A Comparison of Direct Membrane Filtration and Moving Bed Biofilm Reactor for Municipal Wastewater Treatment in Norway

Abstract

Med et økende fokus på miljø og bærekraft, bør også infrastruktur som avløpsrensing rustes for fremtiden, med vekt på kompakthet, lavt karbonfotavtrykk og potensiale for energigjenvinning. To konsepter som kan vurderes i denne sammenheng er direkte membranfiltrering (DMF) og biofilmreaktorbasert bevegelig bæremateriale (engelsk: moving bed biofilm reactor, MBBR). Disse to har blitt sett på i en case-studie for et kommunalt avløpsrenseanlegg i Fredrikstad.

Egnetheten til konseptet DMF har blitt undersøkt gjennom studie av et pilotanlegg som er bygget på et kommunalt renseanlegg. Pilotanlegget består av sandfang, koagulering og flokkulering, mikrosil og til slutt et membrantrinn med mikrofiltreringsmembraner. Konseptet har oppnådd enestående resultater når det gjelder fjerning av organiske stoffer og næringsstoffer, og dermed vist at dette kan oppnås uten bruk av biologi. Gjennom driftsperioden ble det oppnådd gjennomsnittlig 99% fjerning av fosfor, 89% fjerning av kjemisk oksygenforbruk (KOF) og 92% fjerning av biologisk oksygenforbruk (BOF), og de norske sekundærrensekravene samt tertiærrensekravet for fosfor ble dermed oppnådd. I tillegg til dette har det vært effektiv fjerning av suspendert stoff (SS) (99%), total organisk karbon (TOK) (83%), samt god fjerning av tungmetaller.

Drift av prosessen har også blitt undersøkt med særlig fokus på trykkdifferansen over membranene (engelsk: transmembrane pressure, TMP) som er en avgjørende faktor når det kommer til hyppigheten av kjemisk vask. Forskjellige kjemikaliedoseringer av fellingskjemikalie (PACl) og polymer har blitt undersøkt, og det ble vist at 9 mg Al/L kombinert med 1.5 mg polymer/L ga tilfredsstillende fjerning, og viste også potensiale for enda lavere doseringer.

Et fullskala MBBR-anlegg og et fullskala DMF-anlegg har også blitt dimensjonert og sammenlignet. I dette studiet ble det vist at begge disse er kompakte sammenlignet med konvensjonelle aktivslamanlegg, og potensiale for energigjenvinning gjennom biogassproduksjon har blitt undersøkt ved hjelp av massebalanser. DMF har et høyere kjemikalieforbruk enn MBBR på grunn av kjemisk vask, i tillegg til et høyere luftborbruk noe som angivelig også vil føre til et høyere energiforbruk. Konklusjonen i denne studien er derfor at MBBR er et bedre egnet konsept i denne sammenheng, gitt nåværende rensekrav, men at DMF er et konsept som absolutt kan være relevant innenfor avløpsrensing i fremtiden.

With an increasing focus on the environment and sustainability, infrastructure like wastewater treatment plants should prepare for future requirements. Future considerations may involve a focus on compactness, low carbon footprint, and energy recovery potential. Two concepts that potentially could offer these qualities are direct membrane filtration (DMF) and moving bed biofilm reactor (MBBR). These concepts will be researched in a case study of a municipal treatment plant in Fredrikstad, South-East Norway.

The feasibility of the emerging DMF concept has been established through a pilot plant study on-site a municipal wastewater treatment plant, consisting of a sandtrap, coagulation and flocculation, microsieving before eventually entering a microfiltration stage. The concept has achieved outstanding results in terms of removal and hence shown that organic matter can be reduced without biological treatment. During operation of the pilot plant, there has been an average of 99% removal of phosphorous, 89% removal of chemical oxygen demand (COD), and 92% of biological oxygen demand (BOD), meaning the Norwegian secondary removal requirements as well as tertiary removal requirements regarding phosphorous were met. Additionally, excellent removal of suspended solids (SS) (99%), total organic carbon (TOC) (83%), and various heavy metals has been obtained.

The pilot plant has also been monitored with regard to operation, where transmembrane pressure (TMP) has been a determining indicator of operational feasibility, as it determines the frequency of chemical cleaning in place (CIP). Different chemical dosages of precipitation metal (PACl) and polymer has been investigated, showing that 9 mg Al/L combined with 1.5 mg polyacrylic polymer/L gave sufficient removal and showed potential for lowering the dosage even further.

A full-scale MBBR-treatment plant and a full-scale DMF treatment plant were designed and compared. This study shows that both processes are compact compared to conventional activated sludge, and energy recovery, i.e., biogas potential has been shown through the use of mass balances. DMF was found to have a higher chemical demand due to chemical cleaning and was also found to likely have a significantly higher energy demand due to a considerably higher requirement for aeration. The thesis, therefore, concludes with MBBR being a more suitable concept for this case study with the current treatment requirements but adds that DMF is a concept that should not be neglected when it comes to future relevance in the treatment of municipal wastewater.