Мембранные биореакторы для очистки сточных вод

Реферат

Мембранные  биореакторы для очистки сточных  вод

2010

СОДЕРЖАНИЕ

Перечень  терминов и сокращений

Сточные воды –  по ГОСТ 17.1.1.01-77 – воды, отводимые  после использования в бытовой  и производственной деятельности человека.

Очистка сточных  вод – по ГОСТ 17.1.1.01-77 – обработка  сточных вод с целью разрушения или удаления из них определенных веществ.

Аэробный процесс  очистки сточных вод – процесс  разрушения органических веществ микроорганизмами в присутствии кислорода воздуха.

Аэротенк – сооружение для биологической очистки сточных вод с аэрацией воздухом.

Активны ил –  ил, содержащий микроорганизмы, которые  сорбируют и разлагают загрязняющие  вещества в сточных водах.

Мембрана –  жесткая селективно-проницаемая  перегородка, разделяющую массообменный  аппарат на две рабочие зоны, в  которых поддерживаются различные давления и составы разделяемой смеси.

КОС – канализационное  очистное сооружение.

УФС— устройство фильтрующее самоочищающееся.

БПК - биологическое потребление кислорода.

СВ – сточные  воды.

MLSS - максимальное стабильное содержание лактата.

Введение

Вода - ценнейший  природный ресурс. Она играет исключительную роль в процессах обмена веществ, составляющих основу жизни. Огромное значение вода имеет в промышленном и сельскохозяйственном производстве. Общеизвестна необходимость ее для бытовых потребностей человека, всех растений и животных. Для многих живых существ она служит средой обитания.

Потребности в  воде огромны и ежегодно возрастают. Так, например, в России почти 500 кубических метров воды на человека расходуется  ежегодно. Для сравнения: в мире этот показатель составляет 200-250 кубических метров воды на человека в год [1]. Ежегодный расход воды на земном шаре по всем видам водоснабжения составляет 3300-3500 км³ [2].

Много воды потребляют химическая и целлюлозно-бумажная промышленность, черная и цветная металлургия. Развитие энергетики также приводит к резкому  увеличению потребности в воде. Значительное количество воды расходуется для потребностей отрасли животноводства, а также на бытовые потребности населения. Большая часть воды после ее использования для хозяйственно-бытовых нужд возвращается в реки в виде сточных вод.

Дефицит пресной воды уже сейчас становится мировой проблемой. Все более возрастающие потребности промышленности и сельского хозяйства в воде заставляют все страны, ученых мира искать разнообразные средства для решения этой проблемы.

На современном  этапе определяются такие направления рационального использования водных ресурсов: более полное использование и расширенное воспроизводство ресурсов пресных вод; разработка новых технологических процессов, позволяющих предотвратить загрязнение водоемов и свести к минимуму потребление свежей воды.

1. Очистка сточных вод. Этапы

Очистка сточных  вод - комплекс мероприятий по удалению загрязнений, содержащихся в бытовых и промышленных сточных водах. Обычно осуществляется в КОС установках [3]. .

Очищение происходит в  несколько этапов:

• механический;
• биологический;
• физико-химический;
• иногда дезинфекция сточных вод.
1. Механический этап

Производится  предварительная очистка поступающих на очистные сооружения сточных вод с целью подготовки их к биологической очистке. На механическом этапе происходит задержание нерастворимых примесей.

Сооружения для механической очистки сточных вод:

• решётки (или УФС) и сита;
• песколовки;
• первичные отстойники;
• мембранные элементы;
• септики.

Для задержания крупных загрязнений органического и минерального происхождения применяются решётки и для более полного выделения грубодисперсных примесей - сита. Максимальная ширина прозоров решётки составляет 16мм. Отбросы с решёток либо дробят и направляют для совместной переработки с осадками очистных сооружений, либо вывозят в места обработки твёрдых бытовых и промышленных отходов.

Затем стоки проходят через песколовки, где происходит осаждение мелких частиц (песок, шлак, бой стекла т. п.) под действием силы тяжести и жироловки, в которых происходит удаление с поверхности воды гидрофобных веществ путём флотации. Песок из песколовок обычно складируется или используется в дорожных работах.

В последнее время мембранная технология становится перспективным способом при очистке сточных вод. Очистка сточных вод с использованием прогрессивной мембранной технологии применяется в комплексе с традиционными способами, для более глубокой очистки стоков и возврата их в производственный цикл.

Очищенные таким образом  сточные воды переходят на первичные отстойники для выделения взвешенных веществ. Снижение БПК составляет 20-40%.

В результате механической очистки удаляется до 60-70% минеральных загрязнений, а БПК₅ снижается на 30%. Кроме того, механическая стадия очистки важна для создания равномерного движения сточных вод (усреднения) и позволяет избежать колебаний объёма стоков на биологическом этапе.

2. Биологический этап

Биологическая очистка предполагает деградацию органической составляющей сточных вод микроорганизмами (бактериями и простейшими).

На данном этапе происходит минерализация сточных вод, удаление органического азота и фосфора, главной целью является снижение БПК₅.

Могут использоваться как аэробные, так и анаэробные микроорганизмы.

С технической точки зрения различают несколько вариантов  биологической очистки. На данный момент основными являются активный ил (аэротенки), биофильтры и метантенки (анаэробное брожение).

Первичные отстойники, куда на этом этапе попадает вода, предназначены  для осаждения взвешенной органики. Это железобетонные резервуары глубиной пять метров и диаметром 40 и 54 метра. В их центры снизу подаются стоки, осадок собирается в центральный приямок проходящими по всей плоскости дна скребками, а специальный поплавок сверху сгоняет все более легкие, чем вода, загрязнения, в бункер.

Также в биологической  очистке, после первичных отстойников, существует вторая линия радиальных отстойников. Это илососы. Они предназначены для удаления активного ила со дна вторичных отстойников очистных сооружений промышленных и хозяйственных стоков.

3. Физико-химический этап

Для улучшения  параметров очистки могут быть применены  различные химические методы, как, например, дополнительная седиментация фосфора солями Fe и Al, хлорирование, озонирование, а также физико-химические методы, такие как электрофлотация.

4. Дезинфекция сточных вод

Для окончательного обеззараживания сточных вод  предназначенных для сброса на рельеф местности или в водоем применяют установки ультрафиолетового облучения.

Для обеззараживания  биологически очищенных сточных  вод, наряду с ультрафиолетовым облучением, которое используется, как правило, на очистных сооружениях крупных городов, применяется также обработка хлором в течение 30 минут.

Хлор уже  давно используется в качестве основного  обеззараживающего реагента практически  на всех очистных станциях городов. Поскольку хлор довольно токсичен и представляет опасность очистные предприятия многих городов уже активно рассматривают другие реагенты для обеззараживания сточных вод такие как гипохлорит, дезавид и озонирование.

2. Мембранные технологии очистки сточных вод

Промышленные мембранные установки должны соответствовать следующим требованиям [4], которые необходимо учитывать на стадии проектирования:

• большая рабочая поверхность мембран на единицу объема установки;
• простота монтажа и обслуживания системы;
• жидкость при движении по мембранным элементам должна распределяться равномерно и обладать достаточно высокой скоростью течения для уменьшения вредного воздействия концентрационной поляризации;
• обеспечивать минимальный перепад давления в установке (потеря напора питающего потока);
• обладать герметичностью, коррозионной стойкостью и достаточным запасом механической прочности для работы аппарата при повышенных давлениях и с агрессивными химическими средами.

Создать оборудование, полностью удовлетворяющее всем перечисленным выше требованиям, невозможно, следовательно, для каждого конкретного мембранного процесса проектируется установка такой конструкции, которая обеспечит оптимальные условия ведения процесса разделения / концентрирования.

Мембранные  установки имеют основные четыре типа, различающиеся по способу расположения мембран:

• установки с плоскими мембранными элементами;
• установки с трубчатыми мембранными элементами;
• установки с мембранными элементами рулонного типа;
• установки с половолоконными мембранами.

Во всех установках для ведения мембранных процессов могут быть использованы как мембраны с жесткой структурой (керамические) так и уплотняющиеся мембраны (полимерные).

Ниже представлены наиболее распространенные области  применения мембранных технологий для  очистки сточных вод, основные рабочие диапазоны мембран, а также стандартные энергетические затраты и степень извлечения для различных мембранных процессов.

Необходимо  отметить, что за последние годы наблюдается тенденция снижения рабочего давления для всех мембранных процессов, за исключением электродиализа. Ожидается, что рабочие давления будут и дальше снижаться по мере разработки новых мембран.

1. Сферы применения мембранных технологий в водоочистке

В таблице 1 приведены  сферы применения мембран в различных  видах очистки сточных вод, а также представлено краткое описание технологий  соответствующих процессов.

Таблица 1. Сферы  применения мембранных технологий водоочистке

2. Характеристики мембранных процессов

В таблице 2 представлены основные рабочие диапазоны мембран а также материал и конфигурация мембранных элементов, используемых при проведении разных мембранных процессов.

Таблица 2. Характеристики мембранных процессов

3. Стандартные энергетические затраты и степень извлечения

В таблице 3 представлены стандартные энергетические затраты и степень извлечения для различных мембранных процессов.

Таблица 3.Стандартные  энергетические затраты и степень  извлечения

3. Очистка сточной воды с применением технологии MBR

Биологические методы давно и успешно используются как основной метод очистки хозяйственно-бытовых  сточных вод и фекальных стоков. Биологическая очистка широко применяется  как для очистки коммунальных сточных вод больших городов, так и для частных домов. Основой конструкции биологической очистки сточных вод является биореактор, где происходит переработка или утилизация загрязнений. В зависимости от типов загрязнений сточной воды в биологической очистке сточных вод применяются аэробные способы, анаэробные или совмещенные. Помимо биореактора в биологической очистке сточных вод используется набор дозирующего оборудования, насосного оборудования, емкостного и т.д. Как правило, биологическая очистка коммунальных сточных вод представляет собой типовые решения, отличающиеся друг от друга производительностью.

Промышленные  сточные воды отличаются от коммунальных сточных вод. Соответственно, подход и конструкция биологической  очистки коммунальных сточных вод не подходит для применения в очистки производственных сточных вод. Состав производственных сточных вод разнообразен в зависимости от типа производства и других факторов. Подбор технологии и конструкции биологической очистки производственных стоков требует индивидуального подхода к каждому проекту. В большинстве случаев биологическая очистка является лишь одним из этапов в общей технологии очистки промышленных сточных вод.

В настоящее  время с развитием мембранных технологий появилось новое поколение биологической очистки – мембранные биореакторы (MBR). Конструкция мембранного биореактора представляет собой совмещение стандартного биореактора с ультрафильтрационной установкой. Для биологической очистки промышленных сточных вод мембранные биореакторы имеют значительные преимущества перед обычными биореакторами.

Основные сравнительные  характеристики классического и  мембранного биореакторов отражены в таблице 4 [5].

Таблица 4. Сравнение классического и мембранного биореакторов для биологической очистки сточных вод

Основные преимущества внедрения технологии мембранных биореакторов:

- повышение эффективности  и надежности очистных сооружений;

- повышение производительности  очистных сооружений за счет  увеличения концентрации активного  ила в аэротенках;

- создание компактных очистных сооружений, благодаря замене вторичного отстаивания и фильтрации на фильтрах различного типа на мембранную доочистку;

- снижения объема избыточного  активного ила.

Рисунок 1. Схема обычной очистки с применением активного ила (сверху) и очистки с применением мембранного биореактора (снизу)

Кроме перечисленных  преимуществ в применении мембранного  биореактора для очистки любых  сточных вод необходимо отметить следующее. После классического  биореактора очищенная вода требует  дополнительной фильтрации и обеззараживания (рисунок 1). В настоящее время для обеззараживания очищенной сточной воды после классического биореактора используют добавление гипохлорита натрия или ультрафиолетовые лампы. Гипохлорит натрия вызывает необходимость использования сорбционных фильтров на конце технологии, а ультрафиолетовые лампы не дают необходимой эффективности обеззараживания. Мембранный биореактор решает данные проблемы высокой степенью надежности.

Использование мембранных биореакторов является наиболее перспективным направлением для очистки промышленных сточных вод.

4. Мембранный биореактор

Технология MBR это комбинирование различных биохимических и мембранных процессов. Мембранный биореактор сочетает в себе процессы микрофильтрации и ультрафильтрации, а также процесс аэробной биологической очистки сточных вод.

Рисунок 2. Схема, описывающая процессы в МBR

Мембраны (трубчатые, половолоконные и плоскорамные элементы) служат в MBR в качестве барьера, дающего возможность очищать воду от содержащихся в ней загрязнений с высокой селективностью (высокомолекулярные соединения, взвешенные вещества, микроорганизмы активного ила и пр.) (рисунок 2). В зависимости от технологических задач мембранный биореактор [6] может использоваться как на этапе финишной очистки (до стадии обеззараживания), так и для предочистки перед нанофильтрацией и обратным осмосом при необходимости обессоливания очищенной воды.

Применение  мембранных биореакторов:

- очистка сточных  вод промышленных предприятий;

- очистка сточных  вод молокозаводов и маслосырзаводов;

- очистка поверхностные  сточных вод;

- промышленная очистка воды текстильного производства;

- очистка сточных  вод птицефабрик.

Рисунок 3. Схема мембранного биореактора по версии

Технопарка РХТУ им Д.И. Менделеева:

1 - реактор, 2 - аэратор, 3 - половолоконные мембраны, 4 - воздух,

5 - очищенная вода, 6, 9 - насосы, 7 - манометр, 8 – фильтрат

Рисунок 4. Схема мембранного биореактора по версии

компании Siemens

В настоящее время  на рынке представлены установки очистки сточных вод, в основу работы которых заложены многоступенчатые схемы. Это связано с тем, что классические биологические методы без дополнительных блоков доочистки не обеспечивают требуемого качества очистки сточных вод. Так, например, по нормативным требованиям для сброса очищенных стоков в рыбохозяйственные водоемы значение БПК_полн должно быть не более 3,0 мг/л, а биологическими методами очистки можно добиться значений БПК_полн всего 10 - 15 мг/л.

Предел качества очистки  по биологической технологии связан с неизбежным выносом активного ила вместе с очищенной водой. Вынос активного ила приводит к вторичному загрязнению очищенной сточной воды и требует применения специальных методов ее доочистки.

Доочистка в классической технологии производится на механических и сорбционных фильтрах с применением различных реагентов (коагулянтов, флокулянтов, щелочи, дезинфектантов, биогенных добавок, биопрепаратов и т.д.).

Лимитирующим фактором при использовании фильтров доочистки  является малый ресурс фильтрующих  загрузок, связанный с их быстрым  биообрастанием, заиливанием и выходом из строя, приводящим к проскокам загрязняющих веществ.

Термин «многоступенчатая доочистка», преподносимый поставщиками как синоним эффективности, по сути, означает обратное - технологическое несовершенство установок, их сложность, ненадежность и, в конечном итоге, неспособность устойчиво обеспечивать качество очистки сточных вод в соответствии с нормативными требованиями, предъявляемыми российским законодательством.

Альтернативой технологии биологической очистки с многоступенчатой доочисткой и постоянным вводом реагентов является современная мембранно-биологическая технология с использованием мембранного биореактора (MBR).

Задача обеспечения  нормативов качества очищенной сточной  воды для объектов локального водоотведения  не получила удовлетворительного решения при эксплуатации классических проточных систем биологической очистки. Многолетний негативный опыт эксплуатации таких сооружений вызывает необходимость применения для очистки сточных вод принципиально новых технологий.

Технологический прорыв в этом направлении произошел около пятнадцати лет назад, когда в области очистки сточных вод появились мембранные биореакторы (MBR).

В основу действия биореактора  положен синтез биотехнологии и  технологии разделения водных суспензий  на ультрафильтрационных полимерных мембранах.

Рисунок 5. Схема мембранного биореактора по версии

компании ЗАО «АКВАМЕТОСИНТЕЗ»

Система МБР состоит  из аэротенка и мембранного модуля, оборудованного половолоконными ультрафильтрационными  мембранами. Обрабатываемые сточные воды поступают в аэротенк. Находящаяся в аэротенке иловая смесь циркулирует через мембранный модуль. Ультрафильтрационные мембраны служат для повышения концентрации активного ила в аэротенке и глубокой очистки обрабатываемых сточных вод. Аэротенк в системе MBR работает с высокой концентрацией активного ила, поэтому его размеры в 2-3 раза меньше размеров классического проточного аэротенка.

Аэрирование осуществляется сжатым воздухом с помощью аэрационных  систем (воздуходувок). В зависимости  от требуемой производительности мембранные модули объединяются в мембранный блок. Число мембранных модулей в блоке может быть увеличено при возникновении необходимости повышения производительности системы.

Применяемое в системах MBR касательное фильтрование иловой смеси предотвращает ее забивание, т. е. накопление на ней отложений (бактерий). Такое движение иловой смеси обеспечивается циркуляционным насосом с производительностью, значительно выше расхода подлежащей обработке сточной воды. Возможность регулирования расхода и давления в циркуляционном контуре позволяет наладить полноценное управление процессом мембранного фильтрования при максимальной его эффективности. Кроме этого, реализация режима касательного фильтрования имеет положительные последствия в отношении биологии всей системы. Постоянное омывание мембран диспергирует очищающие бактерии, которые более не образуют плотные флоккулы, а потому возможность их прямого контакта с загрязнениями и кислородом значительно увеличивается. Из этого следует, что соотношение активных бактерий и окисляемых загрязнений оказывается большим в системе MBR, чем это обычно встречается в классической системе с активным илом.

Микроорганизмы активного  ила не выносятся из системы MBR, поэтому биореактор работает в условиях высокой концентрации биомассы значительного возраста. Кроме этого, постоянная циркуляция приводит к механическому воздействию на оболочки бактерий. Именно поэтому основная потребляемая бактериями энергия используется не для размножения (как это происходит в классических биотехнологиях), а расходуется для поддержания жизнедеятельности, что приводит к снижению прироста избыточной активной биомассы.