Av: Kate
Email:kate@aquasust.com
Dato: 4. desember 2024
1. Oversikt over MBR-prosessen
MBR (membranbioreaktor)er en biologisk membranbehandlingsteknologi som brukes i vannbehandling. Det er et system som kombinerer membranseparasjonsteknologi og biologisk renseteknologi for avløpsvann. Det er anerkjent som en av de mest avanserte og effektive teknologiene for avløpsvannbehandling og ressursgjenvinning i verden i dag.
MBR-teknologien utnytter separasjonsfunksjonen til membraner, og erstatter tradisjonelle aktivert slamprosessers sekundære sedimentasjonstanker, sandfiltre, desinfeksjonsenheter og andre komponenter med membranseparasjonsenheter. Den bruker mikrofiltrerings-/ultrafiltreringsmembraner (MF/UF) for å filtrere avløpet direkte fra luftetanken. Suspenderte faste stoffer i den aktiverte slamblandingen holdes fullstendig tilbake og resirkuleres tilbake til reaktoren. Som et resultat kan slamalderen forlenges, slamkonsentrasjonen økes og slambelastningen reduseres. Dette akselererer den mikrobielle nedbrytningen av forurensninger, forbedrer avløpsvannbehandlingseffektiviteten betydelig og sikrer at avløpskvaliteten ikke bare er stabil og pålitelig, men også oppfyller høykvalitetsstandardene for gjenvunnet vann. Den er spesielt egnet for å oppgradere avløpsrenseanlegg i Kina for å møte de nye utslippsstandardene satt i 2011, samt for gjenbruk av industrielt avløpsvann.
Mikrofiltrering/ultrafiltrering (MF/UF)membraner har porestørrelser og molekylvektsgrenseområder. Vanligvis er porestørrelsen til ultrafiltreringsmembraner mellom 0.01 til 0,1 μm, med et molekylvektsgrenseområde (MWCO) på 5,000 til 500,{{ 9}} Dalton. Den nominelle MWCO for mikrofiltreringsmembraner som vanligvis brukes i avløpsvannbehandling varierer fra 30,000 til 800,000 Dalton.
2. Fordeler med MBR-membraner
MBR gir betydelige fordeler som andre frittstående biologiske prosesser ikke kan matche:
1.Utmerket og stabil avløpskvalitet
Dette manifesteres i den høye effektiviteten av fast-væske-separasjon. Avløpsvannets suspenderte stoffer kan nesten alltid holdes nær null, og det er ikke lett å påvirke av faktorer som slamnedbrytning eller slambulking på kort sikt.
2.Kompakt reaktordesign
Reaktoren er mer kompakt fordi den kan fungere normalt ved høye slamkonsentrasjoner, noe som resulterer i høy organisk fjerningseffektivitet samtidig som den sparer plass. Det er ikke behov for et sekundært sedimentasjonstanksystem.
3.Gunstig for dyrking av aerob nitrifiserende bakterier
Systemet øker nitrifikasjonskapasiteten til den aerobe sonen. Dette gjenspeiles i den høye effektiviteten til fjerning av ammoniakknitrogen, som holder seg stabil over en lang periode.
4.Fullstendig separasjon av hydraulisk retensjonstid og slamretensjonstid
Den fullstendige separasjonen av reaktorens hydrauliske retensjonstid (HRT) og slamretensjonstid (SRT) gir mer fleksibel driftskontroll.
5.Høy mikrobiell konsentrasjon og sterk motstand mot støtbelastning
Den mikrobielle konsentrasjonen i reaktoren er høy, og den har sterk motstand mot sjokkbelastninger. Med lang slamalder sørger membranseparering for at store, vanskelig nedbrytbare molekyler i avløpsvannet har tilstrekkelig retensjonstid innenfor det biologisk begrensede reaktorvolumet. Dette forbedrer nedbrytningseffektiviteten til gjenstridig organisk materiale betydelig. Reaktoren opererer under høy volumetrisk belastning, lav slambelastning og lang slamalder, noe som effektivt bidrar til å redusere slamutslipp.
3. Fremtidige utviklingstrender for MBR-membraner
1.MBR-teknologiens viktige rolle i avløpsvannbehandling
De siste årene har erfaring vist at MBR-teknologien er moden, og vellykket design og drift er oppnåelig. Den kan brukes til behandling av både kommunalt avløpsvann og industrielt avløpsvann. Derfor, ettersom MBR-teknologi fortsetter å utvikle seg og modnes, forventes den å bli mye brukt globalt som en økonomisk effektiv og praktisk teknologi.
2.Utsikter for MBR-applikasjon
Den primære applikasjonen for MBR bør være kommunal rensing av avløpsvann, spesielt fordi byer krever små landområder for rensing av avløpsvann. Avløpsvann av høy kvalitet kan gjenbrukes eller tjene som forbehandling for nanofiltrering og omvendt osmose, og strenge utslippsstandarder må oppfylles.
MBR-teknologi er også effektiv til å behandle industrielt avløpsvann, slik som matprosesseringsvann, slakteriavløpsvann og søppelvann. Den har vist utmerket fjerningseffektivitet for hormonforstyrrende stoffer (EDS) i søppelvann og kan fjerne nitrater i drikkevann (med en fjerningshastighet på opptil 98,5 %).
3.Membranbegroing kontroll
Ytterligere forskning er nødvendig på mekanismene for membranbegroing, spesielt studiet av biologisk begroing. Mer effektiv, kontrollerbar og minimert membran begroingsløsninger bør utvikles. Bruken av datamaskin- og sensorteknologi for online membrantilsmussing bør utforskes fullt ut. Ved forbedring av rengjøringsmetoder bør man være spesielt oppmerksom på bruken av sikre kjemikalier.
4.Velge membranstruktur og materialer basert på type avløpsvann
Membranstruktur og materialer bør velges riktig basert på typen avløpsvann. Nye energieffektive, høyytende membranmaterialer og modulsammenstillinger bør tas i bruk. Integrering av aerobe og anaerobe MBR-systemer bør fremmes. I tillegg bør matematiske modeller og datateknologi utnyttes fullt ut for å optimalisere driftsparametere for å oppnå bedre avløpskvalitet, noe som gjør prosessen mer økonomisk og effektiv.
4. Driftsprinsipp for MBR-membraner
I praktiske ingeniørapplikasjoner er den nedsenkede MBR-prosessen (Membrane Bio-Reactor) mer vanlig, og industrierfaring med denne typen system er relativt moden. Derfor vil vi bruke denne typen MBR som eksempel for analyse. Det generelle prinsippet er som følger:
Råvann kommer inn i bioreaktoren, hvor det organiske materialet oksideres og spaltes av det høykonsentrasjonsblandede aktiverte slammet. Under membranmodulen er det et luftesystem, som ikke bare gir tilstrekkelig oppløst oksygen (DO) til mikroorganismene i blandingsvæsken, men som også fremmer grundig blanding. Omrøringen forårsaket av boblene, sammen med sirkulasjonsstrømmen som dannes på membranoverflaten, har en skurende og skjæreffekt på membranoverflaten, og forhindrer effektivt irreversibel avsetning av forurensninger på membranoverflaten under ikke-kunstige forhold. Det behandlede vannet trekkes deretter gjennom en selvsugende pumpe og separeres av membranen, med væskefasen som passerer gjennom membranen og slippes ut av systemet.
Vanligvis har MBR-prosessen flere viktige operasjonelle parametere, inkludert membranfluks, permeabilitetskoeffisient, retensjonshastighet og konsentrasjonspolarisering.
1.Membranfluks
Membranfluks (J) refererer til mengden materiale som passerer gjennom en enhetsareal av membranen per tidsenhet. Det er typisk uttrykt i SI-enheter som [m³/(m²·s)] eller forenklet til m/s. I praktiske ingeniørberegninger brukes ikke-SI-enheter ofte for å måle fluks, for eksempel LMH (liter per kvadratmeter per time), med enheter på [L/(m²·h)]. En typisk MBR-membran som tilfredsstiller generelle krav til avløpsvannbehandling har en LMH på minst 10 L/(m²·h).
Faktorene som påvirker membranfluks inkluderer drivkraften for masseoverføring, membranmotstand, strømningstilstanden til mateløsningen på membransiden (tilsvarende motstand mot grenselag), og omfanget av membranbegroing.
2.Permeabilitetskoeffisient
Permeabilitetskoeffisienten (Lp) til en membran representerer mengden materiale som passerer gjennom membranen per tidsenhet og arealenhet under en enhetstrykk. Det uttrykkes ganske enkelt som membranfluksen under enhetstrykkforhold. Permeabilitetskoeffisienten er en av hovedparametrene for å evaluere den nåværende ytelsen til membranen.
3. Retention rate
I membranseparasjonsprosessen kalles væsken som passerer gjennom membranen permeatet, og væsken som holdes tilbake av membranen kalles retentatet. Retensjonshastigheten brukes til å karakterisere separasjonsytelsen til membranen, inkludert den observerte/rapporterte retensjonshastigheten (Robs) og den faktiske/intrinsiske retensjonshastigheten (Ract). Definisjonen er som følger:
Hvor Cp og Cb representerer konsentrasjonene av oppløst stoff i henholdsvis permeatet og fôrløsningen, som kan måles direkte. På grunn av at oppløste stoffer holdes tilbake og fester seg til membranoverflaten, er imidlertid konsentrasjonen av oppløst stoff (Cm) på membranoverflaten høyere enn den gjennomsnittlige konsentrasjonen av tilførselsløsningen. Derfor er den faktiske oppbevaringsgraden:
Verdien av Cm er vanligvis ikke direkte målbar og må estimeres ved hjelp av en beregningsmodell.
4.Konsentrasjonspolarisering
Under faktiske trykkdrevne prosesser avtar ofte membranfluksen over tid, og retensjonshastigheten for oppløste stoffer endres også. Hovedårsaken til dette fenomenet er konsentrasjonspolarisering og membranbegroing.
Konsentrasjonspolarisering refererer til fenomenet der, under trykkdrevne forhold, løsemidlet i mateløsningen passerer fritt gjennom membranen, mens oppløste stoffer holdes tilbake av membranen. Løsningsmiddelstrømmen fører kontinuerlig de oppløste stoffene til membranoverflaten, og forårsaker akkumulering av oppløste stoffer på membranen. Som et resultat øker konsentrasjonen av oppløst stoff (Cm) på membranoverflaten gradvis, noe som fører til en konsentrasjonsgradient som forårsaker omvendt diffusjon fra membranoverflaten til mateløsningen. Etter en stabiliseringsperiode, når strømmen av tilførselsløsningen til membranoverflaten er lik den omvendte diffusjonen, dannes et stabilt konsentrasjons-polarisasjonsgrenselag. Betingelsen for fullstendig retensjon uttrykkes ved følgende ligning:
Forholdet Cm/Cb kalles konsentrasjonspolariseringsforholdet. Jo høyere forholdet er, desto mer ugunstig er det for membranseparasjon.
Membranfluks (J) er lettere å måle, men k er forholdet mellom diffusjonskoeffisient og grenselagtykkelse. Verdien av k er relatert til strømningsforholdene på membranoverflaten og kan beregnes ved hjelp av masseoverføring dimensjonsløs tallkorrelasjon eller bestemmes eksperimentelt. Metoder for å bestemme k-verdier kan finnes i artikkelen av Zeman og Zydney (1996).
