2.3.3. Особенности технологии очистки сточных вод на мембранном биореакторе

Технология мембранного биореактора (МБР) позволяет объединить методы биологической очистки и мембранную сепарацию. Для биологической очистки в МБР используется аэротенк, объединенный с мембранным модулем.

В зависимости от взаимного положения аэротенка и мембранного модуля, различают две основные конфигурации МБР (рис. 2.16):

1. Погружной мембранный биореактор. При этой конфигурации мембранный модуль погружен непосредственно в аэротенк. Фильтрация обычно происходит под действием вакуума. Смесь активного ила и сточной воды, находящаяся в аэротенке, фильтруется через поверхность мембран. Очищенная вода отводится, а активный ил и задержанные вещества остаются в аэротенке и поддерживаются во взвешенном состоянии. Избыточный активный ил периодически удаляется из МБР.

2. Внешний мембранный биореактор с циклом рециркуляции. В этом случае мембранный модуль находится вне аэротенка. Мембранная установка не прини­мает непосредственного участия в процессе биологической очистки, а объединяет в себе функции вторичного отстойника и аппаратов доочистки. Смесь активного илаи сточных вод перекачивается во внешний мембранный модуль. Этот модуль чаще всего представляет собой набор трубчатых мембран с диаметром более 7 мм, в которые подается смесь. Далее смесь фильтруется изнутри наружу и отводится. Концентрированная смесь рециркулирующим насосом направляется обратно в аэротенк. Избыточный активный ил выводится из системы.

 

Каждая из описанных схем имеет свои достоинства и недостатки. В табл. 2.8. представлены достоинства и недостатки обеих конфигураций.

Таблица 2.8. - Достоинства и недостатки различных конфигураций МБР

Погружной МБР

Внешний МБР с рециркуляцией

На аэрацию

Высокие затраты (около 90%)

Низкие затраты на перекачивание (для вакуумного насоса - около 28%)

Меньший поток (большая площадь) Меньшая частота очистки Меньшие    эксплуатационные -затраты

Большие капитальные затраты Меньшее трансмембранное давление

Менее эффективная механическая очистка

Низкие затраты на аэрацию (около 20%)

Высокие затраты на перекачивание смеси (около 60 - 80%) Больший поток (меньшая площадь) Большая частота очистки Большие эксплуатационные затраты Меньшие капитальные затраты Большее трансмембранное давление Более   эффективная механическая очистка

Прямой гидродинамический кон­троль за засорением мембран

Погружные МБР снабжаются системой аэрации. Воздух подается от воздуходувки в аэраторы, которые обычно вмонтированы в сами мембранные модули. Аэрация позволяет обеспечить биоценоз активного ила растворенным кислородом, поддерживать смесь активного ила и сточных вод во взвешенном состоянии, а также турбулизировать поток у поверхности мембран для предотвращения засорения.

Основные параметры МБР, а также эффективность очистки сточных вод, достигаемая в МБР, представлены в табл. 2.9 и 2.10.

Таблица 2.9 - Основные параметры МБР

Параметр

Ед. измерения

Значение

Возраст АИ

сут

>10

Доза АИ

г/л

6-16

Нагрузка на АИ

кгБПК/кг АИ • су т

<0,15

Средний поток через мембрану

л/м2-час

15-30

Трансмембранное давление в погружных МБР

кПа

от -10 до -50

Трансмембранное давление во внешних МБР

кПа

100-450 кПа

Таблица 2.10 - Эффективность очистки сточных вод, достигаемая в МБР

Параметр

Ед. измерения

Значение

БПКП

%

>95

ХПК

%

85-99

Взвешенные вещества

мг/л

<1

Аммонийный азот

%

>98

Тяжелые металлы

%

25-80

Бактерии

%

99,999

Вирусы

%

99,9

Выполненные исследования позволяют сделать следующие выводы: 1. Вследствие того что размер пор ультра- и микрофильтрационных мембран в несколько раз меньше размеров клеток бактерий, простейших и др. организмов активного ила, исключен вынос ила с профильтрованной водой, в отличие от вторичного отстаивания, где вынос активного ила с осветленной водой является основной проблемой эксплуатации.

2. При вторичном отстаивании очень важна форма хлопьев активного ила. Так, эксплуатация сооружений традиционной биологической очистки (аэротенк + вторичный отстойник) предусматривает наличие компактных, близких по форме к сфере хлопьев активного ила, что обеспечивает удовлетворительное его оседание во вторичном отстойнике. В случае мембранного биоректора нет необходимости поддерживать сферическую форму хлопьев активного ила. Этот факт обуславли­вает ряд важных особенностей технологии МБР:

- В МБР размер хлопьев активного ила меньше, чем в традиционных аэротенках в 5-10 и более раз. Такая дисперсность активного ила позволяет резко увели­чить поверхность контакта активного ила со сточной водой, и, следовательно, повысить эффективность очистки.

- В МБР достаточно широко распространены нитчатые организмы. Концентра­ция нитчатых организмов в МБР, по сравнению с традиционными аэротенка-ми, выше в 10 и более раз. Эта форма бактерий позволяет получить наиболь­ший контакт со сточной водой (по сравнению, например, со сферическим хлопком), а также повысить эффективность очистки.

- Большая площадь контакта со сточными водами повышает эффективность сорбции активными илом трудноокисляемой и инертной органики, тяжелых металлов, микрозагрязнителей.

- Как известно, старый активный ил (более 15-20 сут.) достаточно плохо оседает во вторичных отстойниках, однако обладает лучшей, по сравнению с молодым активным илом (до 10 сут.), окисляющей способностью. С другой стороны, молодой активный ил хорошо флоккулирует и удовлетворительно оседает во вторичных отстойниках. В этой связи, при эксплуатации традиционных аэро-тенков предпочтение отдается молодому активному илу (до 10 сут). Так как мембранный биореактор не использует процесс осаждения, в сооружении создаются благоприятные условия для увеличения возраста активного ила и развития медленно растущих видов. Так, в зависимости от характера сточной воды, возраст активного ила в МБР колеблется от 15 до 150 сут.

- Бактерии - нитрификаторы относятся к медленно развивающимся организмам (старый активный ил). Широкое распространение данных видов в МБР обес­печивает эффективность нитрификации более 98-99%.

-    Медленно  растущие  микроорганизмы,  преобладающие  в  МБР, более эффективно разлагают трудноокисляемую органику.

3. Отказ от процесса гравитационного осаждения позволяет увеличить дозу ила. Доза ила в МБР колеблется от 8 до 30 г/л (в обычном аэротенке - до 3 г/л). Оптимальной считается концентрация 8-15 г/л. Высокие дозы ила позволяют достичь большой окисляющей мощности, что позволяет очищать более концентри­рованные сточные воды. Концентрация сточной воды по ХПК, подающейся в МБР, может достигать 5-7 г/л.

4. Концентрация активного ила в МБР ограничена условиями образования засоряющего слоя на поверхности мембран, а также возможностью эффективно снабжать активный ил кислородом.

5. Большая окисляющая способность позволяет сократить срок пребывания сточной воды в сооружении, что приводит к сокращению площади, занимаемой сооружением, в 2-4 раза по сравнению с системой «аэротенк - вторичный отстойник».

6. Высокие дозы активного ила позволяют снизить нагрузку на активный ил (кг загр. вещества/ кг акт. ила в единицу времени), что позволяет достичь высокой степени очистки сточной воды от трудноокисляемых веществ.

7. Низкие нагрузки на активный ил в МБР создают резерв окисляющей способности и повышают устойчивость биоценоза активного ила в отношении колебания состава сточных вод, пиковых нагрузок.

8. Вследствие развития медленно растущих микроорганизмов, прирост (продукция) активного ила значительно ниже, чем в традиционных аэротенках, где преобладает молодой ил. Это позволяет сократить объемы отгружаемого активного ила, и, следовательно, снизить стоимость процесса обезвоживания.

9. При высокой концентрации активного ила и большой вязкости смеси в мембранном резервуаре, фактическая влажность активного ила в МБР составляет 98,5 - 99%. Такая влажность позволяет направлять ил на обезвоживание непосредственно из резервуара.

10. Высокомолекулярные соединения, такие как протеины, которые с трудом разлагаются в традиционных аэротенках, задерживаются мембранами, при этом увеличивается их время пребывания в МБР и повышается эффективностьокисления этих веществ. В конце концов, неокисляемые соединения сбрасываются с избыточным активным илом, а не очищенной водой.

11. Процесс эксплуатации МБР может быть практически полностью автоматизирован.

12. В процессе фильтрации на поверхности мембраны образуется грязевой слой, состоящий из активной биомассы, макромолекулярных соединений, клеточных фрагментов. В результате на поверхности формируется дополнительный фильтрующий слой с эффективным размером пор, в несколько раз меньшим, чем размер пор самой мембраны. Грязевой слой участвует в биосорбции инертных, лекгоокисляемых и трудноокисляемых соединений. Активная биомасса грязевого слоя осуществляет разложение органических соединений. Вклад вышеуказанных процессов в общую эффективность удаления органических соединений, форм азота составляет до 20%, для инертных соединений - более 50%.

13. Значительная часть загрязнителей в системах биологической очистки окисляется ферментами, выделяемыми в среду микроорганизмами активного ила (внеклеточные ферменты). Данные макромолекулы не оседают во вторичном от­стойнике, а удаляются с осветленной водой. Микро- и ультрафильтрационные мем­браны обладают достаточно малым размером пор, чтобы задержать внеклеточные ферменты в биоректоре, что приводит к повышению окислительной мощности сооружения.

14. Вследствие того, что поры мембран имеют меньший размер, чем размеры клеток микроорганизмов, в МБР происходит частичное обеззараживание воды. Эффективность удаления бактерий составляет 99,999%, вирусов - 99,9%. Вода после МБР может быть сразу направлена на повторное использование для не питьевых целей. В случае необходимости дополнительного обеззараживания, дозы хлора, его производных или озона могут быть существенно снижены.

15. Недостатки МБР в основном связаны с засорением мембран в процессе работы. Концентрационная поляризация и механизмы засорения мембран могут привести к увеличению частоты регенерации мембран, во время которой фильтрация прекращается и требуются чистая вода и реагенты.