Мембранный биореактор

Мембранные биореакторы представляют собой комбинацию мембранных процессов, таких как микрофильтрация или ультрафильтрация, с процессом биологической очистки сточных вод , процессом активного ила . Эти технологии в настоящее время широко используются для очистки городских и промышленных сточных вод . Двумя основными конфигурациями мембранных биореакторов являются погружной мембранный биореактор и мембранный биореактор с боковым потоком. В погружной конфигурации мембрана расположена внутри биологического реактора и погружена в сточные воды, тогда как в мембранном биореакторе с боковым потоком мембрана расположена снаружи реактора в качестве дополнительной стадии после биологической очистки.

Обзор

Дефицит воды побудил усилия по повторному использованию сточных вод после их надлежащей очистки, что известно как « восстановление воды » (также называемое повторным использованием сточных вод , повторным использованием воды или рециркуляцией воды ). Среди доступных технологий очистки сточных вод мембранные процессы выделяются своей способностью удерживать твердые частицы и соли и даже дезинфицировать воду, производя воду, пригодную для повторного использования в ирригации и других приложениях.

Полупроницаемая мембрана — это материал, обеспечивающий избирательный поток определенных веществ.В случае очистки или регенерации воды цель состоит в том, чтобы позволить воде течь через мембрану, сохраняя при этом нежелательные частицы на исходной стороне. Варьируя тип мембраны, можно добиться лучшего удержания различных загрязнений. Некоторыми из требуемых характеристик мембраны для очистки сточных вод являются химическая и механическая стойкость в течение пяти лет эксплуатации и способность стабильно работать в широком диапазоне pH. диапазон.

На рынке доступны два основных типа мембранных материалов: полимерные мембраны на органической основе и керамические мембраны. Полимерные мембраны являются наиболее часто используемыми материалами при очистке воды и сточных вод. В частности, поливинилидендифторид (ПВДФ) является наиболее распространенным материалом из-за его длительного срока службы, а также химической и механической стойкости.

Полимерные мембранные материалы
КАСТРЮЛЯ	Полиакрилонитрил
(HD)ПЭ	(Высокая плотность) полиэтилен
ПЭС	Полиэтилсульфон
ПС	Полисульфон
ПТФЭ	Политетрафторэтилен
ПВДФ	Поливинилидина дифторид

Керамические мембранные материалы
Al2O3 Карбид кремния ТиО2 ZrO2	Оксид алюминия/глинозем Карбид кремния Диоксид титана / Титания Диоксид циркония / Цирконий

Сравнение: полимерные и керамические мембраны
Полимерный	Керамика
Подвержен механическим повреждениям	Более высокая механическая прочность
Пучки сотен полых волокон	Одна «кусок» на элемент
Уязвимы к химическим веществам	Хорошая химическая стойкость
Более низкая стоимость с точки зрения мощности	Высокие капитальные затраты
Очень распространенный продукт	Маленький опыт эксплуатации
Большинство коммерческих продуктов	Мало приложений

Простая схема, описывающая процесс MBR

При использовании с бытовыми сточными водами процессы мембранного биореактора могут производить сточные воды достаточно высокого качества для сброса в океаны, на поверхность, солоноватые водоемы или городские оросительные каналы. Другие преимущества мембранных биореакторов перед традиционными процессами включают меньшую занимаемую площадь и более простую модернизацию.

Можно использовать процессы мембранного биореактора при более высоких концентрациях взвешенных веществ в смешанной жидкости по сравнению с обычными системами разделения сепараторов, тем самым уменьшая объем реактора для достижения той же скорости загрузки.

Схема традиционного процесса с активным илом (вверху) и внешнего (боковой поток) мембранного биореактора (внизу)

Недавние технические инновации и значительное снижение стоимости мембран позволили мембранным биореакторам стать общепринятым вариантом процесса очистки сточных вод. Мембранные биореакторы стали привлекательным вариантом для очистки и повторного использования промышленных и городских сточных вод, о чем свидетельствует их постоянно растущее количество и мощность. В 2006 году нынешний рынок мембранных биореакторов оценивался примерно в 216 миллионов долларов США. и 838,2 миллиона долларов США в 2011 году, что подтверждает прогнозы о том, что рынок мембранных биореакторов будет расти в среднем на 22,4% и достигнет размера рынка в 3,44 миллиарда долларов США в 2018 году.

Ожидается, что в ближайшем будущем мировой рынок мембранных биореакторов будет расти под воздействием различных движущих сил, например, растущей нехватки воды во всем мире, что делает утилизацию сточных вод более прибыльной; эта ситуация, вероятно, будет еще больше усугубляться продолжающимся изменением климата. Растущая экологическая обеспокоенность по поводу утилизации промышленных сточных вод наряду с сокращением ресурсов пресной воды в развивающихся странах также приводит к увеличению спроса на технологию мембранных биореакторов. Рост населения, урбанизация и индустриализация еще больше осложнят перспективы бизнеса.

Однако высокие первоначальные инвестиции и эксплуатационные расходы могут затруднить развитие мирового рынка мембранных биореакторов. Кроме того, технологические ограничения, особенно текущие затраты на загрязнение мембран, вероятно, будут препятствовать внедрению производства. Ожидается, что продолжающиеся исследования и разработки, направленные на увеличение производительности и минимизацию образования осадка, будут способствовать росту промышленности.

Упрощенные иллюстрации MBR погружного и бокового потока.

Мембранные биореакторы можно использовать для уменьшения воздействия системы очистки сточных вод активным илом за счет удаления некоторых жидких компонентов смешанного раствора. В результате остаются концентрированные отходы, которые затем обрабатываются с использованием процесса активного ила .

Недавние исследования показывают возможность использования наноматериалов для создания более эффективных и устойчивых мембранных биореакторов для очистки сточных вод.

История и основные рабочие параметры

Мембранные биореакторы были представлены в конце 1960-х годов, вскоре после того, как стали доступны коммерческие мембраны для ультрафильтрации и микрофильтрации . Оригинальные конструкции были представлены компанией Dorr-Oliver Inc. и сочетали использование биореактора с активным илом с петлей мембранной фильтрации с перекрестным потоком. Плоские листовые мембраны, используемые в этом процессе, были полимерными и имели размеры пор от 0,003 до 0,01 мкм. Хотя идея замены отстойника традиционного процесса с активным илом была привлекательной, использование такого процесса было трудно оправдать из-за высокой стоимости мембран, низкой экономической ценности продукта (третичные сточные воды) и иногда быстрого потери производительности из-за загрязнения мембраны. В результате первоначальное внимание при проектировании было сосредоточено на достижении высоких потоков, и, следовательно, было необходимо перекачивать смешанный раствор и его взвешенные твердые частицы с высокой скоростью поперечного потока при значительном потреблении энергии (порядка 10 кВтч/м). ³ продукт) для уменьшения загрязнения. Из-за плохой экономичности устройств первого поколения они нашли применение только в нишевых областях с особыми потребностями, таких как изолированные трейлерные парки или горнолыжные курорты.

Следующий прорыв в области мембранных биореакторов произошел в 1989 году с появлением погружных мембранных биореакторов. До этого мембранные биореакторы проектировались с разделительным устройством, расположенным снаружи реактора (мембранные биореакторы с боковым потоком), и для поддержания фильтрации требовалось высокое трансмембранное давление. В погружной конфигурации используется грубая пузырьковая аэрация для перемешивания и ограничения загрязнения. Потребность в энергии погружной системы может быть на 2 порядка ниже, чем у систем с боковым потоком, а погружные системы работают с меньшим потоком, требуя большей площади мембраны. В погружных конфигурациях аэрация считается одним из основных параметров технологических процессов, как гидравлических, так и биологических. Аэрация удерживает твердые вещества во взвешенном состоянии, очищает поверхность мембраны и снабжает биомассу кислородом, что приводит к лучшей биоразлагаемости и клеточному синтезу. Системы биореакторов с погружными мембранами стали предпочтительнее конфигураций с боковым потоком, особенно для очистки бытовых сточных вод.

Следующими ключевыми шагами в разработке мембранных биореакторов стали принятие скромных потоков (25 процентов или меньше от тех, что были в первом поколении) и идея использования двухфазного (пузырчатого) потока для контроля загрязнения. Более низкие эксплуатационные расходы, полученные при использовании погружной конфигурации, наряду с постоянным снижением стоимости мембран, привели к экспоненциальному увеличению количества установок мембранных биореакторов с середины 1990-х годов. С тех пор были введены дальнейшие усовершенствования в конструкцию и работу мембранных биореакторов, которые были внедрены в более крупные предприятия. В то время как более ранние устройства работали при времени удерживания твердых веществ до 100 дней с содержанием взвешенных твердых веществ в смешанных растворах до 30 г/л, в последнее время наблюдается тенденция к применению более низких времен удерживания твердых веществ (около 10–20 дней), что приводит к более управляемому взвешенным веществам. уровни (от 10 до 15 г/л). Благодаря этим новым условиям эксплуатации транспортировка кислорода и стоимость перекачки в реакторах имеют тенденцию к снижению, а общее техническое обслуживание упрощается. В настоящее время коммерчески доступен ряд мембранных биореакторных систем, в большинстве из которых используются погружные мембраны, хотя доступны некоторые модули с боковым потоком; эти системы бокового потока также используют двухфазный поток для контроля загрязнения. Типичное время гидравлического удерживания составляет от 3 до 10 часов. По большей части, Конфигурации мембран из полых волокон и плоских листов используются в мембранных биореакторах.

Конфигурация бокового потока УФ-мембраны

Несмотря на более выгодное использование энергии погружными мембранами, по-прежнему существует рынок для конфигурации с боковым потоком, особенно в промышленных применениях с меньшим потоком. Для упрощения обслуживания конфигурации с боковым потоком можно устанавливать на нижнем уровне здания завода, и, таким образом, замену мембраны можно выполнять без специального подъемного оборудования. В результате исследования и разработки продолжают улучшать конфигурации бокового потока, и в последние годы это завершилось разработкой низкоэнергетических систем, которые включают более сложный контроль рабочих параметров в сочетании с периодическими обратными промывками, что обеспечивает устойчивую работу при энергии. потребление всего лишь 0,3 кВтч/м3 продукта.

Конфигурации

Внутренний/погружной/ погружной

Усиленная погружная из полых волокон. мембранная кассета

В конфигурации погружного мембранного биореактора (iMBR) фильтрующий элемент устанавливается либо в основной емкости биореактора, либо в отдельном резервуаре. Модули расположены над системой аэрации и выполняют две функции: подачу кислорода и очистку мембран. Мембраны могут быть плоскими, трубчатыми или представлять собой комбинацию того и другого и могут включать систему обратной промывки, которая уменьшает загрязнение поверхности мембраны за счет перекачки мембранного пермеата обратно через мембрану. В системах, где мембраны находятся в отдельном резервуаре от биореактора, отдельные группы мембран могут быть изолированы для проведения режимов очистки, включающих замачивание мембран, однако биомасса должна непрерывно перекачиваться обратно в главный реактор, чтобы ограничить увеличение концентрации взвешенных твердых веществ в смешанной жидкости. . Дополнительная аэрация также необходима для обеспечения очистки воздуха и уменьшения загрязнения. Если мембраны установлены в основном реакторе, мембранные модули извлекаются из резервуара и передаются в автономный резервуар очистки. Обычно внутренняя/погружная конфигурация используется для крупномасштабных применений с низкой прочностью. Чтобы оптимизировать объем реактора и свести к минимуму образование ила, биореакторные системы с погружными мембранами обычно работают с концентрацией взвешенных твердых веществ в смешанной жидкости от 12 000 до 20 000 мг/л, следовательно, они обеспечивают хорошую гибкость при выборе конструкции. Время удерживания ила. . Обязательно следует учитывать, что чрезмерно высокое содержание взвешенных веществ в смешанной жидкости может сделать систему аэрации менее эффективной; Классическое решение этой проблемы оптимизации состоит в том, чтобы обеспечить концентрацию взвешенных твердых веществ в смешанной жидкости, приближающуюся к 10 000 мг/л, чтобы гарантировать хороший массоперенос кислорода с хорошим потоком проникновения. Этот тип решения широко применяется в крупных установках, где обычно используется внутренняя/погружная конфигурация из-за более высокой относительной стоимости мембраны по сравнению с необходимым дополнительным объемом резервуара.

Погружной MBR был предпочтительной конфигурацией из-за его низкого уровня энергопотребления, высокой эффективности биоразложения и низкой скорости загрязнения по сравнению с мембранными биореакторами с боковым потоком. Кроме того, системы iMBR могут работать с более высокими концентрациями взвешенных веществ, в то время как традиционные системы работают только с концентрацией взвешенных веществ от 2,5 до 3,5, iMBR может обрабатывать концентрации от 4 до 12 г/л, то есть увеличение диапазона на 300%. Этот тип конфигурации применяется в промышленных секторах, включая текстильную, пищевую, нефтегазовую, горнодобывающую, энергетическую, целлюлозно-бумажную.

Внешний/боковой поток

В технологии мембранного биореактора с боковым потоком модули фильтрации находятся за пределами аэробного резервуара, отсюда и название «конфигурация с боковым потоком». Как и погружная или погружная конфигурация, система аэрации также используется для очистки и подачи кислорода бактериям, которые разлагают органические соединения. Биомасса либо перекачивается напрямую через несколько мембранных модулей последовательно и обратно в биореактор, либо биомасса перекачивается в группу модулей, из которых второй насос циркулирует биомассу через последовательно расположенные модули. Очистку и замачивание мембран можно производить на месте с использованием установленного очистительного бака, насоса и трубопроводов. Качество конечного продукта таково, что его можно повторно использовать в технологических процессах благодаря фильтрационной способности микро- и ультрафильтрационных мембран.

Обычно конфигурация внешнего/побочного потока используется для небольших масштабов и приложений с более высокой производительностью; Основным преимуществом конфигурации внешнего/побочного потока является возможность отдельно спроектировать и определить размер резервуара и мембраны, что дает практические преимущества для эксплуатации и обслуживания установки. Как и в других мембранных процессах, сдвиг по поверхности мембраны необходим для предотвращения или ограничения загрязнения; конфигурация с внешним/боковым потоком обеспечивает этот сдвиг с использованием насосной системы, тогда как конфигурация с внутренним/погружным потоком обеспечивает сдвиг за счет аэрации в биореакторе, и существует потребность в энергии для стимулирования сдвига путем нагнетания. В этой конфигурации загрязнение более последовательное из-за более высоких потоков.

Основные соображения

Засорение и контроль засорения

Эффективность фильтрации мембранного биореактора неизбежно снижается со временем фильтрации из-за отложения растворимых материалов и твердых частиц на мембране и внутри нее, что связано с взаимодействием между компонентами активного ила и мембраной. Этот основной недостаток и ограничение процесса исследуются с момента появления первых мембранных биореакторов и остаются одной из наиболее сложных проблем, требующих дальнейшего развития.

Засорение — это процесс, при котором частицы (коллоидные частицы, макромолекулы растворенных веществ) откладываются или адсорбируются на поверхности или порах мембраны в результате физических и химических взаимодействий или механического воздействия. Это приводит к уменьшению размера или закупорке пор мембраны.

Загрязнение мембраны может привести к резкому падению потока и повлиять на качество получаемой воды. Сильное загрязнение может потребовать интенсивной химической очистки или замены мембраны. Это увеличивает эксплуатационные расходы очистных сооружений. Традиционно считалось, что засорение мембраны происходит по четырем механизмам: 1) полная блокировка пор, 2) стандартная блокировка, 3) промежуточная блокировка и 4) образование слоя корки. Различают различные виды загрязнений: биологические (бактерии, грибы), коллоидные (глины, хлопья), солеотлагающие (минеральные осадки) и органические (масла, полиэлектролиты, гумины).

Загрязнение мембраны можно устранить либо путем уменьшения потока проникновения при поддержании постоянного трансмембранного давления, либо путем увеличения трансмембранного давления для поддержания постоянного потока. Большинство станций очистки сточных вод работают в режиме постоянного потока, и, следовательно, явления загрязнения обычно отслеживаются по изменению трансмембранного давления во времени. В недавних обзорах, посвященных применению мембран в биореакторах, было показано, что, как и в случае других процессов мембранного разделения, загрязнение мембран является наиболее серьезной проблемой, влияющей на производительность системы. Загрязнение приводит к значительному увеличению гидравлического сопротивления, что проявляется в снижении потока пермеата или увеличении трансмембранного давления, когда процесс осуществляется в условиях постоянного трансмембранного давления или постоянного потока соответственно. В системах, где поток поддерживается за счет увеличения трансмембранного давления, энергия, необходимая для достижения фильтрации, увеличивается. Частая очистка мембран является альтернативой, которая значительно увеличивает эксплуатационные расходы из-за дополнительных затрат на чистящие средства, дополнительных простоев производства и более частой замены мембран.

Загрязнение мембраны происходит в результате взаимодействия между материалом мембраны и компонентами жидкости активного ила, которые включают биологические хлопья, образованные большим спектром живых или мертвых микроорганизмов, а также растворимыми и коллоидными соединениями. Взвешенная биомасса не имеет фиксированного состава и меняется в зависимости от состава питательной воды и условий эксплуатации реактора. Таким образом, хотя было опубликовано множество исследований мембранного загрязнения, разнообразие рабочих условий и используемых матриц питательной воды, различные используемые аналитические методы и ограниченная информация, представленная в большинстве исследований по составу взвешенной биомассы, затруднили установление какого-либо общее поведение, касающееся мембранного загрязнения, в частности, в мембранных биореакторах.

Факторы, влияющие на загрязнение (взаимодействие выделено красным)

Перекрестный поток воздуха в биореакторах с погружными мембранами может эффективно удалить или, по крайней мере, уменьшить слой загрязнения на поверхности мембраны. В недавнем обзоре сообщается о последних результатах применения аэрации в конфигурации с погружной мембраной и описываются преимущества барботирования газа в производительности. Выбор скорости аэрации является ключевым параметром при проектировании биореактора с погружной мембраной, поскольку обычно существует оптимальная скорость потока воздуха, за пределами которой дальнейшее увеличение аэрации не имеет преимуществ для предотвращения загрязнения.

Многие другие стратегии предотвращения обрастания могут быть применены в мембранных биореакторах. К ним относятся, например:

• Прерывистая проницаемость или релаксация, при которой фильтрация прекращается через определенные промежутки времени перед возобновлением. Частицы, осаждающиеся на поверхности мембраны, имеют тенденцию диффундировать обратно в реактор; это явление будет усиливаться за счет постоянной аэрации, применяемой во время периода покоя.
• Обратная промывка мембраны, при которой пермеат закачивается обратно в мембрану и течет через поры в питающий канал, удаляя внутренние и внешние загрязнения.
• Обратная промывка воздухом, при которой воздух под давлением на стороне пермеата накапливается и сбрасывает значительное давление за очень короткий период времени. Поэтому мембранные модули должны находиться в сосуде под давлением, соединенном с вентиляционной системой. Воздух обычно не проходит через мембрану. Если бы это произошло, воздух высушил бы мембрану и потребовался бы этап повторного смачивания, выполняемый путем создания давления на стороне подачи мембраны.
• Запатентованные противообрастающие продукты, такие как технология улучшения характеристик мембран Nalco.

Кроме того, в соответствии с типовыми графиками могут быть рекомендованы различные типы и интенсивность химической очистки:

• Химически усиленная обратная промывка (ежедневно);
• Поддерживающая чистка с повышенной концентрацией химикатов (еженедельно);
• Интенсивная химическая чистка (один-два раза в год).

Интенсивная очистка также может проводиться, когда дальнейшая фильтрация невозможна из-за повышенного трансмембранного давления. Каждый из четырех поставщиков мембранных биореакторов Kubota, Evoqua, Mitsubishi и GE Water имеет свои собственные рецепты химической очистки; они различаются главным образом по концентрации и методам (см. Таблицу 1). В обычных условиях преобладающими чистящими средствами являются NaOCl ( гипохлорит натрия ) и лимонная кислота . Поставщики мембранных биореакторов обычно адаптируют конкретные протоколы химической очистки (т.е. концентрации химических веществ и частоту очистки) для отдельных предприятий.

Протоколы интенсивной химической очистки для четырех поставщиков MBR (точный протокол химической очистки может варьироваться от завода к другому)

Биологические характеристики/кинетика

Химическое удаление потребности в кислороде и выход осадка

Просто из-за большого количества микроорганизмов в мембранных биореакторах скорость поглощения загрязняющих веществ может быть увеличена. Это приводит к лучшей деградации за определенный промежуток времени или к меньшим требуемым объемам реактора. По сравнению с традиционными обработками активным илом, при которых обычно достигается удаление 95 процентов, удаление может быть увеличено до 96–99 процентов в мембранных биореакторах (см. таблицу, ). химической потребности в кислороде ( ХПК ) и биологической потребности в кислороде ( БПК5 Установлено, что удаление ) увеличивается с увеличением концентрации взвешенных твердых веществ в смешанной жидкости. При концентрации выше 15 г/л удаление ХПК становится практически независимым от концентрации биомассы при >96 процентах. Однако произвольные высокие концентрации взвешенных веществ не используются, чтобы не препятствовать переносу кислорода из-за более высокой вязкости и эффектов неньютоновской вязкости. Кинетика также может отличаться из-за более легкого доступа к подложке. При типичной обработке активным илом размер хлопьев может достигать нескольких 100 мкм. Это означает, что субстрат может достичь активных центров только за счет диффузии, что вызывает дополнительное сопротивление и ограничивает общую скорость реакции (контролируемая диффузией). Гидродинамический стресс в мембранных биореакторах уменьшает размер хлопьев (до 3,5 мкм в конфигурациях с боковым потоком) и тем самым увеличивает эффективную скорость реакции. Как и в обычном процессе с активным илом, выход ила снижается при более высоком времени удерживания твердых веществ или концентрации биомассы. При нормах загрузки ила 0,01 кг COD/(кгMLSS d) образуется мало осадка или он вообще не образуется. Из-за установленного предела концентрации биомассы такие низкие скорости загрузки могут привести к огромным размерам резервуаров или длительному гидродинамическому времени пребывания в традиционных процессах с активным илом.

Удаление питательных веществ

Удаление питательных веществ является одной из основных проблем современной очистки сточных вод , особенно в районах, чувствительных к эвтрофикации . Азот (N) — это загрязнитель, присутствующий в сточных водах, который необходимо удалять по нескольким причинам: он снижает растворенный кислород в поверхностных водах, токсичен для водной экосистемы , представляет риск для здоровья населения и вместе с фосфором (P) ответственен за загрязнение окружающей среды. из-за чрезмерного роста фотосинтезирующих организмов, таких как водоросли. Все эти факторы делают акцент на очистке сточных вод. В сточных водах азот может присутствовать в нескольких формах.Как и в обычном процессе с активным илом, в настоящее время наиболее широко применяемой технологией удаления N из городских сточных вод является нитрификация в сочетании с денитрификацией , осуществляемая нитрифицирующими бактериями и участием факультативных организмов.Помимо осаждения фосфора, может быть реализовано усиленное биологическое удаление фосфора , что требует дополнительной стадии анаэробного процесса. Некоторые характеристики технологии мембранного биореактора делают улучшенное биологическое удаление фосфора в сочетании с постденитрификацией привлекательной альтернативой, позволяющей достичь очень низких концентраций питательных веществ в сточных водах. Для этого мембранный биореактор улучшает удержание твердых веществ, что обеспечивает лучшую биоочистку, поддерживая развитие медленно растущих микроорганизмов, особенно нитрифицирующих, что делает их особенно эффективными в удалении N (нитрификация).

Удаление питательных веществ в MBR для очистки городских сточных вод

Анаэробные MBR

Анаэробные мембранные биореакторы (иногда сокращенно AnMBR) были внедрены в 1980-х годах в Южной Африке. Однако анаэробные процессы обычно используются, когда требуется недорогая обработка, позволяющая восстановить энергию , но не обеспечивающая усовершенствованную очистку (низкое удаление углерода , отсутствие удаления питательных веществ). Мембранные технологии, напротив, позволяют проводить более продвинутую обработку (дезинфекцию), но с высокими энергозатратами. Следовательно, сочетание того и другого может быть экономически целесообразным только в том случае, если желателен компактный процесс рекуперации энергии или когда требуется дезинфекция после анаэробной обработки (случаи повторного использования воды с питательными веществами). Если требуется максимальная рекуперация энергии, одиночный анаэробный процесс всегда будет предпочтительнее комбинации с мембранным процессом.

В последнее время анаэробные мембранные биореакторы нашли успешное полномасштабное применение для очистки некоторых типов промышленных сточных вод, обычно высокопрочных отходов. Примеры применения включают очистку сточных вод спиртовой барды в Японии. и очистка сточных вод для заправки для салата/соуса для барбекю в Соединенных Штатах.

Смешивание и гидродинамика

Как и в любых других реакторах, гидродинамика (или смешивание) внутри мембранного биореактора играет важную роль в определении удаления загрязняющих веществ и контроля загрязнения в системе. Это существенно влияет на потребление энергии и требования к размерам, поэтому стоимость всего срока службы мембранного биореактора высока.

На удаление загрязняющих веществ большое влияние оказывает продолжительность времени, в течение которого жидкие элементы находятся в мембранном биореакторе (т.е. распределение времени пребывания ). Распределение времени пребывания представляет собой описание гидродинамики смешивания в системе и определяется конструкцией реактора (например, размером, расходами на входе/рециркуляции, расположением стенки/перегородки/смесителя/аэратора, затратой энергии на смешивание). Примером эффекта смешивания является то, что реактор непрерывного действия с мешалкой не будет иметь такой высокой конверсии загрязняющих веществ на единицу объема реактора, как реактор поршневого потока .

Контроль загрязнения, как упоминалось ранее, в первую очередь достигается за счет грубой пузырьковой аэрации. На распределение пузырьков вокруг мембран, сдвиг на поверхности мембраны при удалении осадка и размер пузырьков большое влияние оказывает гидродинамика системы . Смешивание внутри системы также может влиять на образование возможных загрязнений. Например, сосуды, не полностью перемешанные (т.е. реакторы с поршневым потоком), более восприимчивы к воздействию ударных нагрузок, которые могут вызвать лизис клеток и высвобождение растворимых микробных продуктов.

Пример результатов моделирования вычислительной гидродинамики (CFD) (линии тока) для полномасштабного MBR (адаптировано из проекта AMEDEUS – Информационный бюллетень австралийского узла, август 2007 г.) ).

Многие факторы влияют на гидродинамику процессов очистки сточных вод и, следовательно, на мембранные биореакторы. Они варьируются от физических свойств (например, реологии смеси и плотности газа/жидкости/твердого вещества и т. д.) до граничных условий жидкости (например, скорости потока на входе/выходе/рециркуляции, положение перегородки/смесителя и т. д.). Однако некоторые факторы являются специфическими для мембранных биореакторов, и к ним относятся конструкция фильтрующего резервуара (например, тип мембраны, несколько выпускных отверстий, приписываемых мембранам, плотность упаковки мембраны, ориентация мембраны и т. д.) и ее работа (например, релаксация мембраны, обратная промывка мембраны и т. д.). ).

Методы моделирования и проектирования смешивания, применяемые в мембранных биореакторах, очень похожи на те, которые используются для традиционных систем с активным илом. Они включают относительно быстрый и простой метод моделирования отсеков , который позволяет получить только распределение времени пребывания процесса (например, реактора) или технологической установки (например, мембранного фильтрующего сосуда) и который основан на общих предположениях о свойствах смешивания каждого субпродукта. -единица. С другой стороны, вычислительное моделирование гидродинамики не опирается на общие предположения о характеристиках смешивания, а вместо этого пытается предсказать гидродинамику на фундаментальном уровне. Он применим ко всем масштабам потока жидкости и может дать много информации о смешивании в процессе, начиная от распределения времени пребывания и заканчивая профилем сдвига на поверхности мембраны. Визуализация результатов такого моделирования представлена ​​на изображении.

Исследования гидродинамики мембранного биореактора проводились в самых разных масштабах: от исследования напряжения сдвига на поверхности мембраны до анализа распределения времени пребывания для полного мембранного биореактора. Куи и др. (2003) исследовал движение пузырей Тейлора через трубчатые мембраны. Хосрави, М. (2007) исследовал весь сосуд мембранной фильтрации с использованием CFD и измерений скорости. Браннок и др. (2007) исследовал всю систему MBR, используя эксперименты по изучению индикаторов и анализ RTD.

Преимущества

Некоторые из преимуществ мембранных биореакторов заключаются в следующем.

• Высокое качество стоков: благодаря небольшому размеру пор мембраны стоки прозрачны и не содержат патогенов.
• Независимый контроль времени удерживания твердых веществ и времени гидравлического удерживания: поскольку все биологические твердые вещества содержатся в биореакторе, время удерживания твердых веществ можно контролировать независимо от гидродинамического времени удерживания.
• Небольшая занимаемая площадь: благодаря мембранной фильтрации в небольшом объеме содержится высокая концентрация биомассы.
• Устойчивость к изменениям нагрузки: мембранные биореакторы могут работать в широком диапазоне рабочих условий.
• Компактный процесс: по сравнению с традиционным процессом с активным илом мембранные биореакторы более компактны.

Структура рынка

Региональная информация

Рынок мембранных биореакторов сегментирован по типу конечных пользователей, таких как муниципальные и промышленные пользователи, а также по географии конечных пользователей, например Европа, Ближний Восток и Африка (EMEA), Азиатско-Тихоокеанский регион (APAC) и Америка.

При этом в 2016 году некоторые исследования и отчеты показали, что регион Азиатско-Тихоокеанский регион лидировал по доле рынка, владея 41,90%. С другой стороны, доля рынка региона EMEA составляет примерно 31,34%, а доля Америки составляет 26,67% рынка.

В Азиатско-Тихоокеанском регионе (APAC) находится крупнейший рынок мембранных биореакторов. Развивающиеся экономики, такие как Индия, Китай, Индонезия и Филиппины, вносят основной вклад в рост этого рыночного региона. Азиатско-Тихоокеанский регион считается одним из наиболее подверженных стихийным бедствиям регионов мира: в 2013 году в результате стихийных бедствий, связанных с водой, в этом регионе погибли тысячи людей, что составляет девять десятых всех смертей, связанных с водой, во всем мире. В дополнение к этому, система общественного водоснабжения в регионе не так развита по сравнению с другими странами, такими как США, Канада, страны Европы и т. д.

Рынок мембранных биореакторов в регионе EMEA демонстрирует стабильный рост. Такие страны, как Саудовская Аравия, ОАЭ, Кувейт, Алжир, Турция и Испания, вносят основной вклад в эти темпы роста. Нехватка чистой и пресной воды является ключевым фактором роста спроса на эффективные технологии очистки воды. В связи с этим рост осведомленности об очистке воды и безопасной питьевой воде также способствует росту.

В конечном счете, в регионе Америки наблюдается большой спрос со стороны таких стран, как США, Канада, Антигуа, Аргентина, Бразилия и Чили. Рынок мембранных биореакторов вырос благодаря строгим нормативным требованиям в отношении безопасного сброса сточных вод. Спрос на эту новую технологию исходит в основном от фармацевтической, пищевой, автомобильной и химической промышленности.

См. также

• Перечень технологий очистки сточных вод
• Модель активного ила
• Загрязнение мембраны
• Половолоконная мембрана