Membraanbioreaktor

Membraanbioreaktor (MBR) on aktiivmudapuhasti, milles järelsetitit asendab 0,1–0,01 µm avasuurusega membraan. Membraanbioreaktorit kasutatakse olme- ja tööstusreovee puhastamisel ja seda saab kasutada reoveepuhastites, mis on dimensioneeritud kuni 80 000 inimekvivalenti (ie). 1 ie=60gBHT₇/d.
Klassikaline aktiivmudapuhastus on reovee bioloogilise puhastamise moodus, mille puhul reovesi ja aktiivmuda segatakse ja õhustatakse aerotankis. Segu voolab aerotankist järelsetitisse, milles eralduv aktiivmuda kas juhitakse tagasi aerotanki (tagastusmuda) või kõrvaldatakse (jääk- ehk liigmuda). Membraanbioreaktoris ei ole vaja järelsetiti etappi, mis on peamine erinevus membraanbioreaktori ja klassikalise aktiivmudapuhasti vahel. Aktiivmudapuhastus tugineb aktiivmuda võimele lagundada lahustunud orgaanilisi aineid. Osa neist muutub uueks biomassiks, osa eluprotsesse ülevalhoidvaks energiaks. Olmereovee biokeemilise hapnikutarbega väljendatud orgaanilisest ainest laguneb 30–50% süsihappegaasiks, 40–45% jääb liigmudasse ja umbes 10% väljavoolavasse vette. Kui soovitakse ka viimast 10% kätte saada, tuleb kasutada järelpuhastusmeetodeid.
Reovees leidub palju keemilisi ühendeid, kuid kõikide nende kontsentratsioone tavaliselt ei mõõdeta. Kõige sagedamini määratakse biokeemilist hapnikutarvet (BHT) ning heljumi- (HA), üldfosfori- ja üldlämmastikusisaldust.
Bioloogiliseks puhastamiseks peab reovesi sisaldama toitesooli, sest neid läheb tarvis protsessis osalevate mikroorganismide elutegevuses. Biopuhastuseks peetakse soodsaimaks orgaanilise aine, lämmastiku- ja fosforisisalduse vahekorraks BHT₅ : N : P = 100 : 5 : 1.

Membraanbioreaktori ajalugu ja peamised töömeetodid

Membraanbioreaktorit hakati kasutama pärast ultrafiltratsiooni (UF) ja mikrofiltratsiooni (MF) membraanide kasutuselevõttu 1960. aastal. Esimese membraanbioreaktori tõi turule aktsiaselts Dorr-Olivier. Algse membraanbioreaktori poorid olid suurusjärgus 0,003–0,1 μm, ning selles kasutati polümeerseid membraane. Algne membraanbioreaktor ei töötanud piisavalt efektiivselt, sest kasutatavad membraanid olid kallid ning reaktori puhastusefektiivsus vähenes membraanide ummistumise tõttu.
1989. a loodi Yamamoto poolt uus membraanbioreaktor, kus membraanid sukeldati bioreaktorisse. Varem kasutati spetsiaalset konteinerit, mis asus väljaspool reaktorit (külgvool MBR), ning filtratsiooni teostamiseks töötas see kõrgel transmembraani survel. Sukeldatud membraanbioreaktorit eelistatakse olmereovee puhastamisel külgvool membraanpuhastile, sest sukeldatud membraanbioreaktor kasutab vähem energiat ja töötab ka väiksemal voolukiirusel. Hüdraulilised ja bioloogilised protsessid vajavad sukeldatud seadmes aeratsiooni. Aeratsioon säilitab tahked osad suspensioonidena, annab mikroorganismidele õhku, et nad saaksid paremini kasvada, ja parandab ainete biodegradatsiooni.

Seespidine ehk sukeldatud MBR

Sukeldatud membraanbioreaktori puhul on filtratsiooniseade ehitatud peareaktori sisse või asub eraldi paagis. Membraanid võivad olla õhukeste lehtedena, silindrikujulised või nende kombinatsioonina. Kindlasti vajaks sukeldatud membraanbioreaktor aeratsiooni, et vältida membraanide ummistumist.

Välispidine ehk külgvool MBR

Külgvool membraanbioreaktoris on filtratsiooniseade ehitatud eraldi peareaktorist. Biomass pumbatakse otse läbi mitme membraani ning tagasi bioreaktorisse või hoiustatakse biomass eraldi konteinerites, kus see pumbatakse läbi membraanide.

Keemiline hapnikutarve (KHT)

Membraanbioreaktor sisaldab palju mikroorganisme, mistõttu kasvab ka reovee puhastusefektiivsus, sest paraneb biodegradatsioon ehk biolagunemine. Biolagunemine kujutab endast bioloogiliste protsesside tulemusel saasteainete muundumist lihtsaks anorgaaniliseks aineseks, teatud ulatuses ka bioloogiliseks materjaliks (organismide taastootmiseks). Biodegradatsiooni puhul toimub tavaliselt hapniku olemasolu vajav aeroobne protsess, õhu puudumisel toimub anaeroobne protsess. Kuigi reoainete biodegradatsioon kujutab endast ainete lagunemist lihtsamateks ühenditeks nagu süsihappegaas, vesi, sulfaadid ja fosfaadid, tuleb alati arvestada võimalusega, et lisaks neile võivad tekkida ka ohtlikud ühendid nagu näiteks väävelvesinik ja ammoniaak. Mida kiirem on biodegradatsioon, seda väiksemat reaktorit on vaja.
Biokeemiliselt laguneb ainult osa vees leiduvast orgaanilisest ainest ja seepärast tuleb selle kogusisalduse leidmiseks määrata ka keemiline hapnikutarve (KHT). Et seda tehakse kemikaale kasutades, saab tulemuse lühikese aja jooksul teada. Olmereovee BHT₇ ja KHT suhe on ligikaudu 1:2.
Klassikaline aktiivmudapuhasti saavutab KHT väärtuseks 95%, aga membraanbioreaktor on võimeline kõrgemateks väärtusteks (96–99%). Keemiline hapnikutarve (KHT) ja bioloogiline hapnikutarve (BHT) kasvavad kuivaine kontsentratsiooni suurenemisel (MLSS). Kui biomassi kontsentratsioon on üle 96%, siis ei suurene oluliselt KHT väärtus, mis jääb 15g/L piiridesse. Tavalises reoveepuhastis võivad heljumid kasvada 100 μm suuruseks, mis võib vähendada reaktori töövõimet. Membraanbioreaktoris tekib hüdrodünaamiline stress, mistõttu heljum on suurusjärgus 3,5 μm, mis suurendab reaktori efektiivsust.

Toitainete eemaldamine

Toitainete eemaldamine on üks olulisemaid valupunkte tänapäevases reoveepuhastuses, eriti piirkondades, mis on tundlikud eutrofikatsioonile. Membraanbioreaktorid töötavad lämmastikuärastamiseks samamoodi nagu tavalised aktiivmudapuhastid, kasutavad nitrifikatsiooni ja denitrifikatsiooni. Aeroobse puhastusega viiakse reovee lämmastikühendid nitraatioonideni. Siis järgneb töötlemine anaeroobses denitrifikaatoris, kus denitrifitseerivad bakterid lagundavad nitraadid ja vabastavad gaasina lenduva lämmastiku. Nitrifitseerijatele on omane väga madal kasvukiirus, kuna ammooniumiooni ja nitritiooni oksüdeerimisel saadakse vähe energiat. Seetõttu on nad väga tundlikud temperatuuri, pH ning lahustunud hapniku kontsentratsiooni suhtes. Lisaks fosfori sadestamisele on teatud olukordades vajalik ka täiendav fosforiärastus, mis vajab anaeroobset keskkonda.

Anaeroobne membraanbioreaktor

Anaeroobsed membraanbioreaktorid võeti kasutusele 1980. aastatel Lõuna-Aafrikas. Anaeroobseid protsesse kasutatakse tavaliselt, kui on vaja hakkama saada madalate tootmiskuludega, et taastuvenergiat toota, aga sellise protsessiga ei suudeta eemaldada nõuetekohaselt süsinikku, lämmastikku ja fosforit. Membraantehnoloogiad võimaldavad eemaldada tõhusamalt neid aineid ja isegi desinfitseerida reovett, aga palju suurema energiakuluga. Kui soovitakse toota taastuvenergiat või kui pärast anaeroobset protsessi on vaja teostada desinfitseerimist (olukordades, kus soovitakse kasutada jääkmuda, sest see on toitaineterikas) on reoveepuhastuse hinna vähendamiseks mõistlik kasutada mõlema tehnoloogia kombinatsiooni.

Hüdrodünaamika

Hüdrodünaamika mõjutab membraanbioreaktoris reoainete eemaldamist ja sadestumist. Hüdrodünaamika mõjutab ka suurel määral membraanbioreaktori energiakulu ja reaktori suuruse valikut. Reoainete eemaldamise efektiivsus sõltub suurel määral reovee viibeajast reaktoris.