Мембранный биореактор

Проблема сохранения чистой пресной воды является одной из существенных задач науки 21-го века. Водный дефицит по прогнозам специалистов к 2025 году станет единственной большой угрозой здоровью, окружающей среде и безопасности питания. Для защиты водных ресурсов необходима интегрированная политика по использованию воды, поэтому очистка сточных вод - важный аспект данной задачи. Повторное использование сточных вод - один главный подход к решению проблемы растущей нехватки пресной воды во всем мире. Процессы очистки сточных вод в воду, свободную от загрязнения и возвращение ее к гидрологическому циклу заложены в одной из самых передовых и динамично развивающихся технологий – технологии мембранного биологического реактора (МБР).

Мембранный биореактор сочетает биологическую обработку активным илом с механической мембранной фильтрацией. Загрязненные воды, после первичной очистки от крупных взвешенных твердых частиц, подаются в биореактор, где аэрированные органические компоненты окисляются активным илом[1]. Затем водный раствор активного ила проходит через блок микро- или ультра- фильтрации, который представляет собой кассеты полых фильтрующих мембран. После этого вода уже может быть использована для смыва в туалетах, садового и сельскохозяйственного полива.

Мембранный модуль, погруженный внутрь биореактора, состоит из 10 - 20 кассет, в каждой из которых располагаются от 5 до 15 пучков мембранных волокон. Половолоконная мембрана представляет собой полую нить наружным диаметром около 2 мм и длиной до 2 м. Поверхность нити представляет собой ультрафильтрационную мембрану с размером пор 0,03 – 0,1 мкм. Столь малый размер пор является физическим барьером для проникновения организмов активного ила, имеющих размер более 0,5 мкм, что позволяет полностью отделить активный ил от сточной воды и снизить концентрацию взвешенных веществ в очищенной воде до 1 мг/л и менее.

Каждый пучок состоит из 100-1000 мембранных волокон и оборудован общим патрубком отвода отфильтрованной воды. Фильтрация происходит под действием вакуума, создаваемого на внутренней поверхности мембранного волокна самовсасывающим насосом фильтрации. Очищенная вода поступает по напорным трубопроводам на следующую стадию очистки, а активный ил остается в мембранном резервуаре и поддерживается во взвешенном состоянии с помощью системы аэрации, встроенной в мембранный модуль. Концентрацией биомассы внутри МБР и конкретно каждого микроорганизма можно управлять для достижения эффективности биологической очистки.

В случае повышенных требований к качеству очистки воды мембранный биореактор может быть использован перед нанофильтрацией, с помощью которой могут быть удалены мельчайшие молекулы органических и неорганических загрязнителей (менее 10 Ангстрем), или перед обратным осмосом (reverse osmosis), применяемым при необходимости обессоливания обеззараженной воды. 

Типичные параметры установки МБР для очистки 13,000 м3/день

Некоторые из существующих станций очистки сточных вод с установкой МБР:

1. Порлок (Porlock), Великобритания - 2,000 м3/день;
2. Хамптонс (Hamptons), Камминг (Cumming), штат Джорджия, США  - 3,400 м3/день;
3. Свэнэйдж (Swanage), Великобритания – 12,500 м3/день;
4. Очистная станция Loudoun County Sanitation Authority, штат Вирджиния, США:

 – 45,000 м3/день в среднем,

 – 95,000 м3/день – пиковая производительность.

[1] Активный ил – совокупность микроорганизмов, которые могут в определённых условиях использовать загрязняющие вещества в качестве своего питания. Множество микроорганизмов, составляющих активный ил биологического очистного сооружения, находясь в сточной жидкости, поглощает загрязняющие вещества внутрь клетки, где они под воздействием ферментов подвергаются биохимическим превращениям. При этом органические и некоторые виды неорганических загрязняющих веществ используются бактериальной клеткой в двух направлениях:

1. Биологическое окисление в присутствии кислорода до безвредных продуктов углекислого газа и воды: Органическое вещество + О2 (в присутствии ферментов) => СО2 + Н2О + Q Выделяющаяся при этом энергия используется клеткой для обеспечения своей жизнедеятельности (движение, дыхание, размножение и т. п.).
2. Синтез новой клетки (размножение): Органическое вещество + N + P + Q (в присутствии ферментов) => НОВАЯ КЛЕТКА

Интенсивность и глубина протекания процессов зависит от качественного состава активного ила, разнообразия форм и видов микроорганизмов, способности их адаптации (приспособления) к конкретному составу загрязняющих веществ сточной жидкости и условий проведения процесса.

Преимущества мембранного биореактора по сравнению с традиционной технологией[1]:

• существенное повышение показателей качества очистки за счет эффективного удаления взвешенных и коллоидных веществ, бактерий, вирусов;
• интенсификация процесса биологической очистки за счет увеличения концентрации биомассы в аэротенке. МБР-технология работает при более высоких концентрациях активного ила - до 20 г/л вместо 6 г/л в традиционных очистных сооружениях, что позволяет значительно снизить их объем и размеры;
• создание условий для эффективного биологического разрушения органических соединений и биологических организмов благодаря способности мембраны длительное время удерживать длинные молекулы;
• существенное сокращение площади, занимаемой очистными сооружениями при применении мембранного биореактора, в связи с исключением некоторых традиционных стадий очистки. Так, не требуется разделение водно-иловой смеси во вторичном отстойнике;
• возможна автоматизация технологического процесса с применением современного управляющего оборудования, алгоритмы для которого разрабатываются на основе исследований по управлению биологической очисткой.

В таблице 1 приведены сравнительные характеристики технологии МБР и обычной биологической очисткой с аэрацией.

Несмотря на многие преимущества перед обычной очисткой сточных вод загрязнение мембран все еще ограничивает широкое распространение этой технологии и увеличивает инвестиции и эксплуатационные затраты. Загрязнение мембран определяется высоким содержанием внеклеточных полимерных веществ в активном иле, а также микробами.

[1] Традиционные способы очистки сточных вод:

1) обычная физико-химическая обработка,  использованием извести и алюминиевых квасцов,

2) обычная биологическая очистка с аэрацией, позволяющая снизить показатели ХПК и БПК,

3) хлорирование, 4) озонирование (с/без ультрафиолетовым облучением).

Развитие технологии МБР является междисциплинарной задачей. Понимание взаимодействий между биологической системой и мембранным разделением требует знания в области аналитической химии, микробиологии, гидрогазодинамики, химической технологии и пр.

Необходима обширная программа исследования для развития рентабельности и эффективности технологии. Приведем некоторые актуальные научно-исследовательские задачи в связи с технологией МБР:

• определение критичных факторов качества исходной воды, влияющих на эффективность и устойчивость очистки стоков;
• определение для каждого специфичного производства необходимой степени обработки воды перед ее подачей на мембранные биореакторы.

http://www.ekoton.com/index.php?option=com_content&view=article&id=109&Itemid=219&lang=ru

http://www.galvanicline.ru/show.php?page=373

Копирайтер: Юрий Бубнов