Мембранні біореактори використовують для очищення господарсько побутових стічних вод, і доочистки промислових вод від амонійного азоту. Чи виправдане так само, їх застосування, на підприємствах м'ясо-молочної промисловості.
Нижче наведені фотографії мембранного біореактора нашого виробництва MES -BIO 1:
На верхніх фотографіях, одиночний погружной мембранний блок в зоні аерації. На нижніх фотографіях видно насосний і компресорний блоки МБР, змонтовані в контейнері.
Технологія мембранних біореакторів (МБР)
Що ж являє собою мембранний біореактор? Мембранний біореактор - це комбінація традиційної біологічної очистки та мембранного поділу, що реалізується на ультра- або мікрофільтраційних мембранах. Розмір пір таких мембран становить від 0,01 до 0,1 мкм, що забезпечує практично повне видалення всіх зважених речовин і мікроорганізмів. Для очищення побутових стічних вод традиційно використовується аеробний процес, проте для очищення промислових стоків застосовують і анаеробні МБР.
Існують два типи апаратурного оформлення мембранного процесу:
- напірна фільтрація. коли стічна вода з аеротенках (біореактора) насосом подається на мембранний модуль, де розділяється на очищену воду (фільтрат) і концентрат, що містить активний мул;
- вакуумна фільтрація з зануреними мембранними модулями, останні розташовуються безпосередньо в біореакторі (в більшості випадків в зоні аеробного очищення). Рушійною силою процесу в цьому випадку є перепад тисків, який досягається, створенням вакууму з боку фільтрату. Перепад тиску становить 0,2 - 0,5 бар, що теоретично дозволяє працювати занурювальним модулів під дією сил гравітації без насосного обладнання.
Мембранні біореактори з напірними мембранами випускаються компаніями Pentair Process Technology (Norit X-Flow), Ultra-Flo Pte Ltd. Hyflux Ltd. Asahi Kaisei, Berghof Filtrations und Anlagentechnik GmbH Co. KG, Novasep, TAMI Industries і іншими. Напірне фільтрування дозволяє отримати більш високу питому продуктивність мембран (в розрахунку на 1 м 2), однак це досягається за рахунок більш високого трансмембранного тиску і створення високої швидкості транзитного потоку в напірних апаратах. Все це призводить до більш високого енергоспоживання (див. Табл. 1), що обмежує використання такої технології в системах з високою продуктивністю, зокрема, в комунальному господарстві.
Таблиця 1. Порівняння МБР з напірними і зануреними мембранними модулями
* Залежить від використовуваної технології; при певних умовах можливе досягнення цільових значень: N = 2,2 - 3,0 мг / л і Р = 0,15 - 0,3 мг / л.
До особливостей мембранних біореакторів, що визначає їх перевага в порівнянні з традиційними схемами очищення стічних вод, відносяться:
• повне затримання всіх зважених речовин і мікроорганізмів, і як наслідок:
- максимальний ефект очищення по зважу. речовин;
- підвищення ефекту очищення по ГПК і БСК5;
- дезінфекція очищеної води без реагентів;
- мала чутливість до коливань витрати і якості вихідної води;
• мінімальний час перебування води в зоні відділення твердої фази;
• повне утримання мікроорганізмів в реакторі, що істотно змінює умови автоселекціі мікроорганізмів активного мулу;
• істотно менша займана площа в порівнянні з відстійниками.
Все це дозволяє:
• змінити параметри роботи реактора (аеротенках):
- при високих гідравлічних навантаженнях на реактор збільшити вік активного мулу, в тому числі накопичити повільно зростаючі види мікроорганізмів (нітріфікатори, мікроорганізми, що окислюють біорезістентние з'єднання);
- продовжити час перебування зважених речовин в реакторі аж до повної їх біологічної деструкції;
- виключити вплив седиментаційних характеристик активного мулу на якість очищеної води;
- підвищити стійкість системи до коливань концентрацій забруднень в вихідної воді завдяки гарній адаптації біоценозів;
• роз'єднати час перебування води в реакторі з часом перебування твердої фази (мікроорганізмів і зважених речовин стічної води);
• в кілька разів збільшити гідравлічну продуктивність і окислювальну потужність процесів біологічної очистки.
До головних недоліків мембранних біореакторів відносяться:
• високі капітальні витрати, причому питома вартість самих мембранних блоків практично не залежить від продуктивності;
• неминуче забруднення мембран і пов'язані з цим витрати;
• більш високі експлуатаційні витрати (електроенергія і заміна мембран);
• більш складна система управління і контролю;
• складність в забезпеченні достатнього рівня аерації при високих концентраціях активного мулу, характерних для МБР.
Вплив різних факторів на роботу МБР
Очевидно, що в порівнянні з традиційною технологією мембрани є найбільш вразливою ланкою в системі, тому коротко розглянемо, які фактори впливають на їх роботу.
1. Матеріал мембран. Вибір матеріалу диктується стійкістю до забруднення речовинами, що містяться в оброблюваних стічних водах (зокрема, міжклітинними органічними речовинами - полісахариди і протеїнами), а також хімічну стійкість при проведенні реагентних промивок мембранних модулів. Задовольняючи першу вимогу, більшість мембран мають гідрофобні властивості. Заряд мембрани також впливає на ступінь її забруднення (наприклад мембрани з нейтральним зарядом більш стійкі до відкладень бактерій групи E.Coli, що мають на поверхні позитивно і негативно заряджені групи). Для поліпшення характеристик мембран виробники піддають модифікації їх поверхню, вводять різні добавки в рецептуру хімічного складу їх матеріалу. Тому мембрани різних виробників, виготовлених з одного і того матеріалу, наприклад полівініліденфториду, можуть мати помітні відмінності в характеристиках.
Необхідно мати на увазі, що, по-перше, шар забруднень значно зменшує вплив матеріалу мембрани на ступінь її подальшого забруднення, а, по-друге, важливим є здатність мембрани відновлювати свою проникність після хімічної або гідравлічної промивки.
2. Розмір пір мембран не має вирішального значення: мікрофільтри з розміром пор 0,1 - 1 мкм і ультрафільтри з розміром пір 0,01 - 0,1 мкм показують практично однакову ефективність в добуванні зважених речовин і мікроорганізмів, яка тим більше нівелюється при накопиченні шару осаду на поверхні мембрани в процесі фільтрування. Зменшення розміру пір, за висновками ряду досліджень [5], покращує стійкість мембрани до забруднення, а при гідравлічних системи очистки краще видаляється шар осаду з її поверхні.
Мембрани з більшими порами мають більшу проникність, але падіння їх продуктивності в процесі роботи більш значно. Крім того, якщо стоїть завдання затримання вірусів, то краще використовувати мембрани з розміром пір менше 0,1 мкм.
3. Проникність мембрани (потік пермеата). Потік через мембрану є основним фактором, що впливає на швидкість утворення осаду на її поверхні. Існує поняття «критичного потоку», при перевищенні якого зростання осаду стає неприпустимим для нормального функціонування мембранного модуля.
Багато МБР працюють з постійною продуктивністю, що досягається регулюванням трансмембранного тиску. Підвищення тиску на мембрані в процесі роботи викликає стиснення осаду і збільшення його опору. При експлуатації мембранних установок слід уникати досягнення значного падіння проникності і своєчасно проводити гідравлічні і хімічні промивки
Ряд дослідників відзначає явище різкого зниження проникності мембрани після певного періоду фільтрації (близько 500 - 1000 год). Ясного пояснення цього феномена ще немає.
4. Продування повітрям (аерація мембран)
Головним способом контролювати процес забруднення мембран служить продування їх бульбашками повітря, які зривають відкладення з поверхні мембран і перемішують навколишнє рідина, покращуючи массообмен. Витрати на аерацію / продування повітрям - одна з основних складових експлуатаційних витрат в МБР. Витрата повітря для мембранного модуля становить 0,2 - 1,3 м 3 / год на 1 м 2 площі мембран в ньому. Ця величина залежить від об'єм рідини навколо мембран, питомої площі мембран, інтенсивності потоку повітря.
5. Швидкість руху фільтрованої рідини біля поверхні: для заглибних мембранних модулів підвищення швидкості руху навколишнього рідини не робить істотного позитивного впливу на видалення забруднень з поверхні мембран, навпаки, тут може мати місце порушення потоків повітряних бульбашок і зменшення ефективності продувки повітрям. Для напірних трубчастих модулів підвищення швидкості руху рідини всередині трубчастих мембран, навпаки, дозволяє зменшити осадкообразованіе, підвищити продуктивність, однак енергетично більш вигідно поєднувати цей прийом з продувкою повітрям (наприклад, технологія «AirLift» компанії Pentair).
6. Гідравлічні промивання. Промивання зворотним струмом фільтрату - дієвий інструмент для боротьби з осадкообразованіе, історично прийшов з ультрафільтраційних установок для очищення природних вод. Як правило, модулі з плоскими мембранами (за винятком рулонних конструкцій) не допускають зворотних промивок. Інтервали між зворотними промивками і їх тривалість лежать в межах 10 - 60 хвилин і 15 - 300 секунд відповідно. В МБР застосовують також імпульсну промивку - часті (1 раз в декілька секунд) імпульси зворотного потоку фільтрату тривалістю менше 1 секунди.
Досвід експлуатації мембранних біореакторів показав, що існує простий спосіб зменшити забруднення мембран - це періодична припинення фільтрування. У цей момент потоки повітря і рідини навколо мембран забирають з її поверхні частинки забруднень, а конвективний / дифузний потік - розчинені і колоїдні домішки. Тривалість «простою» мембранних блоків становить близько 5 - 15% від загального часу їх роботи.
7. Природа і склад надходить стічної води. Наявність в стічної рідини великого кількість легко біорозкладаної органіки сприяє утворенню більшої кількості позаклітинних полімерних речовин (полісахариди, протеїни), які засмічують ультрафільтраційні мембрани. Оскільки мембрани затримують все зважені речовини, а також частково полісахариди і протеїни, концентрація цих речовин в біореакторі зростає, що викликає підвищення опору осадів, що утворюються.
Збільшення віку мулу сприяє зменшенню забруднення мембран за рахунок зниження вмісту полісахаридів в мулі. Відзначається також, що в умовах недостатнього харчування адгезія клітин активного мулу на поверхні мембран стає нижче. На думку ряду дослідників, явище адгезії бактерій на поверхні мембран і подальше їх зростання сприяє зменшенню незворотного забруднення мембран іншими компонентами і додаткової доочищення стічної води
Встановлено також, що, як правило, розмір флокул активного мулу в МБР нижче, ніж в звичайних спорудах - аеротенках, причому кількість частинок меншого розміру підвищується зі збільшенням віку мулу.
Для відновлення проникності мембран при експлуатації МБР застосовується обробка розчинами реагентів, в основному, окислювачами - т.зв. хімічне промивання. Застосовувані реагенти - гіпохлорит натрію концентрацією 0,2 - 1% або лимонна кислота (0,2 - 0,3%). Додатково можуть використовуватися їдкий натр, соляна кислота, різні детергенти і комплексообразователи. Періодичність цієї процедури становить в середньому 1 раз в кілька місяців. Профілактична обробка гіпохлоритом натрію може здійснюватися більш регулярно - кілька разів на місяць. Напірні модулі промиваються шляхом циркуляції розчину реагенту, що подається насосом з окремого бака, а заглибні модулі абопереміщують в окрему спеціальну ємність, або промивають на місці. За тривалістю процедура займає кілька годин.
У ряді випадків виникає необхідність вилучення мембранних блоків і механічна їх промивка струменями води від накопичених відкладень.
Які основні труднощі виникають при експлуатації мембранних біореакторів? Виключивши тонкощі функціонування самої біологічної очистки, можна виділити наступні характерні проблеми (за пріоритетом):
• забруднення мембран і сітчастих фільтрів;
• пошкодження мембран або сильне забруднення;
• відмови ліній зв'язку систем автоматизації;
• відмови системи обдування мембран;
• відмова повітродувок і аераторів;
• забруднення сіток або решіток;
• відмова допоміжного мембранного обладнання.
Забруднення мембран і сітчастих фільтрів - це наслідки поганої предочистки, коли відбувається накопичення волосся, обривків ганчір'я та інших волокнистих матеріалів на волокнах мембран і в порожнинах мембранних блоків.
Умови аерації роблять значний вплив на експлуатаційні характеристики мембран. Погіршення характеристик мулової суміші (по різних зовнішніх і внутрішніх причин, включаючи проблеми з аерацією) майже не погіршує якість очищеної рідини, але призводить до погіршення проникності мембран і їх забивання.
Капітальні витрати на спорудження станції очистки стічних вод з МБР коливаються від 6000 - 1000 євро на 1 м 3 / добу в залежності від продуктивності системи. Витрати на саму мембранну установку (з усім допоміжним обладнанням) складають 30 - 60%. Вартість мембранних блоків становить 75 - 150 євро / м 2 при їх середньої питомої продуктивності 15 - 30 л / год на 1 м 2 площі мембран. Вартість обробки побутових стічних вод на мембранних модулях коливається в діапазоні 0,08 - 0,15 євро за 1 м 3. причому менші значення виходять при застосуванні половолоконной модулів; загальні експлуатаційні витрати становлять 0,24 - 0,25 євро на 1 м 3