Мембранни биореактори

алтернатива за пречиствателните станции

Това, което отличава мембранните биореактори (MBR) от традиционните системи за биологично пречистване с биобасейни, е наличието на мембранни модули. Те са алтернатива от по-висок клас на използваните в конвенционалното пречистване утаители и дезинфекциращи устройства. Така MBR осъществяват високотехнологично пречистване на отпадъчните води чрез комбиниране на биологична обработка с активна утайка и механична мембранна филтрация. Технологията има много предимства, което я нарежда сред предпочитаните при избора на оборудване за пречиствателни станции за широка гама промишлени и битови отпадъчни води. Днес MBR технологиите са в активен процес на доразработване и справяне с редица предизвикателства, което ще направи практическото им приложение още по-ефективно и икономически изгодно.

За водата като ресурс в световен мащаб се очертава тенденцията към нарастване на количествата промишлени и битови отпадни води от една страна, и увеличаване на нуждите от питейни води от друга. Очаква се в бъдеще все по-голям процент от населението на Земята да изпитва недостиг на вода или да страда от незадоволителното є качество. По тази причина технологиите за пречистване на води са сред най-важните за нашето време. Различните решения имат своите предимства и недостатъци за отделни приложения. Най-важното обаче е, че разработването на нови технологии дава възможност за избор. Една от най-обещаващите алтернативни технологии в тази област е биопречистването, съчетано с мембранна филтрация.

Какво представляват мембранните биореактори?
Съоръженията за мембранно сепариране на активната биологична утайка и суспендираните вещества, които все по-широко се използват за третиране на битови и промишлени отпадъчни води, се наричат мембранни биореактори (MBR). В тях се осъществява комбинация от биологично третиране на потока с активна утайка и мембранни процеси за отделяне на замърсяващите компоненти чрез микро- и ултрафилтрация под налягане. Активната утайка е съвкупност от микроорганизми, които при определени условия използват замърсяващите вещества като източник на хранителни вещества, вода, въглероден диоксид и енергия в процесите на биологично окисление и синтез на нови клетки. Мембраните, използвани в тези реактори, са с размер на порите обикновено от 10nm до 0.5μm, за да осигурят отделяне и на най-малките свободни органични и неорганични частици от отпадъчните води. Необходимо е периодично да се промиват и подменят. Отделената активна утайка се връща обратно в процеса, като се поддържа възрастта на микроорганизмите. Излишъците от утайката се сепарират и третират по специални технологии като отпадъци.

Технологията на MBR е много привлекателна, поради факта, че изключва утаителите (избистрителите), пясъчните филтри и дезинфекцията, използвани след аератора в конвенционалните системи за третиране с активни утайки, които постигат сепариране на твърдите частици единствено чрез гравитация. Физическата бариера, наложена от мембранните системи в MBR, осигурява пълна дезинфекция на пречистваните отпадъчни води. Освен това, те позволяват експлоатация при по-високи концентрации на утайките (обикновено до 20g/l, вместо максималното 6g/l при конвенционалните системи).

За съжаление, MBR технологията обикновено е свързана с по-високи общи експлоатационни разходи, поради високата цена на енергията и необходимостта от периодична подмяна на мембраните. Това са важни фактори, ограничаващи приложението на мембранните биореактори, особено в градските пречиствателни станции. За всяка пречиствателна станция екип от квалифицирани експерти избира най-целесъобразната технология сред най-добрите налични техники (BAT), доказали ефективността си в практиката, като се вземат предвид множество фактори (например еквивалент жители, степен на замърсеност на отпадъчните води, чувствителност на водните зони, в които ще се заустват пречистените води, изисквания за водни емисии, възможности за инвестиции, разходи за експлоатация и други).

Развитие на MBR системите
След първоначалното им въвеждане в края на 60-те години на 20в., MBR технологиите за пречистване на отпадъчни води получават бързо развитие 20 години по-късно. В първоначалния си вид, в който са съществували до края на 80-те години, мембранните системи за пречистване са били включвани към системите за третиране на води като допълнителна стъпка в страничен контур за рециркулация на утайката. Използвали са се органични или керамични тубуларни мембрани. Заради високата им консумация на енергия до тогава тези технологии са били насочени към малки и специализирани пазарни приложения, като например третиране на отпадни води на борда на кораби, на инфилтрати от депа за отпадъци или на промишлени отпадъчни води. В началото на 90-те години е направен голям пробив за намаляване на енергийните разходи при MBR, чрез концепцията за потапяне на мембранните модули, които работят при по-ниско налягане. Това проправя пътя към значително намаляване на първоначалните и оперативните разходи, поради намаляване и опростяване на оборудването и отпадане на енергийно зависимия страничен контур за рециркулация на утайката.

Днес преобладават два вида технологии на потопени мембранни модули на пазара на MBR. При единия модел мембранните модули са във вид на фиксирани в рамки листове или плочи, а при другия представляват кухи влакна (тубули). Съществуват и комбинации между тях. Освен потопените в биореактора мембранни модули днес продължават да се развиват и модификации извън реактора. Поради силното развитие на полимерните и нанотехнологиите, изследователските институти за мембранни технологии навсякъде по света започнаха да представят алтернативи на органичните и керамичните мембрани. Така че можем да очакваме през следващите години тези иновативни продукти да намалят цените на мембраните и да увеличат ефективността на MBR технологиите, с което интереса към тях на пазара да нарасне. Първият пилотен мащабен европейски проект на потопени мембранни биореактори в пречиствателна станция за общински отпадъчни води влиза в действие през 1996г. в Кингстън Сиймор, Великобритания. Най-голямата градска пречиствателна станция за отпадни води с мембранни биореактори в Германия е построена през 2004г. и е предназначена за 80 000 еквивалент жители. Така капацитетът на инсталацията нараства от няколко хиляди до десетки хиляди еквивалент жители само за няколко години.

Особености в приложенията за битови и за промишлени отпадни води
До 2010г. в Европа са въведени в експлоатация около 200 общински пречиствателни станции с MBR за битови отпадни води с капацитет над 500 е.ж. и около 550 големи инсталации с MBR за пречистване на промишлени отпадни води с мощност над 20m3/ден. Развитието и успешното комерсиализиране на технологията през последните няколко години доведе до значително намаляване на разходите. Въпреки това, проучванията показват разграничаване между общински и индустриални системи, което се изразява в по-широката употреба на индустриалните поради изключителната им конкурентоспособност в този вид приложение. В сектора на градските пречиствателни станции за сега се счита, че за определено ниво на пречистване първоначалните разходи за MBR система са сравними с тези за конвенционалната схема. Енергийните разходи, обаче остават с 30 до 50% по-високи. Ако през следващите години тази разлика намалее, технологията на MBR ще стане също толкова предпочитана и в общинския сектор. ЕС полага големи усилия в тази насока.

Политика на ЕС относно мембранните биореактори
Европейската комисия финансира четири проекта в рамките на клъстера "MBR-Network", които участват в разработването и оптимизирането на MBR за адаптиране на този високотехнологичен процес като конкурентна алтернатива за третиране на отпадъчни води в селищните пречиствателни станции. Четирите проекта, а именно AMEDEUS, EUROMBRA, MBR-TRAIN и PURATREAT са подкрепени от три различни финансови инструмента, създадени от Европейската комисия в рамките на Шестата рамкова програма, и се изпълняваха паралелно от октомври 2005г. до декември 2009г.

Технологичното развитие на MBR е интердисциплинарна задача. Разбирането на взаимодействието между биологична система и мембранно разделяне изисква познания в области като аналитична химия, микробиология, динамика на флуидите, химически технологии, нанотехнологии и други. Основно предизвикателство е установяването на критичните фактори в качеството на отпадните води, влияещи върху ефективността и устойчивостта на пречистването. Друга важна задача е за всяко производство да се определи необходимата степен на обработка на водите, преди да постъпят в MBR.

Около 50 европейски и международни компании и институции са активно ангажирани в тези четири проекта, и обединиха усилията си да координират своите действия в рамките на клъстера "MBR-Network". Четирите проекта, възлизат на общ бюджет от около 15млн. евро, от които 9млн. евро са финансирани от Европейската комисия. Те представляват най-голямата координирана инициатива за изследвания в световен мащаб, посветена на MBR технологиите. В рамките на проектите бяха направени важни технологични пробиви за оптимизиране на процеса, които ще доведат до подобряване на конкурентоспособността и по-широко прилагане на MBR технологиите и в двете области - общински и индустриални.

Предимства на технологиите с мембранни биореактори
Огромните средства, вложени в допълнителните разработки на MBR технологиите, имат своето обяснение: ако цената на мембраните и консумацията на енергия от инсталацията намалеят, при запазване или подобряване на ефективността, използването на мембранни биореак тори ще стане целесъобразно във всякакъв тип пречиствателни станции, поради многото им предимства. Едно от тях е, че MBR осигуряват по-високи норми на пречистване на отпадъчните води чрез физическата бариера – мембраните. Освен това имат много добра приспособимост към промени в замърсяването на водите. Универсални са и могат да се използват както за органични, така и за неорганични замърсители, т.е. за битови и за широка гама промишлени отпадъчни води.

Друго предимство е, че работят с по-голяма концентрация на утайките, което позволява намаляване на работната площ. Концентрацията на активна биологична маса в MBR е 5-10 пъти по-висока в сравнение с обикновен биореактор. Така ефективността на процеса нараства, а необходимият обем на оборудването се съкращава 4-8 пъти. Поддържането на по-високи нива на активна утайка в резервоара за аериране е възможно, благодарение на включването на ултра- и микрофилтация.

Периодичното промиване на мембраните предизвиква диспергиране на активната утайка, като така увеличава активната є площ и времето за контакт със замърсителите, което води до повишаване ефективност на пречистването. MBR технологията елиминира вируси, бактерии и всякакъв вид вредни микроорганизми, с което премахва необходимостта от дезинфекция на водата и намалява разходите за обеззаразяване. Тъй като порите на мембраните имат размери по-малки от клетките на микроорганизмите (бактерии и вируси), в MBR протича обеззаразяване на водата. Ефективността на отделяне на бактериите е 99.999%, а на вирусите 99.9%. Веднага след мембранния биореактор пречистената вода може да бъде използвана за непитейни цели. Мембраните изключват нуждата от устройства за вторична седиментация (утаители) и вторична филтрация, с което допълнително се намалява цената и площта на пречиствателното съоръжение.

При мембранните биореактори основната част от микроорганизмите от активната утайка си остават в процеса. Отстраняват се само излишъците, които са малко. Така MBR работят при високи концентрации и голяма възраст на биомасата. Постоянното є връщане в процеса, води до механичен стрес върху мембраните на бактериите. Именно затова те използват енергията не за размножаване, както е в конвенционалните системи, а за поддържане на жизнените си процеси. По този начин MBR решават проблема с излишния растеж на активна биомаса и произвеждат отпадък от активна утайка с 20-50% по-малко в сравнение с обикновеното аеробно третиране. Предимството тук е в намаляване на разходите за стабилизиране и депониране на утайките.

Предизвикателства пред бъдещето на MBR
В дългата история на пречиствателните станции (над 110години) мембранните биореактори участват по-активно едва през последните 20 години. Това е една сравнително нова и многообещаваща област в третирането на отпадните води. За да могат по-широко да се използват множеството предимства на MBR, технологията трябва да преодолее редица предизвикателства. Ключовите области в подобряване на системите са доста. Една от тях е подобряване на дизайна на аериращата система, за да се гарантира, че консумацията на енергия е сведена до минимум, а смесването е оптимално. Друго предизвикателство е използването на обогатен въздух или чист кислород в аерацията. Важна стъпка е разработването на не толкова скъпи мембрани, които да са достатъчно ефективни и да издържат по-дълго време без подмяна. Изследванията са насочени и върху възможността за извличане на специфични замърсители от мембранния биореактор.

Очаква се най-вълнуващото развитие в MBR системите да бъде преобразуването на процеса от аеробен в анаеробен, при което пречиствателните станции ще могат да произвеждат повече енергия под формата на биометан, отколкото консумират. Това са така неречените мембранни биореактори с анаеробно разграждане и ултрафилтрация (ADUF). Вече има няколко подобни разработки. Друга важна сфера за развитие на MBR е комбинирането им със система за обратна осмоза с цел разширяване на приложението им за подготовка на питейни води.