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Mouterij Boortmalt test revolutionaire MembraanBioactor uit
Door Els Jonckheere, Control & Automation Magazine
Version française
In vergelijking met de klassieke biologische waterzuivering haalt de
MembraanBioactor-technologie een veel hogere effluentkwaliteit, waardoor het
hergebruik van water op grote schaal haalbaar wordt. Eén van de eerste bedrijven
die het concept op industrieel niveau uitprobeert, is mouterij Boortmalt uit
Antwerpen.
Bij de meeste conventionele waterzuiveringsinstallaties wordt een scheiding
tussen slib en behandeld water door gravitaire bezinking bekomen. Afhankelijk
van de slibbezinkingeigenschappen en –voorwaarden is deze scheiding echter nooit
volledig: het biologische effluent bevat altijd nog zwevende stoffen. Michel
Danau, Process & Sales Manager Enprotech: “Bij de membraanbioreactortechnologie
fungeert het membraan als een filterbarrière voor het slib. Het bio-effluent is
bijgevolg volledig vrij van zwevende stoffen, bacteriën en troebelheid. Hierdoor
kan het gezuiverde water - afhankelijk van de toepassing - gemakkelijker worden
hergebruikt. Bovendien kan met hetzelfde reactorvolume drie keer meer afvalwater
worden behandeld, wat natuurlijk zeer voordelig is voor bedrijven die willen
uitbreiden maar met plaatsgebrek hebben te kampen. Tevens behoort de
problematiek van slibuitspoeling met deze techniek volledig tot het verleden,
waardoor de exploitatietijd voor procesvoering gevoelig is ingekort.”
De proef op de som
Eén van de eerste Belgische bedrijven die deze nieuwe technologie op
industriële schaal wilde uitproberen, is Boortmalt. Deze onderneming heeft de
intentie om één van de belangrijkste mouters in Europa te worden. Maar om dit te
verwezenlijken, dient het haar jaarlijkse productie van 110.000 tot 250.000 ton
per jaar op te trekken. Hiertoe bouwde het onlangs twee hypermoderne mouttorens,
maar daarmee was de kous niet af. Het bestaande waterzuiveringstation bood
immers maar een maximale capaciteit van 1.000 m³ per dag, terwijl de beoogde
productietoename minstens 1.800 m³ vereiste. Bovendien bleek de bestaande
oplossing ook niet goed te functioneren. Productieverantwoordelijke Koen Hardy:
“Het werd al snel duidelijk dat de correctie van dit systeem tot zeer grote
investeringen zou leiden. En dan waren we nog niet zeker dat het
waterzuiveringstation aan de toekomstige reglementeringen kon voldoen. Vandaar
dat we al in 2002, dus bij het ontwerp van de mouttorens, naar een nieuwe
oplossing op zoek zijn gegaan. Het project draaide op een ware speurtocht uit.
Want de situatie van de Antwerpse vestiging van Boortmalt was zeer complex.
‘Membrane BioActor’
Na een grondig onderzoek van de bestaande filtratietechnieken werd het
duidelijk dat maar één oplossing aan de vereisten van Boortmalt kon voldoen: de
toepassing van de ‘MembraanBioActor’. Koen Hardy: “Anaërobie kon onmogelijk
worden gebruikt omdat het water te koud was en de concentraties organische
vervuiling te laag waren. Bovendien zuivert deze techniek maar tot 86 à 90 %,
terwijl er een zuiveringsgraad van 99,99 % nodig is om meteen in het
oppervlaktewater te kunnen lozen. Bovendien werd de fosfor niet geassimileerd.
De integratie van een proces om deze taak te klaren, bleek onrendabel en weinig
stabiel op technisch vlak. Daarnaast was het de bedoeling om het gefiltreerde
water zoveel mogelijk opnieuw in reiniging- of andere activiteiten te gebruiken.
Enkel de Membraan BioActor kon op al onze vereisten inspelen. Want bij dit
proces wordt actief slib door filtratie in plaats van bezinking van het
afvalwater gescheiden. Op die manier kan de biologie qua subconcentratie met
factor drie worden opgedreven. Met andere woorden: met hetzelfde reactorvolume
kan er drie keer meer afvalwater worden behandeld.”
Pilootproject noodzakelijk
Eind 2002 kon Enprotech met dit gigantische project starten. Michel Danau:
“We begonnen met een pilootproject om de biologische procesparameters en het
juiste type membraan te selecteren. Vooral dit laatste is erg belangrijk, want
de ervaring heeft ons geleerd dat elk soort membraan op een andere manier op de
diverse industriële processen reageert. Het komt erop aan dat de druk over het
membraan over een periode van meerdere maanden constant kan worden gehouden
zonder dat er zware reinigingsactiviteiten aan te pas komen. Bij het testen werd
dan ook nagegaan welke flux - het aantal liter afvalwater per uur - haalbaar
was, op welke manier en wanneer er moest worden gereinigd, welke membranen de
grootste zekerheid voor een probleemloze werking gaven, etc. Hiertoe bouwden we
naast de bestaande waterzuiveringsinstallatie een kleine container waarin een
deel van het afvalwater werd overgepompt. Uit de resultaten bleek dat een nieuw
type ondergedompelde holle vezel membranen het beste resultaat voor Boortmalt
opleverde. Deze worden in de biologische reactor geplaatst en hebben een
capaciteit van 100 m³/uur. Door hun specifieke configuratie kan er via druk een
terugspoeling of zogenaamde backwash worden gegenereerd, waardoor het mogelijk
is om de installatie chemisch te reinigen en te spoelen. Dit leidt dan weer tot
langere werkingscycli, een stabielere werking én lagere effluentwaarden. Door de
stabielere werking vereisen de membranen ook minder energie én is het mogelijk
om meer debiet afvalwater per uur te verwerken.”
De voordelen op een rijtje…
In september 2003 werd dan uiteindelijk het startschot gegeven voor de bouw
van de grootste industriële ‘MembraanBioActor’ in België. De installatie bestaat
uit een voorzuivering, een adaptieve aërobe plug-flow reactor met interne holle
vezel membranen, nieuwe hoog rendement dompelbeluchting met voordruk én een
automatische slibontwatering door middel van een centrifuge. In een membraan
bioreactor wordt de klassieke nabezinking door een microfiltratie doorheen een
membraan vervangen. Koen Hardy: “Deze aanpak biedt verschillende voordelen.
Omdat de bezinkingseigenschappen van het slib minder belangrijk zijn, kunnen
hogere slibconcentraties in het beluchtingbekken worden gehanteerd en is er
bijgevolg een kleiner beluchtingvolume nodig. Meestal is het zelfs mogelijk om
een lagere slibbelasting - meer slib voor dezelfde vuilvracht - toe te passen,
waardoor de slibproductie aanzienlijk daalt. Verder is de kwaliteit van het
effluent constant, onafhankelijk van de slibeigenschappen en beter dan bij
klassieke waterzuiveringsinstallaties omwille van de afwezigheid van zwevende
stoffen. Doordat de filtratie doorheen een micro- of ultrafiltratiemembraan
gebeurt, is het water tevens vrij van bacteriën en virussen. Vandaar dat het
effluent rechtstreeks en zonder voorbehandeling in een omgekeerde
osmose-installatie kan worden behandeld. Tenslotte houdt de filter complexe,
hoogmoleculaire bestanddelen tegen, waardoor deze zich langer in het
beluchtingbekken ophouden en er meer kans is op de ontwikkeling van een
aangepaste biomassa om deze componenten af te breken.”
De tweede fase: onderzoek.
Momenteel zijn Boortmalt en Enprotech bezig met het tweede luik van het
project, namelijk het onderzoek naar manieren om het gezuiverde water opnieuw te
gebruiken. Op het tijdstip van het interview was er al een theoretische
duidelijkheid over het waterzuiveringsproces. Koen Hardy: “We hadden vier
mogelijkheden. Indien we het water meteen na het zuiveringsproces zouden
hergebruiken, kwamen we aan een rendement van amper twintig procent omdat er
zich nog een té hoge concentratie aan CO2 en zouten in het water bevond. Een
tweede optie was het water na de filtratie met een sterke oxidant - ozon of
waterperoxide - te behandelen, wat tot een waterrecuperatie van zestig procent
zou leiden. Het grote nadeel was echter dat de zouten op die manier zodanig
worden opgeconcentreerd dat we uiteindelijk zeewater zouden verkrijgen. En dat
was dan weer nefast voor de lozingen, materialen en de kwaliteit van het mout.
Een derde mogelijkheid was het water met UV te desinfecteren, maar dat leidde
tot een hergebruik van amper veertig procent. Uiteindelijk bleek een behandeling
met omgekeerde osmose het beste resultaat te bieden. Want op die manier konden
zowel de resterende organische fracties, als de bacteriën, virussen en zouten
uit het effluent worden verwijderd, waardoor we een waterrecuperatie van tachtig
procent konden behalen. Een hergebruik van honderd procent is sowieso bijna
onmogelijk en economisch niet interessant. Er is altijd een minimale toevoeging
van vers water vereist, maar als we dat tot twintig procent kunnen beperken,
hebben we een ontzettend goed resultaat behaald! Vandaag zijn we deze oplossing
dan ook in de praktijk via een pilootopstelling aan het testen.”
Hoe werkt het?
Mouten bestaat uit een week-, kiem- en eestproces. Het afvalwater wordt
batchgewijs aangevoerd en in één bestaande en twee nieuwe buffertanks onder de
mouttorens verzameld. Van daaruit wordt het afvalwater naar de boogzeven
verpompt, die de vaste stoffen (mout- of graankorreltjes tot 1 mm) afscheiden.
Het zeefgoed wordt dan via een ontwateringschroef naar een container afgevoerd,
terwijl het gezeefde afvalwater naar de twee aërobe beluchtingbekkens (elk 1.700
m²) vertrekt. Deze zijn in serie geschakeld, staan hydraulisch in verbinding met
elkaar en bevatten elk een zuurstofsonde die de gecombineerde ‘Hyperclassic
Invent’ beluchter/mengers sturen. Dit type dompelbeluchting met
frequentiegestuurde supressoren wordt door een hoog en constant rendement
gekenmerkt. Michel Danau: “Er werd tevens voor dompelbeluchting gekozen omdat
dit procédé het minste lawaai produceert. De supressoren zijn bovendien met een
aparte geluidskap uitgerust én in een geluidsisolerend gebouw ondergebracht. In
deze ruimte bevindt zich trouwens ook de centrifuge.” Na het tweede
beluchtingbekken volgt het gecompartimenteerde membraan extractiebekken waarin
de holle vezel membraanmodules worden ondergedompeld. Deze zijn afzonderlijk
afsluitbaar voor reiniging- en onderhoudswerkzaamheden, zodat de installatie bij
dergelijke ingrepen niet volledig hoeft te worden stilgelegd. De membraanmodules
zijn in een frame gemonteerd. Het biofiltraat wordt door onderdruk doorheen het
membraan gezogen, waardoor het filtratieproces plaatsvindt. In elk compartiment
is een recirculatiepropeller voorzien die het slib terug naar de kop van de
plug-flow reactor stuurt. Het overschot aan slib wordt na toevoeging van
polymeer met een centrifuge ontwaterd. Daarna wordt het ontwaterde slib via een
automatisch vijzelsysteem naar twee containers afgevoerd. Het biofiltraat wordt
verder ontdaan van zouten, eventuele resterende organische vervuiling en
virussen in de omgekeerde osmose installatie.” <<
Boortmalt teste un ‘réacteur à membrane Bio-Actor’ révolutionnaire
Comparée aux installations classiques d’épuration biologique de l’eau, la
technologie du réacteur à membrane Bio-Actor atteint une qualité d’effluent
nettement supérieure, permettant la réutilisation de l’eau à grande échelle. Une
des premières entreprises qui l’a testé au niveau industriel est la malterie
Boortmalt à Anvers.
Dans la plupart des installations d’épuration d’eau conventionnelles, on obtient
la séparation de la boue et de l’eau traitée par décantation gravitaire. En
fonction des propriétés de la boue décantée et des conditions de cette boue,
cette séparation n’est en fait jamais tout à fait complète: l’effluent
biologique contient toujours des particules flottantes. Michel Danau, Process &
Sales manager Enprotech: «Avec la technologie du réacteur à membrane Bio-Actor,
la membrane fait office de barrière filtrante pour la boue. Par conséquent,
l’effluent bio ne contient plus de particules flottantes, de bactéries et autres
impuretés. Par conséquent et en fonction des applications, l’eau purifiée peut
plus facilement être réutilisée. En outre, avec le même volume de réacteur, on
peut traiter trois fois plus d’eaux usées, ce qui est évidemment très
intéressant pour les entreprises qui souhaitent agrandir mais qui manquent
d’espace. Par ailleurs, grâce à cette technique, le problème du rinçage des
boues appartient au passé, ce qui raccourcit sensiblement le temps
d’exploitation du processus.»
L’expérimentation
Une des premières entreprises belges à vouloir tester cette nouvelle
technologie à échelle industrielle a été Boortmalt. Cette entreprise a
l’intention de devenir une des plus importantes malteries en Europe. Mais pour y
parvenir, la production annuelle devait passer de 110.000 tonnes à 250.000. Pour
atteindre les objectifs fixés, Boortmalt a construit récemment deux tous
nouveaux silos. Mais ce n’était pas tout, car la station d’épuration existante
n’offrait une capacité maximale que de 1.000 m³ par jour, tandis que
l’augmentation de production demandait une capacité d’au moins 1.800 m³. En
outre, la solution existante ne donnait plus entière satisfaction. Koen Hardy,
responsable de la production: «Très rapidement, il est apparu que corriger ce
système impliquerait de très importants investissements. Et nous ne serions pas
encore certains que la station d’épuration répondrait aux réglementations à
venir. C’est pourquoi, dès 2002, donc au moment du projet de construction des
silos, nous avons cherché une nouvelle solution. Le projet s’est transformé en
un véritable jeu de piste. Car la situation du site anversois de Boortmalt était
très complexe.
Un ‘réacteur à membrane Bio-Actor’
Après une étude approfondie des techniques de filtration existantes, il
était clair qu’une seule solution pouvait répondre aux exigences de Boortmalt:
l’application d’un ‘Bioréacteur à membranes’. Koen Hardy: «Il était impossible
d’appliquer la technique anaérobie, parce que l’eau était trop froide et que les
concentrations en déchets organiques étaient trop faibles. En outre, cette
technique ne purifie qu’à 86 – 90%, tandis qu’il nous fallait un degré de pureté
de 99,99%, pour pouvoir déverser les eaux dans les eaux de surface. Par
ailleurs, le phosphore n’était pas assimilé. L’intégration d’un processus pour
résoudre ce travail semblait peu rentable et peu stable du point de vue
technique. En outre, le but était de réutiliser le plus possible l’eau filtrée
dans les activités de nettoyage ou autres. Seul la Membrane BioActor répondait à
toutes nos exigences. En effet, par ce processus, les boues actives sont
séparées de l’eau usée par filtration et non par décantation. Ainsi, la
concentration biologique peut être multipliée par un facteur trois. En d’autres
termes: avec le même volume de réacteur, il est possible de traiter trois fois
plus d’effluents.
Un projet pilote était indispensable
Fin 2002, le contrat fut signé et Enprotech pouvait démarrer son projet
gigantesque. Michel Danau: «Nous avons commencé par un projet pilote pour
sélectionner les paramètres biologiques et le type de membranes adapté. Ce
dernier élément était particulièrement important, car l’expérience nous a appris
que chaque type de membrane réagit différemment aux divers processus
industriels. Il faut que la pression sur la membrane puisse être maintenue à un
niveau constant sur une période de plusieurs mois, sans que des opérations de
nettoyage importantes soient nécessaires. Lors des tests, nous avons donc
contrôlé quels flux – le nombre de litre l’eau usée à l’heure – nous pouvions
atteindre, comment et à quel moment il fallait nettoyer, quelles membranes
offraient la plus grande sécurité pour un travail sans problèmes, etc. Pour
cela, nous avons construit, à côté de l’installation d’épuration existante, un
petit conteneur dans lequel on pompait une partie des eaux usées. Des résultats,
il est apparu qu’un nouveau type de membranes capillaires (à fibres creuses)
immergées donnait les meilleurs résultats pour Boortmalt. Celles-ci sont placées
dans le réacteur à membrane Bio-Actor et ont une capacité de 100 m³ par heure.
Grâce à leur configuration spécifique le rembobinage ou le ‘backwash’ par
pression permet de le régénérer, ce qui permet de nettoyer l’installation
chimiquement et de la rincer. Ceci permet évidemment de prolonger les cycles de
travail sans entretien, d’avoir un fonctionnement plus stable et des valeurs
d’effluents plus faibles. Grâce au fonctionnement plus stable, les membranes
demandent moins d’énergie et il est possible de traiter un débit d’eau
résiduaire plus important par heure.»
Les avantages…
En septembre 2003, le coup d’envoi fut donné pour la construction de la plus
grande installation industrielle de réacteur à membrane Bio-Actor en Belgique.
L’installation comprend un prétraitement, un réacteur à piston aérobie avec des
membranes capillaires internes, un aérateur plongeant à haut rendement avec
prépression et la déshydratation automatiques des boues au moyen d’une
centrifugeuse. Dans un bioréacteur à membranes, la décantation classique est
remplacée par une microfiltration à travers une membrane. Koen Hardy: «Cette
approche offre plusieurs avantages. Comme les propriétés de décantation de la
boue sont moins importantes, il est possible de traiter des concentrations de
boues plus élevées dans un bassin d’aération et, par conséquent, le volume
d’aération peut être plus petit. En général, il est même possible d’appliquer
une charge de boue plus faible – plus de boue pour une même charge polluante –
ce qui diminue considérablement la production de boue. Par ailleurs, la qualité
de l’effluent est constante, indépendamment des propriétés des boues et elle est
supérieure à celles des installations classiques d’épuration, en raison de
l’absence de particules flottantes. Comme la filtration se fait à travers une
membrane micro ou ultrafiltrante, l’eau est suffisamment pure, sans bactéries ni
virus. De ce fait, l’effluent peut être traité directement et sans prétraitement
dans une installation d’osmose inverse. Enfin, le filtre retient les particules
complexes, moléculaires, ce qui fait qu’elles restent plus longtemps dans le
bassin d’aération et qu’il y a plus de risques de développement d’une biomasse
adaptée pour désagréger ces composants.»
Seconde phase: la recherche
Actuellement Boortmalt et Enprotech sont entrés dans une seconde phase du
projet, celle de la recherche des manières de réutiliser l’eau purifiée. Au
moment de cette interview, il existait déjà des points théoriques clairs sur le
processus d’épuration de l’eau. Koen Hardy: «Il y avait quatre possibilités. Si
nous réutilisions l’eau immédiatement après le processus d’épuration, nous
obtenions un rendement de vingt pc à peine, parce qu’il y avait encore une trop
forte concentration en CO2 et en sels dans l’eau. Une seconde option était de
traiter l’eau après filtration avec un oxydant puissant – ozone ou eau oxygénée
-, ce qui permettrait une récupération d’eau de soixante pc. Le gros
inconvénient était toutefois que les sels seraient ainsi tellement concentrés,
que nous obtiendrions finalement de l’eau de mer, ce qui était évidemment
néfaste pour les évacuations, le matériel et la qualité du malt. Une troisième
possibilité était de désinfecter l’eau aux UV, mais cela n’aurait entraîné
qu’une réutilisation de quarante pc. à peine. Finalement, le traitement par
osmose inverse semblait offrir les meilleurs résultats. Car de cette manière,
aussi bien les particules organiques restantes, que les bactéries, les virus et
les sels seraient éliminés des effluents, nous permettant d’arriver à une
récupération d’eau de quatre-vingt pc. La réutilisation à 100% est quasiment
impossible, et économiquement inintéressante. Il faut toujours ajouter un
minimum d’eau fraîche, mais si nous pouvons limiter cet apport à vingt pc. nous
avons atteint un résultat incroyable. Aujourd’hui, nous testons cette solution
en pratique, dans une installation pilote.»
Comment ça marche?
Le maltage consiste en un processus de trempage, de germination et de
touraillage. L’eau résiduaire est acheminée par batchs et rassemblée dans un
réservoir tampon existant et dans deux nouveaux réservoirs sous les silos. De
là, l’eau usée est pompée vers des filtres en arc qui séparent les substances
solides (grains de malt ou de céréale jusqu’à 1 mm). Les déchets de filtration
sont ensuite entraînés par une vis de dessèchement (par centrifugation) vers un
conteneur, tandis que l’eau usée filtrée est envoyée vers les deux bassins
d’aération aérobie (de chacun 1.700 m²). Ceux-ci sont alignés en série, sont
reliés hydrauliquement l’un à l’autre et contiennent chacun une sonde à oxygène
qui commandent l’aérateur/mélangeur ‘Hyperclassic Invent’ combinés. Ce type
d’aération immergée avec suppresseurs à commande fréquentielle est caractérisé
par un rendement élevé et constant. Michel Danau: «Nous avons en même temps
choisi un système d’aération immergée, qui est quasiment insonore. Les
suppresseurs sont en outre équipés d’une cloche antibruit et ils sont installés
dans un bâtiment insonorisé. Ce local abrite aussi la centrifugeuse.» Derrière
le second bassin d’aération se trouve le bassin d’extraction par membrane
compartimentée, dans lequel les modules de membranes à fibres creuses sont
immergés. Ceux-ci se ferment séparément pour les travaux de nettoyage et
d’entretien, de sorte que cette installation ne doit pas être complètement
arrêtée pour ces interventions. Les modules à membranes sont montés dans un
cadre. Le filtrat biologique est aspiré par sous-pression à travers la membrane,
permettant sa filtration. Chaque compartiment est équipé d’une hélice de
recirculation qui renvoie les boues vers la tête du réacteur à piston. Le reste
de la boue est déshydratée par centrifugation, après addition d’un polymère.
Ensuite, la boue déshydratée est évacuée vers deux conteneurs au moyen d’un
système de vis sans fin automatique. Le filtrat biologique est ensuite
débarrassé des sels, d’éventuels polluants organiques restants et de virus, dans
l’installation d’osmose inverse.»<<
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