Рынок оборудования для технологии мембранного биореактора

А. М. Поляков, ОАО «НИИ ВОДГЕО»

М. Н. Видякин, представительство ООО TORAY International Europe GmbH

В самом общем смысле технология МБР – это сочетание различных мембранных и биохимических процессов. В «классической» трактовке данного термина МБР – это сочетание мембранных процессов (микро- и ультрафильтрации) и процессов аэробной биологической очистки природных и сточных вод [1, 2]. При реализации технологии МБР мембрана служит в качестве барьера, позволяющего высокоселективно очистить воду от содержащихся в ней загрязнений (взвешенные вещества, высокомолекулярные соединения, микроорганизмы активного ила и т. п.). В зависимости от решаемых технологических задач МБР может применяться как на стадии предфинишной очистки (перед стадией обеззараживания), так и для предварительной очистки перед нанофильтрацей и обратным осмосом в случае необходимости дополнительной обработки очищаемой

История развития технологии МБР и принцип работы оборудования

Впервые технологию МБР открыла компания Dorr-Oliver Inc. (сегодня Eimco Water Technologies Pty Ltd.), которая, безусловно, является пионером в области разработки аппаратурного оформления технологии МБР. Именно она еще в 1966 году первой выпустила на рынок МБР-продукт – плоскорамные мембранные модули, располагаемые вне биореактора. Основные этапы развития технологии МБР представлены в табл. 1 [3].

Первоначально на очистных сооружениях с использованием технологии МБР применялась напорная мембранная фильтрация. В этом случае реализовалось традиционное для баромембранных процессов аппаратурное оформление, позволяющее осуществлять режим напорной фильтрации потока суспензии загрязнений в очищаемой воде, подаваемой из аэротенка. Однако использование такого аппаратурного оформления не позволяло использовать технологии МБР в высокопроизводительных системах вследствие высокой потребляемой мощности насосного оборудования, поэтому технология МБР получила более широкое распространение для очистки природных, хозяйственно-бытовых и промышленных сточных вод лишь после разработки погружных мембранных устройств. При такой реализации процесса мембранное оборудование располагается непосредственно в биореакторе (в большинстве случаев в зоне аэробной очистки). Движущей силой процесса в этом случае является перепад давлений, который достигается, как правило, вакуумированием подмембранного пространства. По различным оценкам, в 97–99 % всех существующих МБР-установках используются погружные мембранные элементы и модули [6].

В технологии МБР используются мембранные модули следующих основных конструкций (рис. 1):

– половолоконные;

– плоские

– трубчатые.

Рисунок 1. Мембранные модули, используемые в технологии МБР а – половолоконный; б – плоскорамный; в – трубчатый

В табл. 2 приведено краткое качественное сопоставление различных типов мембранных модулей, основанное на их конструктивных особенностях. Как видно из табл. 2, половолоконные мембранные модули обладают наиболее высокой плотностью упаковки, низкой материалоемкостью и минимально стоимостью. Видимо, именно в связи с этим они находят наиболее широкое применение как в режиме безнапорной погружной, так и в режиме традиционной напорной фильтрации.

Плоскорамные мембранные элементы представляют собой две плоские мембраны, разделенные дренажом и загерметизированные по периметру. Одной из уникальных особенностей мембранных модулей на основе плоскорамных элементов является возможность их эффективной работы под действием гравитационных сил. Таким образом, они обладают оптимальным набором эксплуатационных характеристик и на их основе могут проектироваться как комплектные (блочно-модульные), так и стационарные очистные сооружения высокой производительности.

Конструкция трубчатых мембранных модулей аналогична устройству трубчатых теплообменных аппаратров, что обуславливает достаточно низкую плотность упаковки и минимальную склонность к загрязнению, а также возможность замены мембран. Элементы данного типа применяются как в режиме напорной, так и погружной фильтрации.

Рынок мембранного оборудования для МБР-технологии

В настоящее время на рынке МБР-продуктов действует более 30 компаний, которые производят мембранные элементы и модули для данной технологии [2, 6].

Коммерчески доступные МБР-продукты отличаются как по эксплуатационным характеристикам (например, рекомендуемая удельная производительность мембраны), так и по типу и материалу применяемых мембран, а также способу использования мембранных элементов и модулей на их основе.

Согласно последним данным [4, 5], наиболее крупными поставщиками МБР-оборудования являются:

– GE Water & Process Technologies / ex. Zenon Environmental Inc.;

– Kubota;

– Mitsubishi-Rayon;

– Siemens Water Technologies / ex. USFilter;

– Toray Industries Inc.

По обобщенным данным этих поставщиков [3], в настоящее время в мире работает более 2500 установок МБР. Сегментирование по производительности представлено на рис. 2, а капитальные затраты – на рис. 3 [6]. Приведенные капитальные затраты включают предочистку (механическая очистка и жироуловители), насосное оборудование, мембранную технику и емкостные сооружения, без монтажа, обвязки и КИП [7]. Средняя производительность установок МБР для очистки производственных сточных вод составляет от 180 до 2500 м³/сут.

Как видно из рис. 2, более 50 % существующих МБР-систем – очистные сооружения малой производительности (до 100 м³/сут). В данном сегменте рынка преобладают комплектные установки, поставляемые на место монтажа в виде готовых модулей заводского исполнения. Как правило, существующие на рынке инженерные решения находятся в верхнем диапазоне цен среди коммерчески доступных («традиционных») технологий и оборудования. При этом для таких МБР-систем эксплуатационные затраты рассматриваются очень редко.

Рисунок 2. Сегментирование существующих МБР-систем по производительности

Рисунок 3. Приведенные капитальные затраты на технологию МБР в зависимости от производительности очистных сооружений

Эффективность применения и примеры внедрения

Технология МБР успешно используется для очистки следующих типов промышленных сточных вод:

– пищевые производства (молочные продукты, безалкогольные напитки, виноделие и пивоварение);

– химическая промышленность и фармацевтика;

– текстильная промышленность и прачечные;

– сельское хозяйство (фермы, скотобойни и т.п.);

– поверхностные сточные воды.

При этом рынок сбыта МБР-продуктов постоянно растет, а сама технология находит все более широкое применение для решения разнообразных технологических задач очистки природных и сточных вод по всему миру.

Внедрение технологии МБР позволяет усовершенствовать существующие технологические решения, применяемые для очистки природных и сточных вод для наиболее полного соответствия действующим природоохранным и санитарным нормам РФ за счет:

– повышения надежности и увеличения эффективности работы очистных сооружений (исключение возможности выноса биомассы из очистных сооружений);

– увеличения концентрации активного ила в аэротенке и, следовательно, окислительной мощности очистных сооружений;

– компактности очистных сооружений, поскольку мембранная доочистка заменяет вторичное отстаивание, доочистку на фильтрах и частично обеззараживание;

– снижения объема избыточного активного ила и увеличения его водоотдающих свойств [8].

На рис. 4 приведены примеры существующих сооружений очистки сточных вод с использованием МБР-модулей различных конструкций. Уникальной особенностью всех установок является компактность, в условиях РФ потенциально подразумевающая не только существенное снижение объемов и стоимости строительно-монтажных работ, но и возможность значительного сокращения площадей санитарно-защитных зон очистных сооружений.

Рисунки 4а. Примеры МБР-установок хозяйственно-бытовых сточных вод. Очистные сооружения (Каменногорск, Выборгский район, Ленинградская область, РФ) с погружными половолоконными мембранными модулями (завершение пуско-наладочных работ). Производительность – до 200 м3/сут.

Рисунки 4б. Примеры МБР-установок хозяйственно-бытовых сточных вод. Очистные сооружения (с. Ямкино, Ногинский район, Московская область, РФ) с погружными половолоконными мембранными модулями (завершение строительно-монтажных работ). Производительность первой очереди – до 1 500 м3/сут.

Заключение

Несмотря на объективные и очевидные преимущества, технология МБР все еще достаточно ограниченно применяется в РФ. Компактность очистных сооружений и высокая эффективность очистки, с одной стороны, и относительно высокие капитальные и эксплуатационные затраты на основное технологическое оборудование, с другой, пока не позволяют сделать однозначный и обоснованный выбор в пользу этой инновационной технологии. В настоящее время для оценки принципиальной возможности применения и обоснования эффективности внедрения технологии МБР для очистки сточных вод как минимум необходимо технико-экономическое обоснование.

В Российской Федерации инновационная технология МБР для очистки производственных и хозяйственно-бытовых стоков находится на стадии активного внедрения. Например, сейчас ОАО «НИИ ВОДГЕО» совместно с Toray Membrane Europe AG реализует на территории РФ несколько совместных проектов по внедрению технологии МБР для очистки природных и сточных вод различного состава.

Таблицы 3-6 (подробнее)   3. Некоторые компании-производители МБР-продукции. 4. Коммерчески доступные МБР-продукты (мембранные элементы и модули) 5. Некоторые технические характеристики мембранных элементов для технологии МБР 6. Некоторые технические характеристики мембранных элементов для технологии МБР

Литература

1. 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 (39).

2. Поляков А. М., Соловьев С. А., Видякин М. Н. Технология мембранного биореактора (МБР) для очистки природных и сточных вод [II] // Критические технологии. Мембраны. 2009. № 1 (41).

3. Judd S., The MBR book, Principles and Applications of Membrane Bioreactors for Water and Wastewater Treatment, Elsevier, 2006.

4. Lesjean B., Huisjes E.H. Survey of the European MBR market: trends and perspectives // Desalination, 2008, № 231.

5. Huisjes E., Colombel K., Lesjean B. The European MBR market: specifics and future trends / Present. handounts of the Final MBR-Network workshop, Berlin, 31st March – 1st April 2009.

6. Видякин М. Н., Поляков А. М., Соловьев С. А. Краткий анализ рынка оборудования технологии мембранного биореактора (МБР) // Вода Magazine. 2009. № 6.

7. Hanft. C. Membrane bioreactor in the changing world water market // Business Communications Company Inc., 2006, report C-240.

8. Карпухин С. Ю. Технология мембранного биореактора // Экология производства. 2008. № 4.

Авторы выражают искреннюю благодарность С. А. Соловьеву за помощь в систематизации представленного материала и подготовке настоящей публикации.