מערכת MABR הגדולה בעולם הזו תשנה את ההבנה שלך לגבי תהליך אוורור!
כיום, ברוב המפעלים המסורתיים לטיפול בשפכים, צריכת האנרגיה בתהליך האוורור מהווה יותר מ-50% מסך צריכת האנרגיה של המפעל, מה שמותיר פוטנציאל גדול לחיסכון באנרגיה. כטכנולוגיה ביולוגית לטיפול בשפכים ממברנות המשתמשת בהעברת חמצן סלקטיבית דרך ממברנות כדי לספק חמצן ולשמש כנושא ביופילם, טכנולוגיית MABR יכולה להפחית ביעילות את צריכת האנרגיה לטיפול בשפכים, להגביר את העומס במתקנים ולשפר את הסרת חומרי הזנה של חנקן וזרחן. יש לו יתרונות טכניים משמעותיים בטיפול בשפכים עם צריכת חמצן גבוהה, בשפכי תרכובות אורגניות נדיפות ושפכי אמוניה-חנקן גבוהים.
מפעל שפכים Hespeler: מערכת MABR הממברנה הגדולה בעולם
ממוקם בקיימברידג', אונטריו, קנדה, מפעל טיהור מי שפכים Hespeler הוא אחד משלושה עשר מפעלים המשרתים את אוכלוסיית אזור ווטרלו המונה למעלה מ-600,000 אנשים.
המפעל נבנה במקור ב-1973, ושודרג בשנים 1988 ו-1992, אך שדרוגים אלו לא הספיקו כדי לעמוד בביקוש הגובר של האוכלוסייה ובדרישות היעילות העולות של טיפול בשפכים. לכן, הממשלה האזורית ווטרלו החליטה לשנות את תהליך הטיפול המשני במפעל Hespeler.
מתקן לטיהור שפכים Hespeler
בשנים 2017 ו-2018, הממשלה האזורית חקרה את תוכנית התכנון, הביצועים לטווח ארוך וההיתכנות הכלכלית של התקנת טכנולוגיית MABR, ובסופו של דבר החליטה לשדרג את מערכת הבוצה הפעילה האירובית שלה למערכת תהליכים משולבים MABR/AO (אנוקסי-אוקסי). כשהפרויקט עלה לאוויר בשנת 2021, הוא הפך למערכת ה-MABR הגדולה בעולם מבחינת שטח פני הממברנה.
ההחלטה לבחור בטכנולוגיית MABR למפעל Hespeler הוכחה כמועילה ביותר.
1. מנקודת מבט של חיסכון באנרגיה:
בהתייחס לשיטת הבוצה המופעלת האירובית המקורית ב-Hespeler, חלק זה צרך 60% מכלל האנרגיה שכן נדרש חמצן מאיורור בועות מיקרו. במהלך השדרוג נגרם הפחתה של 40% בצריכת האנרגיה הביוכימית של המפעל.
במתקן טיהור שפכים טיפוסי, שיטת האוורור הקונבנציונלית משתמשת במפוח או אוורור מכני שבו אוויר או חמצן טהור נדחפים מכנית לתוך השפכים. למרות ששיטות אלו יעילות וקלות לשליטה, יש להן חסרונות רבים: המספר הגדול של אוורור הבועות מייצר צריכת אנרגיה גבוהה, עלות תפעולית ויעילות העברת חמצן נמוכה.
בניגוד לטכנולוגיית MABR, תכולת החמצן בממברנת הסיבים מונעת מההבדל בין תכולת החמצן הפנימית והחיצונית לאחר תחילת האוורור. חומר הממברנה ממיס ומפזר חמצן כמולקולה אחת כך שהוא יכול להתפזר דרך הממברנה. בהשוואה לשיטות אוורור קונבנציונליות, ל-MABR מספר יתרונות:
עם זאת, ניתן להעביר חמצן ישירות לביופילם, מה שיכול להפחית במידה ניכרת את ההתנגדות להעברת חמצן דרך השלב הנוזלי ומכסה ניצול חמצן של יותר מ-100%. בשיטות מסורתיות, יעילות העברת החמצן מגיעה רק ל-1.5 ק"ג/(kW·h), בעוד שהיא יכולה להגיע ל-6 ק"ג/(kW·h).
◎ זוהי סביבה יציבה לצמיחה ורבייה של חיידקים. עוצמת האוורור MABR מתונה, כמעט ואינה מייצרת נזק למיקרואורגניזמים המחוברים לסיבי הממברנה, דבר שייצב את הצמיחה המיקרוביאלית.
◎ אוורור זה הוא ללא בועות, ומונע רכיבים נדיפים להוביל לאוויר בדרך כלל דרך בועות כדי למנוע זיהום משני. יתר על כן, הוא מדכא יצירת קצף ממטבוליזם מיקרוביאלי.
◎ על ידי התאמת אספקת החמצן בקלות, נמנעת בזבוז גז הנובע מדרישת החמצן המינימלית לתגובה.
2. מנקודת מבט של הרחבת קיבולת:
כושר העיבוד המקורי של מפעל Hespeler היה 6,600 מ"ק ליום. לאחר השדרוג, כושר הטיפול גדל ל-9,320 מ"ק ליום, עלייה של 40%.
ציוד MABR קומפקטי, תופס מקום קטן וניתן להתקנה ישירות במיכלים קיימים. חמצן מועבר באופן סלקטיבי דרך הממברנה לאוורור ללא בועות, עם יעילות העברת חמצן גבוהה. החמצן המסופק מנוצל במלואו על ידי הביופילם, וכתוצאה מכך ניצול חמצן גבוה והגדלה רבה של הביומסה של המערכת, השגת הרחבת קיבולת המפעל ללא התרחבות פיזית.
שדרוגי MABR יכולים להגדיל את העומס של מתקני טיהור שפכים קיימים ב-20%-40%, או אפילו יותר.
כיוון העברת החמצן ב-MABR הוא זרם נגדי לכיוון ההעברה של חנקן אמוניה וחומרים אורגניים. חיידקים מחנקים יוצרים צמיחה דומיננטית ליד פני הממברנה ומוגנים על ידי הביופילם החיצוני, אשר לא רק מגביר את קצב הניטריפיקציה אלא גם מבטיח את יציבות הניטריפיקציה. יתרון זה בולט במיוחד בעומסי זעזועים או בחודשי החורף הקרים.
לפני השדרוג, חנקן אמוניה בשפכי החורף (עם טמפרטורת מים מינימלית של 10 מעלות) עלה על תקן הפריקה של 5 מ"ג/ליטר; לאחר השדרוג, השפכים עמדו בתקן (מגבלת הזרמת חורף < 5 מ"ג/ליטר, גבול קיץ < 2 מ"ג/ליטר).
בנוסף, התקנת כורי MABR במיכלים אנאירוביים או אנוקסיים מאפשרת ניטריפיקציה ודניטריפיקציה בו זמנית. באותם תנאי סה"כ חנקן בשפכים, בהשוואה לתהליכי סילוק חנקן אחרים כמו א2הו, זה מפחית את יחסי המחזור הפנימיים, משפר את יעילות הדניטריפיקציה תוך חיסכון במקורות פחמן ואנרגיה.
שלושה מפתחות המשפיעים על כור ביופילם מאוורר ממברנה (MABR)
1. לחץ אוורור
מכיוון שלחץ הפעולה ב-MABR צריך להישאר מתחת לנקודת הבועות של הממברנה, אנו מקבלים אוורור ללא בועות.
◎ בלחץ נמוך מדי, לא יהיה מספיק חמצן מומס בביופילם הפנימי, וכך תיפגע פעילותם של חיידקים מנטרליים והטרוטרופיים מבחינה אירובית.
◎ בלחץ גבוה מאוד, הביופילם כולו יהיה אירובי, מה שמעודד חיידקים אנאירוביים דניטריפייתיים ואנאירובים אחרים לא לגדול ולהשפיע לרעה על תהליך הדניטריפיקציה.
למעשה, יש להשיג את אפקט הטיפול בפועל בעוצמת איכות מים מתאימה לפי איכות מים ספציפית.
2. מהירות זרימת מים
בשלב ההתקשרות המיקרוביאלית, מהירות הזרימה המופרזת תפריע לצמיחת החיידקים ולהיצמדותם, לכן קצב הזרימה אינו גבוה מדי בשלב זה.
לאחר יצירת הביופילם, עלייה במהירות זרימת המים מקטינה את עובי שכבת הגבול הנוזלית. כאשר עובי הביופילם מתייצב במהלך פעולה יציבה, הגדלת מהירות הזרימה מפחיתה את עובי שכבת הגבול של שלב נוזלי ומעודדת חידוש ביופילם, מה שמפחית את עובי הביופילם בצורה מוגזמת, ומגביר את יעילות העברת החמצן והמזהמים.
מהירות זרימת הקולחים היא אחד הגורמים המשפיעים על צמיחת החיידקים ועל עובי הביופילם, על פי המחקר.
◎ ככל ששכבת הגבול דקה יותר נובעת ממהירות הזרימה הגבוהה יותר ועובי הביופילם היציב המתאים.
◎ הגדלת קצב הפירוק המזהמים דורשת ירידה במהירות הזרימה, ביופילם יציב עבה יותר וביופילם יציב עבה יותר במהירות זרימה נמוכה יותר.
3. יחס פחמן, חנקן וזרחן בשפכים
יחס C:N:P מתאים מקדם צמיחה מיקרוביאלית בביופילם MABR, ומקל על ניטריפיקציה ודניטריפיקציה בו זמנית בכור.
◎ במקרים של יחס C:N נמוך, ריכוז הפחמן האורגני אינו מספיק כדי לעמוד בדרישת מקור הפחמן לדניטריפיקציה, מה שמשפיע על יעילות הסרת החנקן הכוללת.
◎ כאשר יחס ה-C:N גבוה מדי, חיידקים הטרוטרופיים אירוביים יתרבו ויצרכו כמות גדולה של חמצן, יורידו את ריכוז החמצן המומס ויפריעו לניטריפיקציה.
ארבעה תרחישי יישום נפוצים עבור כור ביופילם מאוורר ממברנה (MABR)
- טיפול בשפכי אמוניה-חנקן גבוהים
- מכשירים משולבים לטיפול בשפכים ביתיים כפריים
- שיקום ביולוגי של מי הנהר העירוני
- שדרוג מתקני טיהור שפכים לביצועים טובים יותר
למעשה, בשנים האחרונות, MABR מיושם יותר ויותר במפעלי טיהור שפכים ברחבי העולם.
לדוגמה, במפעל לטיפול בשפכים YBSD באילינוי, ארה"ב, שודרגו 10 ביו-ריאקטורים אירוביים מקוריים ל-2 מכלים אנאירוביים, 2 מכלי MABR אנוקסיים ו-6 מכלים אירוביים, עם 12 מודולי MABR שהותקנו במיכלים האנוקסיים. זה המיר את התהליך האירובי הקודם לתהליך סילוק חנקן וזרחן, והשיג את המטרה של הגדלת כושר הטיפול תוך שיפור סילוק החנקן והזרחן הביולוגי.
תקופת ההתאקלמות בביופילם של מערכת MABR הייתה רק 3 שבועות, ולאחר שמערכת הטיפול בשפכים פעלה במלואה, עומס BOD5 המשפיע עלה ל-0.60 kg/(m3·day), עלייה של 47% בהשוואה לקדם- רמות שדרוג.
הקולחין הסופי של המפעל עמדו בכל ציפיות התכנון, עם קולחין BOD5<10 mg/L, total suspended solids (TSS) < 10 mg/L, NH3-N < 1.5 mg/L, and TP < 1.0 mg/L. The average oxygen transfer rate (OTR) and oxygen transfer efficiency (OTE) were 10.8 g/(m2·day) and 33.3%, respectively.
ניתוח אוכלוסיית חיידקים של הביופילם הראה שחיידקי חמצון אמוניה (AOB) וחיידקי חמצון ניטריט (NOB) היוו 40% מאוכלוסיית החיידקים, יותר מפי ארבעה מאשר בתהליכי בוצה פעילה רגילים.
זאת ועוד, בהשוואה לתהליך CAS למפעל באותו קנה מידה (בעלות השקעה של 25 מיליון דולר וזמן בנייה של 2.5 שנים), לתהליך MABR עלות השקעה של 5 מיליון דולר בלבד וזמן בנייה של שנה, הפחתת עלויות וזמן בנייה משמעותית.