Мембранни биореактори

Пречистването на отпадни води посредством мембранни биореактори към момента е сравнително нова технология, която се очаква в бъдеще да намира все по-голямо приложение.

Предпоставките за това не са малко. Сред тях са възможностите за пречистване както на битови, така и на промишлени отпадни води и фактът, че при използването й е възможно от схемата на пречистване на водата да отпаднат съоръжения, предназначени за отделяне на твърди частици чрез утаяване, като утаителите например.

С мембранните системи е възможно постигането на пълна дезинфекция на пречистваните отпадни води. Технологията е подходяща и за отстраняване на амоняк от промишлени отпадни води. След третирането в мембранен биореактор получената вода може директно да се използва за различни санитарни дейности като измиване на помещения например.

При пречистване на битови отпадни води получената пречистена вода е с достатъчно високо качество, за да може да бъде заустена директно в естествени водоеми или да се използва за напояване на зелени площи.

Особености на технологията
Традиционно използваните съоръжения за биологично пречистване на отпадните води се характеризират с редица недостатъци като голям обем на самите съоръжения и недостатъчна степен на очистване на водите, което налага използването на съоръжения за допълнително третиране на отпадните води.

От своя страна, мембранните технологии позволяват достигането на необходимото качество на пречистените води благодарение на съчетаването на биологично третиране с помощта на активна утайка и механична мембранна филтрация. По този начин се постига оптимално използване на предимствата на биологичните и мембранните процеси, като се изключват техните недостатъци.

Това, което отличава мембранните биореактори (MBR) от конвенционалните пречиствателни съоръжения за биологично пречистване с биобасейни, е наличието на мембранен блок.
Самият мембранен биореактор конструктивно представлява аериран биореактор с потопен или външен мембранен блок. Постъпващите в реактора отпадни води предварително преминават през механично пречистване.

Процесът на разделяне на пречистената вода и активната утайка се осъществява с помощта на микро- и ултрафилтрационни мембрани, чрез които се филтрира утайковата смес. Благодарение на мембранния модул концентрацията на активна утайка е много висока и се постига много добро пречистване на водите.
Мембранните технологии

позволяват увеличаване на количеството активна утайка
в реактора до два три пъти, което позволява да се повиши окислителната мощност на биореактора и да отпадне необходимостта от третиране на водата във вторични утаители и преминаването й през филтри за допречистване. В същото време, високата концентрация на утайки повишава производителността и позволява значително намаляване на размера на самия реактор, което намалява заеманата от него площ.

Получената пречистена вода с високо качество след реактора се отвежда за окончателно обеззаразяване, а активната утайка се връща обратно.

Високата концентрация на активна утайка в мембранните биореактори позволява също те да работят в условия на ниско натоварване, което създава резерв по отношение на окисляващата способност, повишава устойчивостта на активната утайка към колебания в състава на отпадните води и пикови натоварвания, гарантира постоянно качество на пречистване.

От друга страна, по-високата концентрация на активна утайка увеличава многократно окислителната мощност на съоръжението като цяло, което позволява третиране на висококонцентрирани отпадни води, съдържащи органични вещества.

Размерът на флокулите на активната утайка в мембранните биореактори е от 5 до 10 пъти по-малък в сравнение с конвенционалните биореактори. По този начин се постига по-голяма контактна зона между активната утайка и микроорганизмите в отпадните води, повишава се ефективността на поглъщане на инертни вещества, тежки метали, следи от замърсители от активната утайка.

Тъй като порите на мембраната са по-малки от размерите на клетките на микроорганизмите (по-специално бактериите), в реакторите протича частична дезинфекция на водата. Ефективността на отстраняване на бактерии е от порядъка на 99.999%, а на вируси - 99.9%. След мембранния биореактор пречистената вода може да бъде използвана директно за непитейни цели.

Устойчивост на промени в концентрацията на замърсителите
Известно е, че при стандартното решение биореактор – вторичен утаител, колебанията в активната утайка са основната причина за нарушаване на процеса на обработка особено на процеси като нитрификация и денитрификация.

Мембранните биореактори са устойчиви на промени в концентрацията на органични съединения, прахови частици, азотни съединения, както и на трудно окисляващи се вещества с промишлен произход, благодарение на възможността за работа с високи дози активна утайка.

Също така, при рязко увеличаване на натоварването с органични замърсители и неразтворени вещества, увеличаването на биомасата не води до необходимост от увеличаване на изхвърлянето на излишна активна утайка и не се наблюдават нарушения в процеса нитрификация.

Напорна и вакуумна филтрация
Филтрацията в мембранните системи протича под налягане или под действието на вакуум. В първия случай се използва помпа за подаване на отпадните води към мембранния блок, а във втория мембранният блок е потопен в биореактора и филтрацията протича под действието на вакуум, създаден на вътрешната повърхност на мембранното влакно.

Пречистената вода постъпва в напорен тръбопровод за обеззаразяване, а активната утайка остава в мембранния резервоар и се поддържа в суспендирано състояние с помощта на вградената в него система за аерация. Обикновено аерирането е чрез подаване на сгъстен въздух от въздуходувна станция.

Мембранни модули
В практиката се използват основно три вида мембранни модули – кухи, плоски и тръбни модули.

Плоските мембранни модули представляват две плоски мембрани, разделени от дренаж и запечатани по периметъра. Една от отличителните им характеристики е, че те могат да работят ефективно под влияние на гравитационните сили. По този начин те осигуряват оптимални експлоатационни характеристики и на тяхна база може да се проектира както цялостна (модулна), така и стационарна инсталация с висока производителност.

Конструкцията на тръбните мембранни модули е аналогична на устройството на тръбните топлообменници, което води до достатъчно ниска плътност и минимална склонност към замърсяване, а така също позволява и смяна на мембраната.

Към момента най-разпространени са кухите мембранни модули. Това се дължи преди всичко на високата им плътност, икономичност и износоустойчивост. Обикновено един такъв мембранен модул включва около 10-20 мембранни касети.

Във всяка касета са разположени от 5 до 15 снопа кухи мембранни влакна, които обикновено са с външен диаметър от около 2 mm и дължина 2 m. Всеки сноп се състои от 100 до около 1000 мембранни влакна и е оборудван с обща тръба за отвеждане на филтрата. Съвкупността от нишки формира мембранен модул с размер на порите обикновено от порядъка на 0,01-0,1 микрона.

Подобен малък размер на порите се явява физическа бариера за навлизане на организми от активната утайка с размер, по-голям от 0,5 микрона, което дава възможност за разделяне на активната утайка от отпадни води и намаляване на концентрацията на суспендираните твърди частици в пречистена вода до 1 mg/l или по-малко.

За изработка на мембранните модули се използват различни полимерни материали като полипропилен, полиетилен, поливинилхлорид, така също керамика и други. В зависимост от необходимата производителност, отделните мембранни модули могат да се обединят в мембранен блок. Броят на мембранните модули в блока може да бъде увеличено при необходимост от повишаване на производителността на системата.

Основни предимства и недостатъци на мембранните реактори
Сред посочваните предимства на мембранните биореактори са осигуряването на пълно филтриране на всички суспензии и примеси, съдържащи се в отпадните води. Отпада необходимостта от използването на реагенти за обеззаразяване на отпадните води.

Мембранните биореактори също така осигуряват устойчивост към изменението на качествата на отпадните води. Производителността може да бъде променяна, без това да оказва влияние на протичането на процеса.

Като основни недостатъци на тези биореактори обикновено се посочват високите експлоатационни разходи на самите мембрани поради необходимостта от периодично почистване и подмяна. Необходима е сложна система за управление. При увеличаване на съдържанието на активна утайка трудно се осигуряват необходимите условия на аерация.

Последните технически иновации и значителното намаляване на стойността на мембранните модули допринасят за нарастващата популярност на мембранни биореактори. За успешното прилагане на технологията свидетелства фактът, че на пазара се появяват нови мембранни реактори, както и повишаването на мощността на тези устройства.