Мембранные биореакторы для очистки сточных вод

 

 

2. Характеристики мембранных процессов

В таблице 2 представлены основные рабочие диапазоны мембран а также материал и конфигурация мембранных элементов, используемых при проведении разных мембранных процессов.

 

Таблица 2. Характеристики мембранных процессов

Мембранный  процесс	Рабочий диапазон, мкм	Рабочее давление, кПа	Мембранные  элементы
			Материал	Конфигурация
Микро-фильтрация	0,08-2,0	7-100	Полипропилен, акрилонитрил, нейлон, фторопласт, керамика	Рулонные, половолоконные, плоскопараллельные, патронные, трубчатые
Ультра-фильтрация	0,005-0,2	70-700	Ацетат целлюлозы, ароматические полиамиды	Рулонные, половолоконные, плоскопараллельные
Нано-фильтрация	0,001-0,01	500-1000	Ацетат целлюлозы, ароматические полиамиды	Рулонные, половолоконные
Обратный осмос	0,0001-0,001	850-7000	Ацетат целлюлозы, ароматические полиамиды	Рулонные, половолоконные

3. Стандартные энергетические затраты и степень извлечения

В таблице 3 представлены стандартные энергетические затраты и степень извлечения для различных мембранных процессов.

 

Таблица 3.Стандартные  энергетические затраты и степень  извлечения

Мембранный  процесс	Рабочее давление, кПа	Энергозатраты, Вт/м3	Степень извлечения продукта, %
Микрофильтрация	100	0,4	94 - 98
Ультрафильтрация	525	3	70 - 80
Нанофильтрация	875	5,3	80 - 85
Обратный осмос (гиперфильтрация)	1575	10,2	70 - 85
	2800	18,2	70 - 85
Электродиализ	-	9,5	- 85

 

 

3. Очистка сточной воды с применением технологии MBR

Биологические методы давно и успешно используются как основной метод очистки хозяйственно-бытовых  сточных вод и фекальных стоков. Биологическая очистка широко применяется  как для очистки коммунальных сточных вод больших городов, так и для частных домов. Основой конструкции биологической очистки сточных вод является биореактор, где происходит переработка или утилизация загрязнений. В зависимости от типов загрязнений сточной воды в биологической очистке сточных вод применяются аэробные способы, анаэробные или совмещенные. Помимо биореактора в биологической очистке сточных вод используется набор дозирующего оборудования, насосного оборудования, емкостного и т.д. Как правило, биологическая очистка коммунальных сточных вод представляет собой типовые решения, отличающиеся друг от друга производительностью.

Промышленные  сточные воды отличаются от коммунальных сточных вод. Соответственно, подход и конструкция биологической  очистки коммунальных сточных вод не подходит для применения в очистки производственных сточных вод. Состав производственных сточных вод разнообразен в зависимости от типа производства и других факторов. Подбор технологии и конструкции биологической очистки производственных стоков требует индивидуального подхода к каждому проекту. В большинстве случаев биологическая очистка является лишь одним из этапов в общей технологии очистки промышленных сточных вод.

В настоящее  время с развитием мембранных технологий появилось новое поколение биологической очистки – мембранные биореакторы (MBR). Конструкция мембранного биореактора представляет собой совмещение стандартного биореактора с ультрафильтрационной установкой. Для биологической очистки промышленных сточных вод мембранные биореакторы имеют значительные преимущества перед обычными биореакторами.

Основные сравнительные  характеристики классического и  мембранного биореакторов отражены в таблице 4 [5].

 

Таблица 4. Сравнение классического и мембранного биореакторов для биологической очистки сточных вод

Классический	MBR
•низкий MLSS (3-5 г/л) •укороченное время жизни  активного осадка •только бактерии-флоккулянты •только быстрорастущие бактерии •не развиваются компонент-специфические  бактерии •переток осадка • конечные стоки низкого  качества.	•средний MLSS (максимальное стабильное содержание лактата) (10-20 г/л) •удлиненное время  жизни активного осадка •все виды бактерий выживают •хорошие условия  для развития компонент-специфических  бактерий •нет перетока осадка •конечные стоки  высокого качества

Основные преимущества внедрения технологии мембранных биореакторов:

- повышение эффективности  и надежности очистных сооружений;

- повышение производительности  очистных сооружений за счет  увеличения концентрации активного  ила в аэротенках;

- создание компактных очистных сооружений, благодаря замене вторичного отстаивания и фильтрации на фильтрах различного типа на мембранную доочистку;

- снижения объема избыточного  активного ила.

 

Рисунок 1. Схема обычной очистки с применением активного ила (сверху) и очистки с применением мембранного биореактора (снизу)

 

Кроме перечисленных  преимуществ в применении мембранного  биореактора для очистки любых  сточных вод необходимо отметить следующее. После классического  биореактора очищенная вода требует  дополнительной фильтрации и обеззараживания (рисунок 1). В настоящее время для обеззараживания очищенной сточной воды после классического биореактора используют добавление гипохлорита натрия или ультрафиолетовые лампы. Гипохлорит натрия вызывает необходимость использования сорбционных фильтров на конце технологии, а ультрафиолетовые лампы не дают необходимой эффективности обеззараживания. Мембранный биореактор решает данные проблемы высокой степенью надежности.

Использование мембранных биореакторов является наиболее перспективным направлением для очистки промышленных сточных вод.

 

4. Мембранный биореактор

Технология MBR это комбинирование различных биохимических и мембранных процессов. Мембранный биореактор сочетает в себе процессы микрофильтрации и ультрафильтрации, а также процесс аэробной биологической очистки сточных вод.

Рисунок 2. Схема, описывающая процессы в МBR

 

Мембраны (трубчатые, половолоконные и плоскорамные элементы) служат в MBR в качестве барьера, дающего возможность очищать воду от содержащихся в ней загрязнений с высокой селективностью (высокомолекулярные соединения, взвешенные вещества, микроорганизмы активного ила и пр.) (рисунок 2). В зависимости от технологических задач мембранный биореактор [6] может использоваться как на этапе финишной очистки (до стадии обеззараживания), так и для предочистки перед нанофильтрацией и обратным осмосом при необходимости обессоливания очищенной воды.

Применение  мембранных биореакторов:

- очистка сточных  вод промышленных предприятий;

- очистка сточных  вод молокозаводов и маслосырзаводов;

- очистка поверхностные  сточных вод;

- промышленная очистка воды текстильного производства;

- очистка сточных  вод птицефабрик.

 

Рисунок 3. Схема мембранного биореактора по версии

Технопарка РХТУ им Д.И. Менделеева:

1 - реактор, 2 - аэратор, 3 - половолоконные мембраны, 4 - воздух,

5 - очищенная вода, 6, 9 - насосы, 7 - манометр, 8 – фильтрат

 

 

Рисунок 4. Схема мембранного биореактора по версии

компании Siemens

В настоящее время  на рынке представлены установки очистки сточных вод, в основу работы которых заложены многоступенчатые схемы. Это связано с тем, что классические биологические методы без дополнительных блоков доочистки не обеспечивают требуемого качества очистки сточных вод. Так, например, по нормативным требованиям для сброса очищенных стоков в рыбохозяйственные водоемы значение БПК_полн должно быть не более 3,0 мг/л, а биологическими методами очистки можно добиться значений БПК_полн всего 10 - 15 мг/л.

Предел качества очистки  по биологической технологии связан с неизбежным выносом активного ила вместе с очищенной водой. Вынос активного ила приводит к вторичному загрязнению очищенной сточной воды и требует применения специальных методов ее доочистки.

Доочистка в классической технологии производится на механических и сорбционных фильтрах с применением различных реагентов (коагулянтов, флокулянтов, щелочи, дезинфектантов, биогенных добавок, биопрепаратов и т.д.).

Лимитирующим фактором при использовании фильтров доочистки  является малый ресурс фильтрующих  загрузок, связанный с их быстрым  биообрастанием, заиливанием и выходом из строя, приводящим к проскокам загрязняющих веществ.

Термин «многоступенчатая доочистка», преподносимый поставщиками как синоним эффективности, по сути, означает обратное - технологическое несовершенство установок, их сложность, ненадежность и, в конечном итоге, неспособность устойчиво обеспечивать качество очистки сточных вод в соответствии с нормативными требованиями, предъявляемыми российским законодательством.

Альтернативой технологии биологической очистки с многоступенчатой доочисткой и постоянным вводом реагентов является современная мембранно-биологическая технология с использованием мембранного биореактора (MBR).

Задача обеспечения  нормативов качества очищенной сточной  воды для объектов локального водоотведения  не получила удовлетворительного решения при эксплуатации классических проточных систем биологической очистки. Многолетний негативный опыт эксплуатации таких сооружений вызывает необходимость применения для очистки сточных вод принципиально новых технологий.

Технологический прорыв в этом направлении произошел около пятнадцати лет назад, когда в области очистки сточных вод появились мембранные биореакторы (MBR).

В основу действия биореактора  положен синтез биотехнологии и  технологии разделения водных суспензий  на ультрафильтрационных полимерных мембранах.

Рисунок 5. Схема мембранного биореактора по версии

компании ЗАО «АКВАМЕТОСИНТЕЗ»

 

Система МБР состоит  из аэротенка и мембранного модуля, оборудованного половолоконными ультрафильтрационными  мембранами. Обрабатываемые сточные воды поступают в аэротенк. Находящаяся в аэротенке иловая смесь циркулирует через мембранный модуль. Ультрафильтрационные мембраны служат для повышения концентрации активного ила в аэротенке и глубокой очистки обрабатываемых сточных вод. Аэротенк в системе MBR работает с высокой концентрацией активного ила, поэтому его размеры в 2-3 раза меньше размеров классического проточного аэротенка.

Аэрирование осуществляется сжатым воздухом с помощью аэрационных  систем (воздуходувок). В зависимости  от требуемой производительности мембранные модули объединяются в мембранный блок. Число мембранных модулей в блоке может быть увеличено при возникновении необходимости повышения производительности системы.

Применяемое в системах MBR касательное фильтрование иловой смеси предотвращает ее забивание, т. е. накопление на ней отложений (бактерий). Такое движение иловой смеси обеспечивается циркуляционным насосом с производительностью, значительно выше расхода подлежащей обработке сточной воды. Возможность регулирования расхода и давления в циркуляционном контуре позволяет наладить полноценное управление процессом мембранного фильтрования при максимальной его эффективности. Кроме этого, реализация режима касательного фильтрования имеет положительные последствия в отношении биологии всей системы. Постоянное омывание мембран диспергирует очищающие бактерии, которые более не образуют плотные флоккулы, а потому возможность их прямого контакта с загрязнениями и кислородом значительно увеличивается. Из этого следует, что соотношение активных бактерий и окисляемых загрязнений оказывается большим в системе MBR, чем это обычно встречается в классической системе с активным илом.

Микроорганизмы активного  ила не выносятся из системы MBR, поэтому биореактор работает в условиях высокой концентрации биомассы значительного возраста. Кроме этого, постоянная циркуляция приводит к механическому воздействию на оболочки бактерий. Именно поэтому основная потребляемая бактериями энергия используется не для размножения (как это происходит в классических биотехнологиях), а расходуется для поддержания жизнедеятельности, что приводит к снижению прироста избыточной активной биомассы.