Мембранный биореактор (МБР) – 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. Таким образом ультрафильтрация заменяет сразу несколько ступеней очистки сточных вод: вторичное отстаивание, фильтрацию и обеззараживание. Эта и некоторые другие особенности МБР сразу привлекли к ней внимание специалистов.
Ниже приведено сравнение базовых технологических схем очистки городских сточных вод – традиционной и с применением мембранных биореакторов. Как видно, блок механической очистки внешне не претерпевает изменений, хотя для защиты мембран от засорения, как правило, требуется установка основных или дополнительных решеток с более мелкими прозорами (0,5-1 мм). Поскольку МБР наиболее часто применялись и применяются на сооружениях относительно небольшой производительности, которые в европейской практике проектируют без первичных отстойников, то схема еще более упрощается (вариант 2), а сами очистные сооружения становятся весьма компактными, что является одним из достоинств технологии МБР.
Существуют два типа аппаратурного оформления мембранного процесса для МБР: с напорными и с погружными мембранными модулями.
При напорном исполнении сточная вода из аэротенка (биореактора) насосом подается на мембранный модуль, где разделяется на очищенную воду (фильтрат) и концентрат, содержащий активный ил. В таком варианте мембранная установка в схеме потоков находится на месте вторичного отстойника и концентрат после мембран частично возвращается в аэротенк, частично направляется на стабилизацию и обезвоживание.
В МБР 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. В этом варианте все становится интереснее, так как активный ил полностью остается в биореакторе и его концентрация (доза) значительно увеличивается. Также меняется средний возраст активного ила и другие характеристики. Все это приводит к существенным изменениям в процессе биологической очистки, что также является отличительной чертой мембранных биореакторов.
МБР с напорными модулями также позволяют достичь похожих параметров работы аэротенка, так как концентрация возвратного активного ила после мембран выше, чем после отстойника, а время его пребывания вне аэротенка ничтожно мало по сравнению с традиционной схемой.
Если сравнивать две конфигурации, то напорное фильтрование позволяет получить более высокую удельную производительность мембран (в расчете на 1 м2 их поверхности), однако это достигается за счет более высокого рабочего давления и создания высокой скорости транзитного потока в напорных аппаратах для непрерывного удаления осадка с поверхности мембран. Все это приводит к более высокому энергопотреблению, что в конечном итоге сводит на нет это преимущество. Более того, напорное исполнение требует больше комплектующих – трубопроводов, арматуры, клапанов, корпусов и т.д.
Мембранные биореакторы с напорными мембранами выпускаются компаниями Pentair (бывш. Norit), Mann+Hummel, Hyflux, Asahi Kasei, Berghof, PCI Membranes, Novasep, MARTIN Membrane Systems AG, TAMI Industries и многими другими.
Для снижения энергопотребления в напорных модулях (как и в погружных) применяется продувка воздухом (англ. air scrubbing), который создает необходимую турбулентность потока и очищает мембраны, это позволяет повысить энергоэффективность МБР с напорными мембранами.
В большинстве современных МБР используются погружные мембраны различных конфигураций (с половолоконными, трубчатыми и плоскими мембранами). Основными факторами их внедрения стали низкие энергопотребление и материалоемкость.
Среди производителей можно назвать такие компании, как GE Water & Process Technologies (Zenon), Kubota, Toray, KOCH Membrane Systems, Huber Technology, Pall Co. Siemens Water Technologies, Alfa Laval, DuPont, Hyflux, Mitsubishi Rayon Engineering Co., Polymem, Supratec Membrane GmbH, Beijing Origin Water Technology Co., Tianjin Motimo Membrane Technology Co., Hangzhou Kaihong Membrane Technology Co и др. Полный список исчисляется десятками компаний.
Общие принципы мембранной ультрафильтрации, виды мембран и устройство мембранных аппаратов рассмотрены в наших предыдущих статьях:
https://dzen.ru/a/ZHRKgBuDD1z6kA_B
https://dzen.ru/a/ZH2Yygo63U72G60G
В следующих постах мы рассмотрим конструкции мембранных модулей, используемых в мембранных биореакторах, их особенности, а также разберемся детальнее, какие преимущества дает применение МБР и с какими сложностями в эксплуатации может столкнуться обслуживающий персонал.