فیلتر ممبران MBR
1403-04-17 1403-04-16 20:38فیلتر ممبران MBR
فیلتر ممبران MBR چیست؟
فیلتر ممبران MBR بیورآکتور غشائی به‌عنوان یک فناوری جمع‌وجور کارآمد برای تصفیه فاضلاب شهری و صنعتی پدیدار شده است. مهم‌ترین اشکالی که مانع از کاربرد بیشتر MBRها می‌شود، رسوب‌گذاری غشا است که عملکرد و طول عمر غشا را به میزان قابل‌توجهی کاهش می‌دهد. درنتیجه هزینه‌های نگهداری و بهره‌برداری را به میزان قابل‌توجهی افزایش می‌دهد.
یافتن استراتژی‌های کاهش رسوب غشای پایدار در MBRها یکی از نگرانی‌های اصلی در دو دهه گذشته بوده است. این مقاله مروری بر رسوب‌گذاری غشا و مطالعات انجام‌شده برای شناسایی استراتژی‌های کاهش‌دهنده رسوب در MBRها را ارائه می‌دهد.
فناوری فیلتر ممبران MBR بیورآکتور غشائی به‌عنوان یک فناوری تصفیه فاضلاب انتخابی نسبت به فرایند لجن فعال (ASP) ظاهر شده است که در قرن گذشته فناوری فاضلاب شهری معمولی بوده است. MBR، درواقع، یکی از مهم‌ترین نوآوری‌ها در تصفیه فاضلاب است، زیرا بر معایب ASP معمولی، ازجمله نیاز به فضای زیاد برای شفاف کننده‌های ثانویه، مسائل جداسازی مایع و جامد و تولید لجن اضافی غلبه می‌کند.
MBRها برای تصفیه و احیای فاضلاب شهری و صنعتی مورداستفاده قرار گرفته‌اند. فیلتر ممبران MBR بیورآکتور غشائی ترکیبی از یک سیستم تصفیه بیولوژیکی معمولی و جداسازی فیزیکی مایع از جامد با استفاده از فیلتراسیون غشایی در یک سیستم است.
فیلتر ممبران MBR بیورآکتور غشائی به‌عنوان یک فناوری جمع‌وجور کارآمد برای تصفیه فاضلاب شهری و صنعتی پدیدار شده است. مهم‌ترین اشکالی که مانع از کاربرد بیشتر MBRها می‌شود، رسوب‌گذاری غشا است که عملکرد و طول عمر غشا را به میزان قابل‌توجهی کاهش می‌دهد و درنتیجه هزینه‌های نگهداری و بهره‌برداری را به میزان قابل‌توجهی افزایش می‌دهد.
مقدمه‌ای بر MBR ها
فیلتر ممبران MBR بیورآکتور غشائی عموماً اصطلاحی است که برای تعریف فرایندهای تصفیه فاضلاب استفاده می‌شود. جایی که یک غشای انتخابی مثلاً میکروفیلتراسیون یا اولترافیلتراسیون با یک فرایند بیولوژیکی به‌ویژه یک بیورآکتور رشد معلق. ادغام می‌شود.MBRها با فرایندهای “پرداخت” متفاوت هستند که در آن غشا به‌عنوان یک مرحله درمان گسسته سوم بدون بازگشت زیست‌توده فعال به فرایند بیولوژیکی مورداستفاده قرار میگیرد. تقریباً تمام فرایندهای تجاری MBR موجود امروزه از غشاء به‌عنوان فیلتر استفاده می‌کنند و مواد جامد تولیدشده توسط فرایند بیولوژیکی را رد می‌کنند و درنتیجه پساب محصول شفاف و ضدعفونی می‌شود.
راه‌حل‌های فیلتر ممبران MBR برای تصفیه فاضلاب
به‌منظور به‌حداقل‌رساندن اثرات کوتاه‌مدت و بلندمدت زیست‌محیطی آن‌ها، صنایع در سراسر جهان با چالش‌ها و هزینه‌های زیادی در تصفیه فاضلاب فرایند خود روبرو هستند. درنتیجه، بسیاری از این صنایع سیستم‌های تصفیه خود را به‌منظور درمان و استفاده مجدد از جریان فرایندها، کاهش هزینه‌های تخلیه به تصفیه‌خانه‌های شهری و بازیابی محصولات ارزشمند از پساب ایجاد کرده‌اند.
فیلتر ممبران MBR بیورآکتور غشائی برای تصفیه جریان فاضلاب با غلظت بالای مواد آلی، جامدات، چربی، روغن و گریس ایدئال هستند. غشاءها زیست‌توده و جامدات معلق مایعات مخلوط (MLSS) را در داخل بیورآکتور حفظ می‌کنند، بنابراین پساب فاقد ذرات، باکتری‌ها و ویروس‌ها تولید می‌شود.
مزایا و معایب فیلتر ممبران MBR
از مزایای فیلتر ممبران MBR بیورآکتور غشائی می‌توان به وارد زیر اشاره کرد:
پساب باکیفیت بالا، نرخ بارگذاری حجمی بالاتر، زمان‌های نگهداری کوتاه‌تر هیدرولیک (HRT)، زمان‌های ماندگاری جامد بیشتر (SRT). همچنین تولید لجن در مقدار پایین‌تر و توانایی نیتریفیکاسیون/نیتروژن زدایی در بک زمان در SRTهای طولانی. گنجاندن غشاها در سیستم نیاز به شفاف کننده‌های ثانویه را از بین می‌برد. حذف شفاف کننده‌های ثانویه و عملکرد MBR در HRT کوتاه‌تر منجر به کاهش چشمگیر نیازهای سطح گیاه می‌شود.
بااین‌حال، استفاده از فناوری فیلتر ممبران MBR بیورآکتور غشائی دارای معایبی است. ازجمله هزینه‌های بالای انرژی، نیاز به کنترل مشکلات رسوب‌گذاری غشاء و هزینه‌های بالقوه بالای جایگزینی دوره‌ای غشاء. رسوب‌گذاری غشایی همچنان یک عیب عمده MBR است. زیرا عملکرد غشا و طول عمر غشا را به میزان قابل‌توجهی کاهش می‌دهد و منجر به افزایش هزینه‌های نگهداری و عملکرد می‌شود.
رسوب غشایی در MBRها مربوط به ذرات معلق (میکروارگانیسم‌ها و بقایای سلولی)، کلوئیدها، املاح و لخته‌های لجن است. این مواد بر روی سطح غشاء و منافذ غشاء رسوب‌کرده، منافذ را مسدود کرده و منجر به کاهش نفوذپذیری غشا می‌شود.
ماهیت ناهمگن جامدات معلق و میکروارگانیسم‌های فعال در جامدات معلق مایعات مخلوط (MLSS) رسوب غشاء را به چالشی اجتناب‌ناپذیر تبدیل می‌کند که کنترل آن در برنامه‌های MBR طولانی‌مدت دشوار است. کاهش رسوب غشایی در MBRها یکی از زمینه‌های کلیدی تحقیقات گسترده به‌منظور افزایش کاربرد بیشتر فناوری MBR در مهندسی فاضلاب بوده است.
رسوب غشا در فیلتر ممبران MBR
اتحادیه بین‌المللی شیمی خالص و کاربردی (IUPAC) در مورد نام‌گذاری غشاء، رسوب‌گذاری غشایی توجیهی دارد. ” فرایندی که منجر به ازدست‌دادن عملکرد غشاء به دلیل رسوب مواد معلق یا محلول در سطوح خارجی آن، در دهانه منافذ آن یا داخل منافذ آن می‌شود.” این مواد سمی می‌توانند ذرات معلق (میکروارگانیسم‌ها و بقایای سلولی)، کلوئیدها و املاح موجود در MLSS را معلق کنند.
فعل‌وانفعالات فیزیکی و شیمیایی که بین مواد فولادی و مواد غشایی صورت میگیرد منجر به رسوب‌گذاری غشا می‌شود. عدم کنترل مناسب رسوب‌گذاری غشاء در MBRها، در برخی موارد ممکن است منجر به عدم درمان جریان‌های طراحی موردنیاز شود.
رسوب‌گذاری در MBRها به اشکال مختلف، یعنی تنگ شدن منافذ، انسداد منافذ و تشکیل کیک رخ می‌دهد. انسداد منافذ به مسدود شدن میکرو منافذ غشا توسط مواد فولادی اشاره دارد. انسداد منافذ تا حد زیادی به‌اندازه ذره و اندازه منافذ غشا بستگی دارد.
چسباندن مواد در منافذ به کمک مواد چسبنده در محلول کمک می‌شود. از طرف دیگر، شکل‌گیری کیک ناشی از تجمع مداوم خوشه‌های باکتری، بیوپلیمرها و مواد معدنی است که یک‌لایه (بیوکیک) روی غشا ایجاد می‌کند. لایه کیک مقاومت فیلتراسیون غشایی را افزایش می‌دهد. مکانیسم‌های رسوب غشا در MBRها به‌صورت شماتیک در شکل زیر نشان‌داده‌شده است.
جهش فشار ثابت غشایی (TMP)
ازنظر عملیاتی، رسوب غشایی هنگامی‌که MBR در فشار ثابت غشایی (TMP) عمل می‌کند، شار نفوذ را کاهش می‌دهد. هنگامی‌که MBR در شار ثابت نفوذ عمل می‌کند، باعث افزایش TMP می‌شود. در عملکرد شار ثابت، افزایش شدید TMP نشان‌دهنده رسوب شدید غشا است. این افزایش ناگهانی TMP “جهش TMP” نامیده می‌شود. جهش TMP به‌عنوان یک فرایند سه‌مرحله‌ای توصیف‌شده است:
- یک رسوب اولیه “تهویه مطبوع” که توسط مسدود شدن منافذ اولیه و جذب املاح ایجاد می‌شود.
- افزایش تدریجی خطی یا ضعیفی در TMP به دلیل تشکیل بیوفیلم و انسداد بیشتر منافذ غشاء.
- افزایش سریع ناگهانی نرخ افزایش TMP (dTMP/dt)
تصور می‌شود که مرحله 3 نتیجه رسوب شدید غشاء است و اعتقاد بر این است که به دلیل بسته‌شدن پی‌درپی منافذ و تغییرات در شار محلی ناشی از رسوب است. این موضوع باعث می‌شود شارهای موضعی از مقدار بحرانی فراتر رود، ازاین‌رو، موجب تسریع رسوب ذرات و تغییرات ناگهانی در ساختار لایه کیک می‌شود.
باکتری‌های موجود در بیوفیلم‌های داخلی به دلیل محدودیت اکسیژن تمایل به مرگ دارند و درنتیجه EPS بیشتری آزاد می‌کنند. هنگامی‌که مرحله 3 رخ می‌دهد، تمیزکردن غشاء موردنیاز است. مفهوم عملی این امر این است که تأخیر در مرحله 3 باعث کاهش فرکانس تمیزکردن غشاء می‌شود که درنهایت منجر به صرفه‌جویی در هزینه عملیاتی MBR می‌شود. یکی از اهداف کلیدی کنترل رسوب، به تأخیر انداختن پرش TMP از طریق اصلاح ویژگی‌های لجن (MLSS، اندازه گلوله، محتوای EPS و ویسکوزیته ظاهری) یا کاهش شار عملیاتی است.
طبقه‌بندی مواد سمی
رسوب‌های غشایی در MBR را می‌توان بر اساس ویژگی‌های بیولوژیکی و شیمیایی به مواد زیستی، رسوب‌های آلی و مواد معدنی گروه‌بندی کرد.
مواد سمی زیستی
بیوفولنت ها به باکتری‌ها یا لخته‌هایی اطلاق می‌شود که رسوب، رشد و متابولیسم آن‌ها روی غشا منجر به رسوب می‌شود. برای شروع، یک سلول باکتری ممکن است به سطح غشاء یا داخل منافذ آن متصل شود و پس از مدتی، سلول به‌صورت خوشه‌ای از سلول‌ها تکثیرشده و منجر به تشکیل بیوکیک شود. درنتیجه نفوذپذیری را کاهش دهد. باکتری‌ها (مواد زیستی) و محصولات متابولیک آن‌ها در ایجاد رسوب نقش دارند.
در اصل، رسوب زیستی غشایی یک فرایند دومرحله‌ای است که با اتصال اولیه باکتری شروع می‌شود و به دنبال آن تکثیر باکتری‌ها در سطح غشاء انجام می‌شود. برخی از نشریات تعریف مواد زیستی را گسترش می‌دهند تا محصولات متابولیک این خوشه‌های سلول‌های باکتری را شامل شوند. رسوب زیستی غشایی یکی از مهم‌ترین مشکلات عملیاتی در سیستم‌های مبتنی بر غشا است.
مواد شیمیایی آلی
مواد شیمیایی آلی موجود در MBR به بیوپلیمرها، به‌عنوان‌مثال، پلی‌ساکاریدها و پروتئین‌ها اشاره دارد که رسوب آن‌ها روی غشا منجر به کاهش نفوذپذیری غشا می‌شود. این مواد سمی در محصولات متابولیکی باکتری‌ها یافت می‌شوند که درمجموع EPS نامیده می‌شوند. در مقایسه با ذرات بزرگ مانند لجن، حذف رسوبات آلی روی سطح غشاء دشوارتر است.
علاوه بر EPS، تحقیقات نشان داده است که لجن MBR همچنین دارای یک مخزن از املاح آزاد رایگان با اندازه بزرگ به نام خوشه‌های بیوپلیمر (BPC) است. BPCها از تجمع EPS شل و محصولات میکروبی محلول (SMP) در کیک لجن حاصل می‌شوند. BPCها بسیار بزرگ‌تر از SMPها هستند و عمدتاً از بیوپلیمرها و با تعداد کمی میکروارگانیسم تشکیل می شوند.
تعداد کمی از میکروارگانیسم‌های موجود در BPC آن‌ها را از لخته‌های باکتریایی متمایز می‌کند. به دلیل اندازه بزرگ‌تر BPC ها، آن‌ها در غشاء MBR حفظ می‌شوند و بنابراین، در پساب MBR یافت نمی‌شوند. سطح غشای بزرگ در MBR یک محیط مساعد برای تشکیل و رشد BPC فراهم می‌کند و تشکیل و تجمع BPC در MBR باعث رسوب جدی غشاء می‌شود.
مواد شیمیایی آلی
مواد شیمیایی آلی موجود در MBR به بیوپلیمرها، به‌عنوان‌مثال، پلی‌ساکاریدها و پروتئین‌ها اشاره دارد که رسوب آن‌ها روی غشا منجر به کاهش نفوذپذیری غشا می‌شود. این مواد سمی در محصولات متابولیکی باکتری‌ها یافت می‌شوند که درمجموع EPS نامیده می‌شوند. در مقایسه با ذرات بزرگ مانند لجن، حذف رسوبات آلی روی سطح غشاء دشوارتر است.
علاوه بر EPS، تحقیقات نشان داده است که لجن MBR همچنین دارای یک مخزن از املاح آزاد رایگان با اندازه بزرگ به نام خوشه‌های بیوپلیمر (BPC) است. BPCها از تجمع EPS شل و محصولات میکروبی محلول (SMP) در کیک لجن حاصل می‌شوند. BPCها بسیار بزرگ‌تر از SMPها هستند و عمدتاً از بیوپلیمرها و با تعداد کمی میکروارگانیسم تشکیل‌شده‌اند.
تعداد کمی از میکروارگانیسم‌های موجود در BPC آن‌ها را از لخته‌های باکتریایی متمایز می‌کند. به دلیل اندازه بزرگ‌تر BPC ها، آن‌ها در غشاء MBR حفظ می‌شوند و بنابراین، در پساب MBR یافت نمی‌شوند. سطح غشای بزرگ در MBR یک محیط مساعد برای تشکیل و رشد BPC فراهم می‌کند و تشکیل و تجمع BPC در MBR باعث رسوب جدی غشاء می‌شود.
رسوب معدنی هم “مقیاس معدنی” نام‌گذاری می‌شود تا آن را از مواد ته‌نشین شده زیستی و رسوب آلی جدا بدانند. تبلور و رسوب ذرات دو مکانیسم اصلی هستند که در هنگام رسوب غشای غیرآلی در MBR نقش مهمی ایفا می‌کنند.
در تبلور، رسوب یون‌ها مسیر رسوب‌گذاری در سطح غشا است. درحالی‌که رسوب ذرات رسوب به دنبال انتقال جابه‌جایی ذرات کلوئیدی در محلول به سطح غشا است. برای ازبین‌بردن رسوبات غیرآلی از سطح غشاء، تمیزکردن شیمیایی معمولاً روش اتخاذشده است، زیرا از تمیزکردن فیزیکی مؤثرتر است.
انواع سیستم‌های فیلتر ممبران MBR
بیورآکتورهای غشایی برای تصفیه فاضلاب ترکیبی از روش تصفیه بیولوژیکی رشد معلق، معمولاً لجن فعال، با تجهیزات فیلتراسیون غشایی، غشاهای میکروفیلتراسیون کم‌فشار (MF) یا فوق تصفیه (UF) است. از غشاها برای انجام عملکرد مهم جداسازی جامد – مایع استفاده می‌شود. در تأسیسات لجن فعال، این امر به طور سنتی با استفاده از شفاف کننده‌های ثانویه و سوم همراه با فیلتراسیون سوم انجام می‌شود.
دو نوع کلی از سیستم‌های MBR عبارت‌اند از: خلأ (گرانش محور) و سیستم‌های فشار محور. سیستم‌های خلأ یا گرانش غوطه‌ور هستند و معمولاً از غشاهای فیبر توخالی یا غشاهای ورقه‌ای مسطح استفاده می‌کنند که در واکنشگرهای زیستی یا مخزن غشای بعدی نصب‌شده‌اند. سیستم‌های تحت‌فشار سیستم‌های کارتریج درون لوله‌ای هستند که در خارج از بیورآکتور قرار دارند.
“MBR System” به‌عنوان یک واحد غشایی کامل و یکپارچه (زیرسیستم‌ها) با اجزای مربوطه لازم برای عملکرد مطلوب فرایند در نظر گرفته می‌شود. یک سیستم MBR اغلب شامل ده یا یازده زیرسیستم است و شامل غربالگری خوب (سرپیچ)، منطقه غشایی و در بیشتر موارد، نوعی از فرایند پس از ضدعفونی است.
بررسی نهایی
باتوجه‌به رشد جمعیت بشر در سطح جهان، ذکرشده است که صنایع مختلف نیز رشد کرده‌اند. نیاز به تأمین مازاد آب و تولید پساب باکیفیت بالا با استفاده از فناوری‌های تصفیه مناسب به یک ضرورت تبدیل‌شده است. این دو نیاز اساسی را می‌توان با کمک فیلتر ممبران MBR بیورآکتور غشائی که در حذف مواد آلی و معدنی به‌عنوان یک واحد بیولوژیکی برای تصفیه فاضلاب مؤثر است، به دست آورد.
فیلتر ممبران MBR بیورآکتور غشائی به طور گسترده‌ای برای تصفیه فاضلاب شهری و صنعتی مورداستفاده قرار میگیرد. پدیده‌های رسوب به‌عنوان یک مانع اصلی در برابر کارخانه MBRs گسترده با روش‌های اخیر کاهش رسوب ارائه‌شده است. رسوب غشایی در MBRها را می‌توان بر اساس ویژگی‌های بیولوژیکی و شیمیایی به مواد زیستی، مواد آلی و مواد معدنی غیرآلی طبقه‌بندی کرد.
