מאת: קייט
Email:kate@aquasust.com
תאריך: 4 בדצמבר 2024
1. סקירה כללית של תהליך MBR
MBR (Membrane Bio-Reactor)היא טכנולוגיית טיפול ביולוגי ממברנה המשמשת לטיפול במים. מדובר במערכת המשלבת טכנולוגיית הפרדת ממברנות וטכנולוגיית טיפול ביולוגי בשפכים. היא מוכרת כאחת מהטכנולוגיות המתקדמות והיעילות ביותר לטיפול בשפכים והשבת משאבים בעולם כיום.
טכנולוגיית MBR מנצלת את פונקציית ההפרדה של ממברנות, ומחליפה את מיכלי השקיעה המשניים של התהליכים המסורתיים של בוצה פעילה, מסנני חול, יחידות חיטוי ורכיבים אחרים בהתקני הפרדת ממברנות. הוא משתמש בממברנות מיקרו-פילטרציה/אולטרה-סינון (MF/UF) כדי לסנן ישירות את הקולחים ממיכל האוורור. מוצקים מרחפים בתערובת הבוצה המופעלת נשמרים לחלוטין ומוחזרים חזרה לתוך הכור. כתוצאה מכך, ניתן להאריך את גיל הבוצה, להגדיל את ריכוז הבוצה ולהפחית את עומס הבוצה. זה מאיץ את הפירוק המיקרוביאלי של מזהמים, משפר משמעותית את יעילות הטיפול בשפכים, ומבטיח שאיכות הקולחים לא רק יציבה ואמינה אלא גם עומדת בתקני המים המוחזרים האיכותיים. הוא מתאים במיוחד לשדרוג מפעלי טיהור שפכים בסין כדי לעמוד בתקני ההזרמה החדשים שנקבעו ב-2011, כמו גם לשימוש חוזר בשפכים תעשייתיים.
מיקרו סינון/אולטרה סינון (MF/UF)לממברנות יש גדלי נקבוביות וטווחי חיתוך של משקל מולקולרי. בדרך כלל, גודל הנקבוביות של ממברנות סינון אולטרה הוא בין 0.01 עד 0.1 מיקרומטר, עם טווח משקל מולקולרי (MWCO) של 5,000 עד 500,{{ 9}} דלטון. ה-MWCO הנומינלי של ממברנות מיקרו סינון המשמשות בדרך כלל לטיפול בשפכים נע בין 30,000 ל-800,000 דלטון.
2. יתרונות ממברנות MBR
MBR מציע יתרונות משמעותיים שתהליכים ביולוגיים עצמאיים אחרים אינם יכולים להשתוות אליהם:
1.איכות קולחים מעולה ויציבה
זה מתבטא ביעילות הגבוהה של הפרדת מוצק-נוזל. כמעט תמיד ניתן לשמור את המוצקים המרחפים של הקולחים קרוב לאפס, והם אינם מושפעים בקלות מגורמים כמו פירוק בוצה או התנפחות בוצה בטווח הקצר.
2.עיצוב כור קומפקטי
הכור קומפקטי יותר מכיוון שהוא יכול לפעול כרגיל בריכוזי בוצה גבוהים, וכתוצאה מכך יעילות הסרה אורגנית גבוהה תוך חיסכון במקום. אין צורך במערכת מיכלי שקיעה משנית.
3.מתאים לגידול חיידקים מנטרלים אירוביים
המערכת משפרת את יכולת הניטריפיקציה של האזור האירובי. הדבר בא לידי ביטוי ביעילות הגבוהה של סילוק חנקן אמוניה, אשר נשאר יציב לאורך תקופה ארוכה.
4.הפרדה מלאה בין זמן החזקה הידראולי וזמן החזקה של בוצה
ההפרדה המוחלטת בין זמן השמירה ההידראולי (HRT) של הכור וזמן השמירה של הבוצה (SRT) מאפשרת בקרת פעולה גמישה יותר.
5.ריכוז מיקרוביאלי גבוה ועמידות בעומס הלם חזק
ריכוז החיידקים בכור גבוה, ויש לו עמידות חזקה בפני עומסי הלם. עם גיל בוצה ארוך, הפרדת ממברנות מבטיחה שלמולקולות גדולות וקשות לפירוק במי שפכים יש זמן שמירה מספיק בתוך נפח הכור המוגבל מבחינה ביולוגית. זה משפר מאוד את יעילות הפירוק של חומר אורגני סורר. הכור פועל תחת עומסים נפחיים גבוהים, עומסי בוצה נמוכים וגילאים ארוכים של בוצה, מה שעוזר להפחית ביעילות את פליטת הבוצה.
3. מגמות פיתוח עתידיות של ממברנות MBR
1.התפקיד החשוב של טכנולוגיית MBR בטיפול בשפכים
בשנים האחרונות, הניסיון הוכיח שטכנולוגיית MBR בשלה, וניתן להשיג תכנון ותפעול מוצלחים. זה יכול לשמש לטיפול הן בשפכים עירוניים והן בשפכים תעשייתיים. לכן, ככל שטכנולוגיית MBR ממשיכה להתפתח ולהתבגר, היא צפויה להיות מיושמת ברחבי העולם כטכנולוגיה יעילה ופרקטית מבחינה כלכלית.
2.סיכויים ליישום MBR
היישום העיקרי של MBR צריך להיות טיפול בשפכים עירוניים, במיוחד מכיוון שערים דורשות שטחי קרקע קטנים לטיפול בשפכים. ניתן לעשות שימוש חוזר בשפכים איכותיים או לשמש כטיפול מקדים לננו סינון ואוסמוזה הפוכה, ויש לעמוד בתקני הזרמה מחמירים.
טכנולוגיית MBR יעילה גם בטיפול בשפכים תעשייתיים, כגון שפכים לעיבוד מזון, שפכים של משחטות ותטיף מטמנות. הוא הוכיח יעילות הסרה מצוינת עבור חומרים משבשי אנדוקרינית (EDS) בתשטוף מטמנות ויכול להסיר חנקות במי שתייה (עם קצב הסרה של עד 98.5%).
3.בקרת עכירות ממברנה
יש צורך במחקר נוסף על המנגנונים של עכירות ממברנות, במיוחד מחקר של עכירות ביולוגית. ממברנה יעילה יותר, ניתנת לשליטה וממוזערת יותר יש לפתח פתרונות זיהום. יש לבחון היטב את השימוש בטכנולוגיית מחשב וחיישנים לבקרת עכירות מקוונת של ממברנות. בשיפור שיטות הניקוי, יש לשים לב במיוחד לשימוש בכימיקלים בטוחים.
4.בחירת מבנה ממברנה וחומרים על בסיס סוג מי שפכים
יש לבחור נכון את מבנה הממברנה והחומרים בהתאם לסוג השפכים. יש לאמץ חומרי ממברנה ומכלולי מודול חדשים חסכוניים באנרגיה, בעלי ביצועים גבוהים. יש לקדם את השילוב של מערכות MBR אירובי ואנאירובי. בנוסף, יש לנצל באופן מלא מודלים מתמטיים וטכנולוגיית מחשב כדי לייעל את פרמטרי ההפעלה להשגת איכות שפכים טובה יותר, מה שהופך את התהליך לחסכוני ויעיל יותר.
4. עקרון הפעולה של ממברנות MBR
ביישומים הנדסיים מעשיים, תהליך MBR שקוע (Membrane Bio-Reactor) נמצא בשימוש נפוץ יותר, והניסיון בתעשייה עם סוג זה של מערכת בוגר יחסית. לכן, נשתמש בסוג זה של MBR כדוגמה לניתוח. העיקרון הכללי הוא כדלקמן:
מים גולמיים נכנסים לביוריאקטור, שם החומר האורגני מתחמצן ומתפרק על ידי הבוצה המעורבת המעורבת בריכוז גבוה. מתחת למודול הממברנה נמצאת מערכת אוורור, אשר לא רק מספקת מספיק חמצן מומס (DO) עבור המיקרואורגניזמים במשקאות המעורבים, אלא גם מקדמת ערבוב יסודי. התסיסה הנגרמת על ידי הבועות, יחד עם זרימת הדם הנוצרת על פני הממברנה, משפיעה על משטח הממברנה וגזירה, ומונעת למעשה שקיעה בלתי הפיכה של מזהמים על פני הממברנה בתנאים לא מלאכותיים. לאחר מכן, המים המטופלים נשאבים דרך משאבת פריחה עצמית ומופרדים על ידי הממברנה, כאשר הפאזה הנוזלית עוברת דרך הממברנה ונפלטה מהמערכת.
בדרך כלל, לתהליך MBR יש מספר פרמטרים תפעוליים מרכזיים, כולל שטף ממברנה, מקדם חדירות, קצב שמירה וקיטוב ריכוז.
1.שטף ממברנה
שטף ממברנה (J) מתייחס לכמות החומר העוברת דרך יחידת שטח של הממברנה ליחידת זמן. זה מבוטא בדרך כלל ביחידות SI כ-[m³/(m²·s)] או מפושט ל-m/s. בחישובים הנדסיים, יחידות שאינן SI משמשות לעתים קרובות למדידת שטף, כגון LMH (ליטר למ"ר לשעה), עם יחידות של [L/(m²·h)]. לממברנת MBR טיפוסית העומדת בדרישות כלליות לטיפול בשפכים יש LMH של לפחות 10 ליטר/(מ²·שעה).
הגורמים המשפיעים על שטף הממברנה כוללים את הכוח המניע להעברת מסה, התנגדות הממברנה, מצב הזרימה של תמיסת ההזנה בצד הממברנה (שווה ערך להתנגדות שכבת הגבול), ומידת עכירות הממברנה.
2.מקדם חדירות
מקדם החדירות (Lp) של ממברנה מייצג את כמות החומר העוברת דרך הממברנה ליחידת זמן ויחידת שטח בלחץ יחידה. זה פשוט מתבטא כשטף הממברנה בתנאי לחץ יחידה. מקדם החדירות הוא אחד הפרמטרים העיקריים להערכת הביצועים הנוכחיים של הממברנה.
3. שיעור שמירה
בתהליך הפרדת הממברנה, הנוזל העובר דרך הממברנה נקרא פרמיאט, והנוזל שנשמר על ידי הממברנה נקרא retentate. שיעור ההחזקה משמש לאפיון ביצועי ההפרדה של הממברנה, כולל שיעור ההחזקה הנצפה/מדווח (Robs) ושיעור ההחזקה בפועל/המעי (Ract). הגדרתו היא כדלקמן:
כאשר Cp ו-Cb מייצגים את ריכוזי המומסים בתמיסת החלל ובתמיסת ההזנה, בהתאמה, שניתן למדוד ישירות. עם זאת, בשל מומסים שנשמרים ונצמדים למשטח הממברנה, ריכוז המומסים (Cm) על פני הממברנה גבוה מהריכוז הממוצע של תמיסת ההזנה. לכן, שיעור השמירה בפועל הוא:
הערך של Cm בדרך כלל אינו ניתן למדידה ישירה ויש לאמוד אותו באמצעות מודל חישובי.
4.קיטוב ריכוז
במהלך תהליכים מונעי לחץ בפועל, שטף הממברנה פוחת לעתים קרובות עם הזמן, ושיעור החזקת המומסים משתנה אף הוא. הגורם העיקרי לתופעה זו הוא קיטוב ריכוזים ועיבוי ממברנות.
קיטוב ריכוז מתייחס לתופעה שבה, בתנאים מונעי לחץ, הממס בתמיסת ההזנה עובר בחופשיות דרך הממברנה, בעוד המומסים נשמרים על ידי הממברנה. זרימת הממס נושאת ללא הרף את המומסים אל פני הממברנה, וגורמת להצטברות מומסים על הממברנה. כתוצאה מכך, ריכוז המומסים (Cm) על פני הממברנה עולה בהדרגה, מה שמוביל לשיפוע ריכוז הגורם לדיפוזיה הפוכה ממשטח הממברנה לתמיסת ההזנה. לאחר תקופה של ייצוב, כאשר זרימת תמיסת ההזנה אל פני הממברנה שווה לדיפוזיה הפוכה, נוצרת שכבת גבול של קיטוב ריכוז יציבה. התנאי של שמירה מלאה מתבטא במשוואה הבאה:
היחס Cm/Cb נקרא יחס קיטוב הריכוז. ככל שהיחס גבוה יותר, כך הוא לא נוח יותר להפרדת הממברנה.
קל יותר למדוד את שטף הממברנה (J), אך k הוא היחס בין מקדם הדיפוזיה לעובי שכבת הגבול. הערך של k קשור לתנאי הזרימה על פני הממברנה וניתן לחשב אותו באמצעות מתאם מספר חסר ממדים של העברת מסה או לקבוע בניסוי. ניתן למצוא שיטות לקביעת ערכי k במאמר של Zeman and Zydney (1996).
