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 ülalhoidvaks 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 vahekorda BHT5 : N : P = 100 : 5 : 1. 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. 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. 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. Membraanbioreaktori filtratsiooni tõhusust mõjutavad membraani ja aktiivmuda omadused ning reaktori töötingimused. Membraani töövõimet mõjutavad membraani pooride suurus, hüdrofiilsus ja pinnalaeng. Aktiivmuda omadustest mõjutavad membraani biomassi kontsentratsioon, vee viskoossus, pH ja osakeste suurus. Aktiivmudaprotsessi efektiivsus sõltub mudatagastusest. Enamasti on tagastusmuda vooluhulk võrdne reovee keskmise juurdevooluga õhustuskambrisse. Mudatagastus peab olema pidev, sest setiti põhjas valitsev anaeroobne keskkond pärsib aktiivmuda organismide elutegevust. Reaktori töövõime sõltub reovee temperatuurist, sissevoolukiirusest, aktiivmuda vanusest ning reovee viibeajast. Membraanbioreaktori filtratsiooni efektiivsus langeb aja jooksul, sest membraanile ladestuvad lahustuvad ained ning toimuvad interaktsioonid aktiivmuda komponentide ja membraani materjali vahel, sest aktiivmuda koosneb orgaanilisest peenheljumist ning mikroorganismide kogumeist. Heljum ehk hõljuvained (HA) on vees lahustamata orgaaniline või anorgaaniline suspensioon. Membraani ummistumine mõjutab kõige rohkem bioreaktori efektiivsust ja tõstab ka energiakulu, sest filtratsioon ei ole piisavalt tõhus. Samuti tuleks membraani tihti puhastada kemikaalidega ning seetõttu seadme töö seisata, mistõttu kasvaks tootmiskulu hind. Õhustamine aitab sukeldatud membraanbiofiltril vähendada või eemaldada membraani kattumist lahustuvate ainetega. Kuna optimaalne aeratsiooni tõhusus on välja arvutatud, siis pole mõtet liigselt aereerida, sest see ei vähendaks membraani sadestumist. Membraanbiofiltri ehitamisel on väga tähtis arvestada aeratsiooni tugevuse ja kiirusega. Aeratsiooni efektiivsust mõjutab õhumulli suurus. Mida suuremad on õhumullid, seda väiksem on nende eripind, seega on kasulikum tekitada väikeseid õhumulle, sest nende eripind on suurem. Membraanbiofiltri ummistumise vähendamiseks on ka teisi meetodeid, mida saab kombineerida vahelduv difusioon, kus filtratsioon peatatakse regulaarselt mõneks minutiks ning seejärel käivitatakse. Osakesed, mis on membraanile settinud, difundeeruvad tagasi reaktorisse. See protsess hoogustub vahelduva difusiooni puhkehetkel; membraani loputamine, kus immutatud vesi pumbatakse tagasi reaktorisse; õhustamine, kus survestatud õhk immutatud vee poolel kasvab ning vabaneb suure survega lühikese aja jooksul. Membraanid peavad asuma eelnevalt survestatud konteineris, mis on ühendatud ventilatsiooniga. Õhk tavaliselt ei läbi membraani, sest kui ta läbiks, siis membraan kuivaks liigselt ning vajaks edaspidi niisutamist. Membraanbiofiltri sadestumist saab vähendada erinevate kemikaalide kasutamisega igapäevane kemikaalidega puhastamine; suure kontsentratsiooniga kemikaalidega puhastamine, mida tuleb teha kord nädalas; intensiivne kemikaalidega puhastamine, mida tehakse paar korda aastas. Intensiivset kemikaalidega puhastusmeetodit kasutatakse, kui edasine filtratsioon ei toimi transmembraanse rõhu tõttu. Peamised membraanbiofiltrite tootjad (Kubota, Memcor, Mitsubishi ja Zenon) omavad kemikaalide segusid, et membraane puhastada, mis erinevad peamiselt kemikaalide kontsentratsiooni ja kasutusmeetodite poolest. Põhiliseks puhastuskemikaaliks on naatriumhüpoklorit (NaOCl) ja sidrunhape. Sidrunhappega saab eemaldada katlakivi ning naatriumhüpokloritiga baktermassi ummistuse membraanis. Erinevad tootjad määravad erinevad kemikaalide kontsentratsioonid ja puhastamise tiheduse vastavalt reoveepuhastile. 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 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. 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 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. S. Judd, The MBR book (2006) Principles and applications of membrane bioreactors in water and wastewater treatment, Elsevier, Oxford Eesti Vabariigi Valitsuse 31. juuli 2001.a määrus nr 269 "Heitvee veekogusse või pinnasesse juhtimise kord", RTI, 03.08.2001, 69, 424 Alasi, K.Heinsaar, Ü., Kriipsalu, M., Kuusik, A., Metsur, M. Omaveevärk ja omakanalisatsioon, Ehitame, 2001 P. Le-Clech, V. Chen, A.G. Fane, Fouling in membrane bioreactors used for wastewater treatment – A review. J. Memb. Sci. 284 (2006) 17–53 M. Kraume, U. Bracklow, M. Vocks, A. Drews, Nutrients Removal in MBRs for Municipal Wastewater Treatment. Wat. Sci. Tech. 51 (2005), 391–402 A. Drews, H. Evenblij, S. Rosenberger, Potential and drawbacks of microbiology-membrane interaction in membrane bioreactors, Environmental Progress 24 (4) (2005) 426–433 T. Stephenson, S. Judd, B. Jefferson, K. Brindle, Membrane bioreactors for wastewater treatment, IWA Publishing (2000)