У цілому світові існує молекула, яку людина жадібно шукає на поверхні далекої планети або в її атмосфері і виявлення якої допомогло б реалізувати всі божевільні фантазії людства: знайти життя поза нашою планетою.
Цю молекулу можна представити у вигляді рівнобедреного трикутника з характерним міжатомним кутом рівним 105 # 730 ;. Формула цієї молекули може бути записана дуже просто: Н2 О, тобто дана молекула утворюється при злитті одного атома кисню і двох атомів водню, - це вода.
Вода є найбільш поширеним мінеральною речовиною на поверхні Землі. Вона утворює гідросферу. Її обсяг становить 1385 x 10 6 км 3. з них 97,4% знаходиться в океанах, які складають 71% від земної поверхні, 2% - у вигляді льоду і тільки 0,6% (це становить 8 x 10 6 км 3) -в вигляді континентальних прісних вод
На земній поверхні обсяг доступних прісних вод становить приблизно 350 000 км 3 обсяг льоду льодовикових шапок на полюсах, які також є прісною водою, дорівнює 25х10 6 км 3.
Вода необхідна для біологічного життя. Це головний компонент живої матерії- в середньому вода становить 80%. У вищих організмів відсоток вмісту води коливається між 60 і 70%.
Немає сумніву в тому, що потреба людства в воді не перестане рости це має на увазі крайню необхідність берегти воду і очищати її для споживання, для специфічних промислових цілей, а також обмежувати скидання забруднень у навколишнє середовище.
Завдання і методи очищення
Освоєння людиною все нових територій веде до скорочення природних запасів води і збільшення відходів життєдіяльності. Природа навколо великих мегаполісів не справляється зі збереженням природного рівноваги. Складування відходів, спуск стічних вод у водні басейни в кількості більшій, ніж необхідно для самоочищення призводить до забруднення водних ресурсів. У зв'язку з цим на даному етапі актуальним питанням є очищення стічних вод та підтримання водного балансу.
Очищення стічних вод - обробка стічних вод з метою руйнування або видалення з них шкідливих речовин. Звільнення стічних вод від забруднення складне виробництво. У ньому, як і в будь-якому іншому виробництві, є сировина (стічні води) та готова продукція (очищена вода)
Методи очищення стічних вод можна розділити на механічні, хімічні, фізико-хімічні та біологічні, коли ж вони застосовуються разом, то метод очищення і знешкодження стічних вод називається комбінованим. Застосування того чи іншого методу в кожному конкретному випадку визначається характером забруднення і ступенем шкідливості домішок.
Як правило, на очисних спорудах застосовується комплексна очистка, так як в більшості випадків стічні води мають різний характер забруднення.
У Росії діють одні з найжорсткіших вимог в світі до якості очищення стічної води. При цьому більшість існуючих каналізаційних очисних споруд побудовані в 70-80-х роках за типовими проектами і тільки 15% стічних вод задовольняють вимогам на скидання в водоприймачі.
На сьогоднішній день окремо виділяють мембранну очистку стічних вод. Вона є найбільш продуктивною і являє собою комплекс з особливих напівпроникних мембран, що відокремлюють фільтрат від очищається суспензії. Рідка частина забрудненої субстанції проходить крізь перегородку, а механічні частинки затримуються мембраннимфільтром.
Системи очищення стічних вод можуть включати в себе наступні процеси:
§ зворотний осмос (заснований на принципі напівпроникних мембран);
§ мікрофільтрація (поділ суспензій, колоїдних сумішей під реакцією тиску);
§ ультрафільтрація (відбувається за рахунок різниці молекулярних мас і розмірів молекул);
§ діаліз (використовує градієнт концентрації);
§ електродіаліз (здійснюється за рахунок впливу електричного струму на іони розчинених сумішей).
Також слід зазначити, що в мембранної очищення води велику роль грає матеріал мембрани, тобто ніж утворена фаза самої мембрани. Ця ознака - основна причина величезного розмаїття мембран. Виділяються наступні групи в мембранної очищення води:
§ матеріали біологічного походження (стінки внутрішніх органів, клітинні оболонки);
§ полімери рослинного походження (целюлоза, продукти її переробки);
§ метали (чисті і сплави);
§ вуглецеві матеріали (графіт, сажа);
§ керамічні матеріали (оксиди, карбіди, нітриди і інші сполуки металів);
§ водонерозчинні рідини (вуглеводні, ліпіди, з добавками комплексонів, ПАР та ін.);
Мембранні біореактори (МБР)
Історія розвитку МБР
Вперше ідея мембранних біореакторів була реалізована в кінці 1960-х років, як тільки мембрани ультрафільтрації (УФ) і мікрофільтрації (МФ) стали доступні не тільки для наукового, а й для комерційного використання. Оригінальний процес був впроваджений корпорацією Dorr-Olivier - вони використовували поєднання активного мулу і мембранної фільтрації. Плоскі листи мембрани, що застосовуються в цьому процесі, були полімерними, величина пір від 0,003 до 0,01 мкм. Хоча ідея заміни традиційного відстійника активного мулу була привабливою, було важко виправдати застосування такого складного процесу для очищення стічних вод через трьох чинників: високої вартості мембран, низьку економічну вартості товару (сірих стоків), а також швидкої втрати продуктивності мембрани через забруднення її пір. Через низьку окупності всіх мембранних біореакторів першого покоління вони знайшли застосування тільки на дуже малій частці очисних споруд з особливими потребами, наприклад, на окремо розташованих гірськолижних курортах.
Прорив у розвитку мембранних біореакторів стався в 1989 році, коли корпорація «Ямамото» вирішила занурити мембрани безпосередньо в біореактор. До тих пір все мембранні біореактори були розроблені з поділом пристроїв і принцип їх роботи базувався на створенні високого трансмембранного тиску для підтримки фільтрації, а це вимагало підтримки великої витрати стічних вод.
Системи очищення з мембраною, зануреної в біореактор, працюють при більш низькій витраті стічних вод і споживають значно меншу кількість енергії (енергоспоживання може бути на два порядки нижче, ніж у роздільних систем). У конфігурації із занурювальним мембраною важливим параметром, що впливає на процес очищення вод, є аерація. Аерація підтримує тверді речовини в стані суспензії, очищає поверхні мембрани і забезпечує киснем біомаси, що призводить до кращого біологічному розкладанню і клітинному синтезу.
Проте, не дивлячись на використання зворотної промивки, продуктивність фільтрації мембранного біореактора неминуче знижується в процесі експлуатації. Це відбувається через відкладення розчинних і твердих частинок на і в мембрані, що пов'язано з взаємодією між компонентами активного мулу і мембрани. Це основний недолік залишається однією з найбільш складних проблем, що стоять перед подальшим розвитком мембранних біореакторів.
При будь-якому мембранному фільтруванні потрібно періодична чистка мембрани для відновлення її вихідних характеристик і зняття можливих органічних і мінеральних відкладень. Промивання мембранного блоку здійснюється за допомогою циркуляційного насоса, який забезпечує рівномірне омивання мембран по всій їх довжині, що гарантує однакову чистоту поверхні в будь-якій точці. Промивання мембранного блоку повністю автоматизована. Вона триває кілька годин і здійснюється кілька разів на рік в якості профілактичного заходу в автоматичному режимі.
Мембранний біореактор поєднує біологічну обробку активним мулом з механічною мембранної фільтрацією. Мембранний модуль використовується для поділу мулової суміші і являє собою альтернативу широко застосовується методом осадження активного мулу у вторинних відстійниках, використовувану в традиційних системах біологічного очищення в аеротенках.
При очищенні побутових стічних вод мембранні біореактори можуть виробляти «сірі» води досить високої якості для того, щоб їх можна було скинути в природні водойми або ж використовувати в системі зрошення, призначеної для поливу міських зелених насаджень. Інші переваги, які відрізняють системи очищення з використанням мембранних біореакторів: компактний розмір, тому їх легко можна застосувати при модернізації старих очисних споруд; можливість роботи систем мембранних біореакторів при більш високій концентрації активного мулу, а також, завдяки особливостям фільтрації за допомогою мембран, виключити винесення активного мулу в очищені води дозволили домогтися зменшення обсягу біореактора без зниження його продуктивності.
Існує два типи біореакторів:
- з внутрішнім розташуванням мембрани: занурені в воду, що очищається мембрани є невід'ємною частиною біологічного реактора;
- зовнішнім розташуванням мембран: мембрани відділені від технологічних ємностей і вимагають установки проміжних перекачувальних насосів.
На рис. 1 представлена традиційна схема очищення стічних вод і схема очищення за допомогою мембранного біореактора. Представлена схема очищення з біореактором здатна відфільтрувати з стічних вод тверді речовини, хвороботворні мікроорганізми і віруси.
Останні технічні інновації і значне зниження вартості мембран привели до зростання популярності мембранних біореакторів. Їх застосовують для обробки і повторного використання як побутових, так і промислових стічних вод. Про успішне застосування даної технології свідчить той факт, що на ринку з'являються нові типорозміри мембранних реакторів, а також збільшується потужність цих пристроїв.
Також поширення даних систем обумовлено зростанням попиту на LEED-сертифіковані будівлі. Рециркуляція води вносить істотний внесок в досягнення мети будівництва екологічно безпечних будівель, що не завдають шкоди навколишньому середовищу. Даного думки дотримується Green Building Council, яка адмініструє програму LEED в США.
Дійсно, величезні енергетичні та будівельні ресурси витрачаються на те, щоб транспортувати стічні води до очисних споруд, очищені стічні води потім скидаються в річки, з річок вода знову забирається, повторно очищається в системах водопідготовки, потім транспортується до споживача за допомогою енерговитратних насосних установок. Виходить, що ми докладаємо багато сил і витрачаємо даремно ресурси тільки для того, щоб переганяти значна кількість води на великі відстані, замість того щоб відразу на місці її очистити і використовувати.
Принцип дії МБР
В основу дії біореактора покладено синтез біотехнології і технології поділу водних суспензій на ультрафільтраційних полімерних мембранах.
Система мембранного біореактора складається з аеротенках і мембранного модуля, обладнаного половолоконной ультрафільтраційну або мікрофільтраційних мембранами. Оброблювані стічні води надходять в аеротенк. Що знаходиться в аеротенках иловая суміш циркулює через мембранний модуль. Ультрафільтраційні мембрани служать для підвищення концентрації активного мулу в аеротенках та глибокого очищення оброблюваних стічних вод. Аеротенк в системі мембранного біореактора працює з високою концентрацією активного мулу, тому його розміри в 2-3 рази менше розмірів класичного проточного аеротенках.
Мембранний модуль складається з 10-20 касет з мембранами. У кожній касеті розташовуються від 5 до 15 пучків мембранних волокон. Половолоконной мембрана являє собою порожню нитка зовнішнім діаметром близько 2 мм і довжиною до 2 м. Поверхня нитки являє собою ультрафільтраційну мембрану з розміром пір 0,03-0,1 мкм.
Кожен пучок складається з 100-1000 мембранних волокон і обладнаний загальним патрубком відведення фільтрату. Настільки малий розмір пір є фізичним бар'єром для проникнення організмів активного мулу, що мають розмір більше 0,5 мкм, що дозволяє повністю відокремити активний мул від стічної води і знизити концентрацію завислих речовин в очищеній воді до 1 мг / л і менше.
Фільтрація відбувається під дією вакууму, що створюється на внутрішній поверхні мембранного волокна самовсмоктувальним насосом фільтрації. Для організації фільтрації між внутрішньою порожниною мембран і простором мембранного блоку створюється різниця тисків (0,01
0,06 MПа). При цьому суміш стічних вод і активного мулу фільтрується через поверхню мембран зовні всередину. В результаті відділення твердих і колоїдних частинок на половолоконной мембранах концентрація активного мулу в блоці мембранного БИОРЕКТОРА і в аеротенках підвищується, що сприяє глибокої біологічної очистки стоків і забезпечує зменшення обсягу аеротенках в 2-3 рази.
Очищена вода надходить по напірним трубопроводами на знезараження, а активний мул залишається в мембранному резервуарі і підтримується в підвішеному стані за допомогою системи аерації, вбудованої в мембранний модуль.
Аерування здійснюється стисненим повітрям за допомогою аераційних систем (повітродувок). Залежно від необхідної продуктивності мембранні модулі об'єднуються в мембранний блок. Число мембранних модулів в блоці може бути збільшено при необхідності підвищення продуктивності системи.
Що застосовується в системах мембранних біореакторів дотичне фільтрування мулової суміші запобігає її забивання, тобто накопичення відкладень (бактерій). Такий рух мулової суміші забезпечується циркуляційним насосом з продуктивністю, значно вище витрати підлягає обробці стічної води. Можливість регулювання витрати і тиску в циркуляційному контурі дозволяє налагодити повноцінне керування процесом мембранного фільтрування при максимальній його ефективності. Крім того, реалізація режиму дотичного фільтрування має позитивні наслідки щодо біології всієї системи. Постійне омивання мембран диспергирует очищаючі бактерії, які більш не утворюють щільні флоккули, а тому можливість їх прямого контакту з забрудненнями і киснем значно збільшується. З цього випливає, що співвідношення активних бактерій і окисляються забруднень виявляється більшим в системі МБР, ніж це зазвичай зустрічається в класичній системі з активним мулом.
Мікроорганізми активного мулу не виносяться з системи МБР, тому біореактор працює в умовах високої концентрації біомаси значного віку. Крім того, постійна циркуляція призводить до механічного впливу на оболонки бактерій. Саме тому основна споживана бактеріями енергія використовується не для розмноження (як це відбувається в класичних біотехнологіях), а витрачається для підтримання життєдіяльності, що призводить до зниження приросту надлишкової активної біомаси.
Відмова від гравітаційного методу поділу мулової суміші дозволяє підвищити концентрацію активного мулу в біореакторі до 10-20 г / л (в звичайному аеротенку - до 3 г / л).
При переході від гравітаційного методу поділу мулової суміші до мембранної фільтрації спостерігаються глибокі зміни в структурі біоценозу активного мулу. Вік мулу в МБР зазвичай становить 25-30 діб. нерідко перевищуючи 60-70 діб. При цьому основна частина активного мулу представлена медленнорастущих мікрофлорою, яка найбільш ефективно розкладає трудноокісляемие органічні речовини в стічній воді. Переважання медленнорастущих мікрофлори дозволяє значно знизити приріст активного мулу, а отже, необхідні потужності обладнання для зневоднення надлишкового активного мулу.
Розмір пластівців активного мулу в МБР в 5-10 разів менше, ніж в поширених конструкціях аеротенків. Така дисперсність активного мулу призводить до збільшення площі контакту мікроорганізмів зі стічними водами, підвищуючи ефективність сорбції активними мулом інертних речовин, важких металів, забруднення є мікрокількості.
Внаслідок того, що пори мембран мають менший розмір, ніж розміри клітин мікроорганізмів, зокрема, бактерій, в МБР відбувається часткове знезараження води. Ефективність видалення бактерій становить 99,999%, вірусів - 99,9%. Безпосередньо після МБР очищена вода може бути відразу направлена на повторне використання для непитного цілей.
Високі дози мулу дозволяють скоротити час перебування стічних вод в спорудженні. Як наслідок, площа, яку займає МБР, в 2-4 рази менше площі, займаної традиційними спорудами біологічної очистки.