Per: Kate
Email:kate@aquasust.com
Data: 4 de desembre de 2024
1. Visió general del procés MBR
MBR (Bioreactor de membrana)és una tecnologia de tractament biològic de membrana utilitzada en el tractament de l'aigua. És un sistema que combina la tecnologia de separació de membrana i la tecnologia de tractament biològic d'aigües residuals. És reconeguda com una de les tecnologies de tractament i recuperació de recursos d'aigües residuals més avançades i eficients del món actual.
La tecnologia MBR utilitza la funció de separació de les membranes, substituint els tancs de sedimentació secundaris dels processos de fangs activats tradicionals, filtres de sorra, unitats de desinfecció i altres components amb dispositius de separació de membrana. Utilitza membranes de microfiltració/ultrafiltració (MF/UF) per filtrar directament l'efluent del dipòsit d'aireació. Els sòlids en suspensió de la barreja de fangs actius es mantenen completament i es recirculen al reactor. Com a resultat, es pot allargar l'edat dels fangs, augmentar la concentració de fangs i reduir la càrrega de fangs. Això accelera la degradació microbiana dels contaminants, millora significativament l'eficiència del tractament d'aigües residuals i assegura que la qualitat de l'efluent no només sigui estable i fiable, sinó que també compleixi els estàndards d'aigua recuperada d'alta qualitat. És especialment adequat per millorar les plantes de tractament d'aigües residuals a la Xina per complir amb les noves normes d'abocament establertes el 2011, així com per a la reutilització d'aigües residuals industrials.
Microfiltració/Ultrafiltració (MF/UF)Les membranes tenen mides de porus i intervals de tall de pes molecular. En general, la mida dels porus de les membranes d'ultrafiltració està entre 0.01 a 0,1 μm, amb un interval de tall de pes molecular (MWCO) de 5,000 a 500,{{ 9}} Dalton. El MWCO nominal de les membranes de microfiltració que s'utilitzen habitualment en el tractament d'aigües residuals oscil·la entre 30,000 i 800,000 Dalton.
2. Avantatges de les membranes MBR
MBR ofereix avantatges importants que altres processos biològics autònoms no poden igualar:
1.Excel·lent i estable qualitat dels efluents
Això es manifesta en l'alta eficiència de la separació sòlid-líquid. Els sòlids en suspensió de l'efluent gairebé sempre es poden mantenir prop de zero, i no es veu afectat fàcilment per factors com la descomposició dels fangs o l'acumulació de fangs a curt termini.
2.Disseny compacte del reactor
El reactor és més compacte perquè pot funcionar normalment a altes concentracions de fangs, donant lloc a una alta eficiència d'eliminació d'orgànics alhora que estalvia espai. No és necessari un sistema de dipòsit de sedimentació secundari.
3.Favorable per al cultiu de bacteris nitrificants aeròbics
El sistema millora la capacitat de nitrificació de la zona aeròbica. Això es reflecteix en l'alta eficiència de l'eliminació del nitrogen d'amoníac, que es manté estable durant un llarg període.
4.Separació completa del temps de retenció hidràulica i del temps de retenció de fangs
La separació completa del temps de retenció hidràulica (HRT) del reactor i el temps de retenció de fangs (SRT) permet un control de funcionament més flexible.
5.Alta concentració microbiana i forta resistència a la càrrega de xoc
La concentració microbiana al reactor és alta i té una forta resistència a les càrregues de xoc. Amb una llarga edat dels fangs, la separació de membrana garanteix que les molècules grans i difícils de degradar a les aigües residuals tinguin un temps de retenció suficient dins del volum del reactor biològicament limitat. Això millora molt l'eficiència de degradació de la matèria orgànica recalcitrant. El reactor funciona amb altes càrregues volumètriques, baixes càrregues de fangs i llargues edats de fang, cosa que ajuda a reduir eficaçment la descàrrega de fangs.
3. Tendències de desenvolupament futur de les membranes MBR
1.El paper important de la tecnologia MBR en el tractament d'aigües residuals
En els darrers anys, l'experiència ha demostrat que la tecnologia MBR és madura i que es poden aconseguir un disseny i un funcionament exitosos. Es pot utilitzar tant per al tractament d'aigües residuals municipals com d'aigües residuals industrials. Per tant, a mesura que la tecnologia MBR continua desenvolupant-se i madurant, s'espera que s'apliqui àmpliament a nivell mundial com a tecnologia econòmicament eficient i pràctica.
2.Perspectives per a l'aplicació MBR
L'aplicació principal de l'MBR hauria de ser el tractament d'aigües residuals municipals, sobretot perquè les ciutats requereixen petites superfícies de terra per al tractament d'aigües residuals. Els efluents d'alta qualitat es poden reutilitzar o servir com a pretractament per a la nanofiltració i l'osmosi inversa, i s'han de complir estrictes normes de descàrrega.
La tecnologia MBR també és eficaç en el tractament d'aigües residuals industrials, com ara aigües residuals de processament d'aliments, aigües residuals d'escorxador i lixiviats d'abocador. Ha demostrat una excel·lent eficiència d'eliminació de substàncies disruptores endocrines (EDS) en lixiviats d'abocador i pot eliminar nitrats de l'aigua potable (amb una taxa d'eliminació de fins al 98,5%).
3.Control de la contaminació de la membrana
Es necessiten més investigacions sobre els mecanismes de l'encrasament de la membrana, especialment l'estudi de l'encrasament biològic. Membrana més eficaç, controlable i minimitzada s'han de desenvolupar solucions de contaminació. S'hauria d'explorar completament l'ús de tecnologia informàtica i de sensors per al control de l'encrassement de membranes en línia. En millorar els mètodes de neteja, s'ha de prestar especial atenció a l'ús de productes químics segurs.
4.Selecció de l'estructura de la membrana i els materials en funció del tipus d'aigua residual
L'estructura de la membrana i els materials s'han de seleccionar correctament en funció del tipus d'aigua residual. S'han d'adoptar nous materials de membrana d'alt rendiment i eficiència energètica i conjunts de mòduls. S'ha de promoure la integració de sistemes MBR aeròbics i anaeròbics. A més, els models matemàtics i la tecnologia informàtica s'han d'utilitzar plenament per optimitzar els paràmetres de funcionament per aconseguir una millor qualitat dels efluents, fent el procés més econòmic i eficient.
4. Principi de funcionament de les membranes MBR
En aplicacions pràctiques d'enginyeria, el procés immers MBR (Membrane Bio-Reactor) s'utilitza més habitualment i l'experiència de la indústria amb aquest tipus de sistema és relativament madura. Per tant, utilitzarem aquest tipus de MBR com a exemple per a l'anàlisi. El principi general és el següent:
L'aigua bruta entra al bioreactor, on la matèria orgànica s'oxida i es descomposa pel fang activat mixt d'alta concentració. A sota del mòdul de membrana hi ha un sistema d'aireació, que no només proporciona suficient oxigen dissolt (DO) per als microorganismes del licor barrejat, sinó que també afavoreix una barreja exhaustiva. L'agitació causada per les bombolles, juntament amb el flux de circulació format a la superfície de la membrana, té un efecte de fregat i cisalla a la superfície de la membrana, evitant eficaçment la deposició irreversible de contaminants a la superfície de la membrana en condicions no artificials. L'aigua tractada s'extrau després a través d'una bomba autoamorçant i se separa per la membrana, passant la fase líquida per la membrana i s'aboca del sistema.
Normalment, el procés MBR té diversos paràmetres operatius clau, com ara el flux de membrana, el coeficient de permeabilitat, la taxa de retenció i la polarització de la concentració.
1.Flux de membrana
El flux de membrana (J) es refereix a la quantitat de material que passa per una unitat d'àrea de la membrana per unitat de temps. Normalment s'expressa en unitats SI com a [m³/(m²·s)] o simplificat a m/s. En els càlculs pràctics d'enginyeria, sovint s'utilitzen unitats que no són SI per mesurar el flux, com ara LMH (litres per metre quadrat per hora), amb unitats de [L/(m²·h)]. Una membrana MBR típica que compleix els requisits generals de tractament d'aigües residuals té un LMH d'almenys 10 L/(m²·h).
Els factors que influeixen en el flux de la membrana inclouen la força motriu per a la transferència de massa, la resistència de la membrana, la condició de flux de la solució d'alimentació al costat de la membrana (equivalent a la resistència de la capa límit) i l'extensió de l'encrassement de la membrana.
2.Coeficient de permeabilitat
El coeficient de permeabilitat (Lp) d'una membrana representa la quantitat de material que passa per la membrana per unitat de temps i unitat d'àrea sota una unitat de pressió. S'expressa simplement com el flux de membrana en condicions de pressió unitat. El coeficient de permeabilitat és un dels principals paràmetres per avaluar el rendiment actual de la membrana.
3.Taxa de retenció
En el procés de separació de la membrana, el líquid que travessa la membrana s'anomena permeat, i el líquid retingut per la membrana s'anomena retentat. La taxa de retenció s'utilitza per caracteritzar el rendiment de separació de la membrana, inclosa la taxa de retenció observada/informada (Robs) i la taxa de retenció real/intrínseca (Ract). La seva definició és la següent:
On Cp i Cb representen les concentracions de solut en el permeat i la solució d'alimentació, respectivament, que es poden mesurar directament. Tanmateix, a causa de la retenció de soluts i l'adherència a la superfície de la membrana, la concentració de solut (Cm) a la superfície de la membrana és superior a la concentració mitjana de la solució d'alimentació. Per tant, la taxa de retenció real és:
El valor de Cm generalment no és mesurable directament i s'ha d'estimar mitjançant un model computacional.
4.Polarització de concentració
Durant els processos reals impulsats per la pressió, el flux de membrana sovint disminueix amb el temps i també canvia la taxa de retenció de soluts. La causa principal d'aquest fenomen és la polarització de la concentració i l'encrassement de la membrana.
La polarització de concentració fa referència al fenomen en què, en condicions de pressió, el dissolvent de la solució d'alimentació passa lliurement a través de la membrana, mentre que els soluts són retinguts per la membrana. El flux de dissolvent transporta contínuament els soluts a la superfície de la membrana, provocant l'acumulació de soluts a la membrana. Com a resultat, la concentració de solut (Cm) a la superfície de la membrana augmenta gradualment, donant lloc a un gradient de concentració que provoca una difusió inversa des de la superfície de la membrana a la solució d'alimentació. Després d'un període d'estabilització, quan el flux de la solució d'alimentació a la superfície de la membrana és igual a la difusió inversa, es forma una capa límit de polarització de concentració estable. La condició de retenció completa s'expressa amb la següent equació:
La relació Cm/Cb s'anomena relació de polarització de concentració. Com més gran sigui la proporció, més desfavorable és per a la separació de membrana.
El flux de membrana (J) és més fàcil de mesurar, però k és la relació entre el coeficient de difusió i el gruix de la capa límit. El valor de k està relacionat amb les condicions de flux a la superfície de la membrana i es pot calcular mitjançant la correlació de nombres adimensionals de transferència de massa o es pot determinar experimentalment. Els mètodes per determinar els valors de k es poden trobar a l'article de Zeman i Zydney (1996).
