Kompaktowe systemy biologiczne z membranami i ruchomym złożem (SMBR i SMBBR)

• 1. Procesy biologiczne z wykorzystaniem membran i ruchomego złoża – MBR i MBBR
• 2. Oczyszczanie ścieków metodą biologiczną MBBR
• 3. Oczyszczanie ścieków metodą MBR
• 4. Połączenie metod oczyszczania ścieków z wykorzystaniem technologii MBBR i MBR
• 5. Podsumowanie

1. Procesy biologiczne z wykorzystaniem membran i ruchomego złoża – MBR i MBBR

Oczyszczanie ścieków przemysłowych wymaga zaawansowanych metod i procesów, które można dostosować do konkretnego rodzaju ścieków.

W odróżnieniu od ścieków miejskich, które trafiają do oczyszczalni, gdzie stężenia zanieczyszczeń utrzymują się w stosunkowo stałych granicach, a procesy oczyszczania można zazwyczaj ujednolicić, w przypadku ścieków przemysłowych nie ma wzorca, który można by ujednolicić, ponieważ każda branża i każdy sektor wytwarza inne ścieki.

Ponadto w środowiskach przemysłowych często występują ograniczenia dotyczące dostępnej przestrzeni na lokalizację oczyszczalni ścieków, co spowodowało rozwój technologii mających na celu zmniejszenie wymaganej powierzchni i poprawę wydajności oczyszczania.

W tym kontekście istnieją technologie, które zajmują niewiele miejsca i umożliwiają wysoki stopień dostosowania do indywidualnych potrzeb, jak na przykład reaktorów MBBR (Moving Bed Biofilm Reactor), które charakteryzują się wysoką wydajnością. 

W tlenowym procesie biologicznym MBBR rozkład substancji organicznej odbywa się za pośrednictwem bakterii tlenowych wewnątrz reaktora biologicznego z ruchomym złożem.

Ścieki pochodzące z reaktora MBBR będą zawierały, oprócz nieulegającego biodegradacji wskaźnika ChZT, resztki osadu, który nie przywarł do ścianek materiału wypełniającego, w którym w tym procesie osadzają się bakterie (nadmiar osadu).

Kolejnym ważnym czynnikiem, na który należy zwrócić uwagę, jest to, że biologiczne oczyszczalnie tlenowe są uzupełniane systemami oddzielania i recyrkulacji osadu, takimi jak osadnik wtórny lub systemy flotacji DAF, co pozwala uzyskać ścieki o lepszej jakości oraz osad o większym stężeniu.

Z kolei kompaktowe systemy biologiczne, takie jak reaktory MBR (biologiczny reaktor membranowy), pełnią jednocześnie funkcję oczyszczania wtórnego i trzeciorzędowego, ponieważ filtrują ścieki oczyszczone przez MBBR za pomocą zestawu membran ultrafiltracyjnych (UF). W ten sposób uzyskuje się wodę oczyszczoną o wysokiej jakości oraz koncentrat (osad), który może zostać ponownie wprowadzony do obiegu, wysłany do odwodnienia w celu późniejszego wywiezienia na wysypisko lub ponownego wykorzystania w kompostowaniu.

Systemy MBBR i MBR optymalizują proces oczyszczania pod względem tak istotnych aspektów, jak wydajność i zajmowana powierzchnia.

2. Oczyszczanie biologiczne metodą MBBR

Technologia MBBR charakteryzuje się wysokim stopniem dostosowania do różnych rodzajów ścieków, zwłaszcza w sektorach przemysłowych.                                              

W reaktorach z ruchomym złożem stosuje się plastikowe nośniki, które pokrywają się biofilmem i których zadaniem jest rozkładanie odpadów organicznych, z którymi wchodzą w kontakt w ściekach. Nośniki te, znane również jako carriers, są zanurzone w reaktorze biologicznym i dzięki swojemu ruchowi zwiększają wydajność oraz zdolność oczyszczania systemu MBBR bez konieczności powiększania reaktora.                         

Proces MBBR opiera się na aktywności mikroorganizmów, które osadzają się na porowatych nośnikach o dużej powierzchni, unoszących się w osadzie ścieków. Ich zadaniem jest sprzyjanie rozwojowi złożonych kolonii złożonych z mikroorganizmów i biomateriału (biofilmu).

Nośniki, których gęstość jest zbliżona do gęstości wody, unoszą się na powierzchni i swobodnie krążą wewnątrz reaktora dzięki działaniu pęcherzyków powietrza (w komorach tlenowych) lub mieszaniu mechanicznemu (w komorach beztlenowych). Cyrkulacja nośników w wodzie reguluje i stabilizuje wzrost biofilmu oraz kinetykę reakcji, co zmniejsza ryzyko zatkania złoża i zapobiega powstawaniu obejść w obrębie objętości użytkowej.

Systemy MBBR stanowią doskonałe rozwiązanie dla obiektów, w których dostępna przestrzeń jest ograniczona, ponieważ komory napowietrzania są mniejsze niż w konwencjonalnych systemach z osadem czynnym, a jednocześnie zapewniają podobną wydajność. Ponadto jest to proces elastyczny, ponieważ projektant może dostosować dostępną powierzchnię.

Zazwyczaj ścieki muszą zostać poddane oczyszczaniu wstępnemu przed wprowadzeniem do reaktora MBBR. Zalecanym procesem jest koagulacja/flokulacja, a następnie filtracja z użyciem separatora DAF, ponieważ pozwala to usunąć większość zawiesin i substancji koloidalnych, zanim ścieki trafią do reaktora MBBR.

Oprócz wysokiej skuteczności separacji, ten proces wstępnego oczyszczania pozwala uzyskać osad o wysokim stężeniu (3–5%), co znacznie ułatwia proces transportu i suszenia osadu. Ponadto oleje i tłuszcze są niemal całkowicie oddzielane, co chroni nośniki MBBR przed zanieczyszczeniem szkodliwym dla ich prawidłowego działania.

Po przejściu przez reaktor biomasa może zostać oddzielona za pomocą osadnika lub innego procesu separacyjnego, który należy dobrać w zależności od właściwości ścieków i ich dalszego przeznaczenia. W ten sposób zapewnia się, że w reaktorze zawsze pozostają mikroorganizmy niezbędne do jego funkcjonowania, co gwarantuje wydajność i skuteczność tego systemu oczyszczania.

Reaktory biologiczne z ruchomym złożem firmy SIGMADAF charakteryzują się wyjątkową wydajnością, ponieważ wszystkie mikroorganizmy niezbędne do usunięcia zanieczyszczeń znajdują się w zanurzeniu w reaktorze, przyczepione do plastikowych nośników. Dzięki temu systemowi jedyną biomasą, którą należy usunąć z systemu, jest ta, która odłączyła się od nośników oraz ta, która znajduje się w zawieszeniu w już oczyszczonym ścieku.

Najważniejsze zalety procesu MBBR to:      

• Do ich montażu potrzeba niewiele miejsca.
• Łatwe w obsłudze, bez konieczności recyrkulacji osadu ani kontroli czasu przebywania w komorze.
• Eliminacja problemów związanych zpęcznieniem.
• Doskonała jakość ścieków.
• Zdolność do wytrzymywania szczytowych obciążeń i wahań przepływu.
• Jest to system działający w trybie ciągłym, który nie wymaga stałego nadzoru ani przerywania leczenia.

Jak już wspomnieliśmy, system MBBR to technologia oparta na osadzie czynnym, w której stosuje się pływający materiał z polietylenu, na powierzchni którego rozwija się biomasa. Ten pływający materiał zapewnia skuteczną powierzchnię do rozwoju biofilmu, zwiększając objętościowe stężenie biomasy.

Ten wymuszony wzrost biomasy na elemencie pływającym charakteryzuje się szeregiem szczególnych cech:

• Stężenie MLSS (stężenie biomasy w reaktorze) może być od 1,5 do 2 razy wyższe niż w przypadku konwencjonalnych systemów z osadem czynnym, osiągając nawet 4000–8000 mg/l.
• Wydłuża się efektywny czas przebywania komórek w organizmie.
• Zwiększa się wydajność systemu przy zachowaniu tej samej objętości.

W związku ze wzrostem MLSS stężenie osadu trafiającego do kolejnego etapu procesu nie wzrasta,lecz ulega zmniejszeniu, dzięki czemu wymiary kolejnego etapu oczyszczania są mniejsze niż w systemach konwencjonalnych.

Ten reaktor MBBR składa się z komór tlenowych (z wtryskiem tlenu), do których wprowadza się różne rodzajenośników. Komory są połączone kanałem, w którym zainstalowano kratki zatrzymujące te nośniki.

Proces MBBR okazał się skuteczny w usuwaniu nawet 90% ChZT i 95% BZT, pod warunkiem zapewnienia wystarczającego czasu przebywania. Wydajność reaktora MBBR zależy od takich czynników, jak:

• Procentowa zawartość pierwiastków w reaktorze.
• Powierzchnia lotniskowców.
• Tlen rozpuszczony.
• Substancje substancje substancje substancje substancje substancje substancje substancje substancje substancje substancje substancje substancje substancje substancje substancje substancje substancje substancje

Systemy MBBR to opłacalna, wydajna, kompaktowa i łatwa w obsłudze technologia.

3. Oczyszczanie ścieków metodą MBR

Systemy MBR różnią się od pozostałych procesów biologicznych tym, że obejmują trzeciorzędną filtrację, dzięki czemu uzyskują wodę oczyszczoną o wysokiej jakości, którą można ponownie wykorzystać do określonych zastosowań.

Systemy MBR są powszechnie stosowane w procesach oczyszczania ścieków komunalnych, przemysłowych, a nawet bytowych, w których pożądane jest ponowne wykorzystanie wody.                                                                                        

Bioreaktory membranowe (MBR) stanowią odmianę systemów z ruchomym złożem i membraną, stosowanych do oczyszczania ścieków.  W systemie MBR mikroorganizmy rozkładają substancje organiczne obecne w ściekach, a następnie oczyszczona woda przepływa przez filtr membranowy w celu usunięcia zawiesin i pozostałych mikroorganizmów. W rezultacie otrzymujemy wodę oczyszczoną, która nadaje się do ponownego wykorzystania lub odprowadzenia do środowiska. 

Ścieki doprowadzane do reaktora biologicznego zawierają duże stężenie osadu czynnego, który należy poddać recyrkulacji w celu utrzymania odpowiedniego stężenia podczas oczyszczania biologicznego. Osad ten jest filtrowany przez zestaw membran, a następnie kierowany z powrotem do strefy utleniania.

Z drugiej strony w systemie gromadzą się również resztki zawiesin stałych i bakterii (nadmiar osadu), które należy okresowo usuwać z systemu i odprowadzać. Frakcja ta jest kierowana do procesu odwadniania w celu zmniejszenia jej objętości i ułatwienia jej transportu.    

W bioreaktorach membranowych (MBR) stosuje się głównie membrany ultrafiltracyjne i mikrofiltracyjne. Ze względu na budowę fizyczną można je podzielić na membrany z włókien pustych w środku, płaskie oraz rurowe. Najczęściej stosowanymi materiałami do produkcji membran są PVDF, PTFE, PE, PVC, ceramika, szkło oraz materiały kompozytowe. 

Zakresy separacji tych membran są następujące:

• Mikrofiltracja w zakresie od 100 do 1000 nm
• Ultrafiltracja w zakresie od 5 do 100 nm.

W niektórych przypadkach stosuje się NF i OI, ale taka konfiguracja często powoduje problemy z zanieczyszczeniem.           

Jak widać na poniższym schemacie, membrany można zainstalować zanurzone w bioreaktorze lub na zewnątrz systemu.

Zalety

Główne zalety bioreaktorów membranowych MBR to:

1. Większa wydajność: Systemy MBR umożliwiają usuwanie zanieczyszczeń i uzyskanie wody o wysokiej jakości. 
2. Mniejsze zapotrzebowanie na miejsce: Systemy MBR zajmują mniej miejsca niż konwencjonalne systemy oczyszczania ścieków. 
3. Większa elastyczność: Systemy MBR są bardziej elastyczne niż konwencjonalne systemy oczyszczania ścieków, co pozwala im dostosować się do różnych rodzajów ścieków i obciążeń zanieczyszczeniami. 
4. Mniejsze wytwarzanie osadu: Systemy MBR wytwarzają mniej osadu niż konwencjonalne systemy oczyszczania ścieków, co pozwala obniżyć koszty utylizacji osadu. 

Wady

Do głównych wad oczyszczania za pomocą bioreaktorów membranowych (MBR) należą:

1. Konieczność czyszczenia: Membrany stosowane w bioreaktorach membranowych wymagają regularnego czyszczenia, aby zapobiec gromadzeniu się cząstek stałych i mikroorganizmów na ich powierzchni. 
2. Zużycie energii: Bioreaktory membranowe zużywają więcej energii niż konwencjonalne systemy oczyszczania ścieków ze względu na konieczność pompowania wody przez membrany. 
3. Wrażliwość na jakość wody: Bioreaktory membranowe są bardziej wrażliwe na jakość wody niż konwencjonalne systemy oczyszczania ścieków, co może wpływać na ich wydajność. 

Porównanie wydajności systemu MBR z procesem konwencjonalnym

Parametr	MBR	Tradycyjny
DB05	< 5 mg/l	10–30 mg/l
BHP	< 1 mg/l	10–30 mg/l
MLSS	8 000 – 25 000 mg/l	2 000 – 3 000 mg/l
Zmętnienie	< 0.2 NTU	5–20 NTU
Bakterie z grupy coli pochodzenia kałowego	< 10	> 105

Czyszczenie membran

Czyszczenie membran w bioreaktorach membranowych odbywa się poprzez płukanie wsteczne za pomocą wody permeatu i powietrza, a w niektórych przypadkach przy użyciu roztworów chemicznych. Siłę napędową przepływu przez membranę uzyskuje się poprzez zwiększenie ciśnienia w zbiorniku lub wytworzenie próżni po stronie permeatu, co sprzyja przepływowi cieczy przez membranę.  

Do czyszczenia membran w bioreaktorach membranowych (MBR) stosuje się roztwory chemiczne, takie jak podchloryn sodu, kwas podchlorowy lub nadtlenek wodoru. Roztwory te nakłada się na membrany na kilka minut, a następnie spłukuje się zanieczyszczenia strumieniem wody skierowanym do przodu lub do tyłu.  Wybór roztworu chemicznego zależy od rodzaju zanieczyszczenia, które ma zostać usunięte, oraz od rodzaju membrany. 

4. Oczyszczanie ścieków z wykorzystaniem technologii MBBR i MBR

Biologiczne oczyszczanie ścieków z wykorzystaniem membran (MBR) i ruchomego złoża (MBBR) to proces łączący obie technologie (membranową i ruchomego złoża) w celu oczyszczania ścieków. 

Połączenie tych dwóch technologii zapewnia wysoką skuteczność w usuwaniu zanieczyszczeń obecnych w ściekach.             

Skuteczność biologicznego oczyszczania z wykorzystaniem membran i złoża ruchomego zależy od kilku czynników:

• Jakość doprowadzanej wody ściekowej
• Ładowanie ładunek ładowanie ładowanie
• Temperatura
• Dostępność tlenu
• Obecność składników odżywczych

Wybór nośnika stosowanego w procesie złoża ruchomego może również wpływać na skuteczność oczyszczania. Bioreaktory złoża ruchomego i membranowe, działające przy niskim czasie retencji hydraulicznej, zapewniają wysoką skuteczność usuwania zanieczyszczeń. 

Szlam przefiltrowany przez membrany MBR będzie składał się głównie z materiału obojętnego, który odrywa się od nośników MBBR. Materiał ten można oddzielić na poprzednim etapie oczyszczania wstępnego, dzięki czemu można go zawrócić do tej części instalacji w celu oddzielenia wraz z osadem wstępnym. Inną opcją jest usunięcie go z membran i skierowanie do odwodnienia w celu późniejszego usunięcia.

Zastosowanie zanurzonych modułów MBBR jako drugiego etapu oczyszczania biologicznego jest zalecane w przypadku ścieków, które wymagają uzyskania wody o wyższej jakości lub charakteryzują się wysoką zawartością azotu amonowego. W takich przypadkach wskazane jest zainstalowanie linii recyrkulacyjnej na wlocie do MBBR wraz z poprzedzającą ją strefą beztlenową.

Wśród zalet tej kombinacji procesów na szczególną uwagę zasługują:

• Elastyczność w zakresie zabiegów.
• Poprawa wydajności systemu
• Zajmuje mniej miejsca niż proces sedymentacji lub flotacji stosowany po oczyszczaniu biologicznym.
• Lepsza jakość uzdatnionej wody

5. Podsumowanie

Proces MBBR stopniowo wyparł inne konwencjonalne metody oczyszczania biologicznego, takie jak przedłużone napowietrzanie, ze względu na swoją elastyczność i specjalistyczne zastosowanie w przypadku konkretnych ścieków przemysłowych, ponieważ umożliwia łączenie różnych rodzajów kolonii bakterii umieszczonych w różnych strefach reaktora. Wydajność oczyszczania wzrasta również dzięki temu, że kolonie osadzają się na zestawie elementów z tworzywa sztucznego (nośników), które zapewniają dużą powierzchnię do przylegania i rozwoju (biofilm), do czego dochodzi ruchliwość całego zestawu spowodowana mieszaniem powietrzem (system tlenowy) lub mieszaniem mechanicznym (w systemie beztlenowym). Wszystko to przekłada się na wysoką wydajność przy minimalnym zajmowanym miejscu.

Z kolei technologia MBR zastępuje system oczyszczania wtórnego w celu oddzielenia osadu, który przedostaje się z procesu biologicznego. W przypadku stosowania systemu MBBR osad ten składa się z resztek odrywających się od nośników i praktycznie w całości można go uznać za nadmiarowy osad. W związku z tym nie ma potrzeby recyrkulacji osadu czynnego przed MBBR, a po przefiltrowaniu przez membrany MBR może on być kierowany bezpośrednio do dalszego odwadniania lub zawracany do oczyszczania pierwotnego.

Pomimo zalet związanych z oszczędnością miejsca oraz większą wydajnością i skutecznością w porównaniu z innymi powszechnie stosowanymi metodami oczyszczania ścieków, wadą tego połączenia procesów są wyższe koszty i większa złożoność, co wiąże się z koniecznością zatrudnienia wykwalifikowanego personelu.