CC BY
41
Просьба ссылаться на эту статью следующим образом:
О.А. Ружицкая, Стефан Мендеса. Современные химические и физико-химические методы удаления фосфатов из сточных вод. — Системные технологии. — 2019. — № 32. — С. 22—27.
MODERN CHEMICAL AND PHISICO-CHEMICAL METHODS FOR THE REMOVAL OF PHOSPHATE FROM WASTEWATER
O.A. Ruzhitskaya, Stefan Mendesa
Peoples' friendship university of Russia (RUDN University), Moscow, Russia Department of Civil Engineering
Abstract. Key words:
Actual information in the field of wastewater treatment from Phosphate removal, wastewater, adsorption,
phosphates is provided. The article describes the most common nutrients, eutrophication.
effective methods used for wastewater treatment from phosphates, Date of receipt in edition: 19.09.19
such as chemical and physico-chemical methods. Date of acceptance for printing: 22.09.19
О
z
H Û
УДК 628.355
БИОЛОГИЧЕСКОЕ ОБРАСТАНИЕ В МЕМБРАННЫХ БИОРЕАКТОРАХ Н.А. Макиша
Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет, научно-образовательный центр «Водоснабжение и водоотведение»
Аннотация.
Статья посвящена обрастанию мембран, которые используются в мембранных биореакторах, предназначенных для очистки сточных вод различного происхождения. Отмечается, что обрастание в целом и биообрастание в частности являются лимитирующими факторами с точки зрения эксплуатации мембран, а также более
Ключевые слова:
очистка сточных вод, МБР, мембраны, обрастание, биообрастание История статьи:
Дата поступления в редакцию 23.09.19 Дата принятия к печати 25.09.19
широкого их применения.
Описаны различные факторы, влияющие процессы обрастания мембран — наличие внеклеточных полимерных веществ, доза и возраст ила, концентрация растворенного кислорода, время обработки сточных вод.
X
i i
га а *о z
(U Z
(U
s
I
га н и га а *о о
<и о
X
и (U
т s
о
о s
ш <
Э
s
*
< Z
X га а
о £
га
(U
а о s
ю
Введение
Мембранное обрастание, особенно биообрастание, является, пожалуй, главным лимитирующим фактором на пути более широкого применения и развития мембранных биореакторов [5]. Именно поэтому исследования в области определения характеристик обрастания, а также современные стратегии по предотвращению обрастания представляют значительный технический, технологический и, конечно же, научный интерес.
Так, например, был рассмотрен обзор различных факторов мембранного обрастания при очистке воды и сточных вод, однако биообрастанию было уделено недостаточное внимание [3]. Были также рассмотрены факторы (характеристики исходной сточной воды, концентрация кислорода, температура, устойчивое или нестационарное состояние), влияющие на поведение микроорганизмов активного ила, характеристики биозагрязняющих веществ и стратегии борьбы с микробным загрязнением (например, применение озона и др.) в МБР при очистке промышленных и хозяйственно-бытовых сточных вод [8]. В рамках другого исследования изучались основные причины мембранного биообрастания и была обозначена роль внеклеточных полимерных веществ (ВПВ) в данном процессе [4]. Но в то же время меньшее внимание было уделено влиянию условий эксплуатации (продолжительность обработки) и характеристик активного ила на загрязнение мембран. Задачей данной статьи является по возможности максимально полно проанализировать основные факторы, влияющие на биообрастание, и методы противодействия ему.
Биообрастание и его влияние на мембранные системы
Из основных механизмов обрастания биообрастание является наиболее сложным, поскольку оно связано с нежелательным загрязнением мембран, ростом и метаболизмом бактериальных клеток или хлопьев на поверхности мембраны и/или внутри пор мембраны [6].
Можно условно обозначить шесть ступеней возникновения биообрастания [7]: (1) образование пленки на поверхности мембран после контакта со сточной водой, содержащей, в том числе, органические загрязнений; (2) перенос микроорганизмов мембранную поверхность под воздействием физических процессов; 3) адгезия микроорганизмов к мембранной поверхности; 4) непрерывная адсорбция микроорганизмов на поверхности за счет наличия ВПВ, что позволяет микроорганизмам, содержащимся в сточной воде, «прилипать» к поверхности мембраны; 5) рост и накопление биоотложений на поверхности мембраны; и 6) образование слоя биоозагрязнений на поверхности биопленки.
В результате возникшего биообрастания наблюдаются следующие изменения в работе мембранных модулей: снижение проницаемости мембраны в результате образования и последующего роста бактерий на поверхности мембраны; накопление абиотических частиц вследствие адгезии микроорганизмов; концентрированная поляризация биоотложени1 на поверхности мембраны [2]. Как следствие, биологическое обрастание мембран приводит к ухудшению проницаемости и снижению пропускной способности мембран, более частой их замене, т.е. увеличению эксплуатационных расходов.
Рассмотрим некоторые, влияющие на биологическое обрастание мембран. Внеклеточные полимерные вещества, состоящие в основном из полисахаридов и белков, играют ключевую роль в развитии биообрастания мембран, особенно с точки зрения формировании слоя кека. В МБР в условиях длительной эксплуатации кек на поверхности мембраны содержит из микробных клеток и ВПВ, при этом происходит переход от обратимого к необратимому обрастанию [1]. При этом, более рыхлые хлопья ила (с большим количеством ВПВ), способствуют более интенсивному обрастанию, а также повышению сопротивляемости образовавшегося на поверхности мембраны кека. Как следствие увеличивается сопротивление фильтрации самой мембраны, и, само собой, трансмембранное давление.
Доза ила и его вязкость. Отмечается, что при высокой дозе ила увеличивается количество задержанных загрязнений, коллоидов, микробных продуктов в биореакторе. При этом высокая вязкость осадка снижала воздействие пузырьков воздуха на слой загрязнения на поверхности мембраны, препятствовала вибрации мембранного волокна и позволяла большим пузырькам воздуха перемещаться с низкой ско-
ростью подъема. Кроме того, более высокая вязкость также увеличивает суммарную силу, направленную к поверхности мембраны, что приводит к более интенсивному осаждению на поверхности мембраны хлопьев ила, биополимеров и мелких частиц. Таким образом, активный ил с более высокой дозой ила и вязкостью будет снижать производительность мембраны за счет быстрого снижения пропускной способности и роста трансмембранного давления. В рамках многих исследований отмечается, что доза ила, равная примерно 10 г/л является критической точкой в отношении обрастания мембраны. При этом увеличение дозы ила выше данного значение имеет негативное воздействие на фильтрационную способность мембран.
Возраст ила считается одним из наиболее важных рабочих параметров во время работы мембранных биореакторов. При обработке как хозяйственно-бытовых, так и производственных сточных вод возраст ила влияет на микробное сообщество активного ила и другие его характеристики, а также оказывает влияние на гидродинамические условия (динамический баланс между усилием сдвига у поверхности мембраны и пропускной способностью мембраны). Как результат, возраст ила влияет на формирование слоя кека на поверхности мембраны и в целом на процесс ее обрастания. Необходимо отметить, что оптимальным с точки зрения как функционирования процессов биологической очистки, так и противодействию обрастанию, считается возраст ила в диапазоне от 20 до 40 дней. Увеличение возраста ила свыше 40 дней приводит к постепенно уменьшению размеров частиц, что способствует более интенсивному обрастанию поверхности мембраны.
Время обработки сточной воды в реакторе является еще одним ключевым рабочим параметром, оказывающим выраженное влияние на мембранное обрастание (и биообрастание в особенности). При этом время обработки в том числе зависит и от концентрации загрязнений в сточных водах, поступающих на очистку. Эта зависимость выражается в том, что при сравнительно небольшом времени обработки (не более 5 ч) может наблюдаться высокая нагрузка на биомассу, которая в свою очередь приводит к образованию крупных хлопьев активного ила, способных закупоривать поры мембраны. В ряде случаев продолжительность обработки в течение 8 часов считалась оптимальной, однако при высокой концентрации загрязнений (например, в случае с промышленными сточными водами) возможно увеличение времени обработки до 20-24 часов.
Концентрация растворенного кислорода является тем рабочим параметром, который определяет гидродинамические условия и может влиять на характеристики ила и загрязнение мембраны. При малой скорости воздушного потока слой кека будет сформирован путем налипания частиц активного ила на поверхность мембраны, при этом из-за малого усилия сдвига слой обрастания не будет удаляться. Малая концентрация растворенного кислорода (0,5-1 мг/л) также снижает активность микроорганизмов, что приводит к постепенному разрушению структуры активного ила (уменьшению размера частиц), что также влияет на интенсивность обрастания. И наоборот, более высокая концентрация (до 4 мг/л) растворенного кислорода может положительным образом сказаться на эффективности работы системы, поскольку работа системы аэрации будет способствовать удалению загрязнений с поверхности мембраны, структура активного ила будет носить более равномерный характер с точки зрения размера частиц. При этом чрезмерное увеличение интенсивности аэрации может иметь негативные последствия, поскольку хлопья активного ила могут быть разрушены в силу механического воздействия пузырьков активного ила, а как уже отмечалось ранее, более мелкие частиц ила способствуют высокой скорости обрастания поверхности мембран. Кроме того, поддержание высокой интенсивности аэрации требует больших затрат электроэнергии, что также негативно сказывается на интенсивности всего процесса.
Заключение
Более широкое внедрение мембранных биореакторов для очистки сточных вод различного происхождения, в том числе рассматривается как перспективное направление исследований. Несмотря на полученные многими учеными результаты, они могут быть часто противоречивыми, что
03
г
м О
-I
м
Э СО
х
I
1
га а *о
<и
2
<и
I
га н и га а *о о
<и о
X
и <и т
О
ц
о ш
< £
3 £
5 2 £ *
< га 2 и
< I
х ю
требует дополнительного изучения. Во многом это касается и процессов биологического обрастания, а также факторов, оказывающих на него воздействие. К настоящему моменту определено, что для более интенсивного процесса очистки и с целью поддержания сравнительно низкой интенсивности обрастания оптимальными величинами являются доза ила, равная примерно 10 г/л, возраст ила 20-40 дней, а концентрации растворенного кислорода в диапазоне 2-4 мгО2/л, однако большое значение имеет также состав исходной воды, поэтому в каждом случае требуется адаптация технологического режима в период пуско-наладочных работ и дальнейшей эксплуатации.
Благодарности
Статья подготовлена при финансовой поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации (грант Президента РФ №МК-519.2019.8)
ЛИТЕРАТУРА:
1. L. Domínguez, V.Cases, C.Birek, M.Rodríguez, D.Prats. Influence of organic loading rate on the performance of ultrafiltration and microfiltration membrane bioreactors at high sludge retention time // Chemical Engineering Journal. 2012. T.181-182. C.132-143.
2. C. Dreszer, J.S.Vrouwenvelder, A.H. Paulitsch-Fuchs, A. Zwijnenburg, J.C. Kruithof, H.C. Flemming. Hydraulic resistance of biofilms // Journal of membrane science. 2013. T. 429. C.436-447
3. D.W. Gao, Y. Fu, Y. Tao, X.X. Li, M. Xing, X.H. Gao, N.Q. Ren. 2011. Linking microbial community structure to membrane biofouling associated with varying dissolved oxygen concentrations // Bioresource Technology. 2011. T.102. C.5626-5633
4. W.S. Guo, H.H. Ngo, J.X. Li. A mini-review on membrane fouling // Bioresource Technology. 2012. Т.122. С.27-34.
5. F. Meng, S.R.Chae, A. Drews, M. Kraume, H.S.Shin, F.Yang. Recent advances in membrane bioreactors (MBRs): membrane fouling and membrane material // Water Resources. 2009. Т.43. С.1489-1512
6. T. Nguyen, F.A. Roddick, L. Fan. Biofouling of water treatment membranes: a review of the underlying causes, monitoring techniques and control measures // Membranes. 2012. Т.2. С.804-840
7. B. Wu, A.G. Fane. Microbial relevant fouling in membrane bioreactors: influencing factors, characterization, and fouling control // Membrane. 2012. Т.2. С.565-584
Просьба ссылаться на эту статью следующим образом:
Н.А. Макиша. Биологическое обрастание в мембранных биореакторах. — Системные технологии. — 2019. — № 32. — С. 27—30.
BIOFOULING IN MBRS N.A.Makisha
National Research Moscow State University of Civil Engineering, Research and Education Center «Water Supply and Sanitation»
Abstract.
The article is devoted to the fouling of membranes used in membrane bioreactors intended for wastewater treatment of various origins. It is noted that fouling in general and biofouling in particular are the limiting factors in terms of operation of membranes, as well as their wider application. Various factors affecting the processes of membrane fouling are described -extracellular polymeric substances, mixed liquor suspended solids (MLSS), sludge retention time (SRT), the concentration of dissolved oxygen (DO), hydraulic retention time (HRT).
Key words:
wastewater treatment, MBR, membranes, fouling, biofouling. Date of receipt in edition: 23.09.19 Date of acceptance for printing: 25.09.19
