Autor: Kate
Email:kate@aquasust.com
Dátum: 4. decembra 2024
1. Prehľad procesu MBR
MBR (membránový bioreaktor)je membránová technológia biologického čistenia používaná pri úprave vody. Ide o systém, ktorý kombinuje technológiu membránovej separácie a technológiu biologického čistenia odpadových vôd. Je uznávaná ako jedna z najpokročilejších a najúčinnejších technológií čistenia odpadových vôd a obnovy zdrojov na svete.
Technológia MBR využíva separačnú funkciu membrán, čím nahrádza sekundárne sedimentačné nádrže tradičných procesov s aktivovaným kalom, pieskové filtre, dezinfekčné jednotky a ďalšie komponenty membránovými separačnými zariadeniami. Využíva mikrofiltračné/ultrafiltračné (MF/UF) membrány na priame filtrovanie odpadovej vody z prevzdušňovacej nádrže. Suspendované pevné látky v zmesi aktivovaného kalu sú úplne zadržané a recirkulované späť do reaktora. V dôsledku toho sa môže predĺžiť vek kalu, zvýšiť koncentrácia kalu a znížiť zaťaženie kalu. To urýchľuje mikrobiálnu degradáciu znečisťujúcich látok, výrazne zlepšuje účinnosť čistenia odpadových vôd a zaisťuje, že kvalita odpadovej vody je nielen stabilná a spoľahlivá, ale spĺňa aj vysokokvalitné štandardy regenerovanej vody. Je obzvlášť vhodný na modernizáciu čistiarní odpadových vôd v Číne, aby spĺňali nové normy vypúšťania stanovené v roku 2011, ako aj na opätovné použitie priemyselných odpadových vôd.
Mikrofiltrácia/ultrafiltrácia (MF/UF)membrány majú veľkosť pórov a medzné rozsahy molekulovej hmotnosti. Vo všeobecnosti je veľkosť pórov ultrafiltračných membrán medzi 0.01 až 0,1 μm, s medznou hodnotou molekulovej hmotnosti (MWCO) 5,000 až 500,{{ 9}} Dalton. Nominálna hodnota MWCO mikrofiltračných membrán, ktoré sa zvyčajne používajú pri čistení odpadových vôd, sa pohybuje od 30,{11}} do 800,{13}} Daltonov.
2. Výhody MBR membrán
MBR ponúka významné výhody, ktorým sa iné samostatné biologické procesy nedokážu vyrovnať:
1.Vynikajúca a stabilná kvalita odpadových vôd
Prejavuje sa to vysokou účinnosťou separácie tuhých látok a kvapalín. Pevné látky v odpadovej vode sa môžu takmer vždy udržiavať blízko nuly a nie sú ľahko ovplyvnené faktormi, ako je rozklad kalu alebo zväčšovanie objemu kalu v krátkodobom horizonte.
2.Kompaktný dizajn reaktora
Reaktor je kompaktnejší, pretože môže normálne fungovať pri vysokých koncentráciách kalu, čo vedie k vysokej účinnosti odstraňovania organických látok pri úspore miesta. Nie je potrebný systém sekundárnej sedimentačnej nádrže.
3.Vhodné na kultiváciu aeróbnych nitrifikačných baktérií
Systém zvyšuje nitrifikačnú kapacitu aeróbnej zóny. To sa odráža vo vysokej účinnosti odstraňovania amoniakálneho dusíka, ktorá zostáva stabilná počas dlhého obdobia.
4.Kompletné oddelenie doby zadržania hydrauliky a doby zadržania kalu
Úplné oddelenie hydraulického retenčného času reaktora (HRT) a retenčného času kalu (SRT) umožňuje flexibilnejšie riadenie prevádzky.
5.Vysoká mikrobiálna koncentrácia a silná odolnosť proti nárazu
Mikrobiálna koncentrácia v reaktore je vysoká a má silnú odolnosť voči nárazovému zaťaženiu. S dlhým vekom kalu membránová separácia zaisťuje, že veľké, ťažko rozložiteľné molekuly v odpadovej vode majú dostatočný retenčný čas v rámci biologicky obmedzeného objemu reaktora. To výrazne zlepšuje účinnosť degradácie nepoddajných organických látok. Reaktor pracuje pri vysokom objemovom zaťažení, nízkom zaťažení kalom a dlhom starnutí kalu, čo pomáha účinne znižovať vypúšťanie kalu.
3. Budúce trendy vývoja MBR membrán
1.Dôležitá úloha technológie MBR pri čistení odpadových vôd
V posledných rokoch skúsenosti ukázali, že technológia MBR je vyspelá a úspešný dizajn a prevádzka sú dosiahnuteľné. Môže sa použiť na čistenie komunálnych odpadových vôd aj priemyselných odpadových vôd. Preto, ako sa technológia MBR neustále vyvíja a dozrieva, očakáva sa, že bude široko celosvetovo používaná ako ekonomicky efektívna a praktická technológia.
2.Vyhliadky na aplikáciu MBR
Primárnou aplikáciou pre MBR by malo byť čistenie komunálnych odpadových vôd, najmä preto, že mestá vyžadujú malé plochy pôdy na čistenie odpadových vôd. Vysokokvalitné odpadové vody môžu byť znovu použité alebo slúžiť ako predúprava pre nanofiltráciu a reverznú osmózu a musia byť splnené prísne normy pre vypúšťanie.
Technológia MBR je účinná aj pri čistení priemyselných odpadových vôd, ako sú odpadové vody zo spracovania potravín, odpadové vody z bitúnkov a výluh zo skládok. Preukázala vynikajúcu účinnosť odstraňovania látok narúšajúcich endokrinný systém (EDS) vo výluhoch zo skládok a dokáže odstrániť dusičnany v pitnej vode (s rýchlosťou odstraňovania až 98,5 %).
3.Kontrola znečistenia membrány
Je potrebný ďalší výskum mechanizmov znečistenia membrán, najmä štúdium biologického znečistenia. Efektívnejšia, ovládateľná a minimalizovaná membrána mali by sa vyvinúť zanášacie riešenia. Malo by sa plne preskúmať použitie počítačovej a senzorovej technológie na online kontrolu znečistenia membrány. Pri zlepšovaní metód čistenia by sa mala venovať osobitná pozornosť používaniu bezpečných chemikálií.
4.Výber štruktúry a materiálov membrán na základe typu odpadovej vody
Štruktúra a materiály membrán by mali byť správne zvolené podľa typu odpadovej vody. Mali by sa prijať nové energeticky účinné, vysokovýkonné membránové materiály a modulové zostavy. Mala by sa podporovať integrácia aeróbnych a anaeróbnych systémov MBR. Okrem toho by sa mali plne využiť matematické modely a počítačová technológia na optimalizáciu prevádzkových parametrov, aby sa dosiahla lepšia kvalita odpadovej vody, čím sa proces stane hospodárnejším a efektívnejším.
4. Princíp fungovania MBR membrán
V praktických inžinierskych aplikáciách sa častejšie používa ponorený proces MBR (Membrane Bio-Reactor) a priemyselné skúsenosti s týmto typom systému sú relatívne zrelé. Preto tento typ MBR použijeme ako príklad na analýzu. Všeobecný princíp je nasledovný:
Surová voda vstupuje do bioreaktora, kde sa organická hmota oxiduje a rozkladá vysokokoncentrovaným zmiešaným aktivovaným kalom. Pod membránovým modulom je prevzdušňovací systém, ktorý nielenže zabezpečuje dostatočné množstvo rozpusteného kyslíka (DO) pre mikroorganizmy v miešanej kvapaline, ale tiež podporuje dôkladné premiešanie. Miešanie spôsobené bublinami má spolu s cirkulačným prúdom vytvoreným na povrchu membrány čistiaci a šmykový účinok na povrch membrány, čím účinne zabraňuje nevratnému usadzovaniu škodlivín na povrchu membrány za neumelých podmienok. Upravená voda je potom nasávaná cez samonasávacie čerpadlo a oddelená membránou, pričom kvapalná fáza prechádza cez membránu a je vypúšťaná zo systému.
Typicky má proces MBR niekoľko kľúčových prevádzkových parametrov, vrátane membránového toku, koeficientu permeability, miery retencie a polarizácie koncentrácie.
1.Membránový tok
Membránový tok (J) sa týka množstva materiálu, ktorý prejde cez jednotku plochy membrány za jednotku času. Zvyčajne sa vyjadruje v jednotkách SI ako [m³/(m²·s)] alebo zjednodušene na m/s. V praktických technických výpočtoch sa na meranie toku často používajú iné ako SI jednotky, ako napríklad LMH (litre na meter štvorcový za hodinu) s jednotkami [L/(m²·h)]. Typická membrána MBR, ktorá spĺňa všeobecné požiadavky na čistenie odpadových vôd, má LMH najmenej 10 l/(m²·h).
Faktory ovplyvňujúce tok membránou zahŕňajú hnaciu silu pre prenos hmoty, odpor membrány, stav prúdenia privádzaného roztoku na strane membrány (ekvivalent odporu hraničnej vrstvy) a rozsah znečistenia membrány.
2.Koeficient priepustnosti
Koeficient priepustnosti (Lp) membrány predstavuje množstvo materiálu, ktorý prejde membránou za jednotku času a jednotku plochy pod jednotkovým tlakom. Jednoducho sa vyjadruje ako membránový tok pri jednotkových tlakových podmienkach. Koeficient priepustnosti je jedným z hlavných parametrov hodnotenia aktuálneho výkonu membrány.
3. Miera zadržania
V procese membránovej separácie sa kvapalina prechádzajúca cez membránu nazýva permeát a kvapalina zadržaná membránou sa nazýva retentát. Retenčná rýchlosť sa používa na charakterizáciu separačnej účinnosti membrány, vrátane pozorovanej/uvádzanej retenčnej rýchlosti (Robs) a skutočnej/vlastnej retenčnej rýchlosti (Ract). Jeho definícia je nasledovná:
Kde Cp a Cb predstavujú koncentrácie rozpustenej látky v permeáte, respektíve napájacom roztoku, ktoré možno priamo merať. Avšak kvôli rozpusteným látkam, ktoré sa zadržiavajú a priľnú k povrchu membrány, je koncentrácia rozpustenej látky (Cm) na povrchu membrány vyššia ako priemerná koncentrácia napájacieho roztoku. Skutočná miera zadržania je teda:
Hodnota Cm nie je vo všeobecnosti priamo merateľná a je potrebné ju odhadnúť pomocou výpočtového modelu.
4.Polarizácia koncentrácie
Počas skutočných procesov riadených tlakom sa membránový tok v priebehu času často znižuje a mení sa aj miera retencie rozpustenej látky. Hlavnou príčinou tohto javu je polarizácia koncentrácie a zanášanie membrány.
Koncentračná polarizácia sa týka javu, pri ktorom za podmienok riadených tlakom rozpúšťadlo v privádzanom roztoku voľne prechádza cez membránu, zatiaľ čo rozpustené látky sú zadržiavané membránou. Prúd rozpúšťadla neustále prenáša rozpustené látky na povrch membrány, čo spôsobuje akumuláciu rozpustenej látky na membráne. V dôsledku toho sa koncentrácia rozpustenej látky (Cm) na povrchu membrány postupne zvyšuje, čo vedie ku koncentračnému gradientu, ktorý spôsobuje reverznú difúziu z povrchu membrány do privádzaného roztoku. Po období stabilizácie, keď sa prietok napájacieho roztoku k povrchu membrány rovná reverznej difúzii, sa vytvorí stabilná koncentračná polarizačná hraničná vrstva. Podmienku úplnej retencie vyjadruje nasledujúca rovnica:
Pomer Cm/Cb sa nazýva koncentračný polarizačný pomer. Čím je pomer vyšší, tým je pre membránovú separáciu nepriaznivejší.
Membránový tok (J) sa meria ľahšie, ale k je pomer koeficientu difúzie k hrúbke hraničnej vrstvy. Hodnota k súvisí s podmienkami prúdenia na povrchu membrány a možno ju vypočítať pomocou bezrozmernej korelácie prenosu hmoty alebo určiť experimentálne. Metódy na stanovenie hodnôt k možno nájsť v práci Zemana a Zydneyho (1996).
