EnglishGermanItalianRussian

Мембранные биореакторы используют для очистки хозяйственно бытовых сточных вод, и доочистки промышленных вод от аммонийного азота. Оправдано так же, их применение, на предприятиях мясомолочной промышленности.

 

Ниже приведены фотографии мембранного биореактора нашего производства MES-BIO 1:

На верхних фотографиях, одиночный погружной мембранный блок в зоне аэрации. На нижних фотографиях видно насосный и компрессорный блоки МБР, смонтированные в контейнере.

Погружной модуль

 

Погружной блок в работе

Насосный блок (2)

Монтаж насосно-компрессорного блока

 

Технология мембранных биореакторов (МБР)

Что же представляет собой мембранный биореактор? Мембранный биореактор – это комбинация традиционной биологической очистки и мембранного разделения, реализуемого на ультра- или микрофильтрационных мембранах. Размер пор таких мембран составляет от 0,01 до 0,1 мкм, что обеспечивает практически полное удаление всех взвешенных веществ и микроорганизмов. Для очистки бытовых сточных вод традиционно используется аэробный процесс, однако для очистки промышленных стоков применяют и анаэробные МБР.

 

Существуют два типа аппаратурного оформления мембранного процесса:

напорная фильтрация, когда сточная вода из аэротенка (биореактора) насосом подается на мембранный модуль, где разделяется на очищенную воду (фильтрат) и концентрат, содержащий активный ил;

вакуумная фильтрация с погружными мембранными модулями, последние располагаются непосредственно в биореакторе (в большинстве случаев в зоне аэробной очистки). Движущей силой процесса в этом случае является перепад давлений, который достигается, созданием вакуума со стороны фильтрата. Перепад давления составляет 0,2 – 0,5 бар, что теоретически позволяет работать погружным модулям под действием сил гравитации без насосного оборудования.

Мембранные биореакторы с напорными мембранами выпускаются компаниями Pentair Process Technology (Norit X-Flow), Ultra-Flo Pte Ltd., Hyflux Ltd., Asahi Kaisei, Berghof Filtrations und Anlagentechnik GmbH & Co. KG, Novasep, TAMI Industries и другими. Напорное фильтрование позволяет получить более высокую удельную производительность мембран (в расчете на 1 м2), однако это достигается за счет более высокого трансмембранного давления и создания высокой скорости транзитного потока в напорных аппаратах. Все это приводит к более высокому энергопотреблению (см. табл. 1), что ограничивает использование такой технологии в системах с высокой производительностью, в частности, в коммунальном хозяйстве.

Модули реактора МБРВ подавляющем большинстве современных МБР используются погружные мембраны. Мы категорически работаем только с погружными мембранными модулями, даже при небольших производительностях установок. Среди производителей можно назвать такие компании как Zenon (GE Water & Process Technologies), Kubota, Toray, KOCH Membrane Systems, Huber Technology, Pall Co. (мембраны Asahi Kaisei), Siemens Water Technologies, Hyflux, Mitsubishi Rayon Engineering Co., Polymem, Beijing Origin Water Technology Co., Tianjin Motimo Membrane Technology Co., Litree Ultrafiltration Membrane Technology Co., Hangzhou Kaihong Membrane Technology Co. Полный список исчисляется десятками компаний.

 

Таблица 1. Сравнение МБР с напорными и погружными мембранными модулями

Параметр

Характеристики

Напорные модули

Погружные модули

Конструкция

Сложная

Более простая

Возможность модернизации

Низкая

Высокая

Обслуживание

Более трудоемкое

Менее трудоемкое

Удельная производительность

Высокая

(40 – 100 л/м2·ч)

Низкая

(10 – 30 л/м2·ч)

Методы снижения загрязнения мембран

• поперечный поток Cross Flow

• продувка воздухом

обратная промывка

• химическая очистка

• перемешивание воздухом

• обратная промывка (не всегда возможна)

• химическая очистка

Плотность упаковки мембран

Низкая (50 – 200 м23)

Высокая (до 600 м23)

Энергопотребление

(только создание перепада давления на мембранах)

Высокое

(более 0,5 кВт·ч/м3)

Низкое

(0,2 – 0,4 кВт·ч/м3)

Таблица 2. Сопоставление характеристик мембранных модулей различных конструкций

Параметр

Характеристики

Тип мембран

полые волокна

плоские

трубчатые

Материал мембраны

полимерный

полимерный

полимерный/ керамический

Плотность упаковки мембран, м23

300 – 600

50 – 150

< 300

Материалоемкость

минимальная

максимальная

средняя

Удельная производительность мембран

средняя

высокая

низкая

Механические свойства

минимальные

средние

максимальные

Склонность к загрязнению

средняя

максимальная

минимальная

Устойчивость к обратным промывкам

средняя

низкая

максимальная

Возможность замены отдельных мембран

нет

есть

есть

Стоимость

минимальная

средняя

максимальная

В технологии МБР используются мембранные модули следующих основных конструкций: половолоконные, плоские, трубчатые. В табл. 2 приведено сопоставление различных конструкций мембранных модулей. Наибольшее применение и в напорных и в погружных МБР получили половолоконные мембранные модули, которые обладают наиболее высокой плотностью упаковки, низкой материалоемкостью и минимальной стоимостью.

Мембраны для МБР изготавливаются из следующих материалов: поливинилиденфторид, полиэфирсульфон, полипропилен, полиэтилен, реже хлорированный полиэтилен, полисульфон, полиакрилонитрил и др. В некоторых случаях в мембранных биореакторах применяются керамические мембраны из оксида алюминия, титана, циркония.

Говоря о технологических схемах очистки городских сточных вод с МБР, следует отметить, что здесь применяются те же подходы к осуществлению биологической очистки и решению задач по снижению азота и фосфора, что и в схемах с аэротенками или SBR-реакторами. Здесь необходимо сделать важное замечание: на подавляющем большинстве сооружений с МБР отсутствует стадия первичного отстаивания. Такое технологическое решение имеет известные преимущества и недостатки, отражающиеся на работе мембран.

Таблица 3. Основные технологические показатели работы МБР

Показатель

Значение

Концентрация активного ила

10 – 20 г/л

(оптимально – менее 10 г/л)

Время пребывания воды в МБР

4 – 20 ч

Средний возраст ила

15 – 45 суток

(оптимально – 15 суток)

Окислительная мощность

0,5 – 10 кгХПК/м3·сут

Избыточный активный ил

до 0,5 кг/кгБПК

Удельное энергопотребление

0,6 – 1,6 кВт·ч/м3

Удельная производительность мембран

20 – 30 л/м2·ч

Трансмембранное давление

0,2 – 0,3 бар

Удельный расход воздуха

(на единицу площади мембран)

0,2 – 1,3 м32·ч

Таблица 4. Степень очистки городских сточных вод в МБР

Показатель

Значение

Снижение

ХПК

< 30 мгО2

80 – 90 %

БПК

< 5 мгО2

90 – 99 % и более

Взвешенные вещества

< 1 мг/л

~ 100 %

Азот общий*

10 – 15 мг/л и более

от 10 – 20 до 99 %

Фосфор*

0,5 – 2,0 мг/л

10 – 60 %

Общие колиформные бактерии

< 500 КОЕ/мл

снижение на 5 – 8 порядков (log 5 – 8 )

Термотолерантные колиформные бактерии

< 100 КОЕ/мл

снижение на 5 – 8 порядков (log 5 – 8 )

Фекальные стрептококки

< 100 КОЕ/мл

снижение на 5 – 8 порядков (log 5 – 8 )

* зависит от используемой технологии; при определенных условиях возможно достижение целевых значений: N = 2,2 – 3,0 мг/л и Р = 0,15 – 0,3 мг/л.

К особенностям мембранных биореакторов, определяющим их преимущество по сравнению с традиционными схемами очистки сточных вод, относятся:

• полное задержание всех взвешенных веществ и микроорганизмов, и как следствие:

– максимальный эффект очистки по взв. веществам;

– повышение эффекта очистки по ХПК и БПК5;

– дезинфекция очищенной воды без реагентов;

– малая чувствительность к колебаниям расхода и качества исходной воды;

• минимальное время пребывания воды в зоне отделения твердой фазы;

• полное удержание микроорганизмов в реакторе, что существенно изменяет условия автоселекции микроорганизмов активного ила;

• существенно меньшая занимаемая площадь по сравнению с отстойниками.

Все это позволяет:

• изменить параметры работы реактора (аэротенка):

– при высоких гидравлических нагрузках на реактор увеличить возраст активного ила, в том числе накопить медленно растущие виды микроорганизмов (нитрификаторы, микроорганизмы, окисляющие биорезистентные соединения);

– продлить время нахождения взвешенных веществ в реакторе вплоть до полной их биологической деструкции;

– исключить влияние седиментационных характеристик активного ила на качество очищенной воды;

– повысить устойчивость системы к колебаниям концентраций загрязнений в исходной воде благодаря хорошей адаптации биоценозов;

• разобщить время пребывания воды в реакторе со временем пребывания твердой фазы (микроорганизмов и взвешенных веществ сточной воды);

• в несколько раз увеличить гидравлическую производительность и окислительную мощность процессов биологической очистки.

Сравнение МБР и Классической биоочисткиИспользование погружных мембранных модулей позволяет легко модернизировать сооружения биологической очистки без значительных конструктивных изменений. Наиболее яркий положительный эффект от внедрения МБР наблюдается при стесненных условиях, необходимости более компактных конструктивных решений, особенно при высоких требованиях к содержанию взвешенных веществ в очищенной воде.

К главным недостаткам мембранных биореакторов относятся:

• высокие капитальные затраты, причем удельная стоимость самих мембранных блоков практически не зависит от производительности;

• неизбежное загрязнение мембран и связанные с этим затраты;

• более высокие эксплуатационные затраты (электроэнергия и замена мембран);

• более сложная система управления и контроля;

• сложность в обеспечении достаточного уровня аэрации при высоких концентрациях активного ила, характерных для МБР.

Влияние различных факторов на работу МБР

Очевидно, что в сравнении с традиционной технологией мембраны являются наиболее уязвимым звеном в системе, поэтому вкратце рассмотрим, какие факторы оказывают влияние на их работу.

1. Материал мембран. Выбор материала диктуется устойчивостью к загрязнению веществами, содержащимися в обрабатываемых сточных водах (в частности, межклеточными органическими веществами – полисахаридами и протеинами), а также химической стойкостью при проведении реагентных промывок мембранных модулей. Удовлетворяя первому требованию, большинство мембран обладают гидрофобными свойствами. Заряд мембраны также оказывает влияние на степень ее загрязнения (например мембраны с нейтральным зарядом более устойчивы к отложениям бактерий группы E.Coli, имеющих на поверхности положительно и отрицательно заряженные группы). Для улучшения характеристик мембран производители подвергают модификации их поверхность, вводят различные добавки в рецептуру химического состава их материала. Поэтому мембраны разных производителей, изготовленных из одного и того материала, например поливинилиденфторида, могут иметь заметные отличия в характеристиках.

Необходимо иметь в виду, что, во-первых, слой загрязнений значительно уменьшает влияние материала мембраны на степень ее дальнейшего загрязнения, а, во-вторых, важным является способность мембраны восстанавливать свою проницаемость после химической или гидравлической промывки.

2. Размер пор мембран не имеет решающего значения: микрофильтры с размером пор 0,1 – 1 мкм и ультрафильтры с размером пор 0,01 – 0,1 мкм показывают практически одинаковую эффективность в извлечении взвешенных веществ и микроорганизмов, которая тем более нивелируется при накоплении слоя осадка на поверхности мембраны в процессе фильтрования. Уменьшение размера пор, по выводам ряда исследований [5], улучшает устойчивость мембраны к загрязнению, а при гидравлических промывках лучше удаляется слой осадка с ее поверхности.

Мембраны с более крупными порами имеют бóльшую проницаемость, но падение их производительности в процессе работы более значительно. Кроме того, если стоит задача задержания вирусов, то предпочтительнее использовать мембраны с размером пор менее 0,1 мкм.

3. Проницаемость мембраны (поток пермеата). Поток через мембрану является основным фактором, влияющим на скорость образования осадка на ее поверхности. Существует понятие «критического потока», при превышении которого рост осадка становится недопустимым для нормального функционирования мембранного модуля.

Многие МБР работают с постоянной производительностью, что достигается регулировкой трансмембранного давления. Повышение давления на мембране в процессе работы вызывает сжатие осадка и увеличение его сопротивления. При эксплуатации мембранных установок следует избегать достижения значительного падения проницаемости и своевременно проводить гидравлические и химические промывки

Ряд исследователей отмечает явление резкого снижения проницаемости мембраны после определенного периода фильтрации (около 500 – 1000 ч). Ясного объяснения этого феномена еще нет.

4. Продувка воздухом (аэрация мембран)

Главным способом контролировать процесс загрязнения мембран служит продувка их пузырьками воздуха, которые срывают отложения с поверхности мембран и перемешивают окружающую жидкость, улучшая массообмен. Затраты на аэрацию / продувку воздухом – одна из основных составляющих эксплуатационных затрат в МБР. Расход воздуха для мембранного модуля составляет 0,2 – 1,3 м3/ч на 1 м2 площади мембран в нем. Эта величина зависит от объем жидкости вокруг мембран, удельной площади мембран, интенсивности потока воздуха.

5. Скорость движения фильтруемой жидкости около поверхности: для погружных мембранных модулей повышение скорости движения окружающей жидкости не оказывает существенного положительного влияния на удаление загрязнений с поверхности мембран, напротив, здесь может иметь место нарушение потоков воздушных пузырьков и уменьшение эффективности продувки воздухом. Для напорных трубчатых модулей повышение скорости движения жидкости внутри трубчатых мембран, напротив, позволяет уменьшить осадкообразование, повысить производительность, однако энергетически более выгодно сочетать этот прием с продувкой воздухом (например, технология «AirLift» компании Pentair).

6. Гидравлические промывки. Промывки обратным током фильтрата – действенный инструмент для борьбы с осадкообразованием, исторически пришедший из ультрафильтрационных установок для очистки природных вод. Как правило, модули с плоскими мембранами (за исключением рулонных конструкций) не допускают обратных промывок. Интервалы между обратными промывками и их продолжительность лежат в пределах 10 – 60 минут и 15 – 300 секунд соответственно. В МБР применяют также импульсную промывку – частые (1 раз в несколько секунд) импульсы обратного тока фильтрата продолжительностью менее 1 секунды.

Опыт эксплуатации мембранных биореакторов показал, что существует простой способ уменьшить загрязнение мембран – это периодическая приостановка фильтрования. В этот момент потоки воздуха и жидкости вокруг мембран уносят с ее поверхности частички загрязнений, а конвективный / диффузный поток – растворенные и коллоидные примеси. Продолжительность «простоя» мембранных блоков составляет около 5 – 15 % от общего времени их работы.

7. Природа и состав поступающей сточной воды. Наличие в сточной жидкости большого количество легко биоразлагаемой органики способствует образованию большего количества внеклеточных полимерных веществ (полисахариды, протеины), которые засоряют ультрафильтрационные мембраны. Поскольку мембраны задерживают все взвешенные вещества, а также частично полисахариды и протеины, концентрация этих веществ в биореакторе возрастает, что вызывает повышение сопротивления образующихся осадков.

Увеличение возраста ила способствует уменьшению загрязнения мембран за счет снижения содержания полисахаридов в иле. Отмечается также, что в условиях недостаточного питания адгезия клеток активного ила на поверхности мембран становится ниже. По мнению ряда исследователей, явление адгезии бактерий на поверхности мембран и дальнейший их рост способствует уменьшению необратимого загрязнения мембран другими компонентами и дополнительной доочистке сточной воды

Установлено также, что, как правило, размер флокул активного ила в МБР ниже, чем в обычных сооружениях – аэротенках, причем количество частиц меньшего размера повышается с увеличением возраста ила.

Поскольку мембраны, в особенности волокнистые, представляют собой, по сути, «ловушку» для плавающих примесей и крупной взвеси, то наличие в воде подобных примесей недопустимо. Учитывая, что МБР работают без первичного отстаивания, повышаются требования к решеткам – рекомендуется устанавливать решетки (сетки) с прозорами не более 1 мм, а лучше 0,5 мм. Обычно на станциях устанавливают два типа решеток: первые «традиционные», с прозорами 4 – 6 мм, и вторые, после песколовок, с рекомендуемыми для защиты мембран прозорами (0,5 – 1 мм).

Эксплуатация МБР

Принцип работы МБРДля восстановления проницаемости мембран при эксплуатации МБР применяется обработка растворами реагентов, в основном, окислителями – т.н. химическая промывка. Применяемые реагенты – гипохлорит натрия концентрацией 0,2 – 1% или лимонная кислота (0,2 – 0,3 %). Дополнительно могут использоваться едкий натр, соляная кислота, различные детергенты и комплексообразователи. Периодичность этой процедуры составляет в среднем 1 раз в несколько месяцев. Профилактическая обработка гипохлоритом натрия может осуществляться более регулярно – несколько раз в месяц. Напорные модули промываются путем циркуляции раствора реагента, подаваемого насосом из отдельного бака, а погружные модули либо перемещают в отдельную специальную емкость, либо промывают на месте. По продолжительности процедура занимает несколько часов.

В ряде случаев возникает необходимость извлечения мембранных блоков и механическая их промывка струями воды от накопившихся отложений.

Какие основные трудности возникают при эксплуатации мембранных биореакторов? Исключив тонкости функционирования самой биологической очистки, можно выделить следующие характерные проблемы (по приоритету):

• загрязнение мембран и сетчатых фильтров;

• повреждение мембран или сильное загрязнение;

• отказы линий связи систем автоматизации;

• отказы системы обдувки мембран;

• отказ воздуходувок и аэраторов;

• загрязнение сеток или решеток;

• отказ рециркуляции;

• отказ вспомогательного мембранного оборудования.

Загрязнение мембран и сетчатых фильтров – это последствия плохой предочистки, когда происходит скопление волос, обрывков тряпья и других волокнистых материалов на волокнах мембран и в полостях мембранных блоков.

Условия аэрации оказывают значительное влияние на эксплуатационные характеристики мембран. Ухудшение характеристик иловой смеси (по различным внешним и внутренним причинам, включая проблемы с аэрацией) почти не ухудшает качество очищенной жидкости, но приводит к ухудшению проницаемости мембран и их забиванию.

Капитальные затраты на сооружении станции очистки сточных вод с МБР колеблются от 6000 – 1000 евро на 1 м3/сутки в зависимости от производительности системы. Затраты на саму мембранную установку (со всем вспомогательным оборудованием) составляют 30 – 60 %. Стоимость мембранных блоков составляет 75 – 150 евро/м2 при их средней удельной производительности 15 – 30 л/ч на 1 м2 площади мембран. Стоимость обработки бытовых сточных вод на мембранных модулях колеблется в диапазоне 0,08 – 0,15 евро за 1 м3, причем меньшие значения получаются при применении половолоконных модулей; общие эксплуатационные затраты составляют 0,24 – 0,25 евро на 1 м3