Membrane bioreactorii sunt utilizați pentru purificarea apelor uzate menajere și posttratarea apelor industriale din azotul de amoniu. Justificate, același lucru se aplică industriei cărnii și a produselor lactate.
Mai jos sunt fotografii ale bioreactorului membranar fabricat de MES-BIO 1:
În fotografiile superioare, o singură unitate de membrană de imersie în zona de aerare. Fotografiile inferioare arată blocurile de pompă și compresoare ale ICBM-urilor montate într-un container.
Tehnologia bioreactoarelor membranare (MBR)
Ce este un bioreactor al membranei? Bioreactorul cu membrane este o combinație de purificare biologică tradițională și separare membranară, realizată pe membrane de ultra- sau microfiltrare. Dimensiunea porilor acestor membrane este de la 0,01 la 0,1 pm, ceea ce asigură o îndepărtare aproape completă a tuturor materiilor în suspensie și a microorganismelor. Pentru purificarea apei uzate menajere, se utilizează în mod tradițional un procedeu aerobic, cu toate acestea, ICBM-urile anaerobe sunt de asemenea utilizate pentru purificarea efluenților industriali.
Există două tipuri de instrumente pentru procesul membranar:
- Filtrarea sub presiune. când apa uzată din aerotank (bioreactor) este alimentată de o pompă către modulul membranar, unde este separat în apă purificată (filtrat) și un concentrat care conține nămol activ;
- filtrarea în vid cu module cu membrană de imersie, acestea din urmă fiind amplasate direct în bioreactor (în majoritatea cazurilor în zona de curățare aerobă). Forța motrice a procesului în acest caz este scăderea presiunii, care se obține prin crearea unui vid pe partea filtratului. Căderea de presiune este de 0,2 - 0,5 bari, ceea ce teoretic permite modulelor submersibile să funcționeze sub influența gravitației, fără echipament de pompare.
Membranele bioreactoare cu membrane de presiune sunt fabricate de Pentair Process Technology (Norit X-Flow), Ultra-Flo Pte Ltd. Hyflux Ltd. Asahi Kaisei, Berghof Filtrations und Anlagentechnik GmbH Co KG, Novasep, TAMI Industries și altele. filtrare sub presiune permite obținerea unei membrane de productivitate specifice mai mari (per 1 m 2), dar acest lucru se realizează în detrimentul unei presiuni transmembranare mai mari și de a crea un flux mare viteză de tranzit în aparatul de presiune. Toate acestea conduc la un consum mai mare de energie (vezi tabelul 1), care limitează utilizarea acestor tehnologii în sisteme cu productivitate ridicată, în special în economia municipală.
Tabelul 1. Comparația ICBM cu modulele de presiune și membranele submersibile
* depinde de tehnologia utilizată; în anumite condiții este posibil să se atingă valorile țintă: N = 2,2 - 3,0 mg / l și P = 0,15 - 0,3 mg / l.
Caracteristicile bioreactoarelor membranare care determină avantajul acestora față de schemele tradiționale de tratare a apelor uzate includ:
• detenția completă a tuturor materiilor în suspensie și a microorganismelor și, ca o consecință:
- efectul maxim de curățare prin ref. substanțe;
- Creșterea efectului de curățare pe COD și BOD5;
- dezinfectarea apei purificate fără reactivi;
- sensibilitate scăzută la fluctuațiile fluxului și calității sursei de apă;
• durata minimă de ședere a apei în zona de separare a fazei solide;
• reținerea completă a microorganismelor în reactor, care modifică în mod semnificativ condițiile de auto-selecție a microorganismelor din namolul activat;
• Zona substanțial mai puțin ocupată în comparație cu tancurile de sedimentare.
Toate acestea permit:
• schimbarea parametrilor reactorului (aerotank):
- la încărcături hidraulice ridicate pe reactor, crește vârsta nămolului activat, incluzând acumularea unor tipuri de microorganisme în creștere lentă (nitrifiri, microorganisme, compuși oxidabsorbitori);
- Prelungirea timpului de prezență a solidelor suspendate în reactor până la distrugerea lor biologică completă;
- excluderea influenței caracteristicilor de sedimentare a nămolului activat asupra calității apei purificate;
- creșterea stabilității sistemului la fluctuațiile concentrațiilor de contaminanți din apa sursă datorită unei bune adaptări a biocenozelor;
• deconectați timpul de rezidență al apei în reactor cu timpul de reținere al fazei solide (microorganisme și solide în suspensie ale apelor reziduale);
• de câteva ori crește productivitatea hidraulică și puterea oxidativă a proceselor de tratare biologică.
Principalele dezavantaje ale bioreactoarelor cu membrană sunt:
• costurile de capital ridicate și costul unitar al unităților membranare sunt practic independente de performanță;
• contaminarea inevitabilă a membranei și costurile aferente;
• costuri mai mari de operare (înlocuirea electricității și a membranei);
• sistem de control și monitorizare mai complex;
• dificultatea de a asigura un nivel suficient de aerare la concentrații mari de nămol activ, caracteristice ICBM.
Influența diferiților factori asupra funcționării unui ICBM
Evident, în comparație cu tehnologia tradițională, membranele sunt partea cea mai vulnerabilă în sistem, așa că să analizăm pe scurt ce factori influențează activitatea lor.
1. Materialul membranei. Alegerea materialului este dictată de rezistența la substanțele poluante conținute în apele reziduale tratate (în special substanțe organice intercelulare - polizaharide și proteine), precum și rezistența chimică în timpul modulelor cu membrană reactiv de spălare. Satisfacerea primei cerințe, majoritatea membranelor au proprietăți hidrofobe. Acuzația membranei are de asemenea o influență asupra gradului de poluare (de exemplu membrană cu depuneri de sarcină neutre sunt mai rezistente la bacterii grupa E.Coli având pe suprafața grupurilor încărcate pozitiv și negativ). Pentru a îmbunătăți caracteristicile membranelor, producătorii își modifică suprafața, introduc diverse aditivi în formularea compoziției chimice a materialului lor. Prin urmare, membranele diferiților producători, fabricate din același material, de exemplu fluorură de poliviniliden, pot avea diferențe vizibile în caracteristici.
Trebuie avut în vedere faptul că, în primul rând, stratul de impurități reduce semnificativ efectul materialului membrană asupra gradului de contaminare în continuare și, în al doilea rând, important este abilitatea membranei să-și recapete permeabilitatea după o substanță chimică sau spălare hidraulică.
2. Dimensiunea porilor membranei nu este critică: microfiltre având o dimensiune a porilor de 0,1 - 1 micron și Ultrafilters cu o dimensiune a porilor de 0,01 - 0,1 microni prezintă aproape aceeași eficiență în îndepărtarea solidelor și microorganisme în suspensie, care de altfel este nivelat cu o combinație de strat sediment pe suprafața membranei în timpul procesului de filtrare. Reducerea dimensiunii porilor pe constatările de mai multe studii [5], îmbunătățește rezistența la contaminarea membranei și când hidraulică mai bine de prelingerea precipitatul este îndepărtat din stratul de suprafață.
Membranele cu pori mai mari au o permeabilitate mai mare, dar scăderea productivității lor în timpul funcționării este mai semnificativă. În plus, dacă sarcina de a descuraja viruși este, atunci este preferabil să se utilizeze membrane cu o dimensiune a porilor mai mică de 0,1 pm.
3. Permeabilitatea membranei (fluxul de permeat). Fluxul prin membrană este factorul principal care afectează rata de formare a precipitatului pe suprafața sa. Există un concept de "debit critic", când depășirea creșterii sedimentului devine inacceptabilă pentru funcționarea normală a modulului membranar.
Multe ICBM funcționează la o viteză constantă de transfer, care se realizează prin reglarea presiunii transmembranare. Creșterea presiunii asupra membranei în timpul funcționării determină comprimarea sedimentelor și creșterea rezistenței acestora. Atunci când se lucrează cu plante membranare, se evită o scădere semnificativă a permeabilității și în timp util se efectuează spălarea hidraulică și chimică
Un număr de cercetători notează fenomenul unei scăderi accentuate a permeabilității membranei după o anumită perioadă de filtrare (aproximativ 500-1000 de ore). O explicație clară a acestui fenomen nu este încă disponibilă.
4. Purjarea aerului (aerarea membranei)
Principala modalitate de a controla procesul de contaminare a membranelor este de a le curăța cu bule de aer care îndepărtează depozitele de pe suprafața membranei și amestecă lichidul înconjurător, îmbunătățind transferul de masă. Costul de aerare / purjare a aerului este una dintre principalele componente ale costurilor operaționale într-un ICBM. Debitul de aer pentru modulul membranar este de 0,2 - 1,3 m 3 / h pe 1 m 2 din zona membranei din acesta. Această valoare depinde de volumul lichidului din jurul membranelor, de zona specifică a membranelor, de intensitatea fluxului de aer.
5. Viteza lichidului trebuie filtrată în apropierea suprafeței: pentru modulele de membrană imersate creșterea vitezei de deplasare a lichidului înconjurător nu are un impact pozitiv semnificativ asupra îndepărtarea contaminanților din suprafața membranelor, în schimb, poate exista o încălcare a fluxurilor de bule de aer și reducerea eficienței suflare a aerului. Pentru modulele tubulare de creștere a presiunii în viteza fluidului în interiorul membranelor tubulare, dimpotrivă, să reducă sedimentarea, creșterea productivității, dar energic mai favorabilă pentru a combina aceasta metoda cu aerul de purjare (de exemplu, tehnologia «Airlift» Compania Pentair).
6. Spălarea hidraulică. Spălarea filtratul curent invers - un instrument eficient pentru a combate sedimentării a venit din punct de vedere istoric instalatiile de ultrafiltrare de purificare a apei. De regulă, modulele cu membrane plate (cu excepția structurilor de role) nu permit spălarea înapoi. Intervalele dintre spălările de fund și durata acestora se situează între 10 - 60 de minute și respectiv 15 - 300 secunde. IDB aplică, de asemenea, spălarea în impulsuri - frecvente (una la fiecare câteva secunde), inversa impulsuri de curent filtratului de mai puțin de 1 secundă.
Experiența în funcționarea bioreactoarelor cu membrană a arătat că există o modalitate simplă de reducere a contaminării membranei - aceasta este suspensia periodică de filtrare. În acest moment, aerul și lichidul curg în jurul membranelor, îndepărtând particulele de contaminanți de pe suprafața sa, iar fluxul convectiv / difuz - dizolvat și impuritățile coloidale. Durata "timpului de mers în gol" al blocurilor membranare este de aproximativ 5 - 15% din timpul total de funcționare a acestora.
7. Natura și compoziția apelor reziduale de intrare. Prezența în efluent a unei cantități mari de material organic ușor biodegradabil contribuie la formarea de substanțe polimerice mai extracelulare (polizaharide, proteine) care înfundă membranele de ultrafiltrare. Deoarece membranele rețin toate substanțele suspendate, precum și parțial polizaharidele și proteinele, concentrația acestor substanțe în bioreactor crește, ceea ce determină o creștere a rezistenței precipitatelor formate.
O creștere a vârstei de praf contribuie la o reducere a contaminării membranelor datorită scăderii conținutului de polizaharide în silozuri. De asemenea, se remarcă faptul că, în condiții de nutriție insuficientă, aderența celulelor lavabile active pe suprafața membranei devine mai mică. În opinia unui număr de cercetători, fenomenul de aderență bacteriană pe suprafața membranelor și creșterea lor ulterioară ajută la reducerea contaminării ireversibile a membranelor cu alte componente și la tratarea ulterioară suplimentară a apelor reziduale
De asemenea, sa stabilit că, de regulă, mărimea flăcilor de nămol activat într-un ICBM este mai mică decât în instalațiile de aerare convenționale, numărul de particule mai mici crescând odată cu creșterea vârstei de nămol.
Pentru a restabili permeabilitatea membranelor în soluții de procesare a funcționării MDB utilizate în principal reactivi oxidanți - așa numitele spălare chimică. Reactivii utilizați sunt hipocloritul de sodiu cu o concentrație de 0,2-1% sau acid citric (0,2-0,3%). În plus, poate fi utilizată soda caustică, acidul clorhidric, diverși detergenți și agenți de complexare. Frecvența acestei proceduri este o medie de 1 la fiecare câteva luni. Tratamentul preventiv cu hipocloritul de sodiu poate fi efectuat mai regulat - de câteva ori pe lună. Modulele de presiune sunt spălate prin circularea soluției de reactiv alimentată dintr-un rezervor de pompă separată și module scufundate sau mutate într-un recipient special separat sau spălat în loc. În funcție de durată, procedura durează mai multe ore.
Într-o serie de cazuri, devine necesar să se extragă blocurile de membrană și să se spală mecanic cu jeturi de apă din depozitele acumulate.
Care sunt principalele dificultăți în funcționarea bioreactoarelor cu membrană? Eliminând subtilitățile funcționării tratamentului biologic în sine, putem distinge următoarele probleme caracteristice (în funcție de prioritate):
• contaminarea membranelor și a filtrelor cu ochiuri;
• deteriorarea membranelor sau contaminarea severă;
• defectarea liniilor de comunicare ale sistemelor de automatizare;
• defectarea sistemului de suflare a membranei;
• defectarea suflantelor și aeratoarelor;
• contaminarea plasei sau a rețelelor;
• defectarea echipamentelor auxiliare cu membrană.
Contaminarea membranelor și a filtrelor cu ochiuri este consecința pre-curățării precare, când se acumulează păr, resturi de cârpe și alte materiale fibroase pe fibrele membranei și în cavitățile blocurilor membranare.
Condițiile de aerare au un efect semnificativ asupra performanței membranelor. Degradarea soluție amestecată (de diverși factori externi și interni, inclusiv probleme cu aerare) degradează greu calitatea fluidului purificat, dar duce la deteriorarea permeabilității membranei și înfundarea lor.
Costurile de capital pentru construcția unei stații de tratare a apelor reziduale cu ICBM variază între 6000 - 1000 de euro pe 1 m 3 / zi, în funcție de performanța sistemului. Costurile pentru unitatea membranară însăși (cu toate echipamentele auxiliare) sunt de 30-60%. Costul blocurilor membranare este de 75 - 150 euro / m 2 cu productivitatea medie specifică de 15 - 30 l / h pe 1 m 2 de suprafață a membranei. Costul tratării apei uzate menajere pe modulele cu membrană variază în intervalul 0,08 - 0,15 euro pe 1 m 3. Valorile mai mici se obțin cu ajutorul modulelor cu fibre goale; Costurile totale de exploatare sunt de 0,24 - 0,25 euro pe 1 m 3