Wprowadzenie do MBR

1. Co to są bioreaktory membranowe?

Filtracja membranowa odgrywa główną rolę w oczyszczaniu wody i ścieków, przewyższając konwencjonalne technologie uzdatniania wody, zapewniając sprawdzoną lepszą wydajność i bardziej efektywną ekonomikę. Podstawowe procesy membranowe to mikrofiltracja (MF), ultrafiltracja (UF), nanofiltracja (NF), odwrócona osmoza (RO). Zakresy separacji dla tych membran są następujące: 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 stały się skuteczną technologią oczyszczania wtórnego wykorzystującą membrany z zakresu MF i UF.

Rys. 1, Klasyfikacja membran ze względu na wielkość porów

Procesy w bioreaktorze membranowym (MBR) są stosowane głównie do oczyszczania ścieków (WWT) poprzez zastosowanie mikrofiltracji (MF) lub ultrafiltracji (UF) i zintegrowanie ich z procesem biologicznym jak bioreaktor zawieszonego wzrostu. Membrany służą jako filtr usuwający cząstki stałe powstałe w procesie biologicznym, co daje produkt klarowny i wolny od patogenów. Wizualny przykład można znaleźć na poniższym zdjęciu zanurzonego MBR (iMBR) na rysunku 2.

Rys. 2. Ścieki przechodzą przez drobne sito w celu usunięcia dużych obiektów, które mogłyby spowodować uszkodzenie urządzeń znajdujących się dalej. Następnie trafia do strefy beztlenowej w celu oczyszczenia substancji azotowych i fosforanów, a następnie do strefy tlenowej, w której mikroorganizmy za pomocą tlenu wydobywającego się z FBD trawią materię organiczną w ściekach i zlepiają się, tworząc osad. Osad ten trafi do bioreaktora z zanurzoną membraną, gdzie membrana zostanie oddzielona. ciała stałe 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 działa 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 biorąc, MBR mają trzy różne konfiguracje membran (ryc. 3)

1. płaski arkusz (FS)
2. puste włókno (HF)
3. wiele stacji (MT)

Rys. 3, konfiguracje membran MBR, A) Puste włókno, B) Wielotubówka, C) Płaski arkusz

2. Aplikacje MBR

Rekordy MBR są zazwyczaj preferowaną opcją, gdy

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

Coraz bardziej rygorystyczne przepisy dotyczące ochrony środowiska w połączeniu ze spadkiem MBR CAPEX i OPEX doprowadziły do wzrostu liczby instalacji i ich wielkości na całym świecie. Rekordy MBR zostały obecnie wdrożone w ponad 200 krajach na całym świecie, w wielu zakładach o wydajności przekraczającej 4200 m³/d, a ich stopy wzrostu sięgające 15% są regularnie odnotowywane w różnych analizach rynkowych.

Zazwyczaj technologię MBR stosuje się do ścieków zawierających łatwo biodegradowalny węgiel organiczny. To ostatnie jest szczególnie prawdziwe w przypadku sektora żywności i napojów, który w szerokim zakresie wykorzystał technologie MBR.

Rynki ścieków zawierające zawartość trudno ulegającą biodegradacji (np. odcieki ze składowisk i ścieki farmaceutyczne) również odnotowały wzrost MBR ze względu na długie czasy retencji substancji stałych (SRT), które pozwalają na lepsze oczyszczanie biologiczne w porównaniu z konwencjonalnymi procesami biologicznymi.

Wody zawierające zawieszony olej (roślinny lub mineralny) wymagają obróbki wstępnej (np. separacji płytowej, flotacji rozpuszczonym powietrzem lub obu) w celu ochrony membrany.

Chociaż światowy rynek MBR jest zdominowany głównie przez kilka dużych firm, liczba dostawców technologii stale rośnie, a obecnie na rynku dostępnych jest ponad 70 modułów membranowych MBR.

Ogólnie rzecz biorąc, MBR stosuje się do oczyszczania ścieków w wielu sektorach przemysłu, takich jak:

1.      żywność i napoje − wysoka zawartość substancji organicznych

2.      przemysł naftowy − sektor poszukiwawczy, rafineryjny i petrochemiczny

3.      farmaceutyczny  przemysł – zawierają aktywne składniki farmaceutyczne (API)

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

5.      ścieki przemysłu tekstylnego − ponowna biodegradowalność, toksyczność, zawartość FOG i kolor

6.      odcieki ze składowisk − szeroka gama rozpuszczonych i zawieszonych związków organicznych i nieorganicznych

7.      ścieki ze statków − wymogi prawne i ograniczenia przestrzenne.

8.      Oczyszczanie przemysłowe a oczyszczanie komunalne

 

3. Jakie są zalety rekordów MBR?

Powszechnie uznaje się, że bioreaktory membranowe mają wiele zalet w porównaniu z innymi technologiami oczyszczania ścieków,

• I.    Niezależna kontrola HRT i SRT
• II.   Ścieki wysokiej jakości
• III.  Mały rozmiar
• IV.  Ulepszone leczenie biologiczne.
• V.   Niezależna kontrola HRT i SRT
• VI.  MBR OPEX

I.    Niezależna kontrola HRT i SRT

Ponieważ biologiczne substancje stałe (mieszana ciecz lub osad) są całkowicie zawarte w bioreaktorze, pozwala to na kontrolowanie czasu retencji substancji stałych (SRT) niezależnie od hydraulicznego czasu retencji (HRT). W procesie CAS należy pozwolić flokulantom w postaci stałej (kłaczki), które zasadniczo stanowią biomasę, urosnąć do punktu, w którym będą mogły zostać osadzone w osadniku wtórnym. Zatem w CAS HRT i SRT są połączone; wraz ze wzrostem HRT kłaczki muszą rosnąć, co zwiększa ich osiadalność.

II.   Ścieki wysokiej jakości

Ponieważ pory membrany MBR mają mały rozmiar (<0,5), oczyszczone ścieki mają bardzo wysoką klarowność i znacznie zmniejszone stężenie patogenów w porównaniu z procesem CAS. Jakość ścieków jest wystarczająco wysoka, aby można je było odprowadzać do zbiorników wodnych lub wykorzystywać do takich zastosowań, jak nawadnianie miast, usługi komunalne lub spłukiwanie toalet. Można go także wprowadzić bezpośrednio do procesu odwróconej osmozy, aby uzyskać permeat o jeszcze wyższej jakości wody.

III.  Niewielki rozmiar

CAS charakteryzuje się wysokim HRT, co prowadzi do konieczności stosowania większych rozmiarów instalacji. W MBR, dzięki uzyskanym wyższym stężeniom, ta sama całkowita masa cząstek stałych zawarta jest w mniejszej objętości, więc ślad jest mniejszy.

IV.  Lepsze bioleczenie

MBR mają wyższą SRT, co zwykle zapewnia lepszą ogólną obróbkę biologiczną ze względu na sprzyjanie rozwojowi wolniej rosnących mikroorganizmów, w szczególności nitryfikatorów. Fakt ten sprawia, że MBR są bardzo skuteczne w biologicznym usuwaniu amoniaku ("nitryfikacja").

V.   Jakie są wady rekordów MBR?

Głównymi wadami MBR są złożoność procesu operacyjnego i koszt przekładający się na CAPEX i OPEX.

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

• życie membrany
• przepływ przenikania
• szybkość przedmuchu powietrza membranowego (energia przedmuchu powietrza)

VI.   MBR OPEX

Ogólnie rzecz biorąc, główne elementy wpływające na MBR OPEX obejmują:

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 objętość powietrza w temperaturze 20°C i ciśnieniu 1 bar.
5. koszty gruntów/ m² powierzchni gruntu
6. koszt energii/kWh
7. wartość poprawy jakości wody

 (7) nie jest łatwo wymierny, ale można go przełożyć na ilościowy ślad środowiskowy poprzez analizę cyklu życia.

 

6. Ocena CAS kontra MBR

Aby CAS wytworzył ścieki o tej samej jakości wody co MBR, może być konieczne zastosowanie wszystkich lub niektórych z poniższych:

1. zwiększone rozmiary zbiorników (a co za tym idzie duży obszar lądowy) dla wydłużonego HRT
2. zwiększone dawkowanie środków chemicznych w celu osiągnięcia wysokiego stężenia fosforu (P)
3. Obróbka końcowa za pomocą filtra multimedialnego (MMF) lub ultrafiltracji/mikrofiltracji (UF/MF) w celu uzyskania jakości uzdatnionej wody porównywalnej z MBR pod względem zawartości zawiesin (SS) i stężenia mikroorganizmów.

W przypadku istniejących zakładów ich doposażenie w MBR uzależnione jest od dostępnej powierzchni. Pozwala to na poprawę jakości uzdatnionej wody i/lub zwiększenie przepustowości, choć przy większym zapotrzebowaniu na energię.

7. Konfiguracje MBR

Filtracja membranowa MBR ma dwie główne konfiguracje; 1) membrany napędzane próżniowo zanurzone bezpośrednio w bioreaktorze (iMBR) i 2) filtracja napędzana ciśnieniem w MBR ze strumieniem bocznym (sMBR) (ryc. 4).

Rys. 4, Główne komercyjne konfiguracje MBR; (A) Zanurzony MBR, (B) MBR strumienia bocznego

MBR wymagają siły ścinającej działającej na powierzchnię membrany, aby uniknąć zanieczyszczania membrany zawartością ścieków i mają kluczowe znaczenie dla utrzymania pożądanego strumienia permeatu.

Kiedy strumień powietrza/cieczy przepływa równolegle do powierzchni membrany, wytwarza się siła ścinająca, która pomaga ograniczyć stopień zanieczyszczenia tej ostatniej (rys. 5).

 

Rys. 5, Wykorzystanie pęcherzyków powietrza z napowietrzania do oczyszczenia powierzchni membran MBBR

W procesach zanurzonych wykorzystuje się napowietrzanie w bioreaktorze właśnie z tego powodu, ale MBR ze strumieniem bocznym muszą wykorzystywać pompowanie, podobnie jak w większości innych procesów membranowych. Ta różnica w zapotrzebowaniu na energię wyjaśnia dominację na rynku konfiguracji iMBR.

Również zanieczyszczenie sMBR jest większe ze względu na pompowanie osadu czynnego, co zwiększa naprężenie ścinające działające na kłaczki drobnoustrojów, powodując ich rozpad, co prowadzi do zmniejszenia wielkości cząstek i uwolnienia materiału zanieczyszczającego.

Konfiguracje MBR obejmują trzy główne konfiguracje membran stosowane obecnie w praktyce

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

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

a.   zmniejszone wymagania dotyczące powierzchni membrany w wyniku pracy z większym strumieniem

b.  elastyczność operacyjna w zakresie obsługi & cykl czyszczenia; w przeciwieństwie do iMBR chemiczne czyszczenie membran in situ można przeprowadzić bez żadnego ryzyka chemicznego dla biomasy

c.  koszty konserwacji i przestojów instalacji, szczególnie związane z wymianą modułów membranowych, są generalnie nieco niższe; moduły są łatwo dostępne, dzięki czemu można je wymienić w znacznie krótszym czasie niż w przypadku membran zanurzanych

d.  moduły membranowe można włączać i wyłączać z linii produkcyjnej w zależności od obciążenia hydraulicznego

e.  możliwa jest praca przy wyższych stężeniach substancji stałych

f.  praca przy niższym zapotrzebowaniu na energię jest możliwa, jeśli ciśnienie i natężenie przepływu zostaną zmniejszone lub jeśli membrany zostaną skonfigurowane do pracy z podnośnikiem powietrznym, chociaż wymaga to wówczas większej powierzchni membrany

W przypadku małych przepływów trudnych do oczyszczenia ścieków często dominuje sMBR ze względu na prostą obsługę, mniejsze wymiary i łatwiejszą konserwację, szczególnie jeśli chodzi o wymianę membran. W przypadku bardzo dużych zakładów iMBR jest zawsze wybierany z membranami HF, ponieważ OPEX jest zwykle niższy.

W przypadku przepływów pośrednich zwykle wybieramy iMBR HF lub FS. FS jest prostszy w obsłudze, ale zarówno koszt membrany na m² powierzchni, jak i zapotrzebowanie na energię są nieco wyższe niż konfiguracja HF.

Wreszcie, chociaż większość sMBR wykorzystuje klasyczną konfigurację pomp, jeśli membrany są ułożone szeregowo w kształcie serpentyny, mogą one pracować w trybie podnoszenia powietrznego, który ma prawie takie samo zapotrzebowanie na energię jak iMBR, a zatem można je rozważyć w zastosowaniach do ścieków komunalnych z zaletą mniejszej powierzchni i skutecznego usuwania szmat. Membrany są jednak zwykle droższe niż membrany zanurzone.

8. Obsługa i konserwacja MBR – zanieczyszczanie, zatykanie i czyszczenie

Spadek przepuszczalności MBR jest spowodowany głównie zanieczyszczeniem membrany i zatykaniem kanałów membranowych:

1. Poprzez ‘zanieczyszczenie’ mamy na myśli powlekanie powierzchni membrany lub zatykanie porów membrany rozpuszczonymi, koloidalnymi lub drobnymi ciałami stałymi. Zwykle usuwa się go poprzez cykle czyszczenia fizycznego i chemicznego.
2. Przez ‘zatykanie’ mamy na myśli aglomerację dużych cząstek stałych wewnątrz lub przy wejściu do kanałów membranowych. Zatykanie kanałów jest czasami określane jako „szlamowanie”.

W komunalnych oczyszczalniach ścieków membrany mogą czasami również zostać zatkane ‘szmatami’ (lub „plecionki”) utworzone z zagregowanej materii nitkowatej (w szczególności włókien tekstylnych, takich jak wata). Nazywamy to „szmatą” 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 się poprzez ‘płukanie wsteczne’ (odwrócenie przepływu z powrotem przez membranę), które można wzmocnić poprzez połączenie z powietrzem lub „relaksacją”. (zaprzestać przenikania, kontynuując przecieranie membrany pęcherzykami powietrza). Te dwie techniki można stosować w połączeniu
2. Do czyszczenia chemicznego zwykle wykorzystuje się podchloryn sodu (NaOCl), utleniającą substancję chemiczną, w połączeniu z kwasami mineralnymi lub organicznymi (najczęściej kwas cytrynowy, C₆H₈O₇) bez usuwania membrany ze zbiornika lub płozy (czyszczenie na miejscu lub CIP). Jeśli czyszczenie chemiczne jest połączone z płukaniem zwrotnym, jest to zwykle określane jako „chemicznie wzmocnione płukanie zwrotne”. (CEB). CEB są rutynowo przeprowadzane co tydzień/co miesiąc dla HF iMBR.

Czyszczenie fizyczne jest 1) zazwyczaj szybkie, 2) nie wymaga użycia środków chemicznych, 3) nie generuje odpadów chemicznych i 4) jest mniej prawdopodobne, że spowoduje degradację membrany. Jednakże w niektórych miejscach zawsze wymagane jest czyszczenie chemiczne, ponieważ utrzymuje się resztkowy opór, który można określić jako „nieodwracalne zabrudzenie”. które mogą gromadzić się przez pewien czas i skracać żywotność membrany.

Czyszczenie chemiczne, którego celem jest odzyskanie przepuszczalności, wymaga wyższych stężeń odczynników i dłuższych czasów kontaktu.

Nie można oczekiwać, że ani rutynowe czyszczenie fizyczne, ani czyszczenie chemiczne zapobiegną zatykaniu, które wymaga ręcznej interwencji (usunięcia zanurzonej membrany ze zbiorników) w celu usunięcia aglomerowanego materiału.  

 

 Rys. 7, fizyczne i chemiczne procedury czyszczenia membran MBR