فن­آوری راکتور زیستی غشایی (MBR)

اولین بیوراکتور غشایی در اواخر دهه­ی 1960 توسط Dorr-Oliver از تلفیق UF و فرآیند لجن فعال متداول به منظور تصفیه فاضلاب توسعه یافت. سیستم­های MBR به دو صورت sidestream و immersed بهره بردای می­شوند (شکل 1). این تکنولوژی قبل از سال 1996 به منظور تصفیه فاضلاب­های شهری و پس از آن به طور گسترده به منظور تصفیه­ی پساب­های صنعتی توسعه یافت. تا سال 2008، سیستم MBR در بیش از 200 کشور اجرا شده است و این تعداد همواره در حال افزایش بوده است.   

شکل 1- چیدمان­های بیوراکتور غشایی: (a) sidestream و (b) immersed

سیستم­های MBR قادرند جامدات معلق و میکروارگانیزم­های پاتوژن را به طور قابل ملاحظه ای از پساب­های شهری حذف نمایند، همچنین در این سیستم­ها آمونیاک به طور قابل ملاحظه­ای حذف می­گردد و در صورت پیکربندی مناسب، حذف نوترینت­ها نیز به خوبی انجام می­شود. علاوه بر این، توانایی این فرآیند برای تولید آبی که بدون نیاز به هر گونه تصفیه اضافی به عنوان خوراک واحد اسمز معکوس (RO) مورد استفاده قرار می­گیرد، به مقبولیت این تکنولوژی افزوده است. اندازه فیزیکی کوچکتر واحدهای MBR در مقایسه با سیستم­های تصفیه متداول در مناطقی که قیمت زمین بالاست و یا اینکه فضای در دسترس محدود است، اهمیت فراوانی دارد.

پیکر بندی MBR

همانطور که قبلاً بیان شد دو پیکر بندی فرآیند MBR عبارتند از iMBR و sMBR. همچنین دو مدل بهره­برداری عبارتند از پمپ و ایر لیفت. اگرچه، دو مدل دیگر نیز برای فرآیند غشایی وجود دارد که عبارتد از MBR استخراجی (eMBR) و MBR انتشاری (dMBR)که هدف­هایی به غیر از جداسازی جرم سلولی از آب تصفیه شده را دنبال می­نماید.اگرچه تنوع بالایی در مورد پیکربندی MBR وجود دارد (شکل 2)، با این وجود سه تکنولوژی  عمدهMBR  که به صورت تجاری به کار می­روند عبارتند از flat sheet (FS)، hollow fiber (HF) و mulitube (MT) (شکل 3).

شکل 2- پیکر بندی­های اصلی فن­آوریهای MBR

شکل 3- شماتیک جریان عبوری از سه نوع ممبران تجاری عمده

بیش از 10 سال است که MBR ها به عنوان یک تکنولوژی تصفیه ثانویه موثر با استفاده از غشاهایی در محدوده MF و UF در صنعت آب و فاضلاب استفاده می­شوند و با یک فرآیند بیولوژیکی نظیر بیوراکتور رشد چسبیده ادغام می­گردند. ممبران­ها به عنوان یک فیلتر عمل می کنند و جامداتی که در حین فرآیند بیولوژیکی ایجاد می­شوند را حذف می­نمایند. با این روش آبی شفاف و عاری از پاتوژن تولید می­شود. بیوراکتور غشایی به عنوان جایگزینی در سیستم لجن فعال متداول برای تانک ته نشینی و به منظور جداسازی جامد/مایع به کار می­رود. پارامترهای بهره­برداری فرآیند MBR به شرح زیر با فرآیند لجن فعال متداول متفاوت می­باشد:

SRT معادل 20-5 برای سیستم متداول، 30-20 روز برای سیستم MBR

F/M معادل d^-1 0.05-1.5 برای سیستم متداول و < 0.1 d^-1 برای سیستم MBR

MLSS معادل mg/L 2000 برای فرآیند متداول، mg/L 5000-20000 برای MBR

معمولاً تکنولوژی MBR برای تصفیه فاضلاب­هایی که دارای کربن آلی قابل تجزیه بیولوژیکی هستند به کار می­روند. با این حال فاضلاب­هایی نظیر شیرابه­های اماکن دفن و فاضلاب­های صنایع دارویی که به راحتی قایل تجزیه بیولوژیکی نیستند نیز می­توانند به دلیل زمان­های ماند طولانی سیستم­های MBR در این سیستم­ها تصفیه شوند.

پساب­ها و فاضلاب­هایی که حاوی روغن­های معلق (گیاهی یا معدنی) هستند نیازمند پیش تصفیه (یعنی جداسازی صفحه­ای، شناورسازی با هوای محلول یا هر دو این روش­ها) هستند تا از این طریق ممبران­ها محافظت شوند.

به طور کلی تکنولوژی MBR برای تصفیه پساب­های صنایع مختلف از جمله موارد زیر استفاده شده است:

• صنایع غذایی-حاوی مقادیر بالای مواد آلی
• صنایع نفت، اکتشاف ، پالایش و پتروشیمی
• صنایع دارویی
• صنایع کاغذ سازی-حاوی جامدات معلق، COD و BOD بالا
• خروجی صنایع نساجی- حاوی مواد سمی، FOG و رنگ
• شیرابه لندفیل-حاوی ترکیبات آلی و معدنی معلق و محلول متعدد
• پساب­های کشتیرانی

مزایای سیستم MBR

• عدم وابستگی کنترل HRT به SRT
• کیفیت بالای پساب
• تصفیه زیستی ارتقاء یافته
• پایین بودن حجم و سطح مورد نیاز

به منظور جلوگیری از گرفتگی ممبران و نیز حفظ فلاکس جریان مطلوب، به نیروی برشی در سطح ممبران نیاز است. زمانیکه جریان هوا/مایع به صورت موازی با سطح غشاء جریان می­یابد نیروی برشی ایجاد می­شود که میزان گرفتگی غشاء را کاهش می­دهد (شکل 4).

شکل 4- استفاده از حباب­های هوا برای تمیزسازی غشاهای MBR

در سیستم­های iMBR ایجاد نیروی برشی با استفاده از هوادهی در بیوراکتور اتفاق می­افتد اما در سیستم­های sMBR پمپاژ لازم است. این تفاوت در انرژی مورد نیاز بازار iMBR را با مقبولیت بیشتر مواجهه کرده است. علاوه بر این میزان گرفتگی در سیستم­های sMBR بیشتر است زیرا لجن فعال را پمپ می­نماید که تنش برشی فلاک­های میکروبی را افزایش می­دهد و منجر به شکسته شدن فلاک­ها می­شوند که خود کاهش اندازه ذرات و آزادسازی عومل گرفتگی می­شود.

اگرچه sMBR نسبت به iMBR به انرژی بیشتری نیاز دارد، با این وجود از مزایای زیر برخوردار است:

• به سطح کمتری نیاز دارد
• از انعطاف بهره­برداری و چرخه پاکسازی بالاتری برخوردار است، برخلاف iMBR تمیز سازی شیمیایی ممبران در محل و بدون خطر مواد شیمیایی برای جرم سلولی انجام می­شود.
• به دلیل در دسترس بودن ممبران، تعویض ممبران در زمان کوتاه­تری اتفاق می­افتد.
• بهره­­برداری در غلظت­های بالاتر جامدات امکانپذیر است.