Мембрана, очевидно, является самым чувствительным и уязвимым элементом в мембранном биореакторе (МБР), поэтому все особенности проектирования и эксплуатации МБР должны учитывать целый ряд факторов, влияющих на параметры работы ультрафильтрационных мембран, продолжительность их срока службы и качество очищенной ими воды.
1. Начнем с материала мембран. Для МБР преимущественно используются полимерные мембраны, но некоторыми компаниями выпускаются МБР с керамическими мембранами. Например, компания Cembrane производит модули с микрофильтрационными плоскими мембранами с размером пор 0,1 мкм, а компания ALSYS – трубчатые многоканальные модули.
Выбор материала мембран диктуется устойчивостью к загрязнению веществами, содержащимися в обрабатываемых сточных водах (в частности, межклеточными органическими веществами – полисахаридами и протеинами), а также химической стойкостью при проведении реагентных промывок мембранных модулей. Большинство материалов, из которых изготавливают ультрафильтрационные мембраны, удовлетворяют обоим требованиям – они гидрофобны и выдерживают большой диапазон величин рН воды. Заряд мембраны также оказывает влияние на степень ее загрязнения (например, мембраны с нейтральным зарядом более устойчивы к отложениям бактерий группы E.Coli, имеющих на поверхности положительно и отрицательно заряженные группы). Для очистки некоторых видов промышленных сточных вод подходят керамические мембраны, обладающие очень высокой химической стойкостью и выдерживающие высокие температуры (например, при их регенерации и очистке).
Для улучшения характеристик мембран их поверхность подвергают модификации, вводя различные добавки в рецептуру полимера. Поэтому мембраны разных производителей, изготовленные из одного и того же материала, могут иметь заметные отличия в характеристиках. Но необходимо иметь в виду, что, во-первых, слой загрязнений значительно уменьшает влияние материала мембраны на степень ее дальнейшего загрязнения, и, во-вторых, важным является способность мембраны восстанавливать свою проницаемость после химической или гидравлической промывки.
2. Размер пор мембран, с одной стороны, не имеет решающего значения: в диапазоне от 0,01 до 1 мкм эффективность задержания взвешенных веществ и микроорганизмов примерно одинаковая, тем более разница быстро нивелируется при накоплении слоя осадка на поверхности мембраны в процессе фильтрования – вместе с разницей в начальной производительности мембран. Тем не менее, ультрафильтрационные мембраны с размером пор 0,02-0,1 мкм наиболее распространены – во первых, они гарантируют все же более полное удаление коллоидных примесей и микроорганизмов (а именно вирусов), во-вторых, уменьшение размера пор, по выводам ряда исследований, улучшает устойчивость мембраны к загрязнению, а при гидравлических промывках слой осадка с ее поверхности удаляется легче.
3. Проницаемость мембраны (поток пермеата). Поток через мембрану является основным фактором, влияющим на скорость образования осадка на ее поверхности. Поток зависит от начальной проницаемости мембраны и рабочего (трансмембранного) давления. Существует понятие «критического потока», при превышении которого рост осадка становится недопустимым для нормального функционирования мембранного модуля. Многие МБР работают с постоянной производительностью, что достигается регулировкой трансмембранного давления. Повышение давления на мембране в процессе работы вызывает сжатие осадка и увеличение его сопротивления. Опыт эксплуатации показал, что более рационально работать при невысоких удельных потоках, увеличивая площадь мембран в установке, а не рабочее давление.
4. Природа и состав поступающей сточной воды. Хозяйственно-бытовые сточные воды характеризуются наличием высокого содержания легко биоразлагаемых органических веществ, которые способствуют образованию большего количества внеклеточных полимерных веществ (полисахариды, протеины), которые забивают поры ультрафильтрационных мембран или образуют гелеобразный слой на их поверхности. По мере работы МБР концентрация этих нежелательных веществ в нем только возрастает, что усугубляет проблему. Помимо этого, и в бытовых, и в производственных сточных водах могут встретиться органические вещества, которые активно сорбируются на материале мембраны, вызывают гелеобразование и значительно снижают ее производительность.
Уменьшение содержания полисахаридов в активном иле достигается увеличением его возраста. В условиях недостаточного питания адгезия клеток активного ила на поверхности мембран становится ниже. С другой стороны, первоначальное формирование слоя взвешенных веществ на поверхности мембраны может защитить ее от загрязнения высокомолекулярными органическими веществами.
Поскольку мембраны, в особенности половолоконные, представляют собой «ловушку» для плавающих примесей и крупной взвеси, то наличие в воде подобных загрязнений недопустимо. Учитывая, что МБР часто работают без первичного отстаивания, повышаются требования к решеткам – рекомендуется устанавливать решетки или сетчатые фильтры с прозорами не более 1 мм, а лучше 0,5 мм. Обычно на станциях устанавливают два типа решеток: первые – «традиционные» с прозорами 4-6 мм, вторые, после песколовок – с рекомендуемыми для защиты мембран прозорами.
При эксплуатации мембранных установок следует избегать достижения значительного падения проницаемости, своевременно проводить гидравлические и химические промывки и обеспечивать условия для контроля за загрязнением мембран. К таким методам контроля относится создание транзитного потока исходной жидкости над поверхностью мембраны (осуществимо только в напорных модулях), продувка воздухом и, конечно, регулярные гидравлические обратные промывки.
5. Гидравлические промывки. Традиционно ультрафильтрационные установки промываются от накопленных загрязнений обратным током фильтрата. Частота обратных промывок – несколько раз в час, а продолжительность – несколько десятков секунд. Также есть системы с импульсной промывкой. Смытые загрязнения попадают обратно в объем обрабатываемой воды. Избыточный активный ил вместе с осадком взвешенных веществ удаляется через осадочную часть внизу биореактора.
В МБР довольно часто используются модули с плоскими мембранами, которые не допускают обратных промывок (за исключением рулонных элементов). Преодоление этого недостатка выразилось в создании компанией Inaqua GmbH плоской мембраны, где сетка, разделяющая два мембранных листа, интегрирована с мембранами. Таким образом, сетка поддерживает мембраны не только от сжатия внешним давлением, но и от разрыва при приложении давления со стороны фильтрата.
Опыт эксплуатации мембранных биореакторов показал, что существует простой способ уменьшить загрязнение мембран – периодически приостанавливать фильтрование. В этот момент макропотоки воздуха и жидкости вокруг мембран уносят с ее поверхности частички загрязнений, а конвективный и диффузный поток – растворенные и коллоидные примеси. Продолжительность «простоя» мембранных блоков составляет около 5-15% от общего времени их работы.
6. Продувка воздухом. Главным способом контролировать процесс загрязнения мембран в МБР является их интенсивная аэрация. Пузырьки воздуха срывают и уносят отложения с поверхности мембран, а также перемешивают окружающую жидкость, улучшая массообмен. Аэрация возможна и для погружных, и для напорных модулей (напр. технология AirLift™ компании Pentair). Затраты на аэрацию – одна из основных составляющих эксплуатационных затрат в МБР. Расход воздуха для мембранного модуля составляет 0,2-1,3 м3/ч на 1 м2 площади мембран в нем.
7. Скорость транзитного движения жидкости около поверхности мембран. Если для погружных мембранных модулей повышение скорости движения окружающей жидкости не оказывает существенного положительного влияния на удаление загрязнений с поверхности мембран, то для напорных модулей создание транзитного потока внутри трубчатых или половолоконных мембран, напротив, позволяет уменьшить осадкообразование и повысить производительность, но за счет увеличения затрат электроэнергии.
