BOF_Phd VDS

Modelbouw en optimalisatie van membraanbioreactoren voor waterzuivering


Traditioneel wordt huishoudelijk en industrieel afvalwater biologisch gezuiverd met behulp van het actief slib proces. Hierin staan micro-organismen in voor de verwijdering van polluenten (chemische en biologische zuurstofvraag en/of nutriŽnten zoals stikstof en fosfor). Om een goede effluentkwaliteit te bekomen is de bezinkbaarheid van het actief slib cruciaal gezien slib gravitair wordt gescheiden van het gezuiverde afvalwater in een nabezinker. Bij een slechte bezinking komt niet alleen het halen van de norm voor zwevende stoffen in het gedrang, maar ook de normen voor chemische en biologische zuurstofvraag, stikstof en fosfor worden moeilijker gehaald omdat deze componenten ook in het uitgespoelde slib aanwezig zijn. Bovendien bestaat het gevaar dat traag groeiende micro-organismen, zoals de nitrificeerders, uitspoelen wat de goede werking en de stabiliteit van het systeem zeker niet ten goede komt (Rosenberger et al., 2000). De efficiŽntie van het conventionele actief slib proces wordt met andere woorden gelimiteerd door de slibbezinkbaarheid (Defrance et al., 2000).

In een membraanbioreactor (MBR) wordt de biologische zuivering gecombineerd met membraantechnologie. De nabezinking wordt hierbij vervangen door een scheiding met behulp van membranen (ultra- of microfiltratie). Hierdoor zijn de bezinkingseigenschappen van het slib minder relevant en kan het actief slib proces op een volledig andere manier bedreven worden. Dit resulteert in een aantal interessante voordelen zoals een snellere verwijdering van de polluenten, een hogere verwijderingsefficiŽntie, een compactere installatie en in bepaalde gevallen een lagere spuislibproductie. Deze beloftevolle en innovatieve technologie heeft echter nog te kampen met enkele nadelen die zijn ruime verspreiding enigszins tegenwerken. Zo heeft het gebrek aan ervaring op volle schaal en een beperkt fundamenteel inzicht in de processen, ondermeer als gevolg dat een deskundige aanpak van membraanvervuiling nog steeds niet mogelijk is. Bovendien zijn zowel de investerings- als de werkingskost nog hoger dan die van het conventionele actief slib proces.

Om het inzicht in de processen te vergroten wordt heel wat empirisch onderzoek uitgevoerd. Het probleem met dergelijk zuiver empirisch gedreven onderzoek is dat de resultaten moeilijk te veralgemenen zijn vanwege de complexiteit van het systeem. Bij het doorgronden van dergelijke complexe systemen, hebben mathematische modellen hun nut echter reeds voldoende bewezen. Vandaar dat deze aanpak experimenteel onderzoek combineert met modellering. Hiervoor zal intensief gebruik gemaakt worden van een MBR beschikbaar in het laboratorium van de vakgroep voor het uitvoeren van gerichte experimenten. Hierbij kunnen bepaalde factoren (temperatuur, influentsamenstelling, ...) constant worden gehouden en andere op specifieke waarden worden ingesteld waardoor hun invloed op de andere processen kan onderzocht worden en de complexiteit van het geheel enigszins gereduceerd wordt. Naast hun nut bij de kennisopbouw, kunnen betrouwbare modellen tevens gebruikt worden bij de procesoptimalisatie. Door het uitvoeren van simulatiestudies kan namelijk een optimaler ontwerp en een efficiŽntere procesvoering bekomen worden, wat uiteraard zal gereflecteerd worden in een daling van de globale kost van de MBR technologie.

Het onderzoek dat aan de vakgroep wordt gevoerd met betrekking tot membraanbioreactoren, moet ondermeer leiden tot een conceptueel model dat zowel de biologische performantie als de filtratieperformantie omvat, met speciale aandacht voor hun onderlinge afhankelijkheid. De biologie heeft namelijk een bepalende invloed op de filtratieperformantie, en ook omgekeerd zal de aanwezigheid van het membraan zijn invloed hebben op de performantie van de biologie.

De micro-organismen produceren bijvoorbeeld bepaalde stoffen, zoals extracellulaire polymeren en opgeloste microbiŽle stoffen) die een verstopping van het membraan veroorzaken. De schuifspanningen die ter hoogte van het membraan optreden, zullen dan weer leiden tot het breken van de slibvlokken, wat ondermeer de kinetiek van de biologische processen beÔnvloedt. Deze voorbeelden illustreren dat het zinloos is om biologie en filtratie apart te behandelen en dat een integrale, fundamentele studie dus noodzakelijk is voor een realistische beschrijving van membraanbioreactoren.

Het integrale model dat zal worden opgebouwd, bestaat uit een submodel dat de biologische processen beschrijft en een submodel dat de filtratie beschrijft. De koppeling tussen beide submodellen gebeurt via een derde submodel dat de deeltjesgroottedistributie van de actief slib suspensie beschrijft. De groottedistributie van de deeltjes is echter afhankelijk van de hydrodynamica van het systeem, welke beschreven wordt in het vierde submodel. De kern van dit project zal erin bestaan een mechanistisch submodel te ontwikkellen dat een beschrijving mogelijk maakt van de evolutie van de deeltjesgroottedistributie in de tijd gekoppeld aan de hydrodynamica. Voor de beschrijving van de deeltjesgroottedistributie zullen populatiebalansmodellen gebruikt worden. Hierbij wordt het gedrag van een populatie van deeltjes met verschillende grootte en hun omgeving beschreven aan de hand van het gedrag en de eigenschappen van de individuele deeltjes in hun lokale omgeving (Ramkrishna, 2000). Deze modelleringstechniek wordt reeds enkele jaren gebruikt binnen de vakgroep voor de modellering van het actief slib flocculatieproces (Nopens et al., 2004). Vanuit de ervaringen die hierbij tijdens een eerder FWO-project (G.0032.00) werden opgedaan, lijkt het aangewezen om deze modelleringstechniek ook hier toe te passen. Voor de meting van de deeltjesgroottedistributies kan beroep gedaan worden op een vast toestel (Mastersizer, Malvern Instruments, UK) en een mobiel toestel (CIS-100, Ankersmid, BelgiŽ). De hydrodynamica daarentegen zal beschreven worden aan de hand van CFD (Computational Fluid Dynamics) modellen, die ook reeds enkele jaren binnen de vakgroep worden gebruikt.

De 25 liter MBR die in het laboratorium van de vakgroep aanwezig is, is van het zijstroomtype. Hierbij is de membraaneenheid afgezonderd van de bioreactor, waarin het actief slib proces doorgaat en wordt de actief slib suspensie rondgepompt over een drukgedreven membraan. Dit type MBR's vindt vooral zijn toepassingen bij de behandeling van industrieel afvalwater. Voor de behandeling van huishoudelijk afvalwater wordt gewoonlijk gekozen voor een MBR van het ondergedompeld type, waarbij de membranen in de bioreactor of in een aparte membraankamer worden gehangen. Door het aanleggen van een geringe onderdruk wordt het gezuiverde water van de biomassa gescheiden. Aangezien het model zal opgebouwd worden met een MBR van het zijstroomtype, zal in dit project ook nagegaan worden hoe het model moet worden aangepast opdat het ook voor het ondergedompeld type kan gebruikt worden.

Gedurende de drie maanden waarin mijn onderzoek reeds aanvatte, werd ten eerste aandacht besteed aan het afwerken, stabiliseren en onderhoud van de reeds opgebouwde MBR in het laboratorium. Het programma ĎLabviewí dat de MBR continu aanstuurt via de computer, werd aangeleerd. Eveneens werd er een monitoringscampagne opgesteld welke de biologie en deeltjes in parrallel meet. In het kader van deze monitoring werden bepaalde analysemethoden en -technieken onderzocht, zodat de gewenste parameters kunnen bepaald worden. Ook de experimentele opstelling voor de deeltjesgrootte bepaling is volledig opgebouwd.

Wanneer het integrale model volledig is opgebouwd, kan het gebruikt worden voor het uitvoeren van optimalisatiestudies, zowel met een korte als een lange termijn horizon. Op korte termijn zal de evolutie van de permeabiliteit onder verschillende procescondities die in de praktijk geregeld voorkomen, bestudeerd worden. Het MBR-proces zal vanuit het oog van de Ďtechnoloogí bekeken worden. De voornaamste taak van de technoloog is ervoor te zorgen dat het afvalwater dat de zuiveringsinstallatie binnen komt, effectief gezuiverd wordt. De stabiliteit van het MBR-proces zal met andere woorden centraal staan. Er zal nagegaan worden hoe het proces kan bedreven worden opdat enerzijds de membraanverstopping minimaal blijft en anderzijds de effluentkwaliteit gegarandeerd wordt. Het management van een bedrijf dat een MBR heeft of van plan is om er een te bouwen, zal echter voornamelijk geÔnteresseerd zijn in de investerings- en de werkingskost. Bij de lange termijn optimalisatie zal het MBR-proces vanuit een andere invalshoek bekeken worden en zal de optimalisatie dan ook gebeuren op basis van de exploitatiekost. In elk van beide optimalisatiestudies zal het opgebouwde model een centrale rol spelen.

Project duration: 2005-10-01 - 2006-11-01


Project home page

No website available


Contact

Veerle De Schepper
Department of Applied Mathematics, Biometrics and Process Control
Coupure Links 653
9000 Gent
BelgiŽ
Tel: +32 9 264 5935
Fax: +32 9 264 6220
Email: veerle.deschepper@biomath.ugent.be


Last update: 01 december 2008, webmaster@biomath.ugent.be