Avtor: Kate
Email:kate@aquasust.com
Datum: 4. december 2024
1. Pregled procesa MBR
MBR (membranski bioreaktor)je tehnologija membranskega biološkega čiščenja, ki se uporablja pri čiščenju vode. Gre za sistem, ki združuje tehnologijo membranske separacije in tehnologijo biološkega čiščenja odpadne vode. Priznana je kot ena najnaprednejših in najučinkovitejših tehnologij za čiščenje odpadne vode in pridobivanje virov na današnjem svetu.
Tehnologija MBR uporablja funkcijo ločevanja membran in nadomešča sekundarne sedimentacijske rezervoarje tradicionalnih procesov z aktivnim blatom, peščene filtre, enote za dezinfekcijo in druge komponente z napravami za ločevanje membran. Uporablja mikrofiltracijske/ultrafiltracijske (MF/UF) membrane za neposredno filtriranje odplak iz prezračevalne posode. Suspendirane trdne snovi v mešanici aktivnega blata se v celoti zadržijo in ponovno krožijo nazaj v reaktor. Posledično se lahko podaljša starost blata, poveča koncentracija blata in zmanjša obremenitev blata. To pospešuje mikrobno razgradnjo onesnaževal, znatno izboljša učinkovitost čiščenja odpadne vode in zagotavlja, da kakovost odpadne vode ni samo stabilna in zanesljiva, temveč tudi izpolnjuje standarde visokokakovostne predelane vode. Posebej je primeren za nadgradnjo čistilnih naprav na Kitajskem, da bodo izpolnili nove standarde izpustov, določenih leta 2011, kot tudi za ponovno uporabo industrijske odpadne vode.
Mikrofiltracija/ultrafiltracija (MF/UF)membrane imajo velikost por in mejna območja molekulske mase. Na splošno je velikost por ultrafiltracijskih membran med 0.01 do 0,1 μm, z mejno vrednostjo molekulske mase (MWCO) od 5,000 do 500,{{ 9}} Dalton. Nominalni MWCO mikrofiltracijskih membran, ki se običajno uporabljajo pri čiščenju odpadne vode, je od 30,000 do 800,000 daltonov.
2. Prednosti MBR membran
MBR ponuja znatne prednosti, s katerimi se drugi samostojni biološki procesi ne morejo kosati:
1.Odlična in stabilna kakovost odplak
To se kaže v visoki učinkovitosti ločevanja trdno-tekoče. Lebdeče trdne snovi v odpadni vodi je skoraj vedno mogoče vzdrževati blizu ničle, nanjo pa kratkoročno težko vplivajo dejavniki, kot sta razgradnja blata ali zbiranje blata.
2.Kompaktna zasnova reaktorja
Reaktor je bolj kompakten, ker lahko normalno deluje pri visokih koncentracijah blata, kar ima za posledico visoko učinkovitost odstranjevanja organskih snovi ob prihranku prostora. Sistem sekundarnega usedalnika ni potreben.
3.Ugodno za gojenje aerobnih nitrificirajočih bakterij
Sistem poveča nitrifikacijsko zmogljivost aerobne cone. To se odraža v visoki učinkovitosti odstranjevanja dušika iz amonijaka, ki ostane stabilna v daljšem obdobju.
4.Popolna ločitev hidravličnega zadrževalnega časa in zadrževalnega časa blata
Popolna ločitev hidravličnega zadrževalnega časa reaktorja (HRT) in zadrževalnega časa blata (SRT) omogoča bolj prilagodljiv nadzor delovanja.
5.Visoka koncentracija mikrobov in močna odpornost na udarne obremenitve
Koncentracija mikrobov v reaktorju je visoka in ima močno odpornost na udarne obremenitve. Z dolgo starostjo blata membranska separacija zagotavlja, da imajo velike, težko razgradljive molekule v odpadni vodi dovolj časa zadrževanja v biološko omejeni prostornini reaktorja. To močno izboljša učinkovitost razgradnje neposlušne organske snovi. Reaktor deluje pri visokih volumetričnih obremenitvah, nizkih obremenitvah z blatom in dolgim staranjem blata, kar pomaga učinkovito zmanjšati izpust blata.
3. Prihodnji razvojni trendi MBR membran
1.Pomembna vloga tehnologije MBR pri čiščenju odpadne vode
V zadnjih letih so izkušnje pokazale, da je tehnologija MBR zrela in da sta uspešna zasnova in delovanje dosegljiva. Uporablja se lahko za čiščenje komunalnih in industrijskih odpadnih voda. Ker se tehnologija MBR še naprej razvija in dozoreva, se pričakuje, da se bo široko uporabljala po vsem svetu kot ekonomsko učinkovita in praktična tehnologija.
2.Obeti za aplikacijo MBR
Primarna uporaba MBR bi morala biti čiščenje komunalne odpadne vode, zlasti zato, ker mesta potrebujejo majhna zemljišča za čiščenje odpadne vode. Visokokakovostne odpadne vode je mogoče ponovno uporabiti ali služiti kot predobdelava za nanofiltracijo in reverzno osmozo, izpolnjeni pa morajo biti strogi standardi za izpust.
Tehnologija MBR je učinkovita tudi pri čiščenju industrijskih odpadnih voda, kot so odpadne vode iz predelave hrane, odpadne vode iz klavnic in izcedne vode z odlagališč. Dokazal je odlično učinkovitost odstranjevanja snovi, ki povzročajo endokrine motnje (EDS) v izcedni vodi z odlagališč in lahko odstrani nitrate v pitni vodi (s stopnjo odstranitve do 98,5 %).
3.Nadzor obraščanja membrane
Potrebne so nadaljnje raziskave mehanizmov obraščanja membran, zlasti preučevanje biološkega obraščanja. Bolj učinkovita, nadzorovana in minimizirana membrana treba je razviti rešitve za obraščanje. Treba je v celoti raziskati uporabo računalniške in senzorske tehnologije za spletni nadzor obraščanja membran. Pri izboljšanju metod čiščenja je treba posebno pozornost nameniti uporabi varnih kemikalij.
4.Izbira membranske strukture in materialov glede na vrsto odpadne vode
Struktura in materiali membrane morajo biti pravilno izbrani glede na vrsto odpadne vode. Sprejeti je treba nove energetsko učinkovite, visoko zmogljive membranske materiale in sklope modulov. Spodbujati je treba integracijo aerobnih in anaerobnih sistemov MBR. Poleg tega je treba v celoti uporabiti matematične modele in računalniško tehnologijo za optimizacijo delovnih parametrov, da se doseže boljša kakovost odplak, zaradi česar je postopek bolj ekonomičen in učinkovit.
4. Načelo delovanja MBR membran
V praktičnih inženirskih aplikacijah se pogosteje uporablja postopek potopljenega MBR (membranskega bioreaktorja), industrijske izkušnje s to vrsto sistema pa so relativno zrele. Zato bomo to vrsto MBR uporabili kot primer za analizo. Splošno načelo je naslednje:
Surova voda vstopi v bioreaktor, kjer se organske snovi oksidirajo in razgradijo z mešanim aktivnim blatom visoke koncentracije. Pod membranskim modulom je prezračevalni sistem, ki ne le zagotavlja zadostno količino raztopljenega kisika (DO) za mikroorganizme v mešani tekočini, ampak tudi spodbuja temeljito mešanje. Vznemirjenje, ki ga povzročajo mehurčki, skupaj s kroženjem, ki se oblikuje na površini membrane, ima učinek praskanja in striženja na površini membrane, kar učinkovito preprečuje nepovratno odlaganje onesnaževal na površino membrane v neumetnih pogojih. Očiščena voda se nato črpa skozi samosesalno črpalko in loči z membrano, tekoča faza pa gre skozi membrano in se izpusti iz sistema.
Običajno ima proces MBR več ključnih operativnih parametrov, vključno s pretokom membrane, koeficientom prepustnosti, stopnjo zadrževanja in polarizacijo koncentracije.
1.Membranski tok
Membranski pretok (J) se nanaša na količino materiala, ki prehaja skozi enoto površine membrane na enoto časa. Običajno je izražen v enotah SI kot [m³/(m²·s)] ali poenostavljeno na m/s. V praktičnih inženirskih izračunih se za merjenje pretoka pogosto uporabljajo enote, ki niso SI, kot je LMH (litri na kvadratni meter na uro), z enotami [L/(m²·h)]. Tipična MBR membrana, ki izpolnjuje splošne zahteve glede čiščenja odpadne vode, ima LMH vsaj 10 L/(m²·h).
Dejavniki, ki vplivajo na pretok membrane, vključujejo gonilno silo za prenos mase, upor membrane, stanje pretoka dovodne raztopine na strani membrane (enakovredno uporu mejne plasti) in obseg umazanije membrane.
2.Koeficient prepustnosti
Koeficient prepustnosti (Lp) membrane predstavlja količino materiala, ki prehaja skozi membrano na enoto časa in enoto površine pod enoto pritiska. Preprosto je izražen kot membranski pretok pri pogojih enotnega tlaka. Koeficient prepustnosti je eden glavnih parametrov za ocenjevanje trenutne učinkovitosti membrane.
3. Stopnja zadrževanja
V procesu membranskega ločevanja se tekočina, ki prehaja skozi membrano, imenuje permeat, tekočina, ki jo zadrži membrana, pa retentat. Stopnja zadrževanja se uporablja za karakterizacijo učinkovitosti ločevanja membrane, vključno z opaženo/sporočeno stopnjo zadrževanja (Robs) in dejansko/intrinzično stopnjo zadrževanja (Ract). Njegova definicija je naslednja:
Pri čemer Cp in Cb predstavljata koncentraciji topljenca v permeatu oziroma napajalni raztopini, ki ju je mogoče neposredno izmeriti. Vendar pa je koncentracija topljenca (Cm) na površini membrane višja od povprečne koncentracije napajalne raztopine zaradi zadrževanja topljencev in lepljenja na površino membrane. Zato je dejanska stopnja zadrževanja:
Vrednost Cm na splošno ni neposredno merljiva in jo je treba oceniti z uporabo računalniškega modela.
4.Polarizacija koncentracije
Med dejanskimi procesi, ki jih poganja tlak, se membranski pretok sčasoma pogosto zmanjša, spremeni pa se tudi stopnja zadrževanja topljenca. Glavni vzrok tega pojava je koncentracijska polarizacija in umazanija membrane.
Koncentracijska polarizacija se nanaša na pojav, pri katerem v pogojih, ki jih poganja tlak, topilo v dovodni raztopini prosto prehaja skozi membrano, medtem ko membrana zadrži raztopljene snovi. Tok topila nenehno prenaša topljence na površino membrane, kar povzroča kopičenje topljenca na membrani. Posledično se koncentracija topljenca (Cm) na površini membrane postopoma povečuje, kar vodi do koncentracijskega gradienta, ki povzroči povratno difuzijo s površine membrane v dovodno raztopino. Po obdobju stabilizacije, ko je pretok napajalne raztopine na površino membrane enak obratni difuziji, se oblikuje stabilna koncentracijska polarizacijska mejna plast. Pogoj popolne retencije je izražen z naslednjo enačbo:
Razmerje Cm/Cb imenujemo koncentracijsko polarizacijsko razmerje. Višje kot je razmerje, bolj neugodno je za ločevanje membrane.
Membranski tok (J) je lažje izmeriti, vendar je k razmerje med difuzijskim koeficientom in debelino mejne plasti. Vrednost k je povezana s pogoji toka na površini membrane in jo je mogoče izračunati z uporabo korelacije brezdimenzijske številke prenosa mase ali določiti eksperimentalno. Metode za določanje vrednosti k lahko najdete v članku Zemana in Zydneyja (1996).
