Технология очистки сточных вод с применением мембранного биореактора не является чем-то принципиально новым с позиции осуществления процессов биологической очистки – здесь применяются те же подходы к расчету сооружений и к решению по снижению БПК, азота и фосфора, что и в классических схемах с аэротенками или реакторами циклического действия. Но наличие мембран, во-первых, существенно меняет параметры, связанные с жизнью сообщества микроорганизмов в биореакторе – активного ила, а во-вторых, неизменно приносит свои особенности и проблемы эксплуатации сооружений.
Мембранные биореакторы могут работать как минимум в двух вариантах схем биологической очистки: аэробной и анаэробной. Работа МБР в аэробном режиме будет подробно рассмотрена ниже. Анаэробные же МБР применяются в основном для очистки промышленных сточных вод. Они позволяют обрабатывать воды с высокими концентрациями ХПК и БПК (от 5-8 до 30 кгХПК/м3∙сут при дозе ила от 10 г/л), имеют низкий выход избыточного ила и дают возможность одновременного получения биогаза. В то же время анаэробные МБР имеют и недостатки: существенное влияние на их работу оказывают температура (не ниже 15-25°С) и гидравлическая нагрузка; из-за более высоких концентраций коллоидных веществ производительность мембран оказывается ниже, а БПК очищенной воды выше, чем в аэробных МБР. Кроме того, если мембранные модули устанавливаются в самом биореакторе, то применение воздуха для очистки мембран невозможно. Компромиссным решением здесь может быть выносное расположение мембранных блоков.
В схемах с аэробными МБР отсутствие вторичных отстойников и возможность полного удержания активного ила в биореакторе позволяют легко поднять дозу ила, при этом возраст ила также увеличивается. Кроме того, отсутствие первичных отстойников для сооружений небольшой производительности перекладывает задачу по удалению всех загрязнений на биореактор. В таблицах приведены основные технологические характеристики мембранных биореакторов и примерная эффективность очистки городских сточных вод. Приведенные показатели по степени очистки сточных вод являются ориентировочными – как указано в примечании, возможно получение и более хороших результатов: БПКполн – 3 мг/л и менее, азот аммонийный – 0,5 мг/л и менее, фосфор – 0,15-0,3 мг/л.
Интересно отметить, как менялись представления специалистов о технологии МБР. В первоначальный период бурного развития МБР в мире предполагалось, что они будут работать с высокими дозами (10-25 г/л) и значительным возрастом (30-45 сут) активного ила. Но в настоящее время рекомендуемая доза активного ила и его возраст в мембранных биореакторах снижены в 2 раза по сравнению с первоначальными значениями: до 8-12 г/л и до 15 сут соответственно. Отказались и от тенденции «выжать» максимум производительности из мембран: долговременная надежная работа при сниженных рабочем давлении и удельной производительности мембран оказывается в итоге выгоднее кратковременной экономии на капитальных затратах.
Перечислим особенности мембранных биореакторов, которые определили преимущество по сравнению с традиционными схемами очистки сточных вод.
1. Практически полное задержание всех взвешенных веществ и микроорганизмов и, как следствие:
– максимальный эффект очистки по взвешенным веществам, который не зависит от седиментационных характеристик активного ила;
– повышение эффекта очистки по ХПК и БПК5;
– дезинфекция (первичная) очищенной воды без реагентов;
– малая чувствительность к колебаниям расхода и качества исходной воды.
Помимо достижения нормативных показателей по качеству воды, сбрасываемой в водоемы, важным преимуществом оказывается возможность направлять очищенную воду на повторное использование. При использовании классической схемы для доочистки требовалось устройство второй ступени решеток или сеток и микро- или ультрафильтрация, особенно при подаче воды далее на установки обратного осмоса. В случае применения МБР все эти ступени очистки уже есть в основной схеме обработки сточных вод.
Мембраны представляют собой естественный барьер на пути вспухшего активного ила и пены, что решает проблему вспухания ила и пенообразования.
2. Минимальное время пребывания воды в зоне отделения твердой фазы.
Это решает проблему всплывания частиц активного ила во вторичных отстойниках из-за процессов денитрификации в условиях «кислородного голодания».
3. Полное удержание микроорганизмов в реакторе, что существенно изменяет условия автоселекции микроорганизмов активного ила и его характеристики.
Это позволяет:
– в несколько раз увеличить гидравлическую производительность и окислительную мощность процессов биологической очистки;
– 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;
– разобщить время пребывания воды в биореакторе со временем пребывания твердой фазы (микроорганизмов и взвешенных веществ сточной воды);
– повысить устойчивость системы к колебаниям концентраций загрязнений в исходной воде благодаря хорошей адаптации биоценозов.
Например, при увеличении прироста активного ила МБР позволяют стабильно поддерживать качество очищенной воды по взвешенным веществам и удерживать в реакторе нитрифицирующие микроорганизмы, тем самым избегая срыва нитрификации.
4. Существенно меньшая занимаемая площадь по сравнению с отстойниками.
Фактически мы убираем вторичные отстойники, а мембранные блоки помещаем в существующие аэротенки. МБР могут быть хорошим решением при реконструкции очистных сооружений: за счет увеличения окислительной мощности можно повысить эффективность очистки по БПК и азоту, при этом не внося существенных конструктивных изменений в капитальные железобетонные сооружения.
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.
Очевидно, что за столь внушительный перечень преимуществ требуется расплачиваться неизбежными недостатками и финансами. Мембранные биореакторы отличаются более высокими капитальными и эксплуатационными затратами, причем удельная стоимость самих мембранных блоков практически не снижается при росте производительности станции. Рост эксплуатационных затрат связан с расходом электроэнергии на перекачку фильтрата и аэрацию мембран, а также с затратами на замену мембран. Борьба с загрязнением мембран также требует расходов – это и работа обслуживающего персонала, периодические химические и гидравлические промывки, устранение дефектов в мембранных модулях. Наличие мембранных блоков усложняет система управления и контроля, вносит большое количество дополнительной арматуры и трубопроводов. Наконец, высокие концентрации активного ила, характерные для МБР, требуют повышения интенсивности аэрации, что порой затруднительно обеспечить без полной реконструкции системы подачи и распределения воздуха.
Перечисленные недостатки не являются непреодолимым барьером на пути внедрения МБР – они лишь ограничивают область их применения теми случаями, когда преимущества мембранной технологии оказываются решающими.
