Einer der häufigsten Fehler bei der Konstruktion von Membranbioreaktoren besteht darin, den Abwasserfluss direkt durch den höchsten Fluss zu dividieren, der auf einem Membrandatenblatt angegeben ist. Die Berechnung sieht einfach aus, kann jedoch die für einen stabilen Langzeitbetrieb erforderliche Membranfläche deutlich unterschätzen. Designfluss, Betriebsfluss, Bruttofiltrationsfluss, Nettofluss und Spitzenfluss beschreiben unterschiedliche Betriebsbedingungen. Das Verständnis dieser Unterschiede ist für die Dimensionierung der MBR-Membranfläche, den Vergleich von Modulen und die Schätzung der Lebenszykluskosten von entscheidender Bedeutung.
Why MBR Membranbereich Is Often Undersized
Die grundlegende Membrandimensionierungsgleichung scheint einfach zu sein:
The problem is not the equation. The problem is the value used for flux.
Membrandatenblätter können Reinwasserdurchlässigkeit, empfohlenen Betriebsfluss, maximalen Fluss oder unter bestimmten Testbedingungen gemessene Leistungswerte enthalten. Diese Werte stellen nicht unbedingt die nachhaltige Nettoproduktionsrate eines vollwertigen MBR dar, der echtes Abwasser behandelt.
Der echte MBR-Betrieb umfasst Zeiträume, in denen kein Permeat produziert wird. Membranen können aufgrund von Temperatur, Verschmutzung, hydraulischen Spitzen oder Prozessinstabilität entspannt, rückgespült, chemisch gereinigt, zur Wartung isoliert oder unterhalb der Nennkapazität betrieben werden.
Ein Membransystem, das nur auf der Grundlage eines optimistischen Maximalflusses dimensioniert wird, kann während der Inbetriebnahme akzeptabel funktionieren, verfügt jedoch nur über geringe Reserven, wenn die Abwassertemperatur sinkt, sich die Eigenschaften der Mischflüssigkeit ändern oder die Verschmutzungsbeständigkeit zuzunehmen beginnt.
Die MBR-Membranfläche sollte auf einer nachhaltigen Nettoproduktion unter den erwarteten Betriebsbedingungen basieren und nicht einfach auf dem höchsten Fluss, den die Membran erreichen kann.
Designfluss, Betriebsfluss, Bruttofluss und Nettofluss: Was ist der Unterschied?
Der Fluss wird normalerweise in Litern pro Quadratmeter pro Stunde oder LMH ausgedrückt. Obwohl mehrere MBR-Berechnungen dieselbe Einheit verwenden, kann die Bedeutung des Flusswerts sehr unterschiedlich sein.
Designfluss
Der Designfluss ist der technische Wert, der bei der Membrandimensionierung ausgewählt wird. Es sollte das erwartete Abwasser, die Temperatur, den MLSS, die Verschmutzungstendenz, den Betriebszyklus, die Reinigungsstrategie und die erforderliche Betriebsmarge widerspiegeln.
Er ist daher in der Regel konservativer als ein maximaler oder kurzfristiger Testfluss.
Betriebsfluss
Der Betriebsfluss ist die tatsächliche Filtrationsrate während des Anlagenbetriebs:
Sie kann sich im Laufe des Tages je nach Durchflussbedarf, Membranverfügbarkeit, TMP, Temperatur, Verschmutzungszustand und Prozesssteuerung ändern.
Bruttofiltrationsfluss
Der Bruttofluss bezieht sich im Allgemeinen auf den Fluss, während die Membran aktiv filtert. Wenn die Membran zehn Minuten lang filtert und sich dann eine Minute lang entspannt, gilt der Bruttofiltrationsfluss nur während dieser zehn produktiven Minuten.
Nettofluss
Der Nettofluss spiegelt die tatsächliche Produktion nach Berücksichtigung von Nichtfiltrationsperioden wider. Entspannung, Rückspülung, Wartung und andere Ausfallzeiten reduzieren die Nettomenge an aufbereitetem Wasser, die pro installiertem Quadratmeter produziert wird.
Spitzenfluss
Der Spitzenfluss ist eine höhere kurzfristige Betriebsrate, die bei hydraulischen Spitzen verwendet wird. Dies kann bei vorübergehendem Bedarf nützlich sein, sollte jedoch normalerweise nicht als kontinuierliche Entwurfsbedingung behandelt werden.
| Flussterm | Was es darstellt | Use Directly for Membrane Sizing? |
|---|---|---|
| Reinwasserfluss | Leistung unter kontrollierten, verschmutzungsarmen Wasserbedingungen | Nein |
| Maximaler Fluss | Oberer Prüf- oder Kurzzeitbetriebswert | Nein |
| Bruttofiltrationsfluss | Flux while permeate production is active | Neint by itself |
| Net Design Flux | Der produktive Fluss nach Betriebsunterbrechungen wird berücksichtigt | Ja, bei richtiger Auswahl |
| Neinrmal Operating Flux | Actual routine filtration rate in service | Wird zur Überprüfung des Designs verwendet |
| Spitzenfluss | Short-term high-flow condition | Used for peak-flow checking |
Die korrekte Berechnung der Membranfläche beginnt mit der Nettowasserproduktion
Die Ausgangsgleichung bleibt:
The units must be consistent. Wenn der Durchfluss in Litern pro Stunde und der Fluss in LMH ausgedrückt wird, erhält man Quadratmeter Membranfläche.
Example: 500 m³/Tag Industrial Abwasser
Angenommen, eine industrielle Abwasseranlage muss Folgendes produzieren:
Convert the daily flow into liters per hour:
500 m³/day × 1,000 = 500,000 L/day
500.000 ÷ 24 = 20.833 l/h
Die theoretische Membranfläche beträgt dann:
20.833 l/h ÷ 12 l/m²·h = ca. 1.736 m²
This is only the first sizing step. Der endgültig installierte Bereich muss außerdem auf Filterverfügbarkeit, Spitzendurchfluss, Konfiguration der Membranreihe, Redundanz, Modulgröße, Temperatur und Verschmutzungsgrenze überprüft werden.
Praktische Systeme werden aus kompletten Modulen und Membranzügen zusammengestellt, und für betriebliche Flexibilität und Wartung kann zusätzliche installierte Fläche erforderlich sein.
Warum die Filtrationszeit die erforderliche Membranfläche verändert
Ein MBR produziert nicht unbedingt 24 Stunden am Tag kontinuierlich Permeat. Viele Systeme wechseln die Filtration mit Entspannung oder Rückspülung ab.
Betrachten Sie einen einfachen Zyklus:
Die Filterverfügbarkeit beträgt:
10 ÷ 11 = 90,9 %
Wenn die Anlage eine Nettoproduktion von 10 LMH erreichen muss, die Membran jedoch nur 90,9 % der Zeit filtert, beträgt der erforderliche Fluss während der aktiven Filtration:
10 ÷ 0,909 = ungefähr 11,0 LMH Bruttofiltrationsfluss
Wenn durch zusätzliche Rückspülung, Wartung oder Offline-Reinigung die Gesamtverfügbarkeit der Membran auf 85 % sinkt, dann:
10 ÷ 0,85 = 11,76 LMH
Aus diesem Grund können zwei MBR-Projekte, die beide als Betrieb mit „15 LMH“ beschrieben werden, tatsächlich unterschiedliche Membrananforderungen haben. Einer kann 15 LMH während der aktiven Filterung bedeuten, während ein anderer eine Nettoproduktion von 15 LMH nach einer Ausfallzeit bedeuten kann.
Ohne diese Klarstellung können Vergleiche zwischen Membranlieferanten irreführend sein.
Der durchschnittliche Durchfluss reicht nicht aus: Überprüfen Sie den Spitzendurchfluss und den Ausgleich
Der durchschnittliche tägliche Durchfluss ist für die vorläufige Membrandimensionierung nützlich, beschreibt jedoch nicht, wie das Abwasser tagsüber in der Anlage ankommt.
Eine Anlage mit durchschnittlich 1.000 m³/Tag erhält nicht unbedingt konstant 41,7 m³/h. Industrielle Produktionspläne, kommunale Morgen- und Abendspitzen, Chargenentladungen, Regenfälle und Reinigungsarbeiten können zu einem viel höheren Stundendurchsatz führen.
Wenn die Membranfläche nur etwa im Durchschnitt ausgelegt ist, können hydraulische Spitzenbedingungen dazu führen, dass der momentane Betriebsfluss weit über den vorgesehenen Bereich hinausgeht.
Durch den Ausgleich kann der Spitzenmembranbedarf gesenkt werden
Ein Ausgleichsbecken kann Abwasser in Spitzenzeiten speichern und es langsamer an das biologische und Membransystem abgeben. Dadurch kann die Differenz zwischen durchschnittlichem und Spitzenfiltrationsbedarf verringert werden.
Wenn der Ausgleich begrenzt ist, sollten Designer Folgendes prüfen:
- maximaler Tagesfluss;
- stündlicher Spitzendurchfluss;
- available membrane trains;
- zulässiger kurzfristiger Spitzenfluss;
- maximal akzeptabler TMP;
- erforderliche Reservekapazität.
Die richtige Frage lautet daher nicht einfach: „Wie hoch ist der durchschnittliche Durchfluss?“
Es ist: „Welchen Durchfluss müssen die Membranen nach dem Ausgleich tatsächlich verarbeiten?“
Die Art des Abwassers verändert den Fluss, den Sie planen sollten
Ein einziger universeller Designfluss kann nicht auf jedes MBR-Projekt angewendet werden. Nachhaltiger Fluss hängt stark von der Abwasserzusammensetzung und den biologischen Betriebsbedingungen ab.
Kommunales Abwasser mit stabiler Vorbehandlung und ausgewogenen biologischen Bedingungen kann sich stark von fetthaltigem Lebensmittelabwasser, tensidhaltigem Textilabwasser oder Industrieabwasser mit hohem Salzgehalt und variabler organischer Belastung unterscheiden.
| Abwasserzustand | Wahrscheinliche Auswirkungen auf den nachhaltigen Fluss | Hauptgrund |
|---|---|---|
| Stabiles kommunales Abwasser | Grundlinie | Relativ vorhersehbare biologische und feste Eigenschaften |
| Hoher Öl- und Fettgehalt | Normalerweise niedriger | Größeres Membranverschmutzungspotenzial |
| Hoher MLSS oder hohe Viskosität | Normalerweise niedriger | Größerer Stoffübergangs- und Filtrationswiderstand |
| Hoher EPS/SMP | Normalerweise niedriger | Higher organic fouling tendency |
| Low wastewater temperature | Normalerweise niedriger | Höhere Viskosität und geringere Permeabilität |
| Starke Vorbehandlung | Stabiler | Geringere Feststoff-, Fett- und Verschmutzungsbelastung |
| Guter Strömungsausgleich | Stabiler | Reduzierte hydraulische Spitzen |
Aus diesem Grund sollte die Membrandimensionierung mit der Charakterisierung des Abwassers und nicht mit einem Membrankatalog beginnen.
Bei schwierigen Industrieabwässern kann ein konservativerer Flussmittelentwurf eine wertvolle Betriebsmarge bieten, auch wenn zunächst mehr Membranfläche erforderlich ist.
Temperatur, MLSS und Verschmutzung verändern den realen Betriebsfluss
Temperatur
Die Wasserviskosität nimmt mit sinkender Temperatur zu. Infolgedessen kann die gleiche Membran, die bei demselben TMP betrieben wird, bei kälteren Bedingungen weniger Permeat produzieren.
Bei einem Membransystem, das nur auf der Grundlage von Inbetriebnahmedaten für warmes Wetter konzipiert wurde, kann es daher im Winter zu Kapazitätsproblemen kommen.
MLSS
Ein höherer MLSS kann die Menge der im Reaktor zurückgehaltenen Biomasse erhöhen, aber eine sehr hohe Konzentration der gemischten Flüssigkeit erhöht auch die Viskosität und kann die Stofftransferbedingungen der Membran verschlechtern. Dies kann die Kuchenschichtbeständigkeit und den Luftreinigungsbedarf erhöhen.
EPS und SMP
Extrazelluläre Polymersubstanzen und lösliche mikrobielle Produkte tragen wesentlich zur Verschmutzung organischer Membranen bei. Ihre Konzentration kann sich je nach Belastung, Schlammalter, Temperatur, Nährstoffhaushalt und biologischem Stress ändern.
Transmembrandruck
TMP liefert einen der klarsten Betriebsindikatoren für den Membranzustand.
Daher kann es so aussehen, als ob ein System seine Auslegungskapazität beibehält, während es zunehmend an Membraneffizienz verliert. Wenn immer höhere TMP erforderlich sind, um den gleichen Fluss aufrechtzuerhalten, können auch der Reinigungsbedarf und der Energieverbrauch steigen.
Warum das Entwerfen mit maximalem Fluss später normalerweise mehr kostet
Ein hoher Designfluss ist bei der Projektbudgetierung attraktiv, da er die erforderliche Membranfläche reduziert.
Höherer Designfluss
- Weniger installierte Membranfläche
- Weniger MembranModul
- Potentially smaller membrane tank
- Lower initial membrane CAPEX
But Less Operating Margin
- Schnellerer TMP-Anstieg
- Größeres Verschmutzungsrisiko
- Häufigeres Reinigen
- Higher air-scouring demand
- Less reserve for peak flow
- Greater winter capacity risk
Ein geringerer Durchfluss erfordert mehr Membranfläche, kann jedoch zu längeren Filtrationszyklen, einem langsameren Fortschreiten der Verschmutzung, einer geringeren Belastung bei hydraulischen Spitzen und einer größeren Flexibilität mit zunehmendem Alter der Membran führen.
Bei der Membrandimensionierung sollten die anfänglichen Modulkosten gegen Belüftung, Reinigung, Ausfallzeiten, Austauschhäufigkeit, Widerstandsfähigkeit gegen Spitzenflüsse und langfristige Betriebsstabilität abgewogen werden.
Konvertieren Sie die erforderliche Membranfläche korrekt in die Modulmenge
Nachdem die erforderliche Membranfläche berechnet wurde, muss diese in tatsächliche Membranmodule umgerechnet werden.
Suppose the final required membrane area is:
Da Teilmodule nicht verbaut werden können, wäre das absolute Minimum 57 Module. Die endgültige technische Auswahl könnte jedoch je nach Rackanordnung, Membranstranganordnung, Redundanzanforderungen, verfügbarem Tankraum und Wartungsstrategie 60 Module umfassen.
Bei der Modulanzahl sollte daher Folgendes berücksichtigt werden:
- Komplettmodulrundung;
- rack or cassette geometry;
- number of membrane trains;
- isolation during maintenance;
- standby or redundancy requirements;
- zukünftige Werkserweiterung;
- verfügbare Membrantankabmessungen;
- Luftreinigungsanordnung.
Eine praktische Checkliste zur Größenbestimmung von MBR-Membranen
Bevor Käufer und Ingenieure ein Angebot für eine MBR-Membran anfordern, sollten sie genügend Daten vorbereiten, damit der Lieferant sowohl die biologischen als auch die Membranbedingungen bewerten kann.
Flow
- Durchschnittlicher täglicher Fluss
- Maximaler Tagesfluss
- Stündlicher Spitzendurchfluss
- Verfügbare Ausgleichslautstärke
Wastewater
- CSB und BSB
- TSS
- NH₄-N und TN
- Öl und Fett
- Betriebstemperaturbereich
Biologisches System
- MLSS
- SRT
- Volumen des biologischen Reaktors
- Aktuelle Prozesskonfiguration
Membranbetrieb
- Ziel-Nettofluss
- Filtrations-/Entspannungszyklus
- Rückspülstrategie
- Erwarteter TMP-Bereich
- Luftreinigungspflicht
Projektanforderungen
- Erforderliche Abwasserqualität
- Vorhandene Membrantankabmessungen
- Redundanzanforderungen
- Zukünftige Kapazitätserweiterung
- Verfügbarer Installations-Footprint
Mit diesen Informationen kann die Membranfläche anhand realistischer Betriebsbedingungen und nicht anhand eines einzelnen Katalogflusswerts berechnet werden.
Müssen Sie die MBR-Membranfläche berechnen?
NIHAO kann dabei helfen, die Membranfläche und die Modulmenge auf der Grundlage Ihres tatsächlichen Abwasserflusses, der Spitzenbedingungen, der Abwassereigenschaften, der Temperatur, des biologischen Prozesses, des Abwasserziels und des verfügbaren Membrantankraums zu bewerten.
Senden Sie uns Ihren Durchschnitts- und Spitzendurchfluss, CSB/BSB, TSS, Ammoniak, Betriebstemperatur, erforderliche Abwasserqualität und Tankabmessungen. Wir können Ihnen eine geeignete Membrankonfiguration empfehlen und ein MBR-Membranangebot für Ihr Projekt erstellen.
Häufig gestellte Fragen
Was ist der Unterschied zwischen Designfluss und Betriebsfluss in einem MBR?
Der Auslegungsfluss ist der für die Membrandimensionierung gewählte technische Wert, während der Betriebsfluss die tatsächliche Filtrationsrate während des Anlagenbetriebs ist. Der Betriebsfluss kann sich je nach Durchfluss, TMP, Temperatur, Verschmutzung und Membranverfügbarkeit ändern.
Sollte die MBR-Membranfläche anhand des Brutto- oder Nettoflusses berechnet werden?
Die Membranfläche sollte normalerweise auf einem ordnungsgemäß ausgewählten Netto-Designfluss oder auf einer Bruttoflussberechnung basieren, die explizit die Filterverfügbarkeit, Entspannung, Rückspülung und andere Ausfallzeiten berücksichtigt.
Wie berechnet man die erforderliche MBR-Membranfläche?
Die Grundgleichung lautet: Die Membranfläche entspricht dem erforderlichen Permeatfluss dividiert durch den ausgewählten Nettodesignfluss. Anschließend sollte das Ergebnis auf Spitzendurchfluss, Betriebsverfügbarkeit, Redundanz und Modulkonfiguration überprüft werden.
Vergrößert Entspannung und Rückspülung die benötigte Membranfläche?
Ja. Wenn Membranen nicht kontinuierlich filtrieren, müssen die aktiven Filtrationsperioden genügend Permeat produzieren, um die erforderliche tägliche Nettoleistung zu erreichen. Eine geringere Filtrationsverfügbarkeit erhöht im Allgemeinen die Membranfläche oder den erforderlichen Bruttobetriebsfluss.
Sollte ein MBR für den durchschnittlichen Durchfluss oder den Spitzendurchfluss dimensioniert sein?
Für die anfängliche Dimensionierung wird üblicherweise der durchschnittliche Durchfluss verwendet, der Spitzendurchfluss muss jedoch ebenfalls überprüft werden. Durch den Ausgleich kann der Spitzenfiltrationsbedarf reduziert werden. Ohne ausreichenden Ausgleich muss die installierte Membranfläche in der Lage sein, einen höheren kurzfristigen Durchfluss innerhalb des zulässigen Spitzenflussbereichs zu bewältigen.
Wie wirkt sich die Abwassertemperatur auf den MBR-Membranfluss aus?
Eine niedrigere Temperatur erhöht die Wasserviskosität und verringert im Allgemeinen die Membranpermeabilität. Systeme, die nur für warme Betriebsbedingungen ausgelegt sind, haben daher im Winter möglicherweise eine geringere Kapazität.
Reduziert ein höherer MLSS den nachhaltigen Membranfluss?
Es kann. Ein höherer MLSS erhöht die Viskosität der Mischflüssigkeit und kann den Filtrationswiderstand, die Bildung von Kuchenschichten und die Anforderungen an die Luftreinigung erhöhen. Die Wirkung hängt von den Schlammeigenschaften und dem gesamten biologischen Prozess ab.
Warum sollte der maximale Membranfluss nicht direkt zur Systemdimensionierung herangezogen werden?
Der maximale Fluss stellt normalerweise einen oberen oder kurzfristigen Zustand dar und umfasst möglicherweise keine Verschmutzung, Temperaturschwankungen, Entspannung, Rückspülung, Membranalterung oder Spitzenflussreserve. Eine kontinuierliche Entwicklung auf diesem Wert kann zu einer sehr geringen Betriebsmarge führen.
Wie viel freie Membranfläche sollte ein MBR-System umfassen?
Es gibt keinen universellen Prozentsatz. Die freie Kapazität hängt von der Abwasservariabilität, den Redundanzanforderungen, der Anordnung der Membranstränge, der erwarteten Verschmutzung, der Wartungsstrategie, der saisonalen Temperatur und dem zukünftigen Erweiterungsbedarf ab.
Wie rechne ich die erforderliche Membranfläche in die Anzahl der MBR-Module um?
Teilen Sie die benötigte Membranfläche durch die Membranfläche eines Moduls und runden Sie auf eine vollständige Modulmenge auf. Bei der endgültigen Auswahl sollten auch Rack-Layout, Membranzüge, Redundanz, Wartungsisolierung und verfügbarer Tankraum berücksichtigt werden.
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