The MBR technology – Challenges and possibilities for Swedish wastewater treatment plants. : Practical experiences and future prospects based on nine years of pilot operations and a full-scale implementation

Under nio år (2013–2022) har membranbioreaktorteknik (MBR) för rening av avloppsvatten utvärderats i pilotförsök vid FoUanläggningen på Hammarby Sjöstadsverk i Stockholm − inför fullskaleimplementering vid Henriksdals avloppsreningsverk där en av sju fullskalelinjer är i drift sedan 2021. Rapporten sammanfattar erfarenheter, utmaningar och möjligheter med tekniken. Membranen i Henriksdals reningsverk ska ersätta slutsteget i den konventionella aktivslamprocessen. Slammet avskiljs med filtrering genom membran med mycket små porer. Totalt kommer 1,6 miljoner m2 membranyta att installeras vilket kommer att ge fördubblad kapacitet i befintliga bassänger. Många svenska VA-organisationer behöver mer kompakta reningsverk, och flera kommuner utreder därför möjligheten att införa MBR, som blir ett allt mer konkurrenskraftigt alternativ när reningskraven höjs. I MBR-piloten renades kväve biologiskt med för- och efterdenitrifikation till mycket låga halter, <5 mg/l, vilket krävt tillsats av extern kolkälla (sju olika testades). Fosfor avskildes till som lägst 0,05 mg/l genom kemisk fällning i tre punkter med metallsalter (tre olika testades). Reningen var stabil även vid hög belastning och låga temperaturer, och utgående föroreningshalter låg under de framtida utsläppskraven på 6 mg/l kväve och 0,20 mg/l fosfor, samtidigt som förbrukningen av processkemikalier var lägre än förväntat. Biologisk fosforrening uppstod oväntat i processen; detta har dock inte noterats ännu i fullskalelinjen. Membrandriften i piloten har varit stabil. Permeabiliteten, genomsläppligheten, var mycket god och låg mellan 600 och 200 lmh/bar. Ingen negativ inverkan av de olika process kemikalierna kunde påvisas på membranen, utom vid extremt hög dosering av järn. Till utmaningarna med MBR-tekniken hör hög resursförbrukning då membranen rengörs med luftning och kemikalier, och återcirkulationen av slam är hög. Optimering av resursanvändningen har därför varit i fokus och bland annat resulterat i 60 % minskning av kemikaliebehovet för membranrengöring samt visat att återcirkulationen av slam kunde minskas utan att membranen stördes. En annan utmaning är ansamling av flytslam/skum i det biologiska reningssteget vilket till viss del kunde stävjas med dosering av en skumdämpande produkt, även om tekniska lösningar för avlägsnande av flytslam främst rekommenderas. En nyckel till den stabila driften och den minskade resursförbrukningen är utvecklingen av styrstrategier för biologisk och kemisk rening samt styrning av membranen. Delar av styrningen användes senare i fullskalelinjen där även membranrengöringen minskats baserat på pilotens resultat. En kartläggning visade att MBR-tekniken inte gav bättre avskiljning av mikroföroreningar och PFAS än konventionella aktivslamprocesser. Däremot visade tester att ozon och aktivt kol är mer effektivt på vatten som renats i MBR då det är helt partikelfritt. MBR-piloten har också använts för att mäta växthusgasutsläpp samt utsläpp av klorerade föroreningar i vatten och gasform, test av en membranförbättrande flux- enhancer, och för att visa hur MBR kan underlätta återanvändning av renat avloppsvatten. Rapporten avslutas med diskussion om hantering av uttjänta membran, nyttan av pilotförsök samt framtida utvecklingspotential och utmaningar för MBR-tekniken. Rapportens innehåll och resultat presenteras i korthet i början av rapporten.During 2013–2022, the membrane bioreactor technology (MBR) has been evaluated through pilot tests at the Hammarby Sjöstadsverk research facility, in preparation for full-scale implementation at the Henriksdal wastewater treatment plant. This report summarizes specific experiences, challenges, and opportunities identified. The pilot consists of pre- and post-denitrification with the addition of an external carbon source for nitrogen removal. Phosphorus is removed through pre- and simultaneous precipitation at three dosing points. The pilot has generally achieved stable treatment efficiency, even under high load conditions, with effluent concentrations far below the discharge requirements. This even with less consumption of chemicals compared to design values. The report includes results from various control strategies and a comparison of different external carbon sources. The membrane operation was generally stable, with permeability ranging from 600 to 200 lmh/bar. Optimization of resource consumption has been a focus in the pilot project since 2018. Attempts to reduce membrane fouling and the amount of chemicals used for membrane cleaning have been conducted, showing, for example, a reduction of membrane cleaning chemical requirements to 30–40% of the design. This finding has partially been confirmed in the full-scale line. Tests with reduced sludge recirculation to decrease energy consumption indicated no negative effects on membrane performance. Tests with a flux enhancer showed no apparent positive or negative changes in membrane permeability. However, tests with an antifoaming agent were effective in reducing and controlling foaming. An assessment of micropollutants such as pharmaceutical residues, microplastics and PFAS, showed comparable levels between the MBR pilot and the conventional activated sludge process at Henriksdal WWTP. Emissions of chlorinated compounds were measured during several recovery cleanings with sodium hypochlorite, indicating potential harm throughout the cleaning process from an exposure perspective. Measurements of greenhouse gas emissions showed varied emissions between different measurements. In addition to these and other results and aspects, experiences from other MBR plants in Sweden and internationally are also presented.The MBR pilot was also used for several other activities outlined in the report, including: ● Testing and comparing different carbon sources for post-denitrification, including sodium acetate, Brenntaplus, methanol, acetic acid, glycerol, ethanol, and internally produced VFA (volatile fatty acids). ● Biological phosphorus removal, although the process was not specifically designed for this purpose. This resulted in significantly lower consumption of precipitation chemicals than expected. ● Tests with advanced treatment techniques such as ozonation, activated carbon, and others for the removal of micropollutants. Experiences from other Swedish and international MBR plants are also described. ● Use of the MBR pilot as part of a direct potable reuse (DPR) system, which involves treating the purified wastewater for direct use as drinking water. Finally, the report discusses various aspects including decommissioning and management of spent membranes, general operational experiences, pilot to full-scale feedback, and future potential and challenges for MBR technology