Projektowanie reaktorów MBR

2024-10-25

Dane projektowe

Poniżej wymieniono najważniejsze parametry, które są wymagane do prawidłowego zaprojektowania systemu MBR (reaktora membranowego):

Przepływy hydrauliczne:

– Średni Dobowy Przepływ (ADF);

– Szczytowy Godzinowy Przepływ (PHF);

Jakość osadu czynnego:

– Niejonowe: Całkowita zawiesina ogólna (TSS), Lotne zawiesiny (VSS), 5-dniowe biologiczne zapotrzebowanie na tlen (BOD5), Chemiczne zapotrzebowanie na tlen (COD), Całkowity azot organiczny (TKN), Całkowity fosfor (TP), Tłuszcze, oleje i smary (zwierzęce i roślinne, a także mineralne);

– Jonowe: Amoniak, Azotany, Fosforany, Wapń, Zasadowość;

– Inne: Temperatura, pH;

Inne kwestie: docelowa jakość ścieków oczyszczonych, redundancja, dostępna powierzchnia, istniejące obiekty.

Oczywiście, w zależności od konkretnego zastosowania, mogą być wymagane jeszcze inne uzupełniające parametry.

Aspekty projektowe w całej oczyszczalni ścieków

Wstępne podczyszczanie

Należy przestrzegać następujących ogólnych wytycznych dotyczących wstępnego podczyszczania:

• Ścieki dopływające muszą być wstępnie podczyszczone mechanicznie w celu usunięcia większych cząstek za pomocą drobnego sita (siatka lub dziurkowane otwory);
• Ścieki dopływające powinny być wstępnie podczyszczone z piasku (jeśli to konieczne);
• Stężenia zaolejonych (FOG) musi być niższe niż 100 ÷ 150 mg/l;
• Stężenia olejów mineralnych i smarów muszą być niższe niż 10 mg/l;
• Stężenia wapnia musi być niższe niż 200 mg/l;
• pH ścieków i stężenia makroskładników powinny zostać skorygowane w celu zapewnienia rozwoju osadu czynnego (jeśli to konieczne);
• Toksyczne związki dopływające muszą zostać usunięte w celu zapewnienia rozwoju osadu czynnego (jeśli to konieczne).

Drobne sito

W zależności od wielkości większych ciał stałych obecnych w ściekach surowych, przed drobnym sitem może być umieszczone sito wstępne (6 do 10 mm), aby zapobiec zbyt częstemu płukaniu wstecznemu drobnego sita.

Komora biologiczna

• Metody projektowania i wartości współczynników kinetycznych są podobne do tych w systemach konwencjonalnych z osadem czynnym (CAS);
• Ponadto produkcja odpadowego osadu czynnego (WAS) jest podobna do systemów CAS, które mają podobne wartości wieku osadu;
• Typowe wartości stężenia biomasy wynoszą 6 do 12 kg SS/m³ (w przypadku systemów zanurzonych) lub 10 do 40 kg SS/m3 (systemów zewnętrznych). Oczywiste jest, że ma to wpływ na transfer tlenu, gdzie współczynnik α maleje wraz ze wzrostem zawartości biomasy;
• Czas retencji osadu (SRT) musi być dłuższy niż 8 do 12 dni ale krótszy niż 50 do 60 dni, aby poprawić filtrowalność cieczy mieszanej;
• Należy osiągnąć całkowitą nitryfikację (jeśli ma zastosowanie), tak aby usunąć biodegradowalne substancje organiczne, a tym samym zminimalizować odpowiedni potencjał zanieczyszczeń;
• W przypadku denitryfikacji należy podjąć środki w celu zminimalizowania recyrkulacji rozpuszczonego tlenu. Na przykład można dodać zbiornik deoksygenacyjny lub można użyć dwóch oddzielnych strumieni recyrkulacji;
• W przypadku systemów zanurzonych, pojemność RAS (Return Activated Sludge) powinna być zaprojektowana tak, aby uniknąć zawartości zawiesiny stałych cieczy mieszanej (MLSS) w zbiorniku MBR w każdym momencie powyej 15 kg/m³.

Należy również wziąć pod uwagę następujące ograniczenia dotyczące ścieków:

Parametry	Jednostka	Wartość
Temperatura	°C	5 ÷ 37
pH	–	6.5 ÷ 8.0
Czas retencji osadu (lub wiek osadu)	ddoba	12 ÷ 60
Stosunek F/M	kg ChZT/(kg SS·doba)	0.08 ÷ 0.30
Stężenie zawiesiny w osadzie czynnym	kg SS/m3	6 do 12 (zanurzeniowe), 15 do 40 (zewnętrzne)
Czas filtrowania osadu czynnego	s	50 ÷ 200
Stężenie azotu amoniakowego	mg NH4+/L	< 1
Rozpuszczony tlen	mg O2/L	> 1.5

Jednostka filtracji membranowej

Na podstawie danych projektowych (zarówno surowych ścieków, jak i reaktora biologicznego) dobieramy rozmiar jednostki filtracji membranowej tak, aby wyprodukować wystarczającą ilość permeatu i spełnić wymagania dotyczące przepustowości hydraulicznej.

W zależności od rodzaju zastosowanych membran rozróżniamy dwa typy reaktorów MBR:

Zanurzone (lub kapilarne) membrany:

• Reaktor biologiczny:

• Specjalny zbiornik filtracyjny z konfiguracją pompa-od (po lewej) lub pompa-do (po prawej):

• Zewnętrzne (lub tubularne) membrany z przepływem krzyżowym (po lewej) lub konfiguracją ciągłej produkcji (po prawej):

Zazwyczaj zanurzone membrany są używane w średnich i dużych instalacjach ze względu na niższe zużycie energii, podczas gdy zewnętrzne (lub tubularne) membrany są używane w małych i średnich instalacjach ze względu na niższe zużycie chemikaliów i łatwość instalacji oraz późniejszej konserwacji.

W szczególności, wymiarowanie obejmuje następujące parametry:

• Czas trwania faz cyklu filtracji, do których należą:
  • Produkcja;
  • Relaksacja;
  • Płukanie wsteczne – typowe tylko dla systemów zanurzonych;
  • Konserwacyjne czyszczenie chemiczne wraz z płukaniem wstecznym (głównie ścieki przemysłowe);
• Strumień pordukcji (flux) to szybkość przepływu wody na jednostkę powierzchni membrany w czasie 1 godziny. W przypadku membran zanurzonych mamy dwa różne strumienie produkcyjne:
  • Strumień produkcji netto (Net flux) odnosi się do „rzeczywistej” produkcji z powierzchni membran, wliczając relaksację, płukanie wsteczne i konserwacyjne czyszczenie chemiczne. Jest on używany do określania wymaganej powierzchni filtracyjnej membran.
  • Strumień produkcji brutto (Gross flux) odnosi się do całkowitego przepływu i jest on używany do określania wielkości pomp permeatu;

Ponadto, jeśli membrany nadają się do płukania wstecznego, konieczne jest również zdefiniowanie strumienia płukania wstecznego i konserwacyjnego czyszczenia chemicznego;

• Ciśnienie transmembranowe (TMP), czyli siła napędowa niezbędna dla wody do przekroczenia półprzepuszczalnej membrany:
  • W systemach zewnętrznych (lub tubularnych) zależy to od zastosowanego ciśnienia zasilania i strat ciśnienia w modułach membranowych (które zależą głównie od średnicy membran, jak również od przepływu krzyżowego);
  • W systemach zanurzonych zależy to od poziomu cieczy w zbiorniku membranowym, jak również od zastosowanego podciśnienia wytworzonego przez pompę permeatu;
• Przepuszczalność wody, czyli zdolność membrany do przenikania fazy ciekłej, jest równe stosunkowi strumienia produkcyjnego a TMP;
• Stała produkcja (Solid flux) to ładunek ciał stałych na jednostkę powierzchni membrany. Jest równy iloczynowi strumienia produkcyjnego wody i zawartości MLSS;
• Temperatura osadu czynnego. Im wyższa temperatura, tym niższa lepkość cieczy i wyższa przepuszczalność wody. Przy tej samej wartości TMP przekłada się to na wzrost strumienia, wskazujący na korzyść 3% na każdy dodatkowy 1°C.

Jeśli chodzi o parametry oczyszczonej wody w filtracji membranowej jest to zazwyczaj < 2 mg SS/l lub < 0,5 NTU lub SDI₅ < 3. Wszystkie pozostałe parametry (ChZT, BZT5, azot, fosfor itp.) zależą od prawidłowej konstrukcji i działania części biologicznej, a także od charakterystyki ścieków zasilających.

Zanurzone reaktory MBR wymagają zbiornika filtracyjnego, a jego kształt i wymiary są zwykle podawane przez dostawcę membrany. Taki kształt i wymiary wynikają z następujących wymagań:

• Zapewnienie odpowiedniego efektu transportu powietrza obmywającego w kasetach/modułach membranowych. Większość dostawców wymaga nie większego niż 65% wypełnienia takiego zbiornika kasetą membranową, a także pewnej wolnej przestrzeni między kasetą membranową a dnem zbiornika, a także pewnego poziomu wody powyżej górnego punktu kasety membranowej;
• Zminimalizowanie przyrostu stężenia MLSS wzdłuż zbiornika. Z tego powodu (i innych) większość dostawców ogranicza liczbę modułów/kaset w jednym zbiorniku;
• Unikanie martwych objętości i minimalizowanie całkowitej objętości cieczy. W szczególności ta ostatnia ma na celu zminimalizowanie zużycia chemikaliów podczas myć chemicznych CIP;
• Umożliwienie pełnego opróżnienia zbiornika. Z tego powodu dno zbiornika jest zwykle nachylone (nachylenie ok. 2%) w kierunu wylotu;
• Unikanie uszkodzenia membran. Dostawcy podają wytyczne dotyczące sposobu zasilania zbiornika, aby zapobiec bezpośredniemu oddziaływaniu dopływającego strumienia cieczy bezpośrednio na membrany;
• Umożliwienie przepływu piany i szlamu przez system MBR. MBR działają jak idealne pułapki na pianę i szlam co nie wpływa na wydajność procesu. Jednakże piana i szlam mogą być uciążliwe w eksploatacji i należy je usuwać wraz z osadem czynnym.

Wewnętrzna powierzchnia zbiornika filtracyjnego musi być specjalnie pokryta chemicznie, tak aby była odporna na działanie środków myjących CIP.

Oczywiście, tubularne MBRy nie wymagają zbiorników filtracyjnych, ponieważ membrany są instalowane w dedykowanych obudowach, co minimalizuje wymagania dotyczące instalacji.

Zbiorniki retencyjne permeatu są wymagane w przypadku systemów membranowych z płukaniem wstecznym lub w przypadku, gdy permeat jest używany jako woda uzupełniająca do roztworów myjących CIP. Dostawcy podają zalecenia dotyczące minimalnej wymaganej objętości (zwykle zaleca się 3 minuty retencji hydraulicznej jako minimalny czas zatrzymania w takim zbiorniku).

Systemy filtracji membranowej są wpełni zautomatyzowane, ponieważ do prawidłowego działania wymagana jest kontrola kilku kluczowych parametrów. Co najmniej należy zmierzyć następujące parametry:

• Systemy zanurzone:
  • Poziom cieczy w zbiorniku filtracyjnym;
  • Ciśnienie przed pompą permeatu;
  • Przepływ permeatu;
  • Temperatura permeatu.

• Systemy zewnętrzne (lub tubularne):
  • Poziom cieczy w zbiorniku zasilającym;
  • Ciśnienie za pompą recyrkulacyjną;
  • Przepływ permeatu;
  • Ciśnienie permeatu;
  • Przepływ koncentratu;
  • Wewnętrzne ciśnienie recyrkulacji;
  • Temperatura permeatu lub wewnętrznej recyrkulacji;
  • Poziom wody w zbiorniku permeatu.

Aby zapewnić prawidłowe funkcjonowanie reaktora MBR, wymagane są następujące urządzenia peryferyjne:

• Systemy zanurzone:
  • Pompy permeatu i płukania wstecznego: odśrodkowe lub rotacyjne;
  • Pompy dozujące chemikalia: membranowe lub tłokowe;
  • Dmuchawy: odśrodkowe lub rotacyjne;
• Systemy zewnętrzne:
  • Pompy permeatu i (jeśli to konieczne) płukania wstecznego: odśrodkowe lub rotacyjne;
  • Pompy dozujące chemikalia: membranowe lub tłokowe.

Rurociągi powinny być odpowiednie do typu cieczy:

• Systemy zanurzone:
  • Dla permeatu: stal nierdzewna AISI304 (stal nierdzewna AISI316 przed pompą permeatu);
  • Powietrze obmywające: stal nierdzewna AISI304 (stal nierdzewna AISI316 dla części zanurzonych w zbiorniku);
  • Ekstrakcja osadu ściekowego: stal nierdzewna AISI316;
  • Dozowanie chemikaliów CIP: PVC;
• Systemy zewnętrzne:
  • Zasilanie: stal nierdzewna AISI316 lub PVC;
  • Recyrkulacja: stal nierdzewna AISI316 lub PVC;
  • Ekstrakcja permeatu: stal nierdzewna AISI304 lub PVC;
  • Odprowadzanie/płukanie koncentratu: stal nierdzewna AISI316 lub PVC;
  • Dozowanie chemikaliów CIP: PVC;
  • Mycie CIP: stal nierdzewna AISI316 lub PVC.