Мембранный биореактор (MBR): принципы работы, «подводные камни» и предел возможностей

Предприятия сталкиваются с необходимостью очистить воду до такой степени, чтобы её можно было сбрасывать в чувствительную природную среду или использовать повторно.

Традиционные методы водоподготовки очистных сооружений работают, но оборудование занимает внушительную площадь, не всегда способны обеспечить соответствие требованиям к качеству очищенной воды. В таких случаях на помощь приходит технология мембранного биореактора. За последние 2 десятилетия она произвела настоящую революцию в области очистки сточных вод.

Что такое мембранный биореактор, почему он меняет правила игры в сфере очистки стоков

Мембранный биореактор, или MBR – гибридная технология, которая объединяет биологическую очистку стоков с мембранной фильтрацией. Это система, где микроорганизмы разлагают загрязнения в воде, а затем специальные мембраны с микроскопическими порами задерживают биомассу и оставшиеся примеси.

Традиционная схема очистки включает аэротенк, где работают бактерии, и вторичный отстойник. В нем активный ил оседает под действием гравитации. В MBR-системе вторичный отстойник полностью заменяется мембранным модулем. Это кажется незначительным изменением, но эта замена дает значимые результаты. Водоподготовка очистных сооружений на основе мембранных технологий позволяет получать воду с мутностью менее 1 NTU (нефелометрическая единица мутности). У обычных отстойников NTU составляет 10-30.

Размер пор мембран, которыми комплектуются MBR, варьируются от 0,03 до 0,4 микрометра. При этом толщина человеческого волоса около 70 микрометров, то есть поры мембраны в несколько сотен раз меньше. Такой размер пор позволяет полностью задерживать бактерии (обычно 0,5-5 мкм), вирусы (0,02-0,3 мкм), взвешенные вещества и коллоидные частицы. Получается барьер, который пропускает только молекулы воды и растворённые соединения.

Как работает система: принципы функционирования MBR

Чтобы понять особенности работы мембранного биореактора, нужно проследить путь стоков через систему. Сначала они поступают в биореактор, который внешне напоминает большой резервуар с постоянно работающими аэраторами. Концентрация активного ила здесь поддерживается на уровне 8-15 г/л. Это в 3-4 раза выше, чем в традиционных системах (обычно 3-4 г/л). Такая высокая концентрация биомассы возможна благодаря мембранам, которые удерживают весь ил внутри системы.

Микроорганизмы в биореакторе питаются органическими загрязнениями, окисляют их до углекислого газа и воды. Одновременно происходят процессы нитрификации и денитрификации. Они удаляют соединения азота. Аэрация выполняет двойную функцию:

1. Обеспечивает кислородом бактерии.
2. Создает турбулентность около поверхности мембран, что препятствует их засорению.

Мембранные модули могут погружаться непосредственно в биореактор (погружная конфигурация) или устанавливаться отдельно в выносном контуре (внешняя конфигурация). Погружные системы более распространены, так как потребляют меньше энергии для перекачки. Но во внешней конфигурации легче обслуживать мембраны. Она позволяет создавать более высокое трансмембранное давление. Очищенная вода вытягивается через мембраны под действием вакуума (обычно 0,1-0,5 бар) или давления (0,5-2 бар для внешних систем).

Поток через мембрану – важный рабочий параметр. Он измеряется в литрах на квадратный метр в час (л/м²·ч или LMH). Оптимальное значение составляет 15-30 LMH для погружных мембран и 40-70 LMH для внешних систем высокого давления. Эти цифры могут показаться абстрактными, но они определяют, сколько мембранной площади нужно для очистки заданного объема воды.

Преимущества MBR

Когда специалисты предприятий, муниципальных организаций выбирают систему очистки сточных вод, то они оценивают множество факторов. При этом MBR-технология обладает рядом преимуществ, которые особенно ценные в определенных условиях:

1. Компактные размеры. Уменьшить габариты позволяет высокая концентрация ила и отсутствие вторичных отстойников. MBR-системы занимают на 50-75% меньше площади по сравнению с традиционными очистными сооружениями с такой же производительностью. Это важно для эксплуатации в городских условиях или предприятий с ограниченным пространством. Установка производительностью 10000 м³/сутки размещается на участке 2000-3000 м² вместо 8000-12000 м², необходимых для классической схемы.
2. Качество очищенной воды достигает показателей, которые не способны обеспечить стандартные системы. Мутность менее 0,5 NTU, взвешенные вещества практически отсутствуют (менее 5 мг/л, часто менее 1 мг/л), бактериальное загрязнение снижается на 99,99%. Биологическое потребление кислорода (БПК) ниже 5 мг/л, а химическое потребление кислорода (ХПК) ниже 50 мг/л. Такая вода соответствует нормативам и может использоваться для технических нужд, полива или сбрасываться в чувствительные водоемы.
3. Стабильная работа, устойчивость к изменениям нагрузки и составу стоков. Высокая концентрация биомассы создает своеобразный буфер, который сглаживает пиковые нагрузки. Система MBR может справляться с гидравлическими перегрузками до 200% от номинальной мощности без существенного снижения качества очистки.

Водоподготовка очистных сооружений с применением мембранных биореакторов используется в замкнутых циклах водопользования. Воду после MBR можно дополнительно очищать обратным осмосом, обеззараживать ультрафиолетом. После такой обработки ее можно возвращать в производство. Это особенно важно для регионов, где остро стоит вопрос дефицита водных ресурсов.

«Подводные камни»: реальные проблемы эксплуатации MBR

Несмотря на преимущества, мембранные биореакторы – это не универсальное решение без недостатков. За годы эксплуатации сотен установок по всему миру были выявлены различные проблемы:

1. Загрязнение мембран – главная проблема технологии. При этом загрязнение делится на следующие типы: обратимое (удаляется обратной промывкой), необратимое (требует химической очистки) и безвозвратное (приводит к постепенной деградации мембраны). Скорость загрязнения зависит от множества факторов: состава стоков, концентрации ила, режима аэрации, температуры, характеристик мембранного материала.
2. Энергопотребление MBR-систем на 30-50% выше, чем у традиционных очистных сооружений. Основной потребитель энергии – это интенсивная аэрация, которая необходима не только для биологических процессов, но и для предотвращения загрязнения мембран.
3. Покупка мембран существенно увеличивает расходы. Срок службы современных мембран составляет 8-10 лет, после чего они меняются. Регулярная химическая промывка также требует затрат на реагенты: гипохлорит натрия, лимонную кислоту, щелочные растворы.
4. Образование пены часто становится неожиданной проблемой. Интенсивная аэрация при высокой концентрации биомассы и наличии поверхностно-активных веществ в стоках приводит к образованию стойкой пены. Она может заполнять значительный объем биореактора и даже выходить за его пределы. Контроль образования пены требует применения специальных компонентов, корректировки режимов аэрации, а иногда и установки специальных систем подавления.

Для управления системой нужна квалификация. В отличие от традиционных отстойников, которые работают практически пассивно, MBR – это технологичная система с множеством параметров. Они требуют мониторинга и корректировки. Операторы должны понимать специфику микробиологических процессов, гидродинамики мембранной фильтрации, очистки мембран. Ошибки в управлении могут привести к быстрому их загрязнению и дорогостоящему ремонту.

Где проходит граница возможностей: ограничения технологии

Понимание пределов технологии так же важно, как и знание ее преимуществ. У водоподготовки очистных сооружений методом MBR есть четкие границы применимости. Выход за них приводит к проблемам или экономической нецелесообразности использования технологии.

Концентрация загрязнений в исходных стоках не должна быть слишком высокой. Несмотря на то, что MBR справляется с более концентрированными стоками, чем обычные системы, при ХПК выше 1500-2000 мг/л их эффективность падает, а загрязнение мембран ускоряется. Для очистки промышленных стоков высокой концентрации (которые образуются в результате производства продуктов питания или на целлюлозно-бумажных предприятиях) может потребоваться предварительная очистка или разбавление.

Токсичные вещества и залповые сбросы представляют серьезную угрозу. Высокая концентрация биомассы делает систему уязвимой. Если токсичное вещество попадает в биореактор, то оно воздействует на большое количество микроорганизмов одновременно. Восстановление системы после такого токсичного воздействия может занимать недели. Тяжёлые металлы, растворители, антибиотики в концентрациях, которые превышают пороговые значения, способны подавить биологическую активность.

У масштабируемости MBR есть экономические границы. Эта технология наиболее эффективна, если нужно обрабатывать стоки от 100 до 50000 м³/сутки. Для крупных муниципальных очистных сооружений производительностью более 100000 м³/сутки капитальные и эксплуатационные затраты MBR становятся менее привлекательными по сравнению с современными системами, основанными на традиционных методах очистки.

Ограничено удаление растворенных веществ. Мембраны MBR эффективно задерживают взвешенные вещества и биологически разлагаемую органику. Но растворённые соли, некоторые микрозагрязнители (фармацевтические препараты, гормоны, пестициды) проходят через них. Для их удаления нужно использовать следующие методы:

• активированный уголь;
• озонирование;
• обратный осмос.

Концентрация общего растворенного вещества (TDS) не меняется после MBR.

Климатические условия влияют на эффективность реакторов. При низких температурах (ниже 10°C) активность микроорганизмов замедляется, вязкость воды увеличивается. Это приводит к снижению потока через мембрану на 20-30%. В регионах с холодным климатом может потребоваться обустройство подогрева биореактора или увеличение площади мембран для компенсации снижения производительности.

Чтобы использовать все преимущества технологии MBR, нужно прорабатывать все имеющиеся нюансы. Это залог эффективной очистки стоков и получения экономических преимуществ.