М.Н. Видякин, С.А. Гарипова

Технология мембранного биореактора (МБР) составляет всё более серьёзную конкуренцию традиционным процессам биохимической очистки бытовых и производственных сточных вод, причем для мно¬гих отраслей промышленности МБР становится единственной наи-лучшей доступной технологией, позволяющей получать очищенную воду, соответствующую нормативным показателям. На сегодняшний день мембранные технологии нашли широкое применение в области водоподготовки и очистки природных и сточных вод. Например, баромембранные процес¬сы ультрафильтрации (УФ) и обратного осмоса (ОО) уже стали традиционными при подготовке питьевой и производственной воды из поверхностных и подземных источников. Не менее эффективно применение УФ при доочистке хозяйственно-бытовых и производственных сточных вод, ведь в традиционном понимании технология мембранного биореактора является аппаратурно оформленным сочетанием процессов биохимической очистки сточных вод и микро- или ультрафильтрации [1-3]. Более предметно следует остановиться на нова-торских решениях, которые принес¬ли мембранные технологии в сферу очистки сточных вод, а именно на технологии МБР - одной из наиболее динамично развивающихся областей науки и техники последнего десятилетия [2, 3].

Внедрение мембранной техно¬логии для решения широкого спектра задач очистки сточных вод и по¬вторного использования очищенной воды для производственных нужд объ¬ективно является одной из самых акту¬альных технологических задач. Высокая интенсивность фундаментальных научных исследований и прикладных разработок, постоянно увеличиваю¬щийся интерес широкого круга потен¬циальных потребителей, устойчивый рост рынка промышленного оборудования, а также другие факторы свиде¬тельствуют об актуальности тематики мембранных биореакторов сегодня и о широких перспективах их развития в дальнейшем [2-4].

Поскольку технология МБР - комбинированный процесс, объединяющий глубокую биологическую очистку и селективное разделение, характерное для мембранных процессов, применение МБР не только открывает воз¬можность существенной интенсификации процессов биологической очистки за счёт увеличения концентрации активного ила и селективного развития биоценоза, а следовательно, за счёт роста окислительной мощности очистных сооружений, но и позволяет существенно повысить надёжность и других этапов очистки сточных вод. Современные полимерные и неорганические мембраны, применяемые в технологии МБР, являются физическим барьером, исключающим возможность выноса биомассы из зоны био¬логической очистки [3, 4]. А ведь известно, что ключевая проблема эффективной эксплуатации биологических очистных сооружений производственных сточных вод - это повышенная «вспухаемость» (высокий иловый индекс) и низкая способность к седи¬ментации активного ила на стадии вторич¬ного отстаивания.

Внедрение МБР возможно как для замены стадии вторичного отстаивания на более эффективную и компактную стадию мембранно-биологической очистки, так и для дополнительной обработки сточных вод перед финишной очисткой. Однако в последнем случае технологические закономер¬ности, характерные для МБР, реализуются не в полной мере, а лишь частично. Ограниченность площадей, доступных для размещения очистных сооружений (ОС) производственных сточных вод, необходимость применения ОС закрытого типа для сокращения санитарно-защитной зоны, ежегодно ужесточающиеся требования к составу очищенной воды зачастую заставляют полностью отказаться от классических технологий очистки сточных вод предприя¬тий и использовать МБР. Ведь при обработке производственных сточных вод технология МБР во многих случаях является единственной альтернативой традиционным методам очистки, поскольку позволяет достичь высокого качества очищенной воды (пермеата), соответствующего самым жёстким нормативным требованиям и недостижимого при использовании традиционных методов очистки.

Немаловажным свидетельством востребованности технологии МБР в области водо-отведения является постоянно возрастающее количество вводимых в эксплуатацию уста-новок по очистке сточных вод с использова¬нием этой технологии по всему миру, в том числе в Российской Федерации и Казахстане. Анализ публикаций [3, 5-7], охватываю¬щих крупнейшие мировые рынки техноло¬гии МБР, показывает, что МБР уже внедрены и успешно применяются более чем на 7000 сооружений очистки и доочистки сточных вод по всему миру. Среднегодовой мировой рост рынка оборудования для технологии МБР составляет около 11%, а в ряде бурно развивающихся регионов (в Азии, на Ближнем Востоке и др.) достигает 50-60%. Наиболее активное внедрение технологии МБР наблюдается в технически и технологически развитых странах Европы и Азии, а также в США и Канаде. По обобщенной информа¬ции из литературных источников, 60% со¬оружений очистки с МБР обрабатывают муниципальные хозяйственно-бытовые сточные воды и 40% используют для обработки производственных стоков. Более 99% всех МБР-установок используют мембранные модули погружного типа, поскольку они позволяют устойчиво работать в жестких условиях с концентрацией ила от 10 до 15 г/л и обла¬дают существенно более низкими эксплуатационными энергозатратами и простотой обслуживания. Чаще всего мембраны, применяемые в МБР, изготавливают из полимерных материалов (ПЭ, ПЭС, ПС, ПП, ПВДФ и др.) и в ряде случаев - из неорганических (оксиды Al, Ti, Zr и др.). Особенно следует отметить широкое применение технологии МБР для обработки производственных стоков. Кон¬центрации загрязнений в них в 50-1000 раз превышают аналогичные значения для хозяйственно-бытовых стоков, поэтому классические схемы очистки зачастую не могут обеспечить достижение значений требований нормативных документов к качеству очищенной воды по целому ряду технологических причин. Каждый производственный сток характеризуется уникальным составом, определяемым специфическими компонентами, используемыми в производстве, поэтому проект очистки сточных вод конкретного производства, предусматривающий использование технологии МБР, - уникален. Лишь в ряде отраслей промышленности возможны обобщения по качеству исходных сточных вод и, как следствие, схожие проектные решения. Можно привести множество примеров [2, 3] успешного внедрения технологии МБР для очистки и доочистки производственных сточных вод в различных отрас¬лях промышленности: в производстве молока и молочных продуктов, соков, вина, пива, виски и спирта, в переработке ово¬щей и фруктов, в мясоперерабатывающей промышленности, фармацевтике, химической и целлюлозно-бумажной промышленности, в текстильной, а также в обработке сточных вод полигонов ТБО.

Одним их самых эффективных и перспективных направлений внедрения технологии МБР является мясоперерабатывающая промышленность, где сточные воды обычно представляют собой смесь стоков убойных цехов, образующихся в технологическом цикле при убое скота и промывке технологического оборудования, цехов пе¬реработки мяса, а также бытовых сточных вод. Биологическая очистка таких сточных вод сопряжена с определёнными трудностями, связанными с их составом, а также с неравномерностью поступления стоков на ОС. Средние объёмы стоков составляют до 800 л при убое крупного рогатого скота, до 300 л при убое свиней и до 30 л при убое птицы. При этом образующиеся сточные воды являются весьма концентрированны¬ми со значениями БПК5 до 5000 мг/ л, ХПК до 10000 мг/л, общего азота до 200 мг/л, с содержанием жиров (эфирорастворимых и нерастворимых) до 150 мг/л, а также со значительным количеством взвешенных частиц.

Технология МБР уже успешно применяется на многих очистных сооружениях мясоперерабатывающей промышленности различной производительности по все¬му миру, поэтому при проектировании но¬вых производств или реконструкции существующих отсутствуют основания для про¬ведения лабораторных и пилотных испы¬таний технологии, поскольку её эффективность уже доказана успешным внедрением на многочисленных объектах. Существенный практический опыт, накопленный зарубежными и российскими специалистами при внедрении МБР для обработки производственных сточных вод, показал, что основными их преимуществами по сравнению с классической биохимиче¬ской и альтернативной физико-химической технологиями являются: гарантированно высокое качество очищенной воды (концентрация взвешен¬ных частиц в пермеате - от 1 до 3 мг/л, мутность - ниже 1 NTU); повышенная окислительная мощность ступени биологической очистки за счёт увеличения дозы активного ила в аэротенке; существенная экономия производственных площадей, необходимых для размещения основного и вспомогательного технологического оборудования; надёжность работы, обеспечиваемая непроницаемой для взвешенных частиц мембраной.

В частности, использование МБР позволяет заменять узлы осветления сточной воды после её биологической обработки свободными, смешанными, аэробными и анаэробными культурами. Кроме того, возможно достижение практически полного удаления взвешенных веществ независимо от состояния ила и илового индекса, так как мембраны способны задерживать даже несфлокулированные микроорганизмы. Одновременно с удалением взвешенных веществ происходит обеззараживание (УФ-мембраны удаляют патогенные микроорганизмы, бактерии и частично вирусы). При очистке производственных сточных вод предприятий пищевой, в частности мясной, промышленности данный фактор является особенно актуальным, поскольку при использовании МБР согласно результатам многочисленных испытаний достигается снижение патогенов на уровне 4-6 lg, в то время как классическая технология обеспечивает лишь 1-2 lg. Немаловажно, что при применении технологии МБР возможно использование свободных культур (активного ила) с очень мелкими хлопьями, что способствует уве¬личению диффузии субстрата и кислорода внутрь хлопьев и интенсификации процессов очистки. Кроме того, УФ, мембрана не пропускает некоторые макромолекулярные метаболиты, предотвращая тем самым их разрушение, благодаря чему конечная величина ХПК оказывается меньше, чем при использовании классической технологии с активным илом [8]. Более наглядно продемонстрировать преимущества технологии МБР по сравнению с классической схемой, предусматривающей использование вторичных отстойников, можно на примере биологических очистных сооружений птицефабрики с убойным цехом.

Схема ОС предполагает несколько этапов очистки: механическую, физико-химическую, биологическую. При проектировании сооружений биологической очистки (в том числе с применением МБР) для таких сточных вод необходимо предусматривать тщательную предварительную подготовку (тонкую механическую очистку для удаления частиц размером от 0,5 до 1,5 мм, коагуляцию, флотацию и др.). Исходные данные для сравнения сооружений биологической очистки с применением МБР и основанных на классической технологии (аэротенк - вторичный отстойник): производительность ОС - 1000 м3/сут; концентрация БПК5 после предварительной механической и физикохимической очистки (перед блоком биологической очистки) - 800 мг О2/дм3; удельная нагрузка на ил для условий глубокой биологической очистки - 0,05 кг БПК на 1 кг ила беззольного в сутки. Поскольку биологические ОС промышленных сточных вод мясоперерабатывающей промышленности могут испытывать значительные перегрузки (во время мойки оборудования и очистки трубопроводов от жира), то при эксплуатации аэротенков и вторичных отстойников возможно возникновение различных трудностей. Так, при примене¬нии классической схемы очистки с использованием вторичных отстойников, возможен вынос взвешенных веществ, который обусловлен множеством факторов, связанных с избыточными гидравлическими нагрузками и перегрузками активного ила, неправильной эксплуатацией отстойников и конструктивными неполадками, образованием пены на поверхности отстойников, вспуханием активного ила и др. Вынос активного ила из вторичных отстойников существенно дестабилизирует работу аэротенка: уменьшается концентрация биомассы и снижается эффективность очистки.

Для обеспечения работы очистных сооружений по классической схеме может также применяться 2-ступенчатая биологическая очистка (последовательное расположение: аэротенк первой ступени - отстойник - аэротенк второй ступени - отстойник), однако при реализации такой технологии для размещения основного оборудования требуются существенные производственные площади. Кроме того, первая ступень биологической очистки испытывает гидравлические перегрузки, в результате чего требования к очистке сточных вод не достигаются. В случае отказа от использования вторичных отстойников в пользу технологии МБР при строительстве новых или реконструкции существующих ОС вынос активного ила невозможен, поскольку уФ-мембрана является физическим барьером для взвешенных частиц размером более, чем размер пор мембраны. В этом случае при воздействии токсических сбросов и диспергировании хлопьев активного ила, а также при образовании пены (наличие СПАВ, жиров) ОС продолжают устойчиво обеспечивать высокое качество фильтрата на выходе. При вспухании активного ила и нарушении его флокуляционных и седиментационных свойств применение МБР может способствовать стабилизации работы ОС при условии, что причины вспухания устраняются. Включение в общую схему очистки производственных сточных вод блока мембранной фильтрации также оказывает влияние и на работу других основных узлов ОС, таких, как обезвоживание, доочистка и обеззараживание.

Таким образом, внедрение на различных производственных объектах технологии МБР для очистки и доочистки сточных вод позволяет решать задачи повышения качества очистки воды (в том числе и для её повторного использования на предприятии). Кроме того, в условиях ужесточения нормативных требований и по¬вышения платы за негативное воздействие на окружающую среду примене¬ние МБР может быть важным инструментом повышения экономической эффективности и экологической безопасности промышленного производства. Следует отметить, что мониторинг работы ОС, использующих технологию МБР, показывает, что очень важна компетентная эксплуатации ОС, обеспечивающая стабильность их работы и высокое качество очистки воды в точке выхода [3]. В то же время высокая эффективность работы многих ОС, использующих МБР в климатических условиях Российской Федерации, Украины и Казахстана, доказала, что влияние климата не столь существенно, как предполагали ранее, - даже в зимнее время их работа стабильна и соответствует проектным решениям. По-видимому, основными причинами, ограничивающими внедрение технологии МБР на территории стран СНГ, являются недостаточная осведомленность проектных и подрядных организаций о возможностях и преимуществах данной технологии над классическими технологическими решениями и необходимость организации компетентной службы эксплуатации, способной анализировать изменения эксплуатационных параметров в процессе работы и вовремя принимать взвешенные решения. Совокупность преимуществ технологии МБР для очистки промышленных сточных вод сполна компенсирует более существенные капитальные вложения и текущие затраты (на 10-20% выше) на её реализацию, чем при использовании классической технологии, а качество очистки сточных вод позволяет повторно использовать воду и (или) сократить объёмы и токсичность сбросов. Это уже позволило многим специалистам сделать обоснованный выбор в пользу этой инновационной технологии более чем на 80 объектах канализования в России, на Украине, в Казахстане, Туркменистане и других странах СНГ.

ЛИТЕРАТУРА

Поляков А.М., Соловьев С.А., Видякин М.Н. Технология мембранного биореактора (МБР) для очистки природных и сточных вод [I] / / Критические технологии. Мембраны. 2008. № 3. Membrane Biological Reactors: Theory, Modeling, Design, Management and Applications to Wastewater Reuse / ed. by F. I. Hai, K. Yamamoto, C.-H. Lee. London: IWA Publishing, 2013. Judd S. The MBR book, Principles and Applications of Membrane Bioreactors for Water and Wastewater Treatment, 2nd ed. Elsevier, 2010. Свитцов А.А. Введение в мембранные технологии. М.: ДеЛи принт, 2007. Huisjes E., Colombel K., Lesjean B. The European MBR market: specifics and future trends / Final MBR-Network workshop, Berlin, 31st March - 1st April 2009. Survey of MBR market: Trends and perspectives in China / Zheng X., Zhou Y. et al. / / Desalination. 2010. № 250. Р. 609-612. Le-Clech P. Membrane bioreactors and their uses in wastewater treatments / / Appl Micro-biol, Biotechnol. 2010. № 88 (6). Технический справочник по обработке воды: в 2-х т. Пер. с фр. Т. 1. СПб.: Новый журнал, 2007. Wastewater Engineering. Treatment and Reuse. 4-rth Ed., Metcalf&Eddy, Inc., 2004.