A diferença de função e utilização entre o biorreator de membrana (MBR) e a ultrafiltração submersa.
O MBR é colocado num reservatório de aeração ou num reservatório de sedimentação secundária, com uma grande quantidade de lama activa no fluxo.que é colocado num reservatório de membrana e requer uma gama mais ampla de requisitos de influência e capacidades antipoluição mais fortesEm geral, se a filtragem por ultrafiltração for utilizada diretamente sem tratamento adicional após métodos bioquímicos, é utilizada a MBR.A ultrafiltração por imersão é utilizada na etapa final.
Vantagens: O processo MBR é simples, o investimento é baixo, a ultrafiltração submersa tem um grande fluxo operacional, alta taxa de recuperação e boa qualidade da água
Desvantagens: a MBR tem um baixo fluxo de funcionamento e requer mais membranas para a mesma quantidade de produção de água;O processo de ultrafiltração por imersão é complexo e requer vários equipamentos periféricos de apoio.
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Processo MBR
No domínio do tratamento de águas residuais e da reutilização dos recursos hídricos, o MBR, também conhecido como biorreator de membrana,É uma nova tecnologia de tratamento de água que combina processo de lodo activado e tecnologia de separação por membrana.
Breve introdução
No domínio do tratamento de águas residuais e da reutilização dos recursos hídricos, o MBR, também conhecido como Bioreator de Membrana,É uma nova tecnologia de tratamento de água que combina processo de lodo activado com tecnologia de separação por membranaExistem vários tipos de membranas, classificadas de acordo com os seus mecanismos de separação, incluindo as membranas de reação, as membranas de troca de íons, as membranas permeáveis, etc.;De acordo com as propriedades das membranas, existem membranas naturais (biofilmes) e membranas sintéticas (membranas orgânicas e inorgânicas); De acordo com os tipos estruturais de membranas, existem tipo de placa plana, tipo de tubo, tipo espiral,e tipo de fibra oca.
Composição do processo
O biorreator de membrana é composto principalmente por componentes de separação de membrana e um biorreator.1 Biorreator de membrana de aeração (AMBR)2 Biorreator de membrana extractiva (EMBR); 3 Biorreator de membrana de separação sólido/líquido (SLSMBR).
Membrana de aeração
O biorreator de membrana de aeração foi visto pela primeira vez em Cote P et al. reported in 1988 that the use of breathable dense membranes (such as silicone rubber membranes) or microporous membranes (such as hydrophobic polymer membranes) in plate or hollow fiber modules can achieve bubble free aeration into bioreactors while maintaining gas partial pressure below the bubble pointA característica deste processo é melhorar o tempo de contacto e a eficiência da transferência de oxigénio,que seja propício ao controlo do processo de aeração e não seja afectado pelos factores do tamanho da bolha e do tempo de permanência na aeração tradicional. Tal como mostrado na figura [1].
Membrana de extracção
O biorreator de membrana de extracção, também conhecido como EMBR (Extractive Membrane Bioreactor).Algumas águas residuais industriais não devem ser tratadas em contacto direto com micro-organismos■ Quando as águas residuais contêm substâncias tóxicas voláteis, se forem utilizados processos de tratamento biológico aeróbico tradicionais, os poluentes são propensos a evaporar com o fluxo de ar de aeração,que resulte na remoção de gásPara resolver estes desafios técnicos, o estudioso britânico Livingston pesquisou e desenvolveu EMB.As águas residuais e as lamas activadas são separadas por uma membranaAs águas residuais não entram em contacto direto com os micro-organismos.e poluentes orgânicos podem passar seletivamente pela membrana e serem degradados por microorganismos do outro ladoDevido à natureza independente das unidades de biorreator e das unidades de circulação de águas residuais em ambos os lados da membrana de extracção, o fluxo de água de cada unidade tem pouca influência uma sobre a outra.Os nutrientes e as condições de vida dos micróbios no biorreator não são afectados pela qualidade das águas residuaisAs condições de funcionamento do sistema, tais como HRT e SRT,podem ser controlados dentro do intervalo ideal para manter a taxa máxima de degradação dos poluentes.
Membrana de separação sólido-líquido
O biorreator de membrana de separação de líquido sólido é o tipo de biorreator de membrana mais amplamente e profundamente estudado no campo do tratamento de água.É uma tecnologia de tratamento de água que utiliza o processo de separação por membrana para substituir o tanque de sedimentação secundária no processo tradicional de lodo ativadoNa tecnologia tradicional de tratamento biológico das águas residuais, a separação da água de lodo é completada pela gravidade no reservatório de sedimentação secundário,e a sua eficiência de separação depende do desempenho de sedimentação da lama activaQuanto melhor for o desempenho de sedimentação, maior será a eficiência de separação da água da lama.e a melhoria da propriedade de sedimentação das lamas requer um controlo rigoroso das condições de funcionamento do reservatório de aeração, o que limita a aplicabilidade deste método, devido à necessidade de separação sólido-líquido no reservatório de sedimentação secundário,a lama no reservatório de aeração não pode manter uma concentração elevada, geralmente em torno de 1,5-3,5 mg/l, o que limita a taxa de reacção bioquímica.
O tempo de retenção hidráulica (HRT) e a idade da lama (SRT) são interdependentes e o aumento da carga volumétrica e a redução da carga da lama geralmente criam uma contradição.O sistema também gera uma grande quantidade de lamas residuais durante o funcionamento.Os sistemas tradicionais de tratamento de lamas activas também são propensos à expansão das lamas.Resultando em sólidos em suspensão nos efluentes e deterioração da qualidade da água.
Em resposta às questões acima, a MBR combina a tecnologia de separação da membrana com a tecnologia de tratamento biológico tradicional.O MBR consegue separar o tempo de retenção de lamas e o tempo de retenção hidráulica, melhorando consideravelmente a eficiência da separação sólido-líquido.devido ao aumento da concentração de lama ativada no reservatório de aeração e ao aparecimento de bactérias específicas (especialmente grupos bacterianos dominantes) na lama, a taxa de reacção bioquímica é aumentada. Ao mesmo tempo, reduzindo a relação F/M para reduzir a quantidade de lama em excesso gerada (até zero),muitos problemas importantes existentes nos processos tradicionais de lamas activadas foram basicamente resolvidos.
A lama activada é removida e depois filtrada através de uma membrana sob pressão externa.Esta forma de biorreator de membrana elimina a necessidade de um sistema de circulação de líquido misto e depende da sucção de água, resultando num consumo de energia relativamente baixo; ocupa mais espaço e é mais compacto do que um tipo separado, tendo recebido especial atenção no domínio do tratamento de águas nos últimos anos.No entanto, o fluxo da membrana é geralmente relativamente baixo, tornando-o propenso à impureza da membrana e difícil de limpar e substituir após a impureza.
O biorreator de membrana composta também pertence ao biorreator de membrana integrado na formacom a diferença de ser a adição de enchimentos dentro do biorreator para formar um biorreator de membrana composta, o que altera certas características do reator.
Características do processo
Em comparação com muitos processos de tratamento de água biológicos tradicionais, o MBR apresenta as seguintes características principais:
1、 Qualidade elevada e estável das águas residuais
Devido ao efeito de separação eficiente da membrana, a eficiência de separação é muito melhor do que a dos tanques de sedimentação tradicionais.com sólidos em suspensão e turbidez próxima de zeroAs bactérias e os vírus são muito removidos e a qualidade dos efluentes é melhor do que o padrão nacional de qualidade da água emitido pelo Ministério da Construção (CJ25.1-89).Pode ser reutilizado diretamente como água municipal não potável.
Ao mesmo tempo, a separação da membrana também intercepta completamente os microorganismos no biorreator, permitindo que o sistema mantenha uma alta concentração de microorganismos.Isto não só melhora a eficiência global de remoção de poluentes pelo dispositivo de reação, mas também garante uma boa qualidade dos efluentes. Ao mesmo tempo, o reator tem uma boa adaptabilidade às várias alterações da carga de entrada (qualidade e quantidade de água), é resistente às cargas de choque,e pode obter de forma estável a qualidade dos efluentes de alta qualidade.
2、 Baixa produção de lodo excedentário
Este processo pode funcionar sob uma carga de volume elevado e uma carga de lama baixa, com uma baixa produção de lama residual (que, teoricamente, resulta em zero descarga de lama), reduzindo os custos de tratamento da lama.
3、 Pequena pegada, não limitada pela localização do ajuste
O biorreator pode manter uma elevada concentração de biomassa microbiana, com uma elevada carga volumétrica no dispositivo de tratamento e uma grande pegada, o que resulta em economias significativas de custos;Este processo é simples.A estrutura é compacta e ocupa uma área pequena. Não é limitada pela localização da instalação e é adequada para qualquer ocasião. Pode ser feita em tipos terrestres, semi-subterrâneos e subterrâneos..
4、 Pode remover nitrogénio de amônia e matéria orgânica difícil de degradar
Devido à interceptação completa de microorganismos no biorreator, facilita a retenção e o crescimento de microorganismos de proliferação lenta, como bactérias nitrificantes,Melhorando assim a eficiência de nitrificação do sistemaAo mesmo tempo, pode aumentar o tempo de retenção hidráulica de alguns compostos orgânicos recalcitrantes no sistema,que é benéfico para melhorar a eficiência de degradação dos compostos orgânicos recalcitrantes.
5、 Operação e gestão convenientes, fácil de obter controlo automático
Este processo permite a separação completa do tempo de retenção hidráulica (HRT) e do tempo de retenção de lamas (SRT), tornando o controlo da operação mais flexível e estável.É uma nova tecnologia que é fácil de implementar no tratamento de águas residuais e pode alcançar o controlo automático por microcomputador, tornando mais conveniente a gestão das operações.
6、 Fácil de transformar a partir do artesanato tradicional
Este processo pode servir como unidade de tratamento profundo para os processos tradicionais de tratamento de águas residuais,e tem amplas perspectivas de aplicação em áreas como o tratamento profundo de efluentes de estações de tratamento de águas residuais urbanas secundárias (alcançando assim a reutilização em larga escala de águas residuais urbanas).
Os biorreatores de membrana apresentam também algumas deficiências, manifestadas principalmente nos seguintes aspectos:
O elevado custo das membranas resulta num investimento em infraestruturas mais elevado para os biorreatores de membrana em comparação com os processos tradicionais de tratamento de águas residuais;
É susceptível de ocorrer incrustação da membrana, o que causa inconvenientes para a operação e a gestão;
Consumo elevado de energia: em primeiro lugar, o processo de separação de água de lodo MBR deve manter uma certa pressão de condução da membrana.Para manter uma taxa de transferência de oxigénio suficientePara aumentar o fluxo da membrana e reduzir a impureza da membrana, é necessário aumentar o caudal e lavar a superfície da membrana,resultando num consumo de energia mais elevado do MBR em comparação com os processos de tratamento biológico tradicionais.
Película de processo
A membrana pode ser preparada a partir de vários materiais, incluindo fase líquida, fase sólida e até fase gasosa.De acordo com os diferentes tamanhos dos poros, pode ser dividido em membranas de microfiltração, membranas de ultrafiltração, membranas de nanofiltração e membranas de osmose reversa; De acordo com diferentes materiais,pode ser dividido em membranas inorgânicas e membranas orgânicasAs membranas inorgânicas são principalmente membranas de grau de microfiltração. A membrana pode ser homogênea ou heterogênea e pode ser carregada ou eletricamente neutra.As membranas amplamente utilizadas no tratamento de águas residuais são principalmente membranas assimétricas em estado sólido, preparadas a partir de materiais de polímeros orgânicos.
Critérios de classificação e classificação das membranas:
1、 Material da membrana MBR
1Materiais de película orgânica polimérica: poliolefina, polietileno, poliacrilonitril, polisulfona, poliamida aromática, fluoropolímero, etc.
As membranas orgânicas têm custos relativamente baixos, são baratas, têm processos de fabrico maduros, diversos tamanhos e formas de poros e são amplamente utilizadas.são propensos a poluição durante o funcionamento, têm baixa resistência e têm uma vida útil curta.
2Membrana inorgânica: é um tipo de membrana de estado sólido que é uma membrana semi-permeável feita de materiais inorgânicos como metais, óxidos de metais, cerâmica, vidro poroso, zeólitos,Materiais poliméricos inorgânicos, etc.
As membranas inorgânicas atualmente utilizadas no MBR são principalmente membranas cerâmicas, que têm a vantagem de poderem ser utilizadas em ambientes com pH=0-14, pressão P<10MPa e temperatura <350 °C.Têm alto fluxo e consumo de energia relativamente baixo, tornando-os altamente competitivos no tratamento de águas residuais industriais de alta concentração; as desvantagens são: elevado custo, resistência alcalina, baixa elasticidade,e dificuldade no processamento e preparação do filme.
2、 Tamanho dos poros da membrana MBR
As membranas comumente utilizadas na tecnologia MBR são as membranas de microfiltração (MF) e as membranas de ultrafiltração (UF), principalmente com um tamanho de poro de 0,1-0,4 μm,que é suficiente para reatores de membrana de separação sólido-líquido.
Os materiais poliméricos comumente utilizados para membranas de microfiltração incluem policarbonato, éster de celulose, fluoreto de polivinilideno, polisulfone, politetrafluoroetileno, cloreto de polivinila,polieterimida, polipropileno, polieteretercetona, poliamida, etc.
Os materiais poliméricos comuns para ultrafiltração incluem polisulfona, polietersulfona, poliamida, poliacrilonitril (PAN), fluoreto de polivinilideno, éster de celulose, polieteretercetona, poliimida,polieteramida, etc.
3、 Módulo de membrana MBR
A fim de facilitar a produção e a instalação industriais, melhorar a eficiência da membrana e alcançar a área máxima da membrana por unidade de volume,a membrana é geralmente montada num equipamento unitário básico de alguma forma, e sob uma certa força motriz, a separação de vários componentes no líquido misto é concluída.
Existem cinco formas de componentes de membrana comumente usadas na indústria:
Módulo de placa e quadro, Módulo de ferida espiral, Módulo tubular, Módulo de fibra oca e Módulo capilar. Os dois primeiros usam filme plano, enquanto os três últimos usam filme tubular.Diâmetro da membrana do tubo circular > 10 mm■ Tipo capilar -0,5~10,0 mm; Tipo de fibra oca <0,5 mm>.
Tabela: Características dos vários componentes da membrana
As formas de módulo de membrana comumente usadas no processo MBR incluem tipo de quadro de placa, tipo de tubo circular e tipo de fibra oca.
É uma das primeiras formas de módulo de membrana utilizadas na tecnologia MBR, com uma aparência semelhante a uma prensa de filtro de placa e quadro regular.operação convenienteAs desvantagens são: vedação complexa, alta perda de pressão e baixa densidade de embalagem.
Tipo de tubo redondo:
É composto por uma membrana e um suporte de membrana e tem dois modos de funcionamento: tipo de pressão interna e tipo de pressão externa.onde a água de entrada flui de dentro do tubo e o permeado flui de fora do tuboO diâmetro da membrana é entre 6-24 mm. As vantagens da membrana de tubo circular são: o líquido de alimentação pode controlar o fluxo turbulento, não é fácil de bloquear, é fácil de limpar e tem baixa perda de pressão.A desvantagem é a baixa densidade de embalagem.
Tipo de fibra oca:
O diâmetro externo é geralmente de 40-250 μm e o diâmetro interno é de 25-42 μm. As vantagens são a alta resistência à compressão e resistência à deformação.Os componentes são frequentemente colocados diretamente no reator sem a necessidade de recipientes de pressãoOs benefícios são: alta densidade de embalagem; custo relativamente baixo; longa vida útil,Membranas de fibras ocas de nylon com propriedades físicas e químicas estáveis e baixa permeabilidade podem ser utilizadasA membrana tem uma boa resistência à pressão e não requer materiais de apoio.e poluição e polarização da concentração têm um impacto significativo no desempenho de separação da membrana.
Requisitos gerais para o projeto do módulo de membrana MBR:
Fornecer um suporte mecânico suficiente para a membrana, garantir canais de fluxo suaves e eliminar cantos mortos e áreas de água estagnada;
Baixo consumo de energia, minimiza a polarização da concentração, melhora a eficiência de separação e reduz a impureza da membrana;
A maior densidade de embalagem possível, fácil instalação, limpeza e substituição;
O Tem uma resistência mecânica, estabilidade química e térmica suficientes.
A selecção dos componentes da membrana deve considerar de forma abrangente o seu custo, densidade de embalagem, cenários de aplicação, processos do sistema, impureza e limpeza da membrana, vida útil, etc.
Área de aplicação
Em meados e no final dos anos 90, os biorreatores de membrana tinham entrado na fase de aplicação prática no estrangeiro.foi o primeiro a lançar um biorreator de membrana tubular de ultrafiltração e aplicá-lo ao tratamento de esgoto urbanoA fim de poupar o consumo de energia, a empresa também desenvolveu módulos de membrana de fibra oca imersos.O biorreator de membrana desenvolvido pela empresa foi aplicado em mais de dez lugares, incluindo os Estados Unidos., Alemanha, França e Egito, com uma escala que varia de 380 m3/d a 7600 m3/d. A Mitsubishi Rayon é também um fornecedor conhecido de membranas de fibras ocas imersas no mundo,e acumulou anos de experiência na aplicação do MBRA Kubota Corporation no Japão é outra empresa competitiva na aplicação prática de biorreatores de membrana.Produção de membranas de placas com características tais como alta taxa de fluxoAlguns investigadores e empresas nacionais também estão a fazer tentativas na aplicação prática do MBR.
Hoje em dia, os biorreatores de membrana têm sido aplicados nos seguintes domínios:
1、 Tratamento de águas residuais urbanas e reutilização de águas dos edifícios
A primeira estação de tratamento de águas residuais que utiliza a tecnologia MBR foi construída pela empresa americana Dorr Oliver em 1967, que tratou 14 m3/d de águas residuais.um sistema de reutilização de esgotos foi colocado em prática em um prédio alto no JapãoEm 1980, o Japão construiu duas estações de tratamento de MBR com capacidades de processamento de 10 m3/d e 50 m3/d, respectivamente.com uma capacidade máxima de processamento de 500 m3/d, e mais de 100 edifícios de grande altura usaram o MBR para tratar águas residuais e reutilizá-las em vias navegáveis intermediárias.com uma capacidade de processamento diária de 2000 m3Em 1999, a Wessex construiu também uma fábrica de MBR de 13000 m3/d em Swanage, Dorset.
Em Maio de 1998, o sistema piloto de biorreator de membrana integrada conduzido pela Universidade de Tsinghua passou pela certificação nacional.A Universidade Tsinghua construiu um sistema prático de MBR no Hospital Haidian Township em Pequim para tratar as águas residuais dos hospitaisO projecto foi concluído e colocado em serviço em Junho de 2000 e está actualmente a funcionar normalmente.A professora Yang Zaoyan e sua equipe de pesquisa da Universidade de Tianjin concluíram um projeto de demonstração de MBR no Edifício Puchen no Parque Industrial de Nova Tecnologia de TianjinO sistema trata 25 toneladas de águas residuais por dia, que são utilizadas para descarregar banheiros e aspergir espaços verdes.7 kW · h de energia por tonelada de esgoto.
2Tratamento de águas residuais industriais
Desde os anos 90, os objetos de tratamento da MBR foram continuamente ampliados.A MBR tem também recebido uma atenção generalizada no tratamento de águas residuais industriais, tais como o tratamento das águas residuais da indústria alimentar, as águas residuais do processamento aquático, as águas residuais da aquicultura, as águas residuais da produção de cosméticos, as águas residuais dos corantes e as águas residuais petroquímicas,todos os quais têm alcançado bons efeitos de tratamentoNo início dos anos 90, os Estados Unidos construíram um sistema MBR em Ohio para tratar as águas residuais industriais de uma determinada fábrica de automóveis.e a carga orgânica do sistema atingiu 6.3kgCOD/m3 · d. A taxa de eliminação de COD foi de 94%, e a grande maioria do óleo e da graxa foram degradados.Uma instalação de extração e processamento de gordura utiliza a tecnologia tradicional de tratamento de águas residuais de fossa de oxidação para tratar as suas águas residuais de produçãoPor fim, os módulos de membrana Zenon são utilizados em vez dos tanques de sedimentação, e o efeito de operação é bom.
3、 Purificação de água potável micro-contaminada
Com o uso generalizado de fertilizantes nitrogenados e inseticidas na agricultura, a água potável também foi poluída em graus variados.A Lyonnaise des Eaux desenvolveu o processo MBR em meados dos anos 90.Em 1995, a empresa construiu uma fábrica em Douchy, na França.França com uma capacidade de produção diária de 400 m3 de água potávelA concentração de nitrogénio no efluente é inferior a 0,1 mg/l de NO2 e a concentração de insecticida é inferior a 0,02 μg/l.
4、 Tratamento de águas residuais fecais
O teor de matéria orgânica nas águas residuais fecais é elevado e os métodos tradicionais de tratamento por desnitrificação exigem uma elevada concentração de lama.que afeta a eficácia do tratamento terciárioO surgimento do MBR resolveu eficazmente este problema e tornou possível o tratamento direto das águas residuais fecais sem diluição.
O Japão desenvolveu uma tecnologia de tratamento de fezes e urina conhecida como sistema NS,com o núcleo constituído por uma combinação de um dispositivo de membrana plana e de um biorreator aeróbico de lama ativa de alta concentraçãoO sistema NS foi construído na cidade de Echigo, província de Saitama, Japão, em 1985, com uma capacidade de produção de 10 kL/d.novas instalações de tratamento de esgoto foram construídas na Prefeitura de Nagasaki e na Prefeitura de KumamotoO filme plano no sistema NS é instalado em paralelo com dezenas de grupos, cada um com uma área de cerca de 0,4 m2, para criar um dispositivo de quadro que pode abrir e lavar automaticamente.O material da membrana é uma membrana de ultrafiltração de polisulfona com um peso molecular de corte de 20000Em 1994, o Japão tinha mais de 1200 sistemas MBR utilizados para tratar as águas residuais fecais de mais de 40 milhões de pessoas.
5、 Tratamento de lixiviação de aterros sanitários/compostos
O lixiviação de aterros sanitários/compostos contém altas concentrações de poluentes, e a sua qualidade e quantidade de água variam consoante as condições climáticas e operacionais.A tecnologia MBR foi utilizada por várias estações de tratamento de águas residuais para o tratamento deste tipo de águas residuais antes de 1994.A combinação da tecnologia MBR e RO não só pode remover SS, matéria orgânica e nitrogênio, mas também remover eficazmente sais e metais pesados. Envirogen Corporation in the United States developed an MBR for the treatment of leachate from landfills and built a device with a daily processing capacity of 400000 gallons (approximately 1500m3/d) in New Jersey, que entrou em funcionamento no final de 2000. Este MBR utiliza uma bactéria mista natural para decompor hidrocarbonetos e compostos clorados no lixiviado,e a sua concentração de poluentes tratados é de 50 a 100 vezes superior à dos dispositivos convencionais de tratamento de águas residuaisA razão para se conseguir este efeito de tratamento é que o MBR pode reter bactérias eficientes e atingir uma concentração bacteriana de 50000 mg/L. No ensaio piloto no local,a DCO influente variou de várias centenas a 40000, e a taxa de eliminação de poluentes atingiu mais de 90%.
Principais áreas de aplicação e taxas percentuais correspondentes de MBR no interior e no exterior:
Percentagem de tipos de águas residuais (%)
Águas residuais industriais 27 Águas residuais urbanas
Águas residuais de construção 24 lixo 9
Águas residuais domésticas 27
