Ημερίδα SYNERGASIA II: FOUL-MEM

Transcript

1 Ημερίδα SYNERGASIA II: FOUL-MEM «ΝΕΕΣ ΔΙΕΡΓΑΣΙΕΣ ΓΙΑ ΤΗΝ ΑΝΤΙΜΕΤΩΠΙΣΗ ΤΗΣ ΡΥΠΑΝΣΗΣ ΣΕ ΒΙΟΑΝΤΙΔΡΑΣΤΗΡΕΣ ΜΕΜΒΡΑΝΩΝ (FOUL-MEM)» «ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑ ΥΓΡΩΝ ΑΠΟΒΛΗΤΩΝ ΣΕ ΒΙΟΑΝΤΙΔΡΑΣΤΗΡΕΣ ΜΕΜΒΡΑΝΩΝ, ΑΝΑΠΤΥΞΗ ΤΕΧΝΙΚΗΣ ΓΙΑ ΤΟΝ ΕΛΕΓΧΟ ΤΗΣ ΕΜΦΡΑΞΗΣ ΜΕ ΣΥΝΔΥΑΣΜΟ ΜΕΘΟΔΩΝ» Τμήμα Χημείας, Α.Π.Θ. Θεσσαλονίκη, 02 Ιουνίου 2015

2 Ρύπανση μεμβρανών Ρύπανση (έμφραξη) Αύξηση της αντίστασης της μεμβράνης εξαιτίας της παρουσίας διάφορων χημικών ουσιών (1) προσρόφηση στην επιφάνεια εσωτερικά του υλικού της μεμβράνης (2) πλήρης έμφραξη (μπλοκάρισμα) του πόρου (3) εναπόθεση στην επιφάνεια 2

3 Συνήθεις μέθοδοι αντιμετώπισης της έμφραξης Α. Βέλτιστη λειτουργία της διεργασίας 1. Χαμηλές παροχές διηθήματος 2. Αύξηση παροχής αέρα - Επίτευξη υψηλών διατμητικών τάσεων Β. Φυσικός καθαρισμός 1. «Χαλάρωση» (παύση διήθησης) (π.χ. κάθε 10 min για διάρκεια 1 min) 2. Αντίστροφη πλύση (π.χ. κάθε 5-10 min για s) Γ. Χημικός καθαρισμός (NaClO, C 6 H 8 O 7 κ.τ.λ.) 3

4 Καινοτόμες μέθοδοι αντιμετώπισης της έμφραξης Α. Προσθήκη κροκιδωτικών ουσιών Β. Προσθήκη προσροφητικών ουσιών FeCl 3, Al 2 (SO 4 ) 3, PAC, οργανικά πολυμερή κ.τ.λ. (σχηματισμός μεγαλύτερων συσσωματωμάτων) Ενεργός άνθρακας, ζεόλιθοι κ.τ.λ. (ελάττωση της αντίστασης στρώματος εναποτιθέμενων ουσιών) Conner et al. (2011) Γ. Διακοπή διακυτταρικής επικοινωνίας Ρύθμιση γονιδιακής έκφρασης Διακοπή παραγωγής EPS 4

5 Καινοτόμες μέθοδοι αντιμετώπισης της έμφραξης Δ. Εφαρμογή υπερήχων, ηλεκτρικού πεδίου και όζοντος Ε. Επιφανειακή τροποποίηση μεμβρανών 1. Physical coating/adsorption on the membrane surface (i) Coating via filtration (ii) Coating via adsorption (iii) Coating via casting 2. Grafting methods on the membrane surface 3. Patterned membranes 4. Plasma treatment of polymer membranes 5. Chemical reactions on the membrane surface 6. Surface modifications with nanoparticles (i) Membrane modification with deposited nanoparticles Hu et al. (2010) (ii) Phase inversion method Maruf et al. (2014)

6 Βασικός στόχος Βασικός στόχος Ανάπτυξης ολοκληρωμένης μεθοδολογίας για τον έλεγχο της έμφραξης στα συστήματα MBR Προσθήκη κατάλληλων χημικών αντιδραστηρίων που υποβοηθούν την κροκίδωση/συσσωμάτωση των ουσιών που ευθύνονται για την έμφραξη των μεμβρανών! 6

7 Κροκίδωση (A) Κροκίδωση Συσσωμάτωση (B) Αποσταθεροποίηση των σωματιδίων του συστήματος Σχηματισμός μεγάλων (ή μεγαλύτερων) συσσωματωμάτων των αποσταθεροποιημένων σωματιδίων Βελτίωση ιδιοτήτων λάσπης (αύξηση διηθησιμότητας κ.τ.λ.)

8 Εργαστηριακό σύστημα MBR 8

9 9

10 Διάγραμμα ροής εργαστηριακού συστήματος MBR 10

11 Q, L/h Χαρακτηριστικά μεμβράνης εργαστηριακής μονάδας J, L/m 2 h Peristaltic pump calibration y = x R 2 = Membrane flux y = x R 2 = f, rpm Μεμβράνη Zenon, ZW Q, L/h Χαρακτηριστικό Μοντέλο Γεωμετρία Καθεστώς ροής Υλικό κατασκευής Μέγεθος πόρων Απόλυτη απόρριψη στερεών Επιφάνεια Μέγιστη επιτρεπτή TMP λειτουργίας Τυπικό εύρος TMP λειτουργίας Εύρος ph λειτουργίας Μέγιστη έκθεση σε OCl - Μέγιστη θερμοκρασία πλύσης Περιγραφή/Τιμή ZW-1, βυθιζόμενη μεμβράνη υπερδιήθησης Κοίλες ίνες Dead-end, διήθηση από έξω προς τα μέσα Πολυβινυλιδενοφθορίδιο (PVDF) 0.04 μm 0.1 μm m 2 62 kpa (0.62 bar) kpa ( bar) mg/l 40 o C 11

12 Πιλοτική μονάδα MBR PLC

13 Πιλοτική μονάδα MBR

14 Διάγραμμα ροής πιλοτικής μονάδας MBR

15 Χαρακτηριστικά μεμβράνης & λειτουργία πιλοτικής MBR Μεμβράνη Zena HF membrane, P-50 Χαρακτηριστικά μεμβράνης Configuration Operation Material Pore size Surface area Maximum TMP Typical flux Hollow Fibre Dead-end, Outside/In Polypropylene (PP) 0.1 μm 0.75 m 2 62 kpa (0.62 bar) 150 LMH (1 bar, 15 o C) Λειτουργία πιλοτικής μονάδας MBR Διάρκεια διήθησης: 10 min Διάρκεια αντίστροφης πλύσης: 1 min Παροχή διηθήματος: 5 LMH DO: 2-3 mg/l

16 Προσομοιωμένο αστικό απόβλητο Παρασκευή συνθετικού αποβλήτου ΟΟΣΑ (Τεχνική έκθεση, 2010) Πιλοτική μονάδα (x10) Εργαστηριακό σύστημα (x3) Ουσία Peptone Meat extract Συγκέντρωση (g/l) K 2 HPO 4 NaCl CaCl 2 2H 2 O MgSO 4 7H 2 O (ΟΟΣΑ, Τεχνική έκθεση, 2010) Οργανικό φορτίο εισόδου Πιλοτική μονάδα Εργαστηριακό σύστημα BOD, mg/l COD, mg/l Μικρής επιβάρυνσης Μεσαίας επιβάρυνσης Μεγάλης επιβάρυνσης COD, mg/l BOD, mg/l (Tchobanoglous, 1991) 16

17 Χαρακτηρισμός ενεργού ιλύος TS = 8220 mg/l SS = 9230 mg/l VSS = 5950 mg/l NVSS = 1280 mg/l ph = 7.34 Προσδιορισμός σε καθημερινή βάση (στο μικτό υγρό) ΕΕΛΘ (περιοχή Γαλλικού ποταμού) A) SS = 8000 mg/l B) SVI = 124 ml/g 17

18 Ενδεικτικά αποτελέσματα εργαστηριακού συστήματος MBR Επίδραση διάρκειας αντίστροφης πλύσης (για t filt = 30 min, Q memb = 8 L/min, MLSS = 5 g/l) Yψηλότερες τιμές TMP όταν η διάρκεια της ΑΠ είναι μικρότερη (2 min) Η TMP πλησιάζει περισσότερο την αρχική τιμή όταν η διάρκεια της ΑΠ είναι μεγαλύτερη (6 min) 18

19 Ενδεικτικά αποτελέσματα εργαστηριακού συστήματος MBR Επίδραση παροχής αέρα για τον καθαρισμό της μεμβράνης (για t filt = 10 min, t b/f = 6 min, MLSS = 5 g/l) Δεν παρατηρούνται ουσιαστικές διαφορές 19

20 Πειραματικές μετρήσεις στην πιλοτική μονάδα MBR V, ml! Δοκιμή μεγάλου εύρους κροκιδωτικών υλικών Α. Δοκιμές διηθησιμότητας (ένδειξη αντιστρεπτού fouling) Time to filter (TTF) test method (APHA 1992) P = 510 mbar V filt = 100 ml PACl-16 = 2 mg/l PACl-16 = 5 mg/l PACl-16 = 10 mg/l t, s Β. Προσδιορισμός συγκέντρωσης SMP (seps) (ένδειξη μη αντιστρεπτού fouling) Phenol-Sulphuric (colorimetric) Acid Method (carbohydrate concentration determination)

21 Ενδεικτικά αποτελέσματα πιλοτικής μονάδας MBR V, ml V, ml ΕΜΠΟΡΙΚΑ ΔΙΑΘΕΣΙΜΑ ΚΡΟΚΙΔΩΤΙΚΑ Οργανικά Ανόργανα no coagulant CPE FO4350SSH (5 mg/l) CPE FO4350SSH (10 mg/l) CPE FO4350SSH (15 mg/l) APE LT-25 Magnafloc (5 mg/l) APE LT-25 Magnafloc (10 mg/l) APE LT-25 Magnafloc (15 mg/l) no coagulant PAC-16 (50 mg/l) PAC-16 (100 mg/l) PAC-10 (50 mg/l) PAC-10 (100 mg/l) t, s t, s [SMP]permeate / [SMP]sludge CPE FO4350SSH (5 mg/l) CPE FO4350SSH (10 mg/l) CPE FO4350SSH (15 mg/l) APE LT-25 Magnafloc (5 mg/l) APE LT-25 Magnafloc (10 mg/l) APE LT-25 Magnafloc (15 mg/l) [SMP]coagulant / [SMP]no coagulant PAC-16 (50 mg/l) PAC-16 (100 mg/l) PAC-10 (50 mg/l) PAC-10 (100 mg/l)

22 Ενδεικτικά αποτελέσματα πιλοτικής μονάδας MBR V, ml V, ml FeCl 3 6H 2 O Σύνθετα (Al & Fe-based) no coagulant FeCl3 6H2O (50 mg/l) 20 FeCl3 6H2O (100 mg/l) FeCl3 6H2O (150 mg/l) t, s t, s no coagulant PSiCAF (PAC ) (50 mg/l) PSiCAF (PAC ) (100 mg/l) PSiCAF (PAC ) (200 mg/l) PFSiC (50 mg/l) PFSiC (100 mg/l) PFSiC2-15 (50 mg/l) PFSiC2-15 (100 mg/l) [SMP]coagulant / [SMP]no coagulant FeCl3 6H2O (50 mg/l) FeCl3 6H2O (100 mg/l) FeCl3 6H2O (150 mg/l) [SMP]permeate / [SMP]sludge PSiCAF (PAC ) (50 mg/l) PSiCAF (PAC ) (100 mg/l) PSiCAF (PAC ) (200 mg/l) PFSiC (50 mg/l) PFSiC (100 mg/l) PFSiC2-15 (50 mg/l) PFSiC2-15 (100 mg/l)

23 Συνολικά αποτελέσματα πιλοτικής μονάδας MBR a (SMP) b (TTF) FeCl3 (50 mg/l) 2.FeCl3 (100 mg/l) 3.FeCl3 (150 mg/l) 4.CPE FO4350SSH (5mg/L) 5.CPE FO4350SSH (7 mg/l) 6.CPE FO4350SSH 10 mg/l) 7.CPE FO4350SSH (15mg/L) 8.CPE FO4290SSH (5 mg/l) 9.CPE FO4290SSH (10 mg/l) 10.CPE FO4490SSH (5 mg/l) 11.CPE FO4490SSH (10 mg/l) 12.CPE FO4650SSH (5 mg/l) 13.CPE FO4650SSH (10 mg/l) 14.Centifloc 1407CH (10 mg/l) 15.ADIFLOC KD451 (10 mg/l) 16.ADIFLOC KD451 (10 mg/l) 17.ADIFLOC KD550 (10 mg/l) 18.ADIFLOC KD553 (10 mg/l) 19.LT-25 Magnafloc (5 mg/l) 20.LT-25 Magnafloc (10 mg/l) 21.LT-25 Magnafloc (15 mg/l) 22.PAC 10-L12 (50 mg/l) 23.PAC 10-L12 (100 mg/l) 24.PAC 16 (50 mg/l) 25.PAC 16 (100 mg/l) 26.PAC 18 (50 mg/l) 27.PAC 18 (100 mg/l) 28.PAC A9-L (Al2O3-polyamine) (50 mg/l) 29.PAC A9-L (Al2O3-polyamine) (100 mg/l) 30.PAC A9-M (Al2O3-polyamine) (50 mg/l) 31.PAC A9-M (Al O-polyamine) (100 mg/l) 32.PSiFAC (50 mg/l) 33.PSiFAC (100 mg/l) 34.PSiFAC NaAlO2 (50 mg/l) 35.PSiFAC NaAlO2 (100 mg/l) 36.PSiFAC NaHCO3 (50 mg/l) 37.PSiFAC NaHCO3 (100 mg/l) 38.PSiFAC FeClSO4 (50 mg/l) 39.PSiFAC FeClSO4 (100 mg/l) 40.PSiCAF-PAC (50 mg/l) 41.PSiCAF-PAC (100 mg/l) 42.PSiF 2 F 3 AC (50 mg/l) 43.PSiF 2 F 3 AC (100 mg/l) 44.PKD 453 CAFPAC (50 mg/l) 45.PKD 453 CAFPAC (100 mg/l) 46.PFSiC (100 mg/l) 47.PFSiC (50 mg/l) 48.PFSiC (100 mg/l) 49.PFSiC2-15 (50 mg/l) 50.PFSiC2-15 (100 mg/l) 51.PFSiC NaHCO3 (50 mg/l) 52.PFSiC NaHCO3 (100 mg/l) 53.PF 2 F 3 SiC1.5-15)(SO4) (50 mg/l) 54.PF 2 F 3 SiC1.5-15)(SO4) (100 mg/l) SMP a = & b= SMP no coagulant coagulant TTF TTF coagulant nocoagulant Membrane fouling mitigation

24 Συνολικά αποτελέσματα πιλοτικής μονάδας MBR a+b FeCl3 (50 mg/l) 2.FeCl3 (100 mg/l) 3.FeCl3 (150 mg/l) 4.CPE FO4350SSH (5mg/L) 5.CPE FO4350SSH (7 mg/l) 6.CPE FO4350SSH 10 mg/l) 7.CPE FO4350SSH (15mg/L) 8.CPE FO4290SSH (5 mg/l) 9.CPE FO4290SSH (10 mg/l) 10.CPE FO4490SSH (5 mg/l) 11.CPE FO4490SSH (10 mg/l) 12.CPE FO4650SSH (5 mg/l) 13.CPE FO4650SSH (10 mg/l) 14.Centifloc 1407CH (10 mg/l) 15.ADIFLOC KD451 (10 mg/l) 16.ADIFLOC KD451 (10 mg/l) 17.ADIFLOC KD550 (10 mg/l) 18.ADIFLOC KD553 (10 mg/l) 19.LT-25 Magnafloc (5 mg/l) 20.LT-25 Magnafloc (10 mg/l) 21.LT-25 Magnafloc (15 mg/l) 22.PAC 10-L12 (50 mg/l) 23.PAC 10-L12 (100 mg/l) 24.PAC 16 (50 mg/l) 25.PAC 16 (100 mg/l) 26.PAC 18 (50 mg/l) 27.PAC 18 (100 mg/l) 28.PAC A9-L (Al2O3-polyamine) (50 mg/l) 29.PAC A9-L (Al2O3-polyamine) (100 mg/l) 30.PAC A9-M (Al2O3-polyamine) (50 mg/l) 31.PAC A9-M (Al O-polyamine) (100 mg/l) 32.PSiFAC (50 mg/l) 33.PSiFAC (100 mg/l) 34.PSiFAC NaAlO2 (50 mg/l) 35.PSiFAC NaAlO2 (100 mg/l) 36.PSiFAC NaHCO3 (50 mg/l) 37.PSiFAC NaHCO3 (100 mg/l) 38.PSiFAC FeClSO4 (50 mg/l) 39.PSiFAC FeClSO4 (100 mg/l) 40.PSiCAF-PAC (50 mg/l) 41.PSiCAF-PAC (100 mg/l) 42.PSiF 2 F 3 AC (50 mg/l) 43.PSiF 2 F 3 AC (100 mg/l) 44.PKD 453 CAFPAC (50 mg/l) 45.PKD 453 CAFPAC (100 mg/l) 46.PFSiC (100 mg/l) 47.PFSiC (50 mg/l) 48.PFSiC (100 mg/l) 49.PFSiC2-15 (50 mg/l) 50.PFSiC2-15 (100 mg/l) 51.PFSiC NaHCO3 (50 mg/l) 52.PFSiC NaHCO3 (100 mg/l) 53.PF 2 F 3 SiC1.5-15)(SO4) (50 mg/l) 54.PF 2 F 3 SiC1.5-15)(SO4) (100 mg/l) a + b Membrane fouling mitigation

25 Εφαρμογή σε συνθήκες πλήρους κλίμακας Εγκατάσταση Επεξεργασίας Λυμάτων-Βοθρολυμάτων (ΕΕΛ-ΑΙΝΕΙΑ) Τουριστικών περιοχών (Αγγελοχώρι)

26 Εφαρμογή σε συνθήκες πλήρους κλίμακας Δεξαμενή πρωτοβάθμιας καθίζησης Φρεάτιο υπερχείλισης Είσοδος βιοαντιδραστήρα Fouling indices TMP vs t Normalized membrane flux (J/J 0 ) vs t Unified Membrane Fouling Index (UMFI)

27 Ανακεφαλαίωση - Συμπεράσματα Δυο πειραματικές διατάξεις MBR (μία εργαστηριακής και μία πιλοτικής κλίμακας) σχεδιάστηκαν, κατασκευάστηκαν και λειτουργούν στο ΕΓΑΧΤ Έγινε η βελτιστοποίηση της λειτουργίας του εργαστηριακού συστήματος MBR με τη μελέτη παραμέτρων όπως: στάδια που συνιστούν ένα λειτουργικό κύκλο καθορισμός διάρκειας αντίστροφης πλύσης & παροχής αέρα Η δοκιμή μεγάλου εύρους κροκιδωτικών αντιδραστηρίων στην πιλοτική μονάδα για την προ-εκτίμηση/έλεγχο της αντιστρεπτής (TTF method) και μη αντιστρεπτής έμφραξης (Phenol- Sulphuric Acid Method) έδειξε ως βέλτιστα τα παρακάτω κροκιδωτικά υλικά: CPE FO4350SSH PAC A9-M PSiCAF(PAC ) Η πιλοτική μονάδα MBR λειτουργεί πλέον σε πραγματική εγκατάσταση επεξεργασίας λυμάτων με σκοπό την απ ευθείας (inline) προσθήκη κροκιδωτικών υλικών στο σύστημα και επομένως εκτίμηση του φαινομένου της έμφραξης σε συνθήκες πλήρους κλίμακας Οι περισσότερες φυσικοχημικές παράμετροι (BOD, COD κ.τ.λ.) παρουσιάζουν σημαντική πτώση σε σχέση με την αρχική τιμή εισόδου στο σύστημα.

28 Ημερίδα SYNERGASIA II: FOUL-MEM «ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑ ΥΓΡΩΝ ΑΠΟΒΛΗΤΩΝ ΣΕ ΒΙΟΑΝΤΙΔΡΑΣΤΗΡΕΣ ΜΕΜΒΡΑΝΩΝ, ΑΝΑΠΤΥΞΗ ΤΕΧΝΙΚΗΣ ΓΙΑ ΤΟΝ ΕΛΕΓΧΟ ΤΗΣ ΕΜΦΡΑΞΗΣ ΜΕ ΣΥΝΔΥΑΣΜΟ ΜΕΘΟΔΩΝ» ΕΥΧΑΡΙΣΤΩ ΓΙΑ ΤΗΝ ΠΡΟΣΟΧΗ ΣΑΣ Δημοσιεύσεις σε συνέδρια Gkotsis K.P., Zouboulis I.A., Peleka N.E., Mitrakas M.M., Tolkou K.A., Zamboulis X.D., ʺFilterability tests and SMP concentration measurements for membrane fouling pre-assessment in a pilot-scale MBR ʺ, IWA Balkan Young Water Professionals Conference, May, 2015, Thessaloniki, Greece. Gkotsis K.P., Zouboulis I.A., Peleka N.E., Mitrakas M.M., Tolkou K.A., Zamboulis X.D., ʺDevelopment of an integrated methodology for fouling control in membrane bioreactorsʺ, 2nd International Conference on Advances in Bio-Informatics and Environmental Engineering, April, 2015, Rome, Italy. Gkotsis K.P., Peleka N.E., Zouboulis I.A., Tolkou Κ.A., Zamboulis X.D., Mitrakas M.M., ʺUsing coagulants to control membrane fouling in a membrane bioreactorʺ, 12th International Conference: Protection and Restoration of the Environment, September, 2014, Antalya, Turkey. Gkotsis Κ.P., Peleka Ν.E., Zouboulis Ι.A., Mitrakas Μ.M., Zamboulis Χ.D., Tolkou Κ.A., ʺWastewater treatment in Membrane Bioreactors; development of an integrated methodology for fouling controlʺ, 12th International Conference: Protection and Restoration of the Environment, 29 June-03 July, 2014, Skiathos, Greece. Γκότσης Κ.Π., Πελέκα Ν.Ε., Ζουμπούλης Ι.Α., Μήτρακας Μ.Μ., Ζαμπούλης Ξ.Δ., Τόλκου Κ.Α., Επεξεργασία υγρών αποβλήτων σε βιοαντιδραστήρες μεμβρανών, ανάπτυξη τεχνικής για τον έλεγχο της έμφραξης με συνδυασμό μεθόδων, 5ο Περιβαλλοντικό Συνέδριο Μακεδονίας, Μαρτίου, Θεσσαλονίκη. Gkotsis, K.P., Peleka N.E., Zouboulis I.A., Mitrakas M.M., Zamboulis X.D., Wastewater treatment in Membrane Bioreactors; Development of an integrated methodology for fouling control, 4th International Conference Small and Decentralized Water and Wastewater Treatment Plants, Οκτωβρίου, 2013, Βόλος. Gkotsis K.P., Batsari, L.E., Zouboulis I.A., Peleka N.E., Tolkou K.A., Zamboulis X.D., Mitrakas M. M., ʺAn innovative hybrid MBR-coagulation system to control membrane foulingʺ, 12ο Συνέδριο Χημείας Ελλάδας- Κύπρου, Μαΐου, 2015, Θεσσαλονίκη. Δημοσιεύσεις σε επιστημονικά περιοδικά Gkotsis P. K., Banti D. Ch., Peleka E. N., Zouboulis A. I., Samaras P. E., ʺFouling issues in membrane bioreactors (MBRs) for wastewater treatment: major mechanisms, prevention and control strategiesʺ, Processes, vol. 2, pp , Ευχαριστίες Το έργο υλοποιείται με το Επιχειρησιακό Πρόγραμμα «Ανταγωνιστικότητα & Επιχειρηματικότητα» και Περιφερειών σε μετάβαση, ΕΣΠΑ με τη δράση Εθνικής Εμβέλειας «ΣΥΝΕΡΓΑΣΙΑ 2011» και συγχρηματοδοτείται από την Ελλάδα και το Ευρωπαϊκό Ταμείο Περιφερειακής Ανάπτυξης της Ευρωπαϊκής Ένωσης. Έργο 11ΣΥΝ_8_1084: Νέες διεργασίες για την αντιμετώπιση της ρύπανσης σε βιοαντιδραστήρες μεμβρανών.