فرآیند بیو راکتور غشائی Membrane bioreactor (MBR)

فرآیند بیو راکتور غشائیMembrane bioreactor (MBR) ، بیوراکتورهای غشایی برای تصفیه فاضلاب ترکیبی از یک روش تصفیه بیولوژیکی رشد معلق معمولاً فرایند لجن فعال، با تصفیه غشایی، به طور معمول میکروفیلتراسیون با فشار کم (MF) یا غشاهای اولترافیلتراسیون (UF) است. از غشاها برای جداکننده جامد-مایع استفاده می شود.


     

فرآیند بیو راکتور غشایی، فرایند تصفیه ی بیولوژیکی معمولی (به عنوان مثال ، لجن فعال) را با فیلتراسیون غشایی ترکیب می کند تا سطح پیشرفته ای از حذف مواد جامد آلی و معلق را فراهم کند. در یک سیستم MBR ، غشاها در یک راکتور بیولوژیکی هوادهی غوطه ور می شوند. این غشاها دارای تخلخل هایی از 0.035 میکرون تا 0.4 میکرون هستند که بین میکروفیلتر و اولترا افیلتراسیون در نظر گرفته شده اند.


ماژول های غشایی درون مخزن هوازی غوطه ور می شوند که محتویات آلی (BOD) موجود در فاضلاب از طریق بیولوژیکی توسط لجن فعال تخریب می شوند. غلظت MLSS در سیستم MBR  10 تا 20 گرم در لیتر در مقایسه با 3 تا 4 گرم در لیتر در سیستم های لجن فعال معمولی است ، بنابراین زمان احتباس احتمالی تنها 30 درصد یک سیستم معمولی است. غشاها همچنین از طریق فرآیند فیلتراسیون ، مواد معلق را از مایع جدا می کنند.
 از آنجا که اندازه منافذ غشاء  معمولا 1/0 میکرون است ، نه تنها مواد جامد معلق بلکه باکتری هایی مانند باکتری کولیفرم نیز از بین می روند. فرآیند فیلتراسیون غشایی غوطه ور نیز نیاز به مخزن رسوب گرانشی یا شفاف کننده مورد نیاز سیستم های لجن فعال معمولی را از بین می برد. از طریق جابجایی MLSS از مخزن هوازی به مخزن اکسیژن ، نیترات حذف می شود. همچنین دوز منعقد کننده و لخته کننده ی اضافی نیز می تواند برای از بین بردن فسفر گنجانیده شود.
 


تکنولوژی غشاء مورد استفاده در سیستم  MBR


اصولا غشاها دارای پنج شکل،  1) صفحه و قاب 2) مارپیچی 3) فیبرتوخالی 4) لوله ای 5) دیسک دوار و استوانه می باشند ولی عمدتا دو نوع غشا لوله ای و فیبر تو خالی در سیستم های  MBR مورد استفاده قرار می گیرند. غشاهای لوله ای به شکل لوله هایی با منافذ داخلی هستند. فاضلاب با فشار وارد لوله شده و به صورت عمود بر غشا از آن خارج می شود. عیب غشاهای لوله ای پایین بودن نسبت سطح به حجم است ولی برای تصفیه فاضلاب های دارای جامدات زیاد به علت عدم گرفتگی مناسب هستند. غشاهای الیاف توخالی از فیبرهای فشرده و قابل انعطاف و دسته بندی شده ساخته شده اند. در این غشاها فاضلاب با فشار از بیرون فیبر وارد شده و آب تصفیه شده از یک انتهای دیگر فیبر خارج  می شود.


 
غشاهای الیافی دارای نسبت سطح به حجم بالایی هستند و در نتیجه امکان گرفتگی آنها بیشتر است. قابلیت انعطاف فیبرها امکان شستشوی معکوس آنها را بدون صدمه به غشا فراهم  می کند. غشاهای الیافی عمدتا در فرآیندهای  MBR مستغرق مورد استفاده قرار می گیرند.
 
 MBR در دو نوع آرایش خارجی و داخلی در سیستم های تصفیه فاضلاب مورد استفاده قرار می گیرد.  MBRخارجی بعد از سیستم لجن فعال (هوازی و یا غیرهوازی) قرار گرفته و برای فاضلاب های با آلودگی بالا و جریان کم مورداستفاده قرار می گیرند مانند:  فاضلاب های حاصل از محل دفن بهداشتی، صنایع داروسازی و غیره، درصورتی که MBR داخلی در داخل رآکتور لجن فعال تعبیه شده و به MBR مستغرق معروف می باشد. این نوع آرایش برای فاضلاب های با جریان متوسط و زیاد مناسب بوده و قابل رقابت با سیستم¬های متداول و پیشرفته هستند. برای فاضلاب های با جریان زیاد مانند فاضلاب های شهری و صنعتی استفاده می شوند.
 


مبانی فرایند MBR:


شماتیک فرایند MBR:


دو نوع سیستم MBR وجود دارد:


•    غوطه ور دارای خلاء (یا گرانش محور)-iMBR(Immersed MBR)
•     سیستمهای تحت فشارهمراه جریان جانبی-sMBR(Sidestream MBR)

1-    سیستم های MBR دارای خلا غوطه ور هستند
به طور معمول از فیبرهای توخالی یا غشاهای ورق مسطح نصب شده در بیوراکتور استفاده می کنند.
 
2-    فیلتراسیون فشار محور جریان جانبی :
 



اگرچه فرایندهای sMBR از iMBR  انرژی بیشتری مصرف میکنند ، اما چندین مزیت را ارائه می دهند:


•    کاهش سطح مورد نیاز غشاء
•    انعطاف پذیری عملیاتی برای بهره برداری و تمیز کردن
•    هزینه های نگهداری و خرابی سیستم ، به ویژه برای جایگزینی ماژول غشایی ، به طور کلی کمی پایین تر است. ماژول ها به راحتی در دسترس هستند و بنابراین می توانند در زمان بسیار کوتاهتری نسبت به غشاهای غوطه ور جایگزین شوند.
•    عملکرد در غلظت های جامد بالاتر امکان پذیر است
•    اگر فشار و سرعت جریان کاهش یابد عملکرد با مصرف انرژی کمتری امکان پذیر است.


در فرآیند MBR محدوده ی پارامترها نسبت به فرآیند لجن فعال معمولی متفاوت است:


•    SRT برای سیستم معمولی 5 تا 20 روز و برای سیستم MBR 20 تا 30 روز می باشد.
•     MLSS برای فرآیند معمولی mg/l2000 و برای فرایند معمولی mg/l5000 تا mg/l2000 می باشد.
•    زمان احتباس 30 درصد فرایند لجن فعال معمولی است.


مقایسه ی شماتیک فرایند لجن فعال معمولی (CAS) و فرایند بیوراکتور غشایی(MBR):



در سیستم های MBR از  انواع مختلف غشا استفاده می شود که برخی از آنها عبارت اند از:
•    ورق مسطح (FS)Flat Sheet
•    فیبر توخالی (HF)Hollow Fiber
•    چند لوله (MT)Multi Tube
 


موارد کاربرد سیستم MBR:


•    مواد غذایی و نوشیدنی - دارای بار آلی زیاد است
•    صنعت نفت - بخش های اکتشاف ، پالایش و پتروشیمی
•    صنایع داروسازی -  حاوی مواد داروهای فعال دارویی می باشند
•    صنعت خمیر و کاغذ - مقادیر بالای مواد جامد معلق ، COD و BOD
•    پساب صنعت نساجی - تجزیه‌پذیری ، سمی بودن، حاوی رنگ


مشخصات فرایند MBR در یک نگاه:


پارامترهایی که در در رسوب و تخریب غشاهای سیستم MBR موثر هستند:


سیستم های مدرن MBR مجهز به با مواد شیمیایی هستند و برای شستشوی غشاها نیازی به خارج کردن غشاها از مخزن غشاء نیست. رسوب آلی را می توان با هیپوکلریت سدیم و رسوب معدنی را با اسید اگزالیک تمیز کرد.
اکثر فرایندهای MBR به طور هفتگی توسط مواد شیمیایی تمیز مو شستشو می شوند. رسوبی که با روش های تمیز کردن موجود نمی توان آن را حذف کرد "رسوب غیرقابل بازگشت" است. این رسوب در طی سالهای فعالیت ایجاد می شود و درنهایت عمر غشاء را تعیین می کند.
رسوب گذاری به عنوان نتیجه تعامل بین غشاها و فاضلاب حاوی جامدات اتفاق می افتد و یکی از محدودیت های اصلی فرایند MBR است. علل اصلی رسوب غشاء عبارتند از:
•    جذب ماکرومولکولی
•    رشد بیوفیلم ها بر روی سطح غشاء
•    رسوب مواد معدنی
•    استفاده ی طولانی مدت از غشاء


مکانیزم تشکیل رسوب بر روی غشاها در فرایند MBR:


 
هنگامی که یک جریان هوا / مایع به طور موازی با سطح غشاء جریان می یابد ، یک نیروی برشی ایجاد می کند که به محدود کردن درجه رسوب گذاری کمک می کند و باعث تمیز شدن و شستشوی غشا میگردد مااند شکل زیر:
 

بهره برداری سیستم های  MBR


بهره برداری از غشا تقریبا ساده است، یک پمپ برای تامین فشار و گردش جریان در مدول غشا لازم بوده و همچنین یک شیر برای  نگهداری فشار مواد تغلیظ شده مورد نیاز می باشد. آب صاف شده معمولا در فشار اتمسفری خارج می گردد. همچنان که مواد موجود در فاضلاب بر روی فیلتر تجمع پیدا می کنند (پروسه گرفتگی غشا) فشار در قسمت تغذیه افزایش یافته در نتیجه فلاکس غشا و درصد پس زدن کاهش می یابد. هنگامی که عملکرد غشا کاهش می یابد، غشا از سرویس خارج شده و توسط عمل شستشوی معکوس و یا مواد شیمیایی تمیز می گردد، به منظور جلوگیری از گرفتگی غشا و رسوب جامدات معلق در سطح غشا باید شرایط جریان متلاطم (عدد رینولدز بزرگتر از 2000 ) در غشا حاکم باشد.
 
 پارامترهایی همچون: فشار، درجه حرارت، دانسیته فشردگی غشاء، فلاکس (میزان جریان در واحد سطح)، فاکتور احیا، رد کردن املاح، طول عمر غشا، PH، کدورت، مصرف انرژی و سرعت جریان، در بهره برداری  MBR موثر هستند. از مسائل مربوط به بهره برداری  MBR می توان به فاکتور α و مصرف انرژی و گرفتگی غشا اشاره نمود. به طور خلاصه می توان پدیده گرفتگی  (Fouling) را به دو گروه   (Microfouling)رسوب گذاری،گرفتگی  بیولوژیکی، جذب سطحی/ گرفتگی توسط مواد آلی، انسدادمنافذ و (Macrofouling) تشکیل کیک روی سطح غشاء ورود انواع آشغال و غیره) تقسیم بندی کرد.
 

کابردهای فرایند MBR بیشتر در موارد زیر می باشد:


•    فضای محدودی وجود دارد
•    نیاز به آب تصفیه شده با کیفیت بالا می باشد (به عنوان مثال برای استفاده مجدد از آب)

بطور کلی فرایند MBR برای تصفیه پساب در تعدادی از بخش های صنعتی استفاده می شود ، مانند:


•    مواد غذایی و نوشیدنی - دارای بار آلی زیاد است
•    صنعت نفت - بخش های اکتشاف ، پالایش و پتروشیمی
•    صنایع داروسازی – داروهای حاوی مواد فعال دارویی
•    صنعت خمیر و کاغذ - مقادیر بالای مواد جامد معلق ، COD و BOD
•    پساب صنعت نساجی - تجزیه‌پذیری ، سمی بودن ، رنگ
•    آب شستشو- طیف گسترده ای از ترکیبات آلی و معدنی محلول و معلق
•    پساب کشتی - محدودیت های فضا.

مزایای فناوری بیوراکتورهای غشایی MBR نسبت به سایر فن آوری های فاضلاب :


•    کنترل مستقل HRT و SRT
•    نیاز به فضای کم
•    بهبود تصفیه ی بیولوژیکی
•    زلال سازهای ثانویه و فرآیندهای تصفیه ثانویه لازم نمی باشد. همچنین در موارد خاص سایر واحدهای فرآیند مانند دستگاه های هضم بیولوژیکی یا ضد عفونی اشعه ماوراء بنفش نیز می توانند از بین بروند و به حداقل برسند.
•    طولانی تر بودن سن لجن و تولید لجن کمتر
•    کیفیت بالای پساب
•    قابلیت بارگذاری بالا


معایب:


•    هزینه های بالای بهره برداری (غشاها)
•    پیچیدگی غشاء و رسوب آن
•    عمر غشاء
•    هزینه انرژی