on/off) - 1 100 + 900-1,6 kwh/d 1,8 kwh/d kwh/kg BSK (8/2 min on/off) - 13 kwh/kg BSK 14 kwh/kg BSK kwh/m 3 vyčistenej vody 6,7 kwh/m 3 7,5 kwh/m 3 Cena energie 0,13069 /kwh (s DPH, SR) *Cena za odvoz vody / kalu (s DPH); ČOV 10 km, CAS 11 11-76,3 /rok 85,9 /rok 609 až 870 /rok Akcia 191 /rok 50 /rok 40 /rok **Servis/ údržba 36 /rok 150 /rok 400 /rok Sumárny prevádzkový náklad 645 až 906 /rok akcia 227 /rok 276 /rok 526 /rok
BENCHMARKING Viac ako 20 komunál. ČOV v rozsahu 20-80 000 EO Mestské ČOV napr. Nordkanal, D 48 000 m 3 /d Brescia, IT 42 000 m 3 /d Swanage, UK 17 700 m 3 /d Running Springs, CA 4 500 m 3 /d Heenvliet, B 2 400 m 3 /d Perthes en Gatinais, F 2 040 m 3 /d Porlock, UK 1 900 m 3 /d Coil Dub, IR 1 200 m 3 /d Park Place, USA 890 m 3 /d Simmerath, D 630 m 3 /d Knautnaundorf, D 432 m 3 /d Schwägalp, CH 156 m 3 /d Fisherman cottages, Ir 12 m 3 /d 12
Benchmarking Charakter odpadovej vody Špecifický prietok (flux) (LMH; l/m 2.h) TMP (bar) SAD m 1 (Nm 3 / h.m 2 ) Špec. produkcia kalu (kg/kg BSK 5 ) Komunálna čistená v MBR FS: 27; 34; 25; 27; 30; 28; 25; 24; 22; HF: 37; 20; 24,5; 25; 12; 16; 30; 16; MT: 40; 17; 120; 75 Priemer FS: 27; HF: 20; MT: 63 FS: 0,02; 0,02-0,11; 0,02-0,11; 0,1; 0,1; 0,12; 0,12; 0,3; 0,4; HF: 0,08-0,12; 0,1-0,2; 0,1-0,25; 0,1-0,25; 0,17; 0,2; 0,2; 0,2-0,5; 0,55; MT: 0,05-0,15; 0,8; 2 Priemer FS: 0,13; HF: 0,27; MT: 0,86 FS: 0,3; 0,35; 0,35; 0,4; 0,5; 0,56; 0,75; 0,75; 0,75; 1,28 HF: 0,15-0,3; 0,15-0,4; 0,18; 0,24; 0,3; 0,4; 0,75 MT: 0 Priemer = FS: 0,6; HF: 0,3; MT: 0 0,15; 0,27; 0,38-0,5; 0,8; 0,45; Priemer = 0,45 Komunálna čistená konvenčnou technológiou s odstraňovaním N a P* 0,55 0,9 13
Benchmarking Charakter odpadovej vody Xc (g/l) B v (kg BSK 5 /m 3.d) m 2 membrány/eo m 2 membrán/m 3 aktivácie Komunálna čistená v MBR 8-10; 8-12; 8-12; 8-12; 10-12; 12; 12; 10-15; 10-15; 12-15; 15; 15; 14-16; 14-18; 20; 10-22; 15-25 Priemer = 14 0,4; 0,8; 0,9; 1,1; 1,7; 0,7-2; 2,0; 2,2; Priemer = 1,1 FS: 0,05??; 0,1; 0,5; 0,51; 0,56; 0,76; 0,75; 0,9 HF: 0,4; 0,6; 0,6; 1,1; 1,3 MT: 0,14 Priemer FS: 0,6; HF: 0,8; MT: 0,1 (HF a FS: odporúča sa projektovať 1) 5,2; 7,4; 9,2; 32; 63 Priemer = / (príliš špecifické) kwh/m 3 FS: 0,9; 1,1 HF: 1,0; 1,1 Priemer FS: 1,0; HF: 1,0 kwh/m 3 len na MF 3 FS: 0,57; 0,7 HF: 0,3 MT: 0,6-1,8 Priemer FS: 0,63; HF: 0,3; MT: 1,2 Komunálna čistená konvenčnou technológiou s odstraňovaním N a P* 3,0 4 (do 5 s chem. zrážaním fosforu) 0,2-0,4 0,6-0,7 (bez kogenerácie) 14
Benchmarking Charakter odpadovej vody Komunálna čistená v MBR kwh/kg BSK 5 FS: 2,6; 3 HF: 2,7; 3; 4 Priemer = FS: 2,8; HF: 3,2 Cena membr. jednotky ( /m 2 ; Sk/m 2 ) 80 150 /m 2 Komunálna ČOV s konvenčnou technológiou s odstraňovaním N a P 1,7 2,2 (bez kogenerácie) (výnimočne 1,4 1,5) Legenda: SAD m = špecifická spotreba vzduchu na plochu membrány (Nm 3 vzduchu/h. m 2 ); MF = membránová filtrácia, FS-flat sheet, HF-hollow fibre, MT-multi tube, Pozn.: uvedené sú všetky dostupné hodnoty, aby bolo zrejmé ktorý parameter sa ako často aplikoval. 15
Výsledky z benchmarkingu Flux (l/m 2.h) priemer FS=27; HF=20; MT=63 TMP (bar) priemer FS=0,13; HF=0,27; MT=0,86 SAD m (m 3 /h. m 2 ) priemer FS=0,6; HF=0,3; MT=0 X c (g/l) priemer 14...v konvenčnej ČOV 3-5 g/l B v (kg BSK 5 /m 3.d) priemer 1,1...v kčov 0,2-0,4 m 2 membrány/eo priemer FS=0,6; HF=0,8; MT=0,1 (odporúčaná projektovaná 1m 2 /EO) kwh/kg BSK 5 priemer FS=2,8; HF=3,2; v kčov 1,5-2,2 bez kogenerácie (energia len MF 25-60% z celk. spotreby ČOV) Cena MF 80-150 /m 2 Napr. ČOV 50 000 EO: 120 /EO len na MF, (50% z celk. investície) (230 /EO rekonštrukcia celej kčov, vrátane predčistenia a kal.hospodárstva) 16
CELKOVÉ ZÁVERY nesporné výhody všade tam, kde: sú extrémne požiadavky na kvalitu VV (P<0,5, CHSK<30 mg/l) je nedostatok plochy a miesta, spojený s predražením ČOV chceme/potrebujeme znovu využívať vyčistenú vodu, je nedostatok vody (expanzia firiem na trhy s jej nedostatkom) tam kde môžme pre realizáciu takejto ČOV získať podporu z EÚ otvárajú nové možnosti pre decentralizované čistenie uplatnenie v priemysle a vodárenstve stále oveľa zaujímavejšie, výrazné zníženie odtokovej konc. CHSK a poplatkov...? A tiež platí: vyššia komplexnosť systému = vyššie nároky na obsluhu, ešte stále vyššie investičné a prevádzkové náklady! 17
ĎAKUJEM ZA POZORNOSŤ 18
Acknowledgement MBR-TRAIN is a Marie Curie Host Fellowship for Early Stage Research Training supported by the European Commission under the 6th Framework Programme (Structuring the European Research Area - Marie Curie Actions) Contract No. MEST-CT-2005-021050 Duration: 01/01/06-31/12/09 MBR-TRAIN is part of the MBR-NETWORK Cluster More info: www.mbr-network.eu and www.mbr-train.org 19