Door: Kate
Email:kate@aquasust.com
Datum: 4 december 2024
1. Overzicht van het MBR-proces
MBR (membraanbioreactor)is een membraanbiologische behandelingstechnologie die wordt gebruikt bij waterbehandeling. Het is een systeem dat membraanscheidingstechnologie en biologische afvalwaterzuiveringstechnologie combineert. Het wordt tegenwoordig erkend als een van de meest geavanceerde en efficiënte technologieën voor afvalwaterbehandeling en terugwinning van hulpbronnen ter wereld.
MBR-technologie maakt gebruik van de scheidingsfunctie van membranen en vervangt de secundaire sedimentatietanks, zandfilters, desinfectie-eenheden en andere componenten van traditionele actiefslibprocessen door membraanscheidingsapparatuur. Het maakt gebruik van microfiltratie/ultrafiltratie (MF/UF)-membranen om het afvalwater uit de beluchtingstank direct te filteren. Zwevende vaste stoffen in het actiefslibmengsel worden volledig vastgehouden en terug in de reactor gerecirculeerd. Hierdoor kan de slibleeftijd worden verlengd, de slibconcentratie worden verhoogd en de slibbelasting worden verlaagd. Dit versnelt de microbiële afbraak van verontreinigende stoffen, verbetert de efficiëntie van de afvalwaterzuivering aanzienlijk en zorgt ervoor dat de kwaliteit van het afvalwater niet alleen stabiel en betrouwbaar is, maar ook voldoet aan de hoogwaardige normen voor teruggewonnen water. Het is vooral geschikt voor het upgraden van afvalwaterzuiveringsinstallaties in China om te voldoen aan de nieuwe lozingsnormen die in 2011 zijn vastgesteld, maar ook voor hergebruik van industrieel afvalwater.
Microfiltratie/Ultrafiltratie (MF/UF)membranen hebben poriegroottes en grenswaarden voor het molecuulgewicht. Over het algemeen ligt de poriegrootte van ultrafiltratiemembranen tussen 0.01 tot 0,1 μm, met een grenswaarde voor het molecuulgewicht (MWCO) van 5,000 tot 500,{{ 9}} Dalton. De nominale MWCO van microfiltratiemembranen die doorgaans worden gebruikt bij de behandeling van afvalwater varieert van 30,000 tot 800,000 Dalton.
2. Voordelen van MBR-membranen
MBR biedt aanzienlijke voordelen die andere op zichzelf staande biologische processen niet kunnen evenaren:
1.Uitstekende en stabiele afvalwaterkwaliteit
Dit komt tot uiting in de hoge efficiëntie van de scheiding van vaste stoffen en vloeistoffen. De zwevende deeltjes in het effluent kunnen bijna altijd op nul worden gehouden, en worden niet gemakkelijk beïnvloed door factoren zoals slibafbraak of ophoping van slib op de korte termijn.
2.Compact reactorontwerp
De reactor is compacter omdat hij normaal kan werken bij hoge slibconcentraties, wat resulteert in een hoge organische verwijderingsefficiëntie en tegelijkertijd ruimtebesparing. Er is geen noodzaak voor een secundair bezinktanksysteem.
3.Gunstig voor de teelt van aerobe nitrificerende bacteriën
Het systeem vergroot de nitrificatiecapaciteit van de aërobe zone. Dit komt tot uiting in het hoge rendement van de ammoniak-stikstofverwijdering, dat over een lange periode stabiel blijft.
4.Volledige scheiding van hydraulische retentietijd en slibretentietijd
De volledige scheiding van de hydraulische retentietijd (HRT) en de slibretentietijd (SRT) van de reactor maakt een flexibelere bediening mogelijk.
5.Hoge microbiële concentratie en sterke schokbestendigheid
De microbiële concentratie in de reactor is hoog en heeft een sterke weerstand tegen schokbelastingen. Bij een lange slibleeftijd zorgt membraanscheiding ervoor dat grote, moeilijk afbreekbare moleculen in het afvalwater voldoende verblijftijd hebben binnen het biologisch beperkte reactorvolume. Dit verbetert de afbraakefficiëntie van recalcitrant organisch materiaal aanzienlijk. De reactor werkt onder hoge volumetrische belastingen, lage slibbelastingen en lange slibleeftijden, waardoor de sliblozing effectief wordt verminderd.
3. Toekomstige ontwikkelingstrends van MBR-membranen
1.De belangrijke rol van MBR-technologie bij de behandeling van afvalwater
De afgelopen jaren heeft de ervaring geleerd dat de MBR-technologie volwassen is en dat succesvol ontwerp en gebruik haalbaar zijn. Het kan worden gebruikt voor de behandeling van zowel gemeentelijk afvalwater als industrieel afvalwater. Naarmate de MBR-technologie zich blijft ontwikkelen en volwassen wordt, wordt daarom verwacht dat deze wereldwijd op grote schaal zal worden toegepast als een economisch efficiënte en praktische technologie.
2.Vooruitzichten voor MBR-toepassing
De primaire toepassing van MBR zou de gemeentelijke afvalwaterzuivering moeten zijn, vooral omdat steden kleine landoppervlakten nodig hebben voor de behandeling van afvalwater. Hoogwaardig effluent kan worden hergebruikt of dienen als voorbehandeling voor nanofiltratie en omgekeerde osmose, waarbij aan strenge lozingsnormen moet worden voldaan.
MBR-technologie is ook effectief bij de behandeling van industrieel afvalwater, zoals afvalwater van voedselverwerking, afvalwater van slachthuizen en percolaat van stortplaatsen. Het heeft een uitstekende verwijderingsefficiëntie aangetoond voor hormoonontregelende stoffen (EDS) in percolaat van stortplaatsen en kan nitraten uit drinkwater verwijderen (met een verwijderingspercentage tot 98,5%).
3.Controle van membraanvervuiling
Verder onderzoek is nodig naar de mechanismen van membraanvervuiling, met name de studie van biologische vervuiling. Effectiever, controleerbaar en geminimaliseerd membraan Er moeten oplossingen voor vervuiling worden ontwikkeld. Het gebruik van computer- en sensortechnologie voor online bestrijding van membraanvervuiling moet volledig worden onderzocht. Bij het verbeteren van reinigingsmethoden moet bijzondere aandacht worden besteed aan het gebruik van veilige chemicaliën.
4.Membraanstructuur en materialen selecteren op basis van afvalwatertype
Membraanstructuur en materialen moeten correct worden geselecteerd op basis van het type afvalwater. Er moeten nieuwe energie-efficiënte, hoogwaardige membraanmaterialen en moduleconstructies worden toegepast. De integratie van aerobe en anaerobe MBR-systemen moet worden bevorderd. Bovendien moeten wiskundige modellen en computertechnologie volledig worden benut om de bedrijfsparameters te optimaliseren om een betere effluentkwaliteit te bereiken, waardoor het proces economischer en efficiënter wordt.
4. Werkingsprincipe van MBR-membranen
In praktische technische toepassingen wordt het ondergedompelde MBR-proces (Membrane Bio-Reactor) vaker gebruikt, en de industriële ervaring met dit type systeem is relatief volwassen. Daarom zullen we dit type MBR als voorbeeld voor analyse gebruiken. Het algemene principe is als volgt:
Ruw water komt de bioreactor binnen, waar het organische materiaal wordt geoxideerd en afgebroken door het hooggeconcentreerde gemengde actiefslib. Onder de membraanmodule bevindt zich een beluchtingssysteem, dat niet alleen voldoende opgeloste zuurstof (DO) levert voor de micro-organismen in de gemengde vloeistof, maar ook een grondige menging bevordert. De beweging veroorzaakt door de bellen, samen met de circulatiestroom die op het membraanoppervlak wordt gevormd, heeft een schurend en afschuifeffect op het membraanoppervlak, waardoor de onomkeerbare afzetting van verontreinigende stoffen op het membraanoppervlak onder niet-kunstmatige omstandigheden effectief wordt voorkomen. Het behandelde water wordt vervolgens door een zelfaanzuigende pomp gezogen en gescheiden door het membraan, waarbij de vloeibare fase door het membraan stroomt en uit het systeem wordt afgevoerd.
Typisch heeft het MBR-proces verschillende belangrijke operationele parameters, waaronder membraanflux, permeabiliteitscoëfficiënt, retentiesnelheid en concentratiepolarisatie.
1.Membraanflux
Membraanflux (J) verwijst naar de hoeveelheid materiaal die per tijdseenheid door een eenheidsoppervlak van het membraan gaat. Het wordt doorgaans uitgedrukt in SI-eenheden als [m³/(m²·s)] of vereenvoudigd tot m/s. In praktische technische berekeningen worden vaak niet-SI-eenheden gebruikt om de flux te meten, zoals LMH (liter per vierkante meter per uur), met eenheden van [L/(m²·h)]. Een typisch MBR-membraan dat voldoet aan de algemene eisen voor afvalwaterzuivering heeft een LMH van minimaal 10 L/(m²·h).
De factoren die de membraanflux beïnvloeden, zijn onder meer de drijvende kracht voor massaoverdracht, membraanweerstand, de stromingstoestand van de voedingsoplossing aan de membraanzijde (equivalent aan grenslaagweerstand) en de mate van membraanvervuiling.
2.Permeabiliteitscoëfficiënt
De permeabiliteitscoëfficiënt (Lp) van een membraan vertegenwoordigt de hoeveelheid materiaal die door het membraan gaat per tijdseenheid en oppervlakte-eenheid onder een eenheidsdruk. Het wordt eenvoudigweg uitgedrukt als de membraanflux onder eenheidsdrukomstandigheden. De permeabiliteitscoëfficiënt is een van de belangrijkste parameters voor het evalueren van de huidige prestaties van het membraan.
3. Retentiepercentage
Bij het membraanscheidingsproces wordt de vloeistof die door het membraan gaat het permeaat genoemd, en de vloeistof die door het membraan wordt vastgehouden het retentaat. De retentiesnelheid wordt gebruikt om de scheidingsprestaties van het membraan te karakteriseren, inclusief de waargenomen/gerapporteerde retentiesnelheid (Robs) en de feitelijke/intrinsieke retentiesnelheid (Ract). De definitie ervan is als volgt:
Waarbij Cp en Cb de opgeloste concentraties in respectievelijk het permeaat en de voedingsoplossing vertegenwoordigen, die direct kunnen worden gemeten. Omdat opgeloste stoffen echter worden vastgehouden en zich aan het membraanoppervlak hechten, is de concentratie opgeloste stoffen (Cm) op het membraanoppervlak echter hoger dan de gemiddelde concentratie van de voedingsoplossing. Daarom is het werkelijke retentiepercentage:
De waarde van Cm is over het algemeen niet direct meetbaar en moet worden geschat met behulp van een computermodel.
4.Concentratiepolarisatie
Tijdens daadwerkelijke, door druk aangedreven processen neemt de membraanflux in de loop van de tijd vaak af, en verandert ook de retentiesnelheid van opgeloste stoffen. De belangrijkste oorzaak van dit fenomeen is concentratiepolarisatie en membraanvervuiling.
Concentratiepolarisatie verwijst naar het fenomeen waarbij, onder drukgedreven omstandigheden, het oplosmiddel in de voedingsoplossing vrij door het membraan stroomt, terwijl opgeloste stoffen door het membraan worden vastgehouden. De oplosmiddelstroom voert de opgeloste stoffen voortdurend naar het membraanoppervlak, waardoor ophoping van opgeloste stoffen op het membraan ontstaat. Als gevolg hiervan neemt de concentratie opgeloste stoffen (Cm) op het membraanoppervlak geleidelijk toe, wat leidt tot een concentratiegradiënt die omgekeerde diffusie van het membraanoppervlak naar de voedingsoplossing veroorzaakt. Na een periode van stabilisatie, wanneer de stroom van de voedingsoplossing naar het membraanoppervlak gelijk is aan de omgekeerde diffusie, wordt een stabiele grenslaag voor concentratiepolarisatie gevormd. De voorwaarde van volledige retentie wordt uitgedrukt door de volgende vergelijking:
De verhouding Cm/Cb wordt de concentratiepolarisatieverhouding genoemd. Hoe hoger de verhouding, hoe ongunstiger deze is voor membraanscheiding.
Membraanflux (J) is gemakkelijker te meten, maar k is de verhouding tussen de diffusiecoëfficiënt en de dikte van de grenslaag. De waarde van k is gerelateerd aan de stromingsomstandigheden op het membraanoppervlak en kan worden berekend met behulp van de dimensieloze getalcorrelatie van massaoverdracht of experimenteel worden bepaald. Methoden voor het bepalen van k-waarden zijn te vinden in het artikel van Zeman en Zydney (1996).
