Статья, опубликованная в третьем номере журнала "Наилучшие доступные технологии водоснабжения и очистки сточных вод" (НДТ) за 2024 год, посвящена технологии мембранных биореакторов.
Очистка сточных вод с помощью мембран: современная отечественная практика
На сегодняшний день технология мембранного биореактора (МБР) составляет серьезную конкуренцию классическим схемам биологической очистки хозяйственно‑бытовых и промышленных сточных вод, например, в сфере пищевой промышленности (молочной, мясоперерабатывающей, хлебопекарной и др.), нефтехимической, фармацевтической и др. Несмотря на то, что мембранные технологии известны еще с конца 1960‑х годов, этот метод получил интенсивное развитие только в последние 20−25 лет. Мировой опыт применения технологий МБР показывает высокую эффективность очистки сточных вод как на малых, так и на больших очистных сооружениях.
Мембранная технология
Среди технологических решений по очистке сточных вод превалирует метод биологической очистки с различной реализацией процесса. Как правило, классические схемы биологической очистки предполагают использование вторичных отстойников и систем доочистки. К недостаткам таких решений относят большие объемы аэротенков и вторичных отстойников, а также нестабильную степень очистки сточных вод при их сбросе в водоемы высшей категории рыбохозяйственного назначения.
Мембранный биореактор представляет собой аэротенк с погружным мембранным модулем. Использование МБР позволяет обеспечивать стабильное качество биологической очистки и в значительной степени сократить занимаемую очистными сооружениями площадь за счет отказа от вторичных отстойников и сооружений доочистки.
Процесс разделения очищенной воды и активного ила осуществляется с использованием микро‑ и ультрафильтрационных мембран, через которые фильтруется иловая смесь.
Процесс разделения очищенной воды и активного ила осуществляется с использованием микро‑ и ультрафильтрационных мембран, через которые фильтруется иловая смесь.
Размер пор таких мембран составляет от 0,01 до 0,1 мкм, что обеспечивает практически полное удаление всех взвешенных веществ, а также частичное удаление вирусов и микроорганизмов. Технология разделения иловой смеси путем ультрафильтрации получила свою популярность за счет таких преимуществ, как компактность, удобство эксплуатации и высокая степень очистки сточных вод.
По различным оценкам, в 97–99 % всех существующих МБР‑установок используются погружные мембранные модули на основе нескольких типов мембран:
- половолоконных,
- плоскорамных
- и керамических (трубчатых).
В таблице представлены основные характеристики мембран указанных типов.
Таблица. Сравнительные характеристики мембран разных типов
| Материал |
Плотность упаковки, |
Удельная производительность, |
|
| Половолоконная | полимерный | 300-600 | 10-30 |
| Плоскорамная | полимерный | 50–150 | 15–30 |
| Трубчатая | полимерный / неорганический | <300 | 50-100 |
При длительной эксплуатации для восстановления исходных характеристик (особенно проницаемости) осуществляется физическая очистка и химическая промывка мембран. Тип очищающих реагентов зависит от вида и степени загрязнений. Стандартными химическими реагентами для проведения промывок являются гипохлорит натрия, лимонная и щавелевая кислота. Периодичность промывок также зависит от степени загрязнения мембраны. Стандартная химическая промывка проводится 1 раз в месяц без извлечения мембранных модулей, в то время как интенсивная химическая промывка осуществляется после непредвиденных ситуаций и проводится по необходимости. Очистка и промывка позволяют сохранять проницаемость мембран на высоком уровне.
Производство мембран
Важно отметить, что износоустойчивость и срок службы мембран зависит от материала изготовления. Ввиду условий эксплуатации такой материал должен быть долговечным и устойчивым к агрессивным средам. Чаще всего используют такие материалы, как поливинилиденфторид (ПВДФ), полиэтерсульфон, полипропилен, полиэтилен, реже хлорированный полиэтилен, полисульфон, полиакрилонитрил, керамика и др.
На сегодняшний день для повышения износоустойчивости половолоконных мембран к механическим повреждениям с сохранением гибкости материала применяют новую разработку – усиленный (армированный) ПВДФ, который обладает улучшенными свойствами: высокой прочностью, стойкостью к химическим воздействиям, устойчивостью к ультрафиолетовому излучению и перепаду температур.
Усиление достигается за счет применения в составе мембраны полиэтилентерефталата (ПЭТ). Волокно мембраны изготовлено по технологии термоиндуцированного разделения фаз (TIPS). За счет применения ПЭТ такое волокно имеет более высокие показатели прочности, пористости, пропускной способности и противодействия отслаиванию.
Усиление достигается за счет применения в составе мембраны полиэтилентерефталата (ПЭТ). Волокно мембраны изготовлено по технологии термоиндуцированного разделения фаз (TIPS). За счет применения ПЭТ такое волокно имеет более высокие показатели прочности, пористости, пропускной способности и противодействия отслаиванию.
До недавнего времени на российском рынке большой популярностью пользовалось оборудование американских и японских производителей. Например, компании Veolia Water Technologies & Solutions (ранее GE Water and Process Technologies, Suez), Toray Industries Inc., Mitsubishi‑Rayon. Также известен ряд южнокорейских и китайских производителей. В Китае мембранные технологии интенсивно развиваются, высока конкуренция, появляется много новых производств. Как следствие, китайские компании стали активно работать над улучшением качества продукции и внедрять инновационные технологии для производства. Высокие технологические возможности и производственные мощности демонстрирует целый ряд китайских производителей, что позволяет им успешно конкурировать на мировом рынке с известными западными и японскими брендами.
Заводские мембраны от китайских поставщиков активно применяются на российских очистных сооружениях. Более того, эти мембраны представляют большой интерес, поскольку разработаны как прямые аналоги мембран западных производителей.
Эксплуатация технологии МБР
Примером очистных сооружений, где применяется технология МБР и используются как плоскорамные, так и половолоконные мембраны, могут служить установки по очистке хозяйственно‑бытовых сточных вод «ДекаПроф» от российской компании «Дека».
Специалисты этой российской компании имеют большой опыт внедрения и эксплуатации на различных объектах технологии МБР с применением мембран немецких, японских и китайских производителей.
Все объекты прошли государственную экспертизу, успешно функционируют и эффективно очищают сточные воды в соответствии с нормативами предельно допустимых концентраций вредных веществ в водах водных объектов рыбохозяйственного значения.
В 2019 г. «Дека» первой в Ленинградской области применила технологию МБР на объекте с. Путилово производительностью 600 м³/сут. Объект успешно эксплуатируется, замена мембран с момента запуска не производилась.
Модульные очистные сооружения в п. Гончарово Ленинградской области производительностью 300 м³/сут имеют две параллельные линии, где используются мембраны японского и китайского производства. По эксплуатационным характеристикам и показателям степени очистки мембрана китайского производства не уступает японскому аналогу.
Практика эксплуатации свидетельствует, что важное значение имеют как характеристики самой мембраны, так и грамотно разработанная технологическая схема применения мембранного биореактора. Правильно выстроенная технологическая схема применения МБР обеспечит эффективную работу очистных сооружений со сроком службы самих мембранных элементов до 10 лет.
Так, опыт компании «Дека» по применению мембран китайских изготовителей при локализации производства готовых мембранных модулей подтвердил заявленные производителем характеристики и показал их полную пригодность для замены поврежденных и отработавших свой ресурс мембран от западных и японских компаний (например SUEZ ZeeWeed 500D LEAP).
Выводы
Подводя итог краткому обзору, можно отметить, что применение мембранных технологий для очистки сточных вод имеет ряд преимуществ и позволяет эффективно удалять загрязнения, бактерии, вирусы и другие вредные вещества. На сегодняшний день для этих целей применяют мембраны разных типов с различными техническими характеристиками, в основном половолоконные, плоскорамные и трубчатые керамические. Помимо таких факторов, как тип мембраны, материал изготовления, производительность, и другие технические характеристики огромное значение имеет грамотный подбор технологической схемы эксплуатации оборудования. Правильная установка и эксплуатация мембраны обеспечивает ее надежность, долговечность и максимальную производительность.
