Transcript Sándor Dániel

Membrane
Bioreactors
Sándor Dániel
Történelem
• 1960-as évek:
– Dorr-Oliver, Inc.
– Membrane Ultrafiltration
– Membrane Sewage Treatment System
Dorr-Oliver MST System (From Bemberis et.al. 1971)
Történelem
• 1970-es évek:
– Thetford Systems (ZENON)
– On-Site alkalmazás, CycleLet®
• 1980-as évek:
– Immersed Systems
– Kubota Corporation
– Mitsubishi Rayon Corporation
• 1990-es évek
– Első kereskedelmi MBR 1997-ben épült
• Ontario, Canada
Törtenelem
• Belemerülő rendszer (Immersed Systems)
– Alacsonyabb nyomást igényel
– 1990-es évek második felében alkalmazták ipari célokra
Internal Membrane Configuration, Envirogen, Inc.
• A fejlődés kereskedelemben is kapható MBR
berendezések gyártásához vezetett
Folyamat bemutatása
• Eleveniszapos rendszerek
• Membrán szűrő egység
– Mikroszűrés és Ultraszűrés
– „Spagetti szálas membrán”
– Átlagos pórus méter ~ 0.01-0.4 μm
• A kettő kombinációja lehetővé teszi a
szuszpendált részecskék feldúsulását a
reaktorban
Hollow Fiber Membranes
(nagyítás 10,000x)
Szűrés elmélet
• Valamilyen fázis elválasztás
• A szűrés során a közeg áramlásának
biztosításához szükség van hajtóerőre
– Elektromos térerő
– Gravitáció
– Koncentráció különbség
– Nyomás különbség
Szűrés elmélet
Szűrések (Mikroszűrés)
• Mikroszűrés (MF)
• Mikroszűréssel azokat a részecskéket távolíthatjuk
el, melyek méretei hozzávetőlegesen 0,1–1 μm
közé esnek.
• Általában szuszpendált részecskéket, nagyobb
kolloidokat lehet visszatartani, míg a
makromolekulák és az oldott anyagok áthaladnak
az MF membránokon.
• Alkalmazásukkal eltávolíthatók a baktériumok,
flokkulált anyagok, valamint a TSS. A
transzmembrán nyomás általában 0,7 bar körüli.
Szűrések (Ultraszűrés)
• Ultraszűrés (UF)
• Az ultraszűrés makromolekulák szeparálására
alkalmas eljárás, 20 – 1000Å (A=0,0001μm)
mérethatárok között. Az összes anyag és
kisméretű molekula áthalad a membránon.
• Visszamaradnak a membránon a kolloidok,
fehérjék, mikrobiológiai szennyeződések, valamint
a nagyméretű szerves molekulák.
• A legtöbb UF-membrán éles molekulasúly szerinti
elválasztó képességgel rendelkezik, 1000 és
100 000 Dalton értékek között.
• Az ultraszűrés transzmembrán nyomása általában
1 - 7 bar körüli.
Szűrések (Nanoszűrés)
• Nanoszűrés (NF)
• Nanoszűrésnek azt a membrántechnikai műveletet
nevezzük, ahol a visszatartott részecskék mérete
jellemzően 1 nanométer (10 Å) körüli.
• A nanoszűrés tulajdonságait tekintve az ultraszűrés
és a reverzozmózis között helyezkedik el.
Visszatartja azokat a molekulákat, melyek
molekulasúlya nagyobb 200 – 400 Daltonnál.
• Visszatartja az oldott sók egy részét is, 20 – 98%os mértékben. Azoknál a sóknál, ahol az anion
egyértékű (NaCl, CaCl2), a visszatartás mértéke 20
– 80%, míg kétértékű anionnal rendelkeztő sók
esetében (pl. MgSO4) a visszatartás mértéke
magasabb, 90 – 98%-os.
Szűrések (Nanoszűrés)
• Nanoszűrés (NF)
• Az NF jellemző alkalmazási területe a felszíni
vizekben lévő színezőanyagok eltávolítása, a TOC
csökkentése, keménység vagy rádium eltávolítása
kútvizekből, általában a TDS csökkentése,
valamint szerves és szervetlen komponensek
elválasztása az élelmiszeriparban és a
hulladékvizek kezelésénél.
• A transzmembrán nyomás jellemzően 3,5 – 16 bar
közötti.
Szűrések (Fordított
ozmózis)
• Fordított ozmózis: Ha zárt rendszerben nyomást
gyakorolunk az oldatra, akkor az oldószer, vagyis a tiszta
víz fog átlépni a hártyán a hígabb oldat felé, míg a
nagyobb koncentrációjú „szennyezett” folyadék eltávozik.
Ezzel az eljárással lehet sótalanítani a tengervizet.
• A fordított ozmózis akkor jön létre, amikor elválasztunk
két különböző koncentrációjú oldatot. Minél nagyobb az
anyagok koncentrációkülönbsége, annál nagyobb az
ozmotikus nyomás.
• A fordított ozmózis során az oldószer - pl. tiszta víz áramlik külső nyomás hatására a félig áteresztő rétegen
keresztül a magasabb koncentrációjú oldatból szennyezett víz - az alacsonyabb koncentrációjú felé tisztított víz.
Szűrések (Fordított
ozmózis)
Szűrések (Fordított
ozmózis)
• Reverzozmózis (RO)
• A reverzozmózis alapjában véve az elérhető legfinomabb
szűrést jelenti. Az RO-membrán akadályt jelent minden
olyan oldott só és szervetlen molekula számára, melyek
molekulasúlya nagyobb a 20 - 100 Daltonnál.
• Másrészt a vízmolekulák képesek áthatolni a membránon,
egy nagytisztaságú folyadékáramot létrehozva. Az oldott
sók visszatartásának mértéke jellemzően 95 – 98%-os.
• Az RO-technikát ma már számtalan területen alkalmazzák,
a tengervíz sótalanításával, a brakkvizek kezelésével
történő ivóvíz előállításra, hulladékvizek visszaforgatására,
élelmiszer- és üdítőital-ipari célokra, biokémiai,
gyógyszeripari elválasztásokra, ivóvíz házi tisztítására, ipari
folyamatokhoz.
Szűrések (Fordított
ozmózis)
• Reverzozmózis (RO)
• Az RO-technika ultratiszta víz előállítására is
alkalmas, például a félvezetők gyártásánál, az
erőműiparban (kazántápvíz előállítására), orvosi és
laboratóriumi célokra. Ha az RO-egységet
ioncserélők előtt használjuk, az a kezelési
költségek és a regenerálások gyakoriságának
drámai csökkenését eredményezi.
• Az RO berendezések transzmembrán nyomása a
brakkvizek esetén szokásos 14 bar-tól a
tengervíznél használt 70 bar-ig terjedhet.
Szűrések (Fordított
ozmózis)
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Az RO eljárással a következő anyagokat tudjuk a vízből kiváló eredménnyel
eltávolítani:
·
Nazirium
·
Arzén
·
Kadmium
·
Kálium
·
Szulfátok
·
Keménység(Ca)
·
Nitrátok
·
Kloridok
·
Fekália bacilusok
·
Vírusok
·
Protozoa ciszták
·
Organikus anyagok
·
Trihalometánok, Trihaloetilén
·
Klór
·
Mérgek
·
Anyag szedimentáció
·
Szín és íz
·
Azbeszt
Szűrési spektrum
Membránok kialakítási
lehetőségei
• Csöves membrán (Tubular)
– Kapilláris membrán (Capillary)
– Üreges rostos membrán (Hollow fiber)
• Lemezes vázas membrán (Plate &
frame)
– Spirál membrán (Spiral)
– Párna formájú membrán (pillow-shaped)
Csöves membrán (Tubular)
• csőmembránok (belméret 12-25
mm, belső és külső merevítésűek,
6-20 cső egy modulban, egyszerű
tisztítás, nagy helyigény)
• Tipikus áramlás bentről kifele
Csöves membrán
(Kapilláris)
• Kapilláris membrán (Capillary)
– Szelektív visszatartó képesség
– Átmérő 0,5-5 mm
– Magas ellenállás (áramlás)
– mikrokapilláris membránok (belméret 5-20
mikron, több millió kapilláris egy modulban,
nagy nyomásesés, kis áramlási sebesség
Csöves membrán (Tubular)
• Üregesszálas membrán (Hollow fiber)
– Átmérő használattól függően változik
– üregesszál (hollow fiber) membránok
belméret 0,5-1,5 mm, üzemi nyomás
korlátozott, több száz szál egy modulban
Lemezes vázas membrán
(Plate & frame)
• spirális membránmodulok: feltekercselt
zsákszerű membránokból áll. Távtartó
hálók. Nem javítható.
• NF és RO
Lemezes vázas membrán
(Plate & frame)
• Párna formájú membrán (pillow-shaped)
Type and Structure of Membrane Module
Membrane
Shape
Structure of Membrane
Element/Module
Flow
Type
MF
UF
NF
BWRO
SWRO
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
Pleat
Flat
LP
○
Sheet
Out-in
Casing Type
Spiral
Tubular
Tubular
In-out
Monolith
(Lotus root)
Monolith
In-out
○
○
○
Out-in
○
○
○
○
○
Hollow
Fiber
Cylinder
In-out
○
Sheet
Non-casing Type
Flat
○
Rotary Flat (Disk)
Tubular
○
Tubular
Out-in
Hollow
Fiber
Sheet
○
Cylinder
○
○
○
Membrán típusok
Spirál membrán
Monolith
Rotary Flat (Disk)
Színterelt
membránok
Cilinder
membrán
Hollow fibre
membrane
Tubular
membrane
Milyen anyagokat használnak
a membránok előállításához?
Membránok előállítása
Alapanyagok:
• regenerált cellulóz
• polimerek (teflon, poliszulfonát, poliakrilnitril,
PVC, poliészter, polietilén, polipropilén)
• kerámia
• fémek
Tendencia: egyre ellenállóbb, magasabb
hőmérsékleten és extrém pH értékeken is
használható membránok.
Membránok előállítása
• Módszerek:
• • vizes kicsapás (lap, cső-, és üregesszál
membránok előállítására)
• • illékony oldószerben oldott polimerek esetében a
felületről elpárolgó oldószerből filmréteg marad
vissza
• • kicsapás hűtéssel
• • szintereléssel (porkohászati úton) (kerámia,
fémek, teflon)
• • extrudálással ill. húzással
Membránok előállítása
• Pórusok utólagos létrehozásának eszközei:
• • nyújtás (a pórusok közel azonos
méretűek, de nem kör keresztmetszetűek)
• • lézersugaras perforálás
• • bombázás elemi részecskékkel (a
besugárzás következtében létrejött
szerkezeti hibákat maratófürdőben tágítják
pórusokká)
Membrán Bioreaktorok
Basics
DN Process N
Elfolyó
UÜ
Iszap
Hagyományos technológia
Membrán technológia
Elfolyó
Iszap
DN
N
UF not
Sec. Clarif.
Process Basics
Eleven iszap
Víz
Oldott anyag
Membrán
Baktérium
Vírus
Szivattyúzás
MBR rendszer
Membrán
Nyers víz
Back pulse
Permeátum
Cleaning
chemicals
Levegő
Re-circulation
Membrán
levegőzteté
s
effluent
BP Tank
Iszap
Rendszer kialakítása
• Integrált MBR
• Kombináljuk a Biológiai lépcsőt az
utóülepítővel
• Jellemző elrendezés
–
–
–
–
Eleveniszapos reaktor
Membrán a reaktorba merül
Utraszűrő membrán
Vákumszűrés
• Biomassza visszatartás, magasabb
iszapkor a reaktorban
Integrált (Submerged) MBR
rendszer
Üzemeltetési jellemzők (Integrated
System)
Következtetések
• A tápanyag-mikroorganizmus arány (F-M) a
tervezésnél általánosan alkalmazott paraméter.
Számítása a következő:
• F/M = Qd · C / (V · MLVSS · 1.000) = C / (t*· MLVSS
· 1,000) [d-1] (1)
• Az F/M arány (a biomassza szárazanyag tartalmára
-MLSS- vonatkoztatva) az iszap relatív BOI5
terhelése. A szerves anyagok eltávolításának
hatásfoka tehát meghatározóan az F/M aránytól
(mikroorganizmusok relatív tápanyag-ellátottsága)
függ,
• de mellette a szennyvíz típusa, összetétele és
különösen a mikroorganizmusokra toxikus hatása is
fontos tényező.
Következtetések
• Jelenleg az eleveniszapos tisztítók
tervezésénél az iszapkort vagy a
lebegőanyag átlagos tartózkodási idejét
(SRT) használják legáltalánosabban.
• SRT = (V · MLSS) / Mexe [d-1]
(2)
• Az (1) és (2) egyenletek összevonásából
adódik:
• F/M = Qd · C / (SRT · Mexe ·1,000) [d-1] (3)
Következtetések
• Qd - m3/d napi szennyvízhozam
• C - mg/l a szennyvíz tápanyag koncentrációja (BOI5, KOI
vagy TOC)
• V - m3 reaktor (medence) térfogat
• MLVSS - kg/m3 eleveniszapos medence lebegő szerves
anyagának a koncentrációja (izzítási veszteség)
• MLSS - kg/m3 az eleveniszapos medence lebegőanyag
koncentrációja (105 ºC-on szárított tömeg)
• t* - d tartózkodási idő (t* = V/Qd, a szennyvíz hidraulikus
tartózkodási ideje a reaktortérben)
• Mexe kg/d a fölösiszap napi tömege
Következtetések
• Mivel a napi fölösiszaphozam a lebontott
szerves tápanyagmennyiség eredményeként
(Mexe, C) a szervesanyag terhelés (Q·C)
függvénye, a tápanyagellátottság (F/M) a
csökkenő iszapkorral (SRT) nő.
• A nagy tápanyagarány megfelelően nagy
oxigénfelvételt jelent, illetőleg oxigénellátást,
oxigénátvitelt igényel, amely a korábbi
időszakban a nagy terhelésű kialakítások szűk
paraméterét jelentette.
Következtetések
• Ha növeljük az MLVSS/MLSS
(iszapkoncentráció) a reaktorban, akkor
kisebb reaktortérfogat esetén ugyanazt a
SRT (iszapkort) lehet beállítani.
• Ha növeljük az iszapkoncentrációt a
reaktorban MLVSS/MLSS akkor kisebb
reaktortérfogat esetén ugyanolyan F/M
arányokat lehet beállítani.
• Csökkenthető a reaktor térfogata
F:M arány (kg eltávolított KOI-1 kg VSS d -1)
F/M arány és az oldott
oxigén
1,2
Fonalasodás előfordult
1
Fonalasodás nem fordult elő
0,8
0,6
0,4
0,2
Biztonságos üzemelési görbe (F:M= 0,2*DO+0,1)
0
0
1
2
3
Oldott oxigén a levegőztető medencében (mgO2 L-1)
4
Iszapszerkezet
• A számos környezeti tényező hatással van
az iszap szerkezetére
• Az optimális iszapszerkezet kialakulásához
fontos optimálisan beállítani az
üzemeltetési paramétereket
Rendszer kialakítása
• Recirkulációs külső (External) MBR
• A Membrán egység a reaktoron kívül
helyezkedik el
• Szivattyúzási költség növekszik
Rendszer előnyei
• Kis ökológiai lábnyom
• Teljes eltávolítása a szuszpendált részecskéknek és
részleges visszatartása az oldott komponenseknek
– Lehetséges a baktériumok és vírusok visszatartása
• Jól szabályozható iszapkor (SRT) és hidraulikus
tartózkodási idő (HRT)
– A lassan szaporodó baktérium kultúrák elszaporodása is
lehetséges (Nitrifikációért felelős baktériumok)
• Az ülepítéssel kapcsolatos problémák tárgytalanná
válnak
– Magas iszapkoncentráció a reaktorban
• Jól szabályozható üzemeltetési paraméterek
Rendszer előnyei
• Teljesen automatizált vezérlés
• Kezelési lehetőség interneten keresztül
• Online szondák a rendszer optimális
működésének ellenőrzésére
• Keletkező fölösiszap mennyisége
kevesebb 20-50%-al mint bármelyik másik
biológiai rendszer esetében
Rendszer előnyei
Jó elfolyó vízminőség
Kémiai foszfor
eltávolítás
• Nátrium-aluminát
Al+3 + HnPO4n-3  AlPO4 + nH+
Na2Al2O4 + 4 H2O  2 Na+ + Al2(OH)4 + 4 (OH-)
Kémiai foszfor
eltávolítás
• Vas-klorid
Fe+3 + HnPO4n-3  FePO4 + nH+
FeCl3 + 3H2O  Fe(OH)3 + 3H+ + 3Cl-
Kémiai foszfor
eltávolítás
Rendszer hátrányai
• Magas beruházási költség
• Magas üzemeltetési költség
• Időnként a membrán tisztítása
karbantartása szükséges
• Nyomás és a pH pontos beállítását
igényli
Rendszer hátrányai
• Membrán előállításának magas
költségei
• A fölösiszap kezelhetősége
Jelenlegi alkalmazás
• Több mint 1000 üzembe helyezett MBR
van jelenleg Ázsiában, Európában és
Észak-Amerikában
• Oroszlány, Karcag
• Tipikus alkalmazása az alacsony
hidraulikus terhelésű helyeken ( ~ 80,000
gal/day)
• Larger systems usually ~ 15 MGD
Full-Scale WWTP in Germany
(1)
• P.E. = 80,000 Largest MBR
full-scale installation in the
world
• 4 párhuzamos biológiai
reaktor:
– Anoxikus zóna
– Változó zóna
– Aerob zóna elmerülő
membránnal
• SRT = 25 days
• MLSS = 10-15 g/l
• 192 Membrán egység (8
párhuzamos rész)
• Teljes szűrőfelület =
84,480m2
Full-Scale WWTP
Németországban (2)
Komponens
SS (mg/l)
Elfolyó
ND
COD (mg/l)
BOD5 (mg/l)
NH4+-N (mg/l)
15-20
<3
<1
TN (mg/l)
TP (mg/l)
Total Coliforms / 100 ml
Fecal Coliforms /2000 ml
5-10
0.7
<100
<500
Salmonella /1000 ml
0
• Final Effluent disposed to a sensitive river
Full-Scale WWTP
Olaszországban (1)
3 párhuzamos rendszer van
– A & C egység: Hagyományos rendszer
– B egység: Átépített hagyományos egység. Integrált
MBR renszer
•
•
•
•
Total P.E. = 380,000
A B szakasz átépítésével a terhelhetősége megnőtt 12,200 m3/d-ról 42,000
m3/d-ra ugyanakkora reaktortérfogattal
MLSS = 6.5-10 g/l
SRT > 20 d
Full-Scale WWTP in Italy (2)
Komponens
MBR elfolyó
mg/l (%)
Hagyományos
elfolyó
mg/l (%)
SS (mg/l)
<2 (99)
25 (73.2)
BOD5 (mg/l)
4 (95.8)
19 (82.3)
COD (mg/l)
27 (88.5)
66 (77.2)
TN (mg/l)
9.2 (73.7)
15.9 (54.5)
TP (mg/l)
2.4 (36.1)
3.4 (8.6)
Mi várható a jövőben?
• Nagy lehetőségek a víztisztítás minden
területén
• Alkalmazásai tovább terjednek a jövőben
US and Canadian Market:
•$750 Million (2003)
•Projected to reach:
$1.3 Billion by 2010
European Market:
•About $43 Million (2002)
A membránok jövőbeni
alkalmazási lehetőségi
•
•
•
•
•
•
•
Mikroszennyező anyagok eltávolítása
Ipari szennyvizek kezelése
Korházi szennyvizek kezelése
Gyógyszertári szennyvizek kezelése
Ivóvíz előállítás
Hulladéklerakók csúrgalékvizeinek kezelése
Kis helyigényű szennyvíztisztítók építése
(Szingapúr, Japán)