Использование мембран осветления в биологической обработке сточных вод

Уважаемые коллеги!

Очередной выпуск нашей регулярной рассылки мы решили посвятить одной из самых спорных, но перспективных технологий водоочистки – мембранные биореакторы. Технология еще не отлажена на сто процентов, и имеются трудности, связанные с ее реализацией, однако, мы решили рассказать вам о том, чего следует ожидать от профессионалов в области водоочистки завтрашнего дня.

Мембраны для микро- или ультрафильтрации (УФ) могут заменять установки освет­ления сточной воды после ее биологической обработки свободными, смешанными, аэробными или анаэробными культурами в целях удаления флокул и даже отдельных бактерий. Преимущества обработки на мембранах:

• достижение идеальной очистки (осветления) независимо от состояния осадка и его индекса, так как мембрана способна задерживать даже несфлокулированные бактерии, в результате чего получают воду без ВВ (мутность 1 NTU). Одновременно происходит полное обеззараживание (удаление патогенов, та­ких как яйца гельминтов, бактерий и даже вирусов при использовании ультрафильтрационных мембран);
• избавившись от отстойника, можно увеличить концентрацию биомассы до 6-12 г/л. В результате при эквивалентной массовой нагрузке появляется возмож­ность уменьшить размер аэротенка в 2-4 раза по сравнению с аэротенком с использованием классического активного ила;
• отсутствие отстойника и наличие аэротенка меньшего размера значительно сокращают стоимость строительства и размер производственных площадей;
• возможность использовать свободную культуру с очень мелкими хлопьями, применяя, например, интенсивное перемешивание с помощью насосов. Оно способствует не только ликвидации проблем диффузии субстрата и кислорода внутрь хлопьев и более быстрой очистке, но и меньшему образованию осадка (особенно при обработке некоторых ПСВ);
• мембрана не пропускает некоторые макромолекулярные метаболиты, предотвращая тем самым их разрушение, благодаря чему конечная величина ХПК ока­зывается меньше, чем при использовании классического активного ила.

Совокупность этих преимуществ компенсирует чрезмерно большие капитальные и энергетические затраты, например, когда требования к очистке весьма жесткие (очень чувствительная среда водоема-приемника) или когда стремятся повторно использовать очищенную воду.

Основные группы мембранных биореакторов

Мембранные биореакторы подразделяются на две большие группы:

• биореакторы с внешними мембранами (расположенными снаружи аэротенка — рис. 1);
• биореакторы с погружными мембранами (расположенными в аэротенке — рис. 2).
   

Биореакторы с внешними мембранами

Рис. 1. Биореакторы с внешними мембранами

Мембраны расположены в камерах, которые могут монтироваться последо­вательно и/или параллельно. Мембраны могут быть трубчатыми или плоскими, органическими или минеральными с так называемым внутренним чулком (фи­льтрация осуществляется изнутри мембраны наружу). Большая концентра­ция ВВ, необходимая для биологической очистки, исключает так называемую фронтальную фильтрацию. В этом случае применяется касательная фильтра­ция (англ. crossflow). Фильтрация происходит за счет перепада давления внутри мембраны (со стороны задерживаемого потока) и снаружи (со стороны пермеата). Внутри мембраны достигается высокая скорость касатель­ного смыва (1-4 м/с при давлении 2-5 бар), что позволяет контролировать на­копление веществ на поверхности мембраны. Химическая чистка производится 2-4 раза в месяц.

Поток на фильтрацию может изменяться в пределах от 80 до 130 л/(ч*м2). За счет высокой механической стойкости керамических мембран (к величине pH и темпера­туре) разработанные компанией «Дегремон» реакторы BRM (от фр. Bioreacteuramembrane — мембранные биореакторы) хорошо адаптированы к обработке сложных ПСВ. Однако из-за потребления энергии (4- 8 кВт*ч/м3), обусловленного касатель­ной фильтрацией, а также необходимости предварительной обработки при наличии волокнистых материалов эти реакторы малопригодны для обработки ГСВ.

Биореакторы с погружными мембранами

Рис. 2. Биореакторы с погружными мембранами

Органические трубчатые или плоские мембраны с так называемым внешним чулком (фильтрация осуществляется снаружи мембраны вовнутрь) размещают­ся непосредственно в резервуаре с активным илом. Фильтрация происходит за счет гидростатического давления (рис. 38, б) или за счет создания вакуума (см. рис. 38, а). Контроль за накоплением веществ на поверхности мембран обес­печивается специальной аэрацией, дополненной фазами автоматической очистки (обратная промывка, остановка фильтрации. Часть расходуе­мого на такую аэрацию воздуха может снизить потребность биомассы в кислороде. При расположении мембран в специально предназначенном для них резервуаре необходимо наладить рециркуляцию из него в аэротенк. Если мембраны располо­жены в самом аэротенке, потребность в рециркуляции зависит от гидравлического режима (последовательная схема, схема полного перемешивания, поршневой ре­жим).

Модульная концепция этого способа позволяет применять его при реконструкции очистных сооружений: погружение мембран в существующий аэротенк (увеличе­ние производительности или повышение качества очистки).

Поток воды на фильтрацию составляет 15-30 л/(ч*м2). Рабочее давление низкое, порядка 2-5 м вод. ст. Химическая чистка, требующая остановки части ступеней фильтрации, происходит 2-3 раза в год.

Завершая рассказ о мембранных биореакторах, хотелось бы добавить, что в настоящее время ученые активно осваивают эту технологию в лабораторных условиях, однако, говорить о повсеместном применении биореакторов для доочистки стоков еще рано. Реализация таких проектов в промышленных масштабах требует больших материальных затрат. К тому же, пока не до конца решены дополнительные задачи, связанные, например, с утилизацией химических реагентов, участвующих в очистке самих мембран.

Тем не менее, технологии не стоят на месте, и возможно уже в ближайшем будущем мы станем свидетелями изменения подходов к очистке стоков в пользу более совершенных и экономически целесообразных.

При написании статьи использовались материалы пособия: «Технический справочник по обработке воды», том 1, СпБ: Новый журнал