Wprowadzenie do MBR

1. Co to sÄ… bioreaktory membranowe?

Filtracja membranowa odgrywa gÅ‚ównÄ… rolÄ™ w oczyszczaniu wody i Å›cieków, przewyższajÄ…c konwencjonalne technologie uzdatniania wody, zapewniajÄ…c sprawdzonÄ… lepszÄ… wydajność i bardziej efektywnÄ… ekonomikÄ™. Podstawowe procesy membranowe to mikrofiltracja (MF), ultrafiltracja (UF), nanofiltracja (NF), odwrócona osmoza (RO). Zakresy separacji dla tych membran sÄ… nastÄ™pujÄ…ce: 100 do 1000 nm dla MF, 5 do 100 nm dla UF, 1 do 5 nm dla NF i 0,1 do 1 nm dla RO.  Przez ostatnie 10 lat MBR staÅ‚y siÄ™ skutecznÄ… technologiÄ… oczyszczania wtórnego wykorzystujÄ…cÄ… membrany z zakresu MF i UF.

Rys. 1, Klasyfikacja membran ze wzglÄ™du na wielkość porów

Procesy w bioreaktorze membranowym (MBR) sÄ… stosowane gÅ‚ównie do oczyszczania Å›cieków (WWT) poprzez zastosowanie mikrofiltracji (MF) lub ultrafiltracji (UF) i zintegrowanie ich z procesem biologicznym jak bioreaktor zawieszonego wzrostu. Membrany sÅ‚użą jako filtr usuwajÄ…cy czÄ…stki staÅ‚e powstaÅ‚e w procesie biologicznym, co daje produkt klarowny i wolny od patogenów. Wizualny przykÅ‚ad można znaleźć na poniższym zdjÄ™ciu zanurzonego MBR (iMBR) na rysunku 2.

Rys. 2. Åšcieki przechodzÄ… przez drobne sito w celu usuniÄ™cia dużych obiektów, które mogÅ‚yby spowodować uszkodzenie urzÄ…dzeÅ„ znajdujÄ…cych siÄ™ dalej. NastÄ™pnie trafia do strefy beztlenowej w celu oczyszczenia substancji azotowych i fosforanów, a nastÄ™pnie do strefy tlenowej, w której mikroorganizmy za pomocÄ… tlenu wydobywajÄ…cego siÄ™ z FBD trawiÄ… materiÄ™ organicznÄ… w Å›ciekach i zlepiajÄ… siÄ™, tworzÄ…c osad. Osad ten trafi do bioreaktora z zanurzonÄ… membranÄ…, gdzie membrana zostanie oddzielona. ciaÅ‚a staÅ‚e i mikroorganizmy z wody.

Bioreaktor membranowy zasadniczo zastępuje konwencjonalny system osadu czynnego (CAS) osadnika do oddzielania substancji stałych od cieczy. MBR zapewnia użytkownikowi końcowemu lepszą kontrolę procesu i znacznie lepszą jakość wody produktowej.

Proces MBR dziaÅ‚a w znacznie innym zakresie parametrów niż konwencjonalny proces z osadem czynnym

• SRT 5 -20 dni dla systemu konwencjonalnego - 20 -30 dni dla MBR
• F/M 0,05 -1,5 d-1dla systemu konwencjonalnego - < 0,1 d-1 dla MBR
• MLSS 2000 mg/L dla procesu konwencjonalnego - 5000 -20 000 mg/L dla MBR

Ogólnie rzecz biorÄ…c, MBR majÄ… trzy różne konfiguracje membran (ryc. 3)

1. płaski arkusz (FS)
2. puste wÅ‚ókno (HF)
3. wiele stacji (MT)

Rys. 3, konfiguracje membran MBR, A) Puste wÅ‚ókno, B) Wielotubówka, C) PÅ‚aski arkusz

2. Aplikacje MBR

Rekordy MBR sÄ… zazwyczaj preferowanÄ… opcjÄ…, gdy

1. Przestrzeń jest ograniczona
2. Użytkownik końcowy potrzebuje wysokiej jakości uzdatnionej wody (np. do ponownego wykorzystania wody)

Coraz bardziej rygorystyczne przepisy dotyczÄ…ce ochrony Å›rodowiska w poÅ‚Ä…czeniu ze spadkiem MBR CAPEX i OPEX doprowadziÅ‚y do wzrostu liczby instalacji i ich wielkoÅ›ci na caÅ‚ym Å›wiecie. Rekordy MBR zostaÅ‚y obecnie wdrożone w ponad 200 krajach na caÅ‚ym Å›wiecie, w wielu zakÅ‚adach o wydajnoÅ›ci przekraczajÄ…cej 4200 m³/d, a ich stopy wzrostu siÄ™gajÄ…ce 15% sÄ… regularnie odnotowywane w różnych analizach rynkowych.

Zazwyczaj technologiÄ™ MBR stosuje siÄ™ do Å›cieków zawierajÄ…cych Å‚atwo biodegradowalny wÄ™giel organiczny. To ostatnie jest szczególnie prawdziwe w przypadku sektora żywnoÅ›ci i napojów, który w szerokim zakresie wykorzystaÅ‚ technologie MBR.

Rynki Å›cieków zawierajÄ…ce zawartość trudno ulegajÄ…cÄ… biodegradacji (np. odcieki ze skÅ‚adowisk i Å›cieki farmaceutyczne) również odnotowaÅ‚y wzrost MBR ze wzglÄ™du na dÅ‚ugie czasy retencji substancji staÅ‚ych (SRT), które pozwalajÄ… na lepsze oczyszczanie biologiczne w porównaniu z konwencjonalnymi procesami biologicznymi.

Wody zawierajÄ…ce zawieszony olej (roÅ›linny lub mineralny) wymagajÄ… obróbki wstÄ™pnej (np. separacji pÅ‚ytowej, flotacji rozpuszczonym powietrzem lub obu) w celu ochrony membrany.

Chociaż Å›wiatowy rynek MBR jest zdominowany gÅ‚ównie przez kilka dużych firm, liczba dostawców technologii stale roÅ›nie, a obecnie na rynku dostÄ™pnych jest ponad 70 moduÅ‚ów membranowych MBR.

Ogólnie rzecz biorÄ…c, MBR stosuje siÄ™ do oczyszczania Å›cieków w wielu sektorach przemysÅ‚u, takich jak:

1.      żywność i napoje − wysoka zawartość substancji organicznych

2.      przemysÅ‚ naftowy − sektor poszukiwawczy, rafineryjny i petrochemiczny

3.      farmaceutyczny  przemysÅ‚ – zawierajÄ… aktywne skÅ‚adniki farmaceutyczne (API)

4.      przemysÅ‚ celulozowo-papierniczy − wysoki poziom zawiesin, ChZT i BZT

5.      Å›cieki przemysÅ‚u tekstylnego − ponowna biodegradowalność, toksyczność, zawartość FOG i kolor

6.      odcieki ze skÅ‚adowisk − szeroka gama rozpuszczonych i zawieszonych zwiÄ…zków organicznych i nieorganicznych

7.      Å›cieki ze statków − wymogi prawne i ograniczenia przestrzenne.

8.      Oczyszczanie przemysÅ‚owe a oczyszczanie komunalne

 

3. Jakie sÄ… zalety rekordów MBR?

Powszechnie uznaje siÄ™, że bioreaktory membranowe majÄ… wiele zalet w porównaniu z innymi technologiami oczyszczania Å›cieków,

• I.    Niezależna kontrola HRT i SRT
• II.   Åšcieki wysokiej jakoÅ›ci
• III.  MaÅ‚y rozmiar
• IV.  Ulepszone leczenie biologiczne.
• V.   Niezależna kontrola HRT i SRT
• VI.  MBR OPEX

I.    Niezależna kontrola HRT i SRT

Ponieważ biologiczne substancje staÅ‚e (mieszana ciecz lub osad) sÄ… caÅ‚kowicie zawarte w bioreaktorze, pozwala to na kontrolowanie czasu retencji substancji staÅ‚ych (SRT) niezależnie od hydraulicznego czasu retencji (HRT). W procesie CAS należy pozwolić flokulantom w postaci staÅ‚ej (kÅ‚aczki), które zasadniczo stanowiÄ… biomasÄ™, urosnąć do punktu, w którym bÄ™dÄ… mogÅ‚y zostać osadzone w osadniku wtórnym. Zatem w CAS HRT i SRT sÄ… poÅ‚Ä…czone; wraz ze wzrostem HRT kÅ‚aczki muszÄ… rosnąć, co zwiÄ™ksza ich osiadalność.

II.   Åšcieki wysokiej jakoÅ›ci

Ponieważ pory membrany MBR majÄ… maÅ‚y rozmiar (<0,5), oczyszczone Å›cieki majÄ… bardzo wysokÄ… klarowność i znacznie zmniejszone stężenie patogenów w porównaniu z procesem CAS. Jakość Å›cieków jest wystarczajÄ…co wysoka, aby można je byÅ‚o odprowadzać do zbiorników wodnych lub wykorzystywać do takich zastosowaÅ„, jak nawadnianie miast, usÅ‚ugi komunalne lub spÅ‚ukiwanie toalet. Można go także wprowadzić bezpoÅ›rednio do procesu odwróconej osmozy, aby uzyskać permeat o jeszcze wyższej jakoÅ›ci wody.

III.  Niewielki rozmiar

CAS charakteryzuje siÄ™ wysokim HRT, co prowadzi do koniecznoÅ›ci stosowania wiÄ™kszych rozmiarów instalacji. W MBR, dziÄ™ki uzyskanym wyższym stężeniom, ta sama caÅ‚kowita masa czÄ…stek staÅ‚ych zawarta jest w mniejszej objÄ™toÅ›ci, wiÄ™c Å›lad jest mniejszy.

IV.  Lepsze bioleczenie

MBR majÄ… wyższÄ… SRT, co zwykle zapewnia lepszÄ… ogólnÄ… obróbkÄ™ biologicznÄ… ze wzglÄ™du na sprzyjanie rozwojowi wolniej rosnÄ…cych mikroorganizmów, w szczególnoÅ›ci nitryfikatorów. Fakt ten sprawia, że MBR sÄ… bardzo skuteczne w biologicznym usuwaniu amoniaku ("nitryfikacja").

V.   Jakie sÄ… wady rekordów MBR?

GÅ‚ównymi wadami MBR sÄ… zÅ‚ożoność procesu operacyjnego i koszt przekÅ‚adajÄ…cy siÄ™ na CAPEX i OPEX.

Oba te ostatnie są bardzo wrażliwe na koszt membrany. OPEX jest dodatkowo wrażliwy na,

• życie membrany
• przepÅ‚yw przenikania
• szybkość przedmuchu powietrza membranowego (energia przedmuchu powietrza)

VI.   MBR OPEX

Ogólnie rzecz biorÄ…c, gÅ‚ówne elementy wpÅ‚ywajÄ…ce na MBR OPEX obejmujÄ…:

1. koszt membrany / m² powierzchni membrany
2. życie membrany w latach
3. strumień permeatu netto (przepływ produktu/powierzchnia jednostkowa), biorąc pod uwagę przestoje i wykorzystanie wody produktowej do czyszczenia membrany
4. zapotrzebowanie na napowietrzanie specyficzne dla membrany (SADm) w Nm³/m² powierzchni membrany/h. Nm³ to objÄ™tość powietrza w temperaturze 20°C i ciÅ›nieniu 1 bar.
5. koszty gruntów/ m² powierzchni gruntu
6. koszt energii/kWh
7. wartość poprawy jakości wody

 (7) nie jest Å‚atwo wymierny, ale można go przeÅ‚ożyć na iloÅ›ciowy Å›lad Å›rodowiskowy poprzez analizÄ™ cyklu życia.

 

6. Ocena CAS kontra MBR

Aby CAS wytworzyÅ‚ Å›cieki o tej samej jakoÅ›ci wody co MBR, może być konieczne zastosowanie wszystkich lub niektórych z poniższych:

1. zwiÄ™kszone rozmiary zbiorników (a co za tym idzie duży obszar lÄ…dowy) dla wydÅ‚użonego HRT
2. zwiÄ™kszone dawkowanie Å›rodków chemicznych w celu osiÄ…gniÄ™cia wysokiego stężenia fosforu (P)
3. Obróbka koÅ„cowa za pomocÄ… filtra multimedialnego (MMF) lub ultrafiltracji/mikrofiltracji (UF/MF) w celu uzyskania jakoÅ›ci uzdatnionej wody porównywalnej z MBR pod wzglÄ™dem zawartoÅ›ci zawiesin (SS) i stężenia mikroorganizmów.

W przypadku istniejÄ…cych zakÅ‚adów ich doposażenie w MBR uzależnione jest od dostÄ™pnej powierzchni. Pozwala to na poprawÄ™ jakoÅ›ci uzdatnionej wody i/lub zwiÄ™kszenie przepustowoÅ›ci, choć przy wiÄ™kszym zapotrzebowaniu na energiÄ™.

7. Konfiguracje MBR

Filtracja membranowa MBR ma dwie gÅ‚ówne konfiguracje; 1) membrany napÄ™dzane próżniowo zanurzone bezpoÅ›rednio w bioreaktorze (iMBR) i 2) filtracja napÄ™dzana ciÅ›nieniem w MBR ze strumieniem bocznym (sMBR) (ryc. 4).

Rys. 4, GÅ‚ówne komercyjne konfiguracje MBR; (A) Zanurzony MBR, (B) MBR strumienia bocznego

MBR wymagajÄ… siÅ‚y Å›cinajÄ…cej dziaÅ‚ajÄ…cej na powierzchniÄ™ membrany, aby uniknąć zanieczyszczania membrany zawartoÅ›ciÄ… Å›cieków i majÄ… kluczowe znaczenie dla utrzymania pożądanego strumienia permeatu.

Kiedy strumieÅ„ powietrza/cieczy przepÅ‚ywa równolegle do powierzchni membrany, wytwarza siÄ™ siÅ‚a Å›cinajÄ…ca, która pomaga ograniczyć stopieÅ„ zanieczyszczenia tej ostatniej (rys. 5).

 

Rys. 5, Wykorzystanie pÄ™cherzyków powietrza z napowietrzania do oczyszczenia powierzchni membran MBBR

W procesach zanurzonych wykorzystuje siÄ™ napowietrzanie w bioreaktorze wÅ‚aÅ›nie z tego powodu, ale MBR ze strumieniem bocznym muszÄ… wykorzystywać pompowanie, podobnie jak w wiÄ™kszoÅ›ci innych procesów membranowych. Ta różnica w zapotrzebowaniu na energiÄ™ wyjaÅ›nia dominacjÄ™ na rynku konfiguracji iMBR.

Również zanieczyszczenie sMBR jest wiÄ™ksze ze wzglÄ™du na pompowanie osadu czynnego, co zwiÄ™ksza naprężenie Å›cinajÄ…ce dziaÅ‚ajÄ…ce na kÅ‚aczki drobnoustrojów, powodujÄ…c ich rozpad, co prowadzi do zmniejszenia wielkoÅ›ci czÄ…stek i uwolnienia materiaÅ‚u zanieczyszczajÄ…cego.

Konfiguracje MBR obejmujÄ… trzy gÅ‚ówne konfiguracje membran stosowane obecnie w praktyce

1. płaski arkusz (FS)
2. puste wÅ‚ókno (HF)
3. wielolampowy lub wielokanałowy (MT/MC)

Chociaż sMBR są bardziej energochłonne niż iMBR, oferują szereg zalet:

a.   zmniejszone wymagania dotyczÄ…ce powierzchni membrany w wyniku pracy z wiÄ™kszym strumieniem

b.  elastyczność operacyjna w zakresie obsÅ‚ugi & cykl czyszczenia; w przeciwieÅ„stwie do iMBR chemiczne czyszczenie membran in situ można przeprowadzić bez żadnego ryzyka chemicznego dla biomasy

c.  koszty konserwacji i przestojów instalacji, szczególnie zwiÄ…zane z wymianÄ… moduÅ‚ów membranowych, sÄ… generalnie nieco niższe; moduÅ‚y sÄ… Å‚atwo dostÄ™pne, dziÄ™ki czemu można je wymienić w znacznie krótszym czasie niż w przypadku membran zanurzanych

d.  moduÅ‚y membranowe można wÅ‚Ä…czać i wyÅ‚Ä…czać z linii produkcyjnej w zależnoÅ›ci od obciążenia hydraulicznego

e.  możliwa jest praca przy wyższych stężeniach substancji staÅ‚ych

f.  praca przy niższym zapotrzebowaniu na energiÄ™ jest możliwa, jeÅ›li ciÅ›nienie i natężenie przepÅ‚ywu zostanÄ… zmniejszone lub jeÅ›li membrany zostanÄ… skonfigurowane do pracy z podnoÅ›nikiem powietrznym, chociaż wymaga to wówczas wiÄ™kszej powierzchni membrany

W przypadku maÅ‚ych przepÅ‚ywów trudnych do oczyszczenia Å›cieków czÄ™sto dominuje sMBR ze wzglÄ™du na prostÄ… obsÅ‚ugÄ™, mniejsze wymiary i Å‚atwiejszÄ… konserwacjÄ™, szczególnie jeÅ›li chodzi o wymianÄ™ membran. W przypadku bardzo dużych zakÅ‚adów iMBR jest zawsze wybierany z membranami HF, ponieważ OPEX jest zwykle niższy.

W przypadku przepÅ‚ywów poÅ›rednich zwykle wybieramy iMBR HF lub FS. FS jest prostszy w obsÅ‚udze, ale zarówno koszt membrany na m² powierzchni, jak i zapotrzebowanie na energiÄ™ sÄ… nieco wyższe niż konfiguracja HF.

Wreszcie, chociaż wiÄ™kszość sMBR wykorzystuje klasycznÄ… konfiguracjÄ™ pomp, jeÅ›li membrany sÄ… uÅ‚ożone szeregowo w ksztaÅ‚cie serpentyny, mogÄ… one pracować w trybie podnoszenia powietrznego, który ma prawie takie samo zapotrzebowanie na energiÄ™ jak iMBR, a zatem można je rozważyć w zastosowaniach do Å›cieków komunalnych z zaletÄ… mniejszej powierzchni i skutecznego usuwania szmat. Membrany sÄ… jednak zwykle droższe niż membrany zanurzone.

8. ObsÅ‚uga i konserwacja MBR – zanieczyszczanie, zatykanie i czyszczenie

Spadek przepuszczalnoÅ›ci MBR jest spowodowany gÅ‚ównie zanieczyszczeniem membrany i zatykaniem kanaÅ‚ów membranowych:

1. Poprzez ‘zanieczyszczenie’ mamy na myÅ›li powlekanie powierzchni membrany lub zatykanie porów membrany rozpuszczonymi, koloidalnymi lub drobnymi ciaÅ‚ami staÅ‚ymi. Zwykle usuwa siÄ™ go poprzez cykle czyszczenia fizycznego i chemicznego.
2. Przez ‘zatykanie’ mamy na myÅ›li aglomeracjÄ™ dużych czÄ…stek staÅ‚ych wewnÄ…trz lub przy wejÅ›ciu do kanaÅ‚ów membranowych. Zatykanie kanaÅ‚ów jest czasami okreÅ›lane jako „szlamowanie”.

W komunalnych oczyszczalniach Å›cieków membrany mogÄ… czasami również zostać zatkane ‘szmatami’ (lub „plecionki”) utworzone z zagregowanej materii nitkowatej (w szczególnoÅ›ci wÅ‚ókien tekstylnych, takich jak wata). Nazywamy to „szmatÄ…” lub „splataniem”.

Rys.6. Spadek przepuszczalności w MBR

Czyszczenie membrany może być fizyczne lub chemiczne. Czyszczenie fizyczne usuwa duże cząstki stałe przyczepione do powierzchni membrany (odwracalne zanieczyszczenie). Czyszczenie chemiczne usuwa bardziej trwały materiał (nieodwracalne zanieczyszczenia).

1. Czyszczenie fizyczne zwykle przeprowadza siÄ™ poprzez ‘pÅ‚ukanie wsteczne’ (odwrócenie przepÅ‚ywu z powrotem przez membranÄ™), które można wzmocnić poprzez poÅ‚Ä…czenie z powietrzem lub „relaksacjÄ…”. (zaprzestać przenikania, kontynuujÄ…c przecieranie membrany pÄ™cherzykami powietrza). Te dwie techniki można stosować w poÅ‚Ä…czeniu
2. Do czyszczenia chemicznego zwykle wykorzystuje siÄ™ podchloryn sodu (NaOCl), utleniajÄ…cÄ… substancjÄ™ chemicznÄ…, w poÅ‚Ä…czeniu z kwasami mineralnymi lub organicznymi (najczęściej kwas cytrynowy, C₆H₈O₇) bez usuwania membrany ze zbiornika lub pÅ‚ozy (czyszczenie na miejscu lub CIP). JeÅ›li czyszczenie chemiczne jest poÅ‚Ä…czone z pÅ‚ukaniem zwrotnym, jest to zwykle okreÅ›lane jako „chemicznie wzmocnione pÅ‚ukanie zwrotne”. (CEB). CEB sÄ… rutynowo przeprowadzane co tydzieÅ„/co miesiÄ…c dla HF iMBR.

Czyszczenie fizyczne jest 1) zazwyczaj szybkie, 2) nie wymaga użycia Å›rodków chemicznych, 3) nie generuje odpadów chemicznych i 4) jest mniej prawdopodobne, że spowoduje degradacjÄ™ membrany. Jednakże w niektórych miejscach zawsze wymagane jest czyszczenie chemiczne, ponieważ utrzymuje siÄ™ resztkowy opór, który można okreÅ›lić jako „nieodwracalne zabrudzenie”. które mogÄ… gromadzić siÄ™ przez pewien czas i skracać żywotność membrany.

Czyszczenie chemiczne, którego celem jest odzyskanie przepuszczalnoÅ›ci, wymaga wyższych stężeÅ„ odczynników i dÅ‚uższych czasów kontaktu.

Nie można oczekiwać, że ani rutynowe czyszczenie fizyczne, ani czyszczenie chemiczne zapobiegnÄ… zatykaniu, które wymaga rÄ™cznej interwencji (usuniÄ™cia zanurzonej membrany ze zbiorników) w celu usuniÄ™cia aglomerowanego materiaÅ‚u.  

 

 Rys. 7, fizyczne i chemiczne procedury czyszczenia membran MBR