Мембранный биореактор (MBR) и системы обратного осмоса

Мембранный биореактор обеспечивает эффективную предварительную очистку благодаря системе обратного осмоса.

Джон Кох и Антония фон Готтберг (перевод Е. Гузеева)

Повторное использование очищенных сточных вод для таких полезных целей, как сельскохозяйственный и ландшафтный полив, производственные процессы, использование в качестве смывной воды в туалетах или пополнение бассейнов грунтовых вод, набирает обороты в условиях экологических и экономических проблем.

Одним из ключевых факторов для повторного использования очищенных сточных вод является необходимость в снижении общего содержания растворенных твердых веществ. Это, как правило, достигается путем использования системы обратного осмоса, которая основана на перепадах давления, чтобы пропустить раствор (в данном случае воду) через мембрану, которая удерживает растворенное вещество с одной стороны и выпускает чистый растворитель на другую сторону.

Поскольку биологически очищенные сточные воды чрезвычайно эффективны, системы обратного осмоса должны быть объединены с системой предварительной очистки, чтобы избежать типичных проблем, которые могут привести к отказу системы, в том числе засорение, загрязнение и образование отложений. Одним из наиболее эффективных вариантов предварительной очистки сточных вод является технология мембранного биореактора, в которой мембранные процессы ультрафильтрации (UF) или микрофильтрации сочетаются с суспензионной культурой биореактора. Мембранный биореактор обеспечивает высокое качество очищаемой воды, подаваемой в систему обратного осмоса, минимизирует размеры и стоимость строительных работ, а также снижает простои очистных сооружений, тем самым снижая эксплуатационные расходы.

Технология погруженного мембранного биореактора PURON производства Koch Membrane Systems была успешно использована в качестве предварительной очистки промышленных и муниципальных вод для систем обратного осмоса, и может помочь сделать технологии оборотного использования воды более рентабельными.

Системы обратного осмоса являются проблемой для повторного использования воды.

Методы предварительной очистки имеют решающее значение при проектировании систем обратного осмоса. Например, мембраны в системе обратного осмоса, используемые для большинства установок повторного использования воды, содержат соляную прослойку, сделанную, как правило, полиэтиленовой сетки низкой плотности. Если в очищаемой воде содержится высокий уровень взвешенных твердых частиц, эта соляная прослойка может засориться.

Другая проблема заключается в большом количестве органических веществ, содержащихся во многих биологически очищенных сточных водах, которые отторгаются мембранами обратного осмоса и постепенно концентрируются по мере того, как вода просачивается через мембраны. Эта концентрация органических веществ может засорить мембраны, особенно, это касается выпускного отверстия системы обратного осмоса. Органическое загрязнение может также иметь место из-за органических веществ в сточной воде, являющихся отличным источником пищи для микроорганизмов. Кроме того, некоторые очищенные сточные воды содержат высокий уровень бактерий, поэтому биообрастание может проходить быстро, даже если очищаемая вода в системе обратного осмоса обеззараживается.

Наконец, отложения из фосфата кальция могут вызвать проблемы с системой обратного осмоса при работе со сточными водами. Уменьшить отложения можно при работе с минимальным использованием отработанной воды с применением кислоты или другого антискаланта (ингибитора осадкообразования) или коррекцией условий эксплуатации установки по очистке сточных вод для уменьшения количества фосфата во впускном отверстии обратного осмоса.

Проблемы с засорением, загрязнением и образованием отложений говорят о том, что система обратного осмоса должна эксплуатироваться при более высоком давлении, что приводит к увеличению потребления энергии, увеличению затрат на химикаты для очистки и сокращению срока службы мембран.

Каким образом можно свести к минимуму эти проблемы и уменьшить расходы на весь цикл по очистке воды? Эффективная предварительная очистка очищаемой воды прежде чем она проходит через систему обратного осмоса является ответом на этот вопрос, при условии, что этапы предварительной очистки тщательно подобраны, чтобы гарантировать работу системы обратного осмоса надлежащим образом.

Варианты предварительной очистки перед обратным осмосом

Существует много вариантов предварительной очистки, лучшие варианты для конкретного технологического процесса зависят от затрат на мощность, химикаты, рабочую силу и землю, источник сточной воды и имеющуюся систему очистки сточных вод.

Традиционная предварительная очистка

Традиционная схема предварительной очистки сточных вод может включать в себя первичную очистку, биологическую очистку и наиболее важную часть процесса — разделение жидкости от твердых частиц путем вторичной очистки воды. Обычный процесс отстаивания, как правило, недостаточно очищает от бактерий и взвешенных частиц, поэтому возможна обработка на песчаном фильтре для улучшения процесса разделения жидкости от твердых частиц и обеспечения более высокого качества воды перед подачей в систему обратного осмоса. Использование хлорида железа наряду с песчаным фильтром может привести к содержанию в сточной воде большого количества твердых взвешенных веществ и удалению органических веществ. Однако, сбои во время вторичной очистки воды могут привести к большому содержанию в воде взвешенных твердых частиц и БПК (биологическое потребление кислорода), вызывая тем самым засорение соляной прослойки взвешенными твердыми частицами и биологическим обрастанием. Также потребление энергии системой обратного осмоса с таким типом предварительной очистки имеет тенденцию быть высоким, а срок службы мембраны часто весьма коротким.

Известковое водоумягчение представляет собой довольно эффективный метод защиты мембран обратного осмоса, однако, влечет за собой увеличение эксплуатационных расходов, при этом, не предотвращая полностью засорения мембран обратного осмоса.

Ультрафильтрация, как предварительная очистка перед обратным осмосом, улучшает очищение от взвешенных твердых частиц

Многие современные системы оборотного использования воды применяют ультрафильтрацию (УФ) в качестве этапа предварительной очистки для удаления взвешенных твердых частиц. Эти системы, как правило, используют половолоконные ультрафильтрационные мембраны, которые отлично справляются с очищением воды от взвешенных твердых частиц перед загрузкой в систему обратного осмоса. Однако система ультрафильтрации является дополнительным этапом очищения, требующим дополнительной площади и больших расходов. Система ультрафильтрации может также быть восприимчива к сбоям традиционной установки по очистке сточных вод, что в дальнейшем может увеличить эксплуатационные расходы.

Использование мембранного биореактора в качестве предварительной очистки перед обратным осмосом

В мембранном биореакторе ультрафильтрационные мембраны погружены в активный ил для совмещения этапов биологического очистки и разделения жидкости от твердых частиц в единый процесс. Мембраны служат в качестве барьера, который улучшает качество очищенных сточных вод. Мембранный биореактор исключает этап вторичной очистки воды и не зависит от разделения жидкости и твердых частиц, что, таким образом, позволяет активному илу работать с большей концентрацией взвешенных твердых частиц в смеси сточных вод. Увеличенная концентрация взвешенных твердых частиц в смеси сточных вод уменьшает объем резервуара биореактора, экономя затраты на площадь и капитальное строительство. В целом, мембранный биореактор значительно сокращает необходимость в большой площади по сравнению с сочетанием традиционной установки с активным илом с последующей фильтрацией через песчаный фильтр или ультрафильтрацией. Экономия площади за счет установки по очистке сточных вод может составить не меньше 50%, наряду с дополнительной экономией площади путем исключения других фильтрационных этапов.

Кроме того, использование технологии мембранного реактора упрощает весь процесс очистки, сокращая количество операций.

Преимущества технологии мембранного биореактора PURON производства Koch MembraneSystems

Погруженный половолоконный УФ модуль PURON производства Koch Membrane Systems предлагает надежные, экономически-эффективные решения для предварительной очистки перед обратным осмосом. Запатентованный мембранный модуль содержит полые волокна, нижние концы которых закреплены в основании. Верхние концы закупорены по отдельности и двигаются свободно из стороны в сторону, как показано на Рисунке 1. Модуль PURON погружен в смесь сточных вод. Все твердые вещества и частицы остаются на внешней стороне волокон, в то время как пермеат протекает вовнутрь посредством вакуума, который откачивает пермеат через внутреннюю часть полого волокна.

   РОСЭКО-СТРОЙПРОЕКТ

Рисунок 1. Пучок мембраны

  • Sealed fibers – закупоренные волокна
  • Single header – единичный коллектор
  • Solids and activated sludge – твердые частицы и активный ил
  • Central aeration – центральная аэрация
  • Treated water – очищенная вода
  • Treated water drawn through fibers under vacuum – под действием
  • акуума очищенная вода просачивается через волокна
  • Braided support – оплетка
  • Membrane surface – поверхность мембраны
  • Solids and activated sludge remain outside the hollow fiber – твердые частицы и активный ил остаются на внешней стороне полых волокон
  • Treated water – очищенная вода

Свободно двигающиеся волокна в сочетании с центральной аэрацией для очистки обеспечивают стабильный процесс фильтрации в течение работы установки, а также длительный срок службы мембран и снижение эксплуатационных расходов в связи с сокращением потребности в энергии, очистке и обслуживании.

   РОСЭКО-СТРОЙПРОЕКТ   РОСЭКО-СТРОЙПРОЕКТ

Рисунок 2. УФ Модуль PURON для мембранного биореактора

Эффективное использование мембранного биореактора в производственных процессах

Мембранный биореактор PURON успешно использовался в качестве этапа предварительной очистки для ряда сложных промышленных систем по очистке сточных вод. Например, бельгийская компания, изготавливающая химикаты для обработки пленки и печати, использует большое количество пресной воды для очистки и производства. Компания начала практиковать оборотное использование сточной воды для уменьшения расходов на пресную воду и для этого они выбрали систему обратного осмоса для получения воды с низким содержанием соли и азота, необходимую для технологического процесса. Компания установила погруженный половолоконный мембранный биореактор PURON для этапа предварительной очистки перед системой обратного осмоса, и эта система работает без сбоев с 2005 года.

Другой пример представлен австралийской солопроизводящей компанией, которая стремилась уменьшить потребление пресной воды путем рециркуляции сточных вод. В качестве предварительной очистки была избрана технология мембранного биореактора PURON, поскольку он обеспечивал высокое качетво воды перед загрузкой в систему обратного осмоса и сокращал общие расходы на эксплуатацию. Система обратного осмоса MegaMagnum восстанавливает очищенные мембранным биореактором сточные воды и делает их пригодными для повторного использования. Система работает с 2006 года. В действительности, пермеат обратного осмоса по качеству не уступает местному питьевому водоснабжению, а порой даже лучше.

Площадь и стоимость

Площадь, необходимая под очистительные установки, является одной из основных проблем при разработке лучшей системы очистки сточных вод. Поскольку система мембранного биореактора PURON уменьшает объем резервуара и исключает процесс вторичной очистки, площадь под систему мембранного биореактора значительно меньше, чем под систему третичной очистки с песчаным фильтром или ультрафильтрацией. Если пространство ограничено, мембранный биореактор является единственным выбором для предварительной очистки, который поместиться в доступное пространство.

Другие факторы включают в себя стоимость земли, строительных работ, оборудования, электропитания, химикатов, рабочей силы и срок окупаемости. Высокая стоимость земли и строительных работ, как правило, склоняет к применению мембранного биореактора. Для крупных городских очистных сооружений, требующих использование системы обратного осмоса в качестве конечного этапа очистки, мембранный биореактор, как этап предварительной очистки перед обратным осмосом, выигрывает в сравнении с традиционными системами очистки сточных вод. Через 20 лет анализов муниципалитет должен обеспечивать экономию от сокращения замены мембран обратного осмоса и энергии благодаря этапу предварительной очистки на мембранном биореакторе. Для промышленных компаний, заинтересованных в коротком сроке окупаемости, выбор между традиционной технологией или мембранным биореактором будет зависеть от относительной стоимости строительных работ и земли в сравнении со стоимостью оборудования.

Применение системы обратного осмоса для восстановления и повторного использования сточных вод быстро распространяется, и технология мембранного биореактора PURON производства Koch Membrane System в качестве предварительной очистки является выбором все большего числа промышленных и городских предприятий, практикующих повторное использование сточной воды. Погруженные мембранные модули PURON обеспечивают высокое качество воды перед загрузкой в систему обратного осмоса, сводят к минимуму размеры и стоимость строительных работ, уменьшают восприимчивость процесса очистки в системе обратного осмоса к сбоям.

PURON является торговым знаком компании Koch Membrane Systems GmbH, зарегистрирован в Австрии, в странах Бенилюкса, Канаде, Китае, Германии, Италии, Омане, Саудовской Аравии, Испании, Тайване и Великобритании.

MegaMagnum является зарегистрированным товарным знаком компании Koch Membrane Systems в США и других странах.