Технология ультрафильтрации имеет довольно широкий круг применения: подготовка питьевой и технической воды, предварительная очистка воды перед обратным осмосом, разделение различных растворов и суспензий, содержащих высокомолекулярные вещества или микрочастицы, доочистка сточных вод. Какое-то время назад возникла необходимость в более глубокой и надежной очистке хозяйственно-бытовых и производственных сточных вод от взвешенных веществ и микроорганизмов, которая не обеспечивается традиционными методами отстаивания и фильтрования. Это привело не просто к добавлению ультрафильтрационных установок в существующие схемы, а к появлению новой технологии биологической очистки сточных вод, которая успешно стала завоевывать водный рынок, – технологии мембранного биореактора.
Сразу оговоримся, что в первом посте на эту тему мы не будем рассматривать суть самой технологии, а осветим только некоторые этапы ее развития. Если кратко, то мембранный реактор (МБР) – это сооружение, где одновременно осуществляется процесс биологической очистки сточных вод с использованием активного ила (в аэробных или анаэробных условиях) и непрерывное отделение этого ила от очищенной воды.
Технология мембранного биореактора – относительно «молодая» среди известных мембранных методов очистки воды. Ее масштабное применение началось уже в новом столетии, первые крупные очистные сооружения были построены около 15 лет назад. Примерно в это же время ее начали всерьез обсуждать в широких научных и технических кругах. Выставки и конференции буквально «взорвались» мембранными биореакторами: огромное количество докладов, презентаций, почти каждая компания, поставляющая мембранные установки, стала предлагать и МБР. Все это свидетельствовало о том, что технология уже вырвалась за рамки лабораторных и полупроизводственных испытаний и готова к широкомасштабному внедрению. В то же время поиск наиболее оптимальных конструктивных и технологических решений был еще далек от завершения. В настоящее время ажиотаж вокруг МБР немного поутих, что не влияет на количество публикаций – их число активно растет из года в год: по мере применения технологии на практике возникают все новые вопросы, требующие дополнительных исследований и научно-обоснованных решений.
Так к числу актуальных проблем инженеры и ученые относят загрязнение мембран и мембранных модулей, высокое энергопотребление и, как следствие, высокие эксплуатационные расходы, что ощутимо препятствует более широкому применению технологии МБР. Кроме того, оборудование различных фирм остается в основном по-своему уникальным: большое разнообразие конструкций мембранных модулей и блоков для МБР делает затруднительной смену поставщика: в отличие от обратного осмоса и отчасти от напорной ультрафильтрации здесь пока нет унификации.
Информация о первых разработках мембранного биореактора появилась в конце 1960-х годов. Исследования проводились в Политехническом институте Ренсселира (США), а первое промышленное внедрение осуществила фирма Dorr-Oliver Inc. Большого коммерческого успеха эта технология тогда не получила, и мембранные биореакторы использовались в основном на небольших объектах для очистки промышленных стоков.
В начале 1990-х годов появились более экономичные погружные мембранные модули, с которых начался подъем отрасли МБР в коммунальном хозяйстве. Тогда же начались широкомасштабные исследования в Японии, где к этому времени был уже накоплен большой опыт применения МБР. Пионерами внедрения МБР в Японии была компания Kubota, а в США – Zenon (сейчас в составе SUEZ). В Европе первая станция с МБР для очистки хозяйственно-бытовых стоков производительностью 80 м3/ч появилась в 1998 году в Англии. Первым масштабным проектом в Европе была станция очистки муниципальных сточных вод Nordkanal средней производительностью 650 м3/ч (пиковый расход – 1850 м3/ч) в городе Карст (Германия), построенная в 2004 году. За последние 10 лет в Европе и США были построены и строятся новые большие очистные станции с МБР, производительность которых измеряется тысячами кубических метров в час, но лидером широкомасштабного внедрения все это время остается Китай, где находится подавляющее большинство всех крупных сооружений в мире.
Несмотря на наличие внушительного списка больших станций с МБР, значительная доля МБР, очищающих хозяйственно-бытовые сточные воды и, тем более, производственные стоки, приходится на установки средней производительности (20-4000 м3/сут), а также малые очистные сооружения (0,5-20 м3/сут).
Общий объем мирового рынка МБР на 2021 год оценивался в 3 млрд. долларов, за последние 10 лет он вырос почти на порядок (в 2010 году он составлял 337 млн. долларов) и демонстрирует устойчивую тенденцию к дальнейшему росту. Можно с уверенностью сказать, что мембранные биореакторы прочно завоевали свою позицию в сфере очистки сточных вод. Указанные выше недостатки не дают им полностью вытеснить традиционные методы очистки сточных вод, но высокое качество очищенной воды и компактность позволяют с ними успешно конкурировать. Важными движущими силами в развитии технологии МБР, помимо снижения капитальных и эксплуатационных затрат, для стран Азии и Ближнего Востока является нехватка водных ресурсов, а для Европы и Северной Америки – ужесточение нормативных требований к сточным водам, сбрасываемым в водные объекты.