2. Мембранные биореакторы (мбр)
2.1. История развития мбр
Впервые идея мембранных биореакторов была реализована в конце 1960-х годов, как только мембраны ультрафильтрации (УФ) и микрофильтрации (МФ) стали доступны не только для научного, но и для коммерческого использования. Оригинальный процесс был внедрен корпорацией Dorr-Olivier – они использовали сочетание активного ила и мембранной фильтрации. Плоские листы мембраны, применяемые в этом процессе, были полимерными, величина пор от 0,003 до 0,01 мкм. Хотя идея замены традиционного отстойника активного ила была привлекательной, было трудно оправдать применение такого сложного процесса для очистки сточных вод из-за трех факторов: высокой стоимости мембран, низкой экономической стоимости товара (серых стоков), а также быстрой потери производительности мембраны из-за загрязнения ее пор. Из-за низкой окупаемости всех мембранных биореакторов первого поколения они нашли применение только на очень малой доле очистных сооружений с особыми потребностями, например, на отдельно стоящих горнолыжных курортах.
Прорыв в развитии мембранных биореакторов произошел в 1989 году, когда корпорация «Ямамото» решила погрузить мембраны непосредственно в биореактор. До тех пор все мембранные биореакторы были разработаны с разделением устройств и принцип их работы базировался на создании высокого трансмембранного давления для поддержания фильтрации, а это требовало поддержания большого расхода сточных вод.
Системы очистки с мембраной, погруженной в биореактор, работают при более низком расходе сточных вод и потребляют значительно меньшее количество энергии (энергопотребление может быть на два порядка ниже, чем у раздельных систем). В конфигурации с погружной мембраной важным параметром, влияющим на процесс очистки вод, является аэрация. Аэрация поддерживает твердые вещества в состоянии суспензии, очищает поверхности мембраны и обеспечивает кислородом биомассы, что приводит к лучшему биологическому разложению и клеточному синтезу.
Другим ключевым шагом в развитии последних мембранных биореакторов была идея использовать двухфазную пузырьковую жидкость для контроля загрязнения. Это позволило автоматизировать процессы очистки. Низкие эксплуатационные затраты, достигнутые при применении погружной конфигурации мембранного биореактора, наряду с устойчивым снижением стоимости мембраны, привели к значительному росту применения установок с середины 1990-х годов. С того времени конструкцию постоянно модифицировали, применялись улучшенные типы мембраны, проводились эксперименты по подбору оптимальной скорости потоков сточных вод и аэрируемого воздуха с целью увеличить срок службы мембраны. В последние годы была разработана процедура более четкого контроля рабочих параметров, а также внедрена обратная промывка, которая позволяет мембранным биореакторам устойчиво функционировать и затрачивать небольшое количество энергии, около 0,3 кВт·ч на м3продукта.
Тем не менее, несмотря на использование обратной промывки, производительность фильтрации мембранного биореактора неизбежно снижается в процессе эксплуатации. Это происходит из-за отложения растворимых и твердых частиц на и в мембране, что связано с взаимодействием между компонентами активного ила и мембраны. Это основной недостаток остается одной из наиболее сложных проблем, стоящих перед дальнейшим развитием мембранных биореакторов.
При любом мембранном фильтровании требуется периодическая чистка мембраны для восстановления ее исходных характеристик и снятия возможных органических и минеральных отложений. Промывка мембранного блока осуществляется с помощью циркуляционного насоса, который обеспечивает равномерное омывание мембран по всей их длине, что гарантирует одинаковую чистоту поверхности в любой точке. Промывка мембранного блока полностью автоматизирована. Она длится несколько часов и осуществляется несколько раз в год в качестве профилактической меры в автоматическом режиме.