Перспективные технологии очистки сточных вод от биогенных компонентов. Мембранная технология

В настоящее время в связи с развитием мембранных технологий разработано новое поколение биологической очистки сточных вод – мембранные биореакторы (MBR). Мембранный биореактор представляет собой сооружение, где процесс биологической очистки осуществляется в аэротенке, а процесс илоотделения на вторичных отстойниках заменён на установки ультрафильтрации [1]. Технология MBR является достаточно гибкой и позволяет менять свою конфигурацию в зависимости от конкретных требований.

Мембрана, применительно к очистке сточных вод – простой материал, позволяющий некоторым физическим и химическим компонентам проходить через него более легко, чем другим. Таким образом осуществляется селективность мембраны, так как ее материал является проницаемым для некоторых составляющих смеси (пермеат), а некоторые отклоняет (эти составляющие образуют ретентат) (рисунок 1).

Рис. 1. Схема мембраны

Степень селективности мембраны зависит от размеров ее пор. Самая грубая мембрана, применяемая в микрофильтрации (МФ), может отклонить взвешенные частицы. Наиболее селективная мембрана применяется в обратном осмосе, она способна задержать однозарядные (одновалентные) ионы, такие как натрий (Na⁺) и хлор (Cl^-). Учитывая то, что гидравлический диаметр этих ионов составляет менее 1 нм, можно сделать вывод о малых размерах пор мембран ОО. Более того, они видны только с использованием наиболее мощных микроскопов.

Существует 4 процесса мембранного разделения, в которых вода образует пермеат – это обратный осмос, нанофильтрация, ультрафильтрация и микрофильтрация. Таким образом, вид мембраны можно определить в зависимости от необходимого типа разделения, который влияет на размер пор мембраны. Размер пор может быть определен либо через эффективный эквивалентный диаметр пор, как правило в мкм, либо через эквивалентную массу наименьшей отторгаемой молекулы, в дальтонах (Да), где 1 Да представляет массу атома водорода. Для определения главных мембранных процессов используют давление, чтобы заставить воду проходить через мембрану.

Спектр возможных мембранных процессов приведен в таблице, вместе с кратким содержанием механизмов, по которым работает каждый из процессов [2].

Таблица

Непористые и пористые мембраны в очистке воды

Рациональное применение мембран в системах водоснабжения и водоотведения ограничивается процессами давления и электродиализа, с помощью которого могут быть извлечены такие ионы, как нитрат, а также ионы, связанные с жесткостью и минерализацией. Мембранные технологии являются автоматизированными, в них преобладает управляемое давление, и в то время, как мембрана в зависимости от своей селективности и механизмов разделения может варьироваться от одного процесса к другому, все эти процессы имеют общие черты – очищенный пермеат и концентрированный задержанный ретентат.

Применение ультрафильтрации, использующейся в мембранных биореакторах (MBR), позволяет увеличить дозу активного ила до 8-10 г/л при отсутствии проблемы выноса активного ила из узла илоотделения. Использование мембранного узла способствует увеличению эффективности биологического удаления соединений азота и фосфора при обработке низкоконцентрированных стоков. Кроме того, создаётся стабильность нитрификации при наличии залповых сбросов от промышленных предприятий. Увеличение содержания биомассы в системе даёт возможность сократить размеры узла биологической очистки. Мембранные резервуары также занимают в несколько раз меньший объём, чем вторичные отстойники.

Также одним из немаловажных факторов, положительно выделяющих мембранные технологии при очистке сточных вод, является снижение затрат на аэрацию, что достигается путём совершенствования систем аэрации, позволяющих снижать энергозатраты до 0,25 кВт-ч/м³ обрабатываемой жидкости.

Сегодня существует две основные конфигурации схем мембранного биореактора: погружённые в биореактор вакуумные мембраны и фильтрация под давлением в боковом потоке (рисунок 2).

А – с погружённой в биореактор мембраной; В – фильтрация в боковом потоке
Рис. 2. Схемы устройства мембранного биореактора

Несмотря на то, что вариант с мембранным блоком, расположенным в боковом потоке, является более энергоёмким, он имеет ряд преимуществ:

• лучшие условия для эксплуатации со стороны проведения операции по промывке мембраны, химическая промывка может осуществляться без потенциальной опасности для биомассы в аэротенке;
• эксплуатационные затраты на техническое обслуживание и простой мембранного блока ниже; мембранные блоки более доступны и могут быть заменены за гораздо меньший временной промежуток;
• возможна эксплуатация при низком энергопотреблении в случае, если мембраны сконфигурированы с работой «эйр-лифта», но при этом требуется несколько большая площадь самой мембраны.

Как правило, в технологии MBR применяют три различные мембранные конфигурации:

• плоский лист;
• полое волокно;
• многоканальный.

Существуют два основных типа материала мембран – полимерные и керамические. Также есть и металлические мембранные фильтры, но их применение очень специфично и не подходит для технологии МБР. Материал мембраны должен иметь особую структуру, которая позволит пермеату проходить через нее.

Для формирования мембран используется множество полимерных и керамических материалов. Основное требование – тонкий поверхностный слой, обеспечивающий требуемую селективную проницаемость, находится поверх более открытого и толстого слоя пористой положки, обеспечивающего механическую устойчивость. Таким образом, мембрана имеет анизотропную структуру и имеет симметрию только в плоскости, ортогональной к мембранной поверхности. Полимерные мембраны изготавливаются с целью получения высокой пористости поверхности, или % общей суммы площадей поперечного сечения поверхностей пор, а также плотного распределения пор по размерам, для обеспечения максимально высокой пропускной способности пермеата и отторжения ретентата.

Кроме того, мембрана должна обладать механической прочностью (иметь структурную целостность) и иметь некоторую устойчивость к термическому и химическому воздействию (перепадам температур, изменению pH, концентраций окислителя, которые обычно возникают при химической чистке мембран), и в идеале должны выражать некоторое сопротивление к засорениям.

Несмотря на то, что для формирования мембраны можно использовать любой полимер, лишь ограниченное их число обеспечивают должную работу мембранного разделения. Наиболее распространены:

• Поливинилидендифтоид (PVDF);
• Полиэтилсульфон (PES);
• Полиэтилен (PE);
• Полипропилен (PP).

Все вышеуказанные полимеры могут быть сформированы с помощью конкретных технологий производства материалов мембран, они могут иметь желательные физические свойства и достаточную химическую стойкость. Однако, он также являются гидрофобными, что делает их восприимчивыми к обрастанию гидрофобными веществами, которые содержатся в жидкости биореактора, которую они фильтруют. Обычно это вызывает необходимость модификации поверхности подложного материала для приобретения свойства гидрофильности. Для этого применяют химическое окисление, органические химические реакции, плазменную обработку или пересадку. Именно этот фактор отличает материал мембран от другого продукта, сформированного из того же полимера. Процессы модификации, способы изготовления, используемые для изготовления мембраны из полимера (наиболее часто – PVDF), а также способы изготовления мембранного модуля в большинстве случаев являются внутренней информацией производителей.

Снижение проницаемости мембран может быть вызвано её загрязнением или закупоркой каналов растворёнными, коллоидными и мелкими твёрдыми веществами. Для предотвращения снижения проницаемости мембран и их эффективности необходимо с определённой периодичностью осуществлять промывку.

Очистка мембраны может быть как физическая, химическая, так и комбинированная. Физическая промывка осуществляется, как правило, с помощью обратного потока через мембрану. При химической промывке используют гипохлорит натрия в комбинации с органическими кислотами (лимонная кислота).

Наиболее перспективным и эффективным будет применение технологии MBR в следующих случаях:

• очистка низкоконцентрированных стоков;
• необходимо получить максимальную эффективность очистки стоков;
• зона строительства или реконструкции очистных сооружений имеет строго ограниченную площадь или требуется максимально сократить зону очистных сооружений.

Основными недостатками мембранных биореакторов являются их стоимость капитального строительства, необходимость полной автоматизации процесса, необходимость иметь высококвалифицированный обслуживающий персонал, так как стабильное некачественное обслуживания приведёт к большим финансовым затратам и снижению качества очистки сточных вод.