Развитие мембранных биореакторов, в большей части которых применяются погружные модули, привело к разработке множества интересных конструкций. В этих модулях используются все возможные виды ультрафильтрационных мембран: половолоконные, трубчатые, плоские. Для напорных систем преимущество получили половолоконные и трубчатые мембраны, хотя плоскорамные модули также встречаются у некоторых производителей.
В таблице приведено сопоставление различных конструкций мембранных модулей. Наибольшее применение и в напорных, и в погружных МБР нашли половолоконные мембранные модули, которые обладают наиболее высокой плотностью упаковки, низкой материалоемкостью и минимальной стоимостью. Для напорных мембранных биореакторов также большое распространение получили многоканальные половолоконные мембраны. Они позволяют увеличить площадь активной поверхности мембраны при тех же габаритах и сохранении прочности волокна.
Модули с трубчатыми мембранами используются при повышенной концентрации твердой фазы в очищаемой жидкости – как правило, для очистки производственных сточных вод. В трубчатых мембранах можно поддерживать высокие скорости транзитного потока обрабатываемой жидкости (2-4 м/с), что необходимо для создания турбулентного режима и предотвращения отложений на поверхности мембран. Из-за высокой скорости потока и последовательного соединения модулей трансмембранное давление в таких системах достигает 2-5 атм, а их энергопотребление самое высокое среди своих собратьев.
Мембраны для МБР изготавливаются из следующих материалов: поливинилиденфторид, полиэтерсульфон, полипропилен, полиэтилен, реже хлорированный полиэтилен, полисульфон, полиакрилонитрил и др. В некоторых случаях в мембранных биореакторах применяются керамические мембраны из оксида алюминия, титана, циркония. В таблице ниже в качестве примера приведены характеристики мембран некоторых производителей МБР.
Погружные модули отличаются большим разнообразием. На первом месте стоят модули с полыми волокнами, общий принцип устройства которых можно описать так: мембраны собираются в отдельные пучки или плоские сборки, концы мембран фиксируются в эпоксидном блоке или другом материале, этот блок в свою очередь помещается в крышку или корпус, через которые будет отводиться фильтрат. Затем эти сборки устанавливаются на вертикальную стойку, а эти стойки потом собираются в мембранный блок в виде параллелепипеда. Все отводы от мембранных стоек соединяются трубками в один общий коллектор. Внешний вид таких блоков показан на фото ниже. В большинстве случаев волокна мембран ориентированы вертикально для лучшего удаления крупных и волокнистых загрязнений с помощью пузырьков воздуха, но встречается и горизонтальное расположение волокон (например GE –Zenon). С этой же целью некоторые производители (Koch Separation Solutions) оставляют свободными верхние концы волокон, которые при этом закрыты, а сами пучки дополнительно зафиксированы по вертикали.
Вторая группа – это модули с плоскими мембранами. Они составляются из отдельных пакетов (картриджей) – рамок с двумя плоскими мембранными листами на жестком каркасе. Рамки устанавливаются в пространственные каркасы, каждая рамка подсоединяется с помощью трубок к общему коллектору отвода фильтрата. На рисунке приведена одна из конструкций плоскорамных погружных модулей.
В попытках усовершенствовать модули с плоскими мембранами, улучшить их очистку от загрязнений были разработаны вращающиеся погружные модули.
Наконец, в попытке приспособить хорошо отлаженное производство рулонных элементов для мембранных биореакторов фирма TriSep (поглощена мембранной компанией Microdyn-Nadir, которая в свою очередь сейчас является подразделением группы MANN+HUMMEL) предложила конструкцию МБР с использованием своих рулонных ультрафильтрационных элементов. Одним из преимуществ было то, что для этой конструкции фактически не понадобилось разрабатывать никаких новых элементов за исключением креплений, на которых стояли рулонные элементы в резервуаре.
За несколько десятилетий развития МБР конструкции мембранных модулей если не изменились принципиально, то значительно усовершенствовались. За годы эксплуатации были вскрыты «детские болезни» первоначальных технических решений, выпущены новые модернизированные линейки мембранных продуктов, снижена их себестоимость и повышена надежность.