تصفیه فاضلاب به روش بیوراکتور غشایی

در سال‌های اخیر فناوری فیلتراسیون غشایی در تصفیه آب و فاضلاب بسیار رشد کرده است، که بیوراکتورهای غشایی به دلیل کنترل مناسب فرآیند و کیفیت بالای محصول مورد توجه می‌باشد.

فیلتراسیون غشایی چیست؟

فیلتراسیون غشایی در تصفیه آب و فاضلاب نقش عمده‌ای دارند که نسبت به فناوری‌های معمول آب عملکرد بهتری دارند و از نظر اقتصادی کارآمدتر است. فرآیندهای اصلی غشاء عبارتند از: میکروفیلتراسیون(MF)، اولترافیلتراسیون(UF)، نانو فیلتراسیون(NF)، اسمز معکوس(RO).

محدوده اندازه جداسازی برای میکرو فیلتراسیون ۱۰۰ تا ۱۰۰۰ نانومتر، اولترا فیلتراسیون ۵ تا ۱۰۰ نانومتر، نانو فیلتراسیون ۱تا ۵ نانومتر و ۱/۰ تا ۱ نانومتر در روش اسمز معکوس است.

بیش از ۱۰ سال است که بیو راکتور غشایی با استفاده از غشاهای در محدوده میکروفیلتراسیون و اولترافیلتراسیون به عنوان یک تکنولوژی موثر در تصفیه ثانویه آب ظاهر شده‌اند.

بیو راکتور غشایی چیست؟

فرآیندهای بیوراکتور غشایی (MBR) عمدتاً برای تصفیه فاضلاب با استفاده از میکرو فیلتراسیون (MF) یا اولترافیلتراسیون (UF) و ادغام آن‌ها با یک فرآیند بیولوژیکی مانند یک بیوراکتور رشد معلق استفاده می‌شود. غشاها به عنوان یک فیلتر برای از بین بردن مواد جامد تولید شده در فرآیند بیولوژیکی استفاده می‌شوند، که محصولی شفاف و عاری از پاتوژن می‌دهد.

بیوراکتور غشایی روشی جایگزین برای سیستم‌های معمول سرباره فعال، برای جداسازی جامد-‌ مایع است. MBR به کاربر نهایی امکان کنترل بهتر فرآیند و محصول آب با کیفیت بهتر را می‌دهد.

انواع ساختارهای بیوراکتور غشایی

به طور کلی بیوراکتورهای غشایی سه ساختار مختلف دارند:

ورق مسطح flat sheet) FS)
الیاف توخالی hollow fiber) HF)
چند لوله multitube) MT)

بیوراکتور با ساختار ورق مسطح

غشاهای ورق مسطح (FS) یکی از انواع ساختار بیوراکتورهای غشایی است. غشاهای FS دارای ساختار مسطح و عمدتا مستطیل شکل هستند، اگرچه هندسه‌های دیگری به منظور چرخش برای ماژول‌های غشایی طراحی شده است. معمولا تحت عنوان صفحه، کارتریج و پانل شناخته می‌شوند. پانل‌ها سخت، نیمه سخت یا انعطاف‌پذیر هستند. پانل‌های انعطاف‌پذیر معمولا نازک‌تر هستند. پانل‌های سخت یک صفحه پشتی پلاستیکی به ضخامت ۶-۴ میلی‌متر دارند که لبه غشای به هر دو طرف جوش داده شده است. غشا از صفحه سخت پشتی توسط یک فضای نازک جدا می‌شود. آب از خارج به داخل پنل از طریق ماده فاصل جریان می‌یابد و از طریق لوله خروجی نفوذ جمع آوری می‌شود.

بیوراکتورهای غشایی با ساختار صفحه مسطح تقریباً برای MBRهای غوطه‌ور برای کاربردهای صنعتی و شهری تاسیسات کوچک استفاده می‌شوند، که اساس آن‌ها بر سادگی سیستم است.

بیوراکتور با ساختار الیاف توخالی

ساختار الیاف توخالی یکی از سه ساختار اصلی بیوراکتور غشایی است. غشاهای الیاف توخالی (HF) معمولا به صورت عمودی با یک سری هواسازهای در یک ماژول یا قاب می‌باشند.

غشا با ساختار الیاف توخالی تقریباً برای MBRهای غوطه‌ور برای کاربردهای صنعتی و شهری برای تاسیسات بزرگ‌تر که اساس آن‌ها بر میزان مصرف انرژی است، استفاده می‌شود.

بیوراکتور با ساختار چند لوله

غشاهای چند لوله (MT) در حال حاضر تنها محصولات غشایی MBR هستند که بصورت استاندارد و برای فن آوری‌های MBR استفاده می‌شوند. یک ماژول شامل یک دسته لوله درون یک لوله‌ی استوانه‌ای با سایز استاندارد اغلب به قطر ۲۰۰ میلی‌متر است و آب از داخل به خارج لوله غشا جریان می‌یابد.

مزایای استفاده از بیوراکتورهای غشایی MBR در مقایسه با سایر روش‌های تصفیه مرسوم
MBR در مقایسه با سیستم‌های تصفیه مرسوم دارای مزایایی است:

فرآیندهای بسیار پایدار

سیستم‌های بیولوژیک معمول نسبت به ترکیب فاضلاب حساس می‌باشند. به دلیل تغییر در ترکیب فاضلاب و یا وجود مواد پیچیده و سمی، غلظت بالای نمک و یا غلظت پایین اکسیژن تشکیل توده‌های زیستی ضعیف است و فرآیندهای ته‌نشینی به خوبی انجام نمی‌شود. این منجر به تخلیه میکروارگانیسم‌ها و کیفیت پایین پساب می‌شود. با این وجود غشاها از همه توده‌های زیستی و ذرات معلق جلوگیری می‌کنند و پساب با کیفیت بالایی را تضمین می‌کنند.

طراحی بسیار فشرده

به دلیل جداسازی غشاها، غلظت میکروارگانسیم‌های فعال موجود در بیوراکتورهای غشایی در حدود ۵-۴ برابر بیشتر از سیستم‌های معمولی است. این سبب می‌شود که حجم مخزن بیوراکتورها در حدود ۲۵-۲۰ درصد سیستم‌های رایج باشد. شفاف‌ساز که مخزنی است که حجم زیادی را اشغال می‌کند در این روش نیاز نیست.

کیفیت بالای پساب

غشاهای اولترا فیلتراسیون از همه میکروارگانیسم‌ها و بیشتر ذرات جامد معلق ممانعت می‌کنند و در نتیجه یک پساب بسیار تمیز و شفاف تولید می‌کنند. پساب ممکن است به عنوان آب با درجه فرایند پایین برای استفاده مجدد یا برای آبیاری مورد استفاده قرار گیرد.

تولید سرباره پایین

بیوراکتور غشایی می‌تواند با نسبت F/M پایین، نسبت خوراک مواد آلی در واحد میکروارگانیسم‌ها در واحد زمان عمل کند. این باعث مینرال‌زدایی بالای سرباره می‌شود. در سیستم‌های معمول از یک کیلوگرم COD حدود ۴/۰-۳/۰ کیلوگرم توده زیستی بدست می‌آید. با استفاده از سیستم‌های MBR از یک کیلوگرم COD حدود ۲/۰-۰ کیلوگرم توده زیستی بدست می‌آید (توده زیستی صفر در هنگام کار در دمای بالا حاصل می‌آید).

معایب سیستم‌های بیوراکتورهای غشایی MBR

سیستم‌های MBR مزایای زیادی دارند اما چالش های اصلی آنها عبارتند از:

دائما باید از غشاها مراقبت و نگه‌داری شود
به دلیل استفاده از غشاها، محدودیت‌هایی در دما، فشار و PH فرآیند وجود دارد.
هزینه‌ اولیه بالاتر نسبت به تصفیه خانه‌های لجن فعال
مواد و ماژول‌های غشایی مورد استفاده در بیوراکتورهای غشاییMBR
از مواد و چینش‌های مختلفی در سیستم‌های بیوراکتورهای غشایی استفاده می‌شود. مواد پلیمری مختلفی از جمله پلی‌وینیلیدین دی فلوراید(PVDF)، پلی اتر سولفون(PE)، پلی پروپیلن(PP) و پلی سولفون(PS) معمولا در تولید غشاها استفاده می‌شوند.

کاربردهای بیوراکتور غشایی MBR

به طور کلی بیوراکتور غشایی در تصفیه پساب برخی از صنایع کاربرد دارد:

مواد غذایی و نوشیدنی- دارای مواد آلی زیاد
صنعت نفت – بخش اکتشاف، پالایش و پتروشیمی
صنعت داروسازی- مواد تشکیل‌دهنده فعال دارویی (API)
صنعت کاغذ و خمیر کاغذ – مقادیر بالای مواد جامد معلق ، COD و BOD
پساب صنعت نساجی- قابلیت تجزیه مجدد، سمیت، مقدار FOG و رنگ
شستن محل دفن زباله – طیف گسترده‌ای از ترکیبات آلی و معدنی محلول و معلق
پساب کشتی – الزامات قانونی و محدودیت‌های فضایی

کاربرد MBRs درتصفیه فاضلاب

در ابتدا فناوری MBR برای تصفیه فاضلاب شهری یا خانگی مورد استفاده قرار گرفت. با این وجود، سیستم های MBR دارای پتانسیل گسترده‌ای در کاربردهای مختلفی از جمله تصفیه فاضلاب صنعتی، تصفیه فاضلاب‌های دفن زباله و هضم زباله‌های جامد دارند. انواع فاضلاب‌های صنعتی از صنایع غذایی، خمیر کاغذ و کاغذ، نساجی، شیمیایی، دارویی، روغنی و پتروشیمی، دباغی و صنایع تولیدی ناشی می‌شود. در این بخش پتانسیل فناوری MBR در تصفیه فاضلاب‌های شهری و صنعتی بیان شده است.

تصفیه فاضلاب شهری

فرآیندهای MBR برای تصفیه فاضلاب شهری به منظور ارائه پساب با کیفیت بالا مورد استفاده قرار می‌گیرد، زیرا MBR کربن و مواد مغذی را حذف می‌کند. باکتری‌ها و ویروس‌ها نیز لازم است با فرآیند MBR از فاضلاب های شهری حذف شوند.