Сравнение технологий MBR, SBR и аэротенков
Обзор подготовлен к.т.н. Н.Б. Марковым
Сравнение MBR, SBR и аэротенков
При использовании ультрафильтрационных мембран вторичные отстойники исключаются из технологической схемы, что позволяет повысить концентрацию активного ила в биореакторе до 10–20 г/л (в обычном аэротенке – до 3 г/л). Высокие концентрации активного ила позволяют эксплуатировать биореактор в режиме низких нагрузок, что создает резерв окисляющей способности, повышает устойчивость биоценоза активного ила к колебаниям состава сточных вод и пиковым нагрузкам, обеспечивает стабильное качество очистки. С другой стороны, высокие концентрации активного ила многократно повышают окисляющую мощность сооружения в целом, что дает возможность очищать высококонцентрированные сточные воды с содержанием органических веществ по ХПК до 4–5 г/л.
При переходе от гравитационного метода разделения иловой смеси к мембранной фильтрации наблюдаются глубокие изменения в структуре биоценоза активного ила. Возраст ила в технологии МБР обычно составляет 25–30 сут., нередко превышая 60–70 сут. При этом основная часть активного ила представлена медленнорастущей микрофлорой, которая наиболее эффективно разлагает трудноокисляемые органические вещества в сточной воде. Преобладание медленнорастущей микрофлоры позволяет значительно снизить прирост активного ила, а, следовательно, необходимые мощности оборудования по обезвоживанию избыточного активного ила. Размер хлопьев активного ила в МБР в 5–10 раз меньше, чем в распространенных конструкциях аэротенков. Такая дисперсность активного ила приводит к увеличению площади контакта микроорганизмов со сточными водами, повышая эффективность сорбции активными илом инертных веществ, тяжелых металлов, микрозагрязнителей. Непосредственно после МБР очищенная вода может быть сразу направлена на повторное использование для технических целей.
С целью устранения негативного влияния состава сточных вод на экологическую ситуацию в районе вывода сточных вод в поверхностный водоем требуется их качественная биологическая очистка от загрязнителей и патогенов. В настоящее время для очистки хозяйственно-бытовых сточных вод применяются указанные ниже типы очистных сооружений, а именно:
1. Классический аэротенк (A2O-технология) с системой аэрации, где резервуар заполняется аэробным илом, в который непрерывно подается воздух и исходные стоки, содержащие БПК, аммонийный азот и прочие загрязнители. Количество воздуха напрямую зависит от количества БПК и является расчетным значением. В аэротенке обязательным этапом является этап отделения очищенной сточной воды от ила и его возврат в аэротенк. Осаждение ила в А2О-системе проиcходит во вторичном отстойнике, где очищенная сточная вода отводится переливом, а осевший ил выводится из нижней части отстойника, при этом часть ила возвращается на вход в аэротенк, а избыточный ил отводится на обезвоживание и утилизацию.
2. SBR (Sequencing Batch Reactors)- аэробный реактор переменного действия, где аэрация, нитрификация, денитрификация и отстаивание иловой смеси поочередно производятся в одном резервуаре. В случае применения данной технологии необходимо наличие не менее двух резервуаров, рассчитанных на поочередную работу, однако при этом пропадает необходимость во вторичном отстойнике, что позволяет сэкономить на площади сооружений.
Процесс биологической очистки (наполнение сточной водой, перемешивание с активным илом, аэрация, седиментация активного ила, отвод очищенной сточной воды и избыточного ила) происходит последовательно во времени в одном резервуаре. Цикличность функционирования одного резервуара SBR-установки показана на рисунке. Полный временной период от наполнения до опустошения SBR-реактора, как и длительность отдельных стадий процесса, можно регулировать в зависимости от желаемой степени очистки и состава сточной воды, поступающей на очистку.
3. MBR-мембранный аэробный биореактор-современная технология очистки и дезинфекции сточных вод позволяет значительно снизить уровень содержания в очищенной сточной воде БПК, аммонийного азота, фосфатов, СПАВ, токсинов, до 100 % микробов и вирусов и выйти на гарантированно высокий уровень качества очищенной сточной воды при относительно невысокой стоимости очистных сооружений [6]. Мембранный биореактор–это комбинация традиционной биологической очистки и мембранного разделения иловой смеси, реализуемого на ультра- или микрофильтрационных мембранах [7]. Размер пор таких мембран составляет от 0,01 до 0,1 мкм, что обеспечивает практически полное удаление из очищенной сточной воды всех взвешенных веществ, микроорганизмов, вирусов и бактерий.
Применение данной технологии позволяет исключить вторичные отстойники, а также оборудование для доочистки и обеззараживания очищенной сточной воды. Качество очистки после мембран соответствует всем допустимым показателям для сброса в водоемы рыбохозяйственного значения. Является идеальной технологией локальных очистных сооружений для медицинских и промышленных предприятий, сбрасывающих очищенные стоки в открытый водоем. Из недостатков имеет сравнительно высокие эксплуатационные затраты (ввиду необходимости периодической замены мембран), чем сравниваемые технологии.
Таблица сравнения технико-экономических показателей установок для очистки хозяйственно-бытовых сточных вод на разных технологических схемах
| Параметры | Технология очистки сточных вод | ||
|
Классическая-аэротенк, A2O процесс |
Аэробный SBR-реактор переменного действия, процесс ANNAMOX |
Мембранный биореактор- MBR-технология |
|
| Основное назначение установок |
В основном для очистки городских сточных вод. Отсутствуют ограничения по производительности. |
Предназначен для очистки высококонцентрированных сточных вод до 50000 м3/сут. Невозможно достичь норматива по азотной группе при бедных стоках. |
Широкий спектр предназначения для сточных вод любой природы. Отсутствуют ограничения по производительности. |
| Необходимый уровень БПК, N и P, мг/л | 100:5:1 | 100:5:1 | 80:3:2-100:5:1 |
|
Производительность установки, м3/сутки |
200 (пример для сравнения параметров установок) | ||
| Рабочая концентрация активного ила, г/л | До 5 | До 10 | До 20 |
|
Площадь оборудования, здания и резервуаров, м2 |
200-220 | 180-200 | 140-150 |
|
Объем биореактора, м3 |
230 | 2х185, не менее двух | 110 |
|
Объем вторичного отстойника, м3 |
2*24 | Не требуется | Не требуется |
| Суммарная электрическая, мощность, кВт | 85 | 78 | 85 |
| Вероятность выноса частиц активного ила | Возможен вынос из вторичного отстойника | Возможен вынос из резервуара | Вынос невозможен |
| Основное оборудование процесса очистки | Аэротенки, вторичные отстойники, насосы, воздуходувки, блок доочистки, блок УФ-обеззараживания | Резервуары с мешалками, декантеры, насосы, воздуходувки, блок доочистки, блок УФ-обеззараживания | Мембраны ультрафильтрационные, на-сосы, воздуходувки, биореактор, блок УФ-обеззараживания, RO мембраны (опция) |
| Эффективность процесса очистки по основным показателям | Не более 80-90% по всем основным показателям. |
БПКполн -3-5мгО2/л; ВВ- 8-12 мг/л; NH4- 0,8 мг/л; NO2-6-8 мг/л; Р2О5-1-1,5мг/л. Качество очищенной сточной воды зачастую не соответствуют нормативом для сброса. |
БПКполн -2 мгО2/л; ВВ<3 мг/л; NH4-0,5 мг/л; NO3-40 мг/л; NO2-0,08 мг/л; Р2О5-0,2 мг/л; нефтепродукты-0,05 мг/л. |
| Обеспечение степени очистки стоков до нормативов сброса в рыбохозяйственный водоем высшей категории | Может быть обеспечена только при наличии блока доочистки с химреагентами, УФ-обеззараживанием, дополнительной обработкой очищенных сточных вод окислителями (озон, пероксид, гипохлорит) | Степень очистки обеспечивается ультрафильтрационны-ми мембранами | |
| Эксплуатационные затраты за период 5-7 лет | Высокие | Средние |
Относительно высокие |
| Устойчивость к пикам подачи сточных вод | Ухудшение очистки по рядам показателей | Резкое ухудшение качества очистки по всем показателям при приёме разбавленных стоков | Высокая стабильность процесса при залповых выбросах |
| Период пуско-наладочных работ | От 40 до 60 дней | До 60 дней | До 40 дней |
| Климатические условия |
При понижении температуры ниже 18-20оС скорость роста частиц ила снижается. Для обеспечения условий нитри-денитрификации требуется утепление аэротенка |
Замедление всех реакций (кроме отстаивания) при понижении температуры ниже 30-35оС, необходим подогрев исходных сточных вод и утепление резервуаров |
Круглогодичная нитрификация даже в условиях холодного климата |
| Надежность эксплуатации | Требуется постоянное присутствие персонала и контроль показателей очищенной сточной воды | Автоматизированный процесс, удаленный доступ и управление, постоянный контроль качества сточной воды | Полностью автоматизированный процесс, удаленный доступ и управление |
| Достигаемая степень микробиологической чистоты очищенных сточных вод | Низкая, необходимо оборудование для доочистки и обеззараживания биологически очищенных сточных вод. Колиморфные бактерии, вирусы–выполнение норматива только при наличии доочистки, УФ-обеззараживания и обработки дезинфектантами. | Высокая, отсутствие вирусов и бактерий в биологически очищенных сточных водах. Колиморфные бактерии, вирусы – отсутствуют. | |
| Капитальные затраты на строительство установки | Высокие | Относительно высокие | Средние |
| Сроки монтажа, дней, около | 60-85 | 90-120 | 50-60 |
| Экологический эффект при эксплуатации установки | Сверхлимитные сбросы при пиковых нагрузках, начисление штрафов за превышение ПДС на сбросы. | Освобождение гидросферы от сбросов загрязнений и отсутствие штрафов | |
| Возможный уровень автоматизации процесса управления установкой, % | 45-65 | 98-100 | |
| Средний рейтинг установок по обобщенным показателям, % | Не более 35 | Около 65 | 85 и более |
При сравнении средних значений не существует какого-либо существенного различия в стоимости строительства, расходов на оборудование и электрооборудование для А2О и MBR-систем. Общие затраты для указанных систем почти равны, потому что стоимость комплекса оборудования для А2О процесса выше, чем для процесса MBR, в то время как MBR процесс требует немного больше эксплуатационных расходов, чем А2О-аэротенк.
В случае аэробного SBR-реактора переменного действия материал резервуара, в котором будет происходить процесс очистки, должен быть прочным, обладать теплоизоляционными свойствами, а также быть устойчивым к воздействию коррозии, поэтому черные металлы и бетон не подходят для таких целей. Возможно применение бетонного основания, но при дополнительной его обработке водоотталкивающими материалами и обязательной футеровке стен реактора нержавеющими или пластиковыми материалами. Такая конструкция реакторов SBR-установки стоит очень дорого и требует длительное время на возведение.
Расходы на агрегаты и электрооборудование для SBR на 25-30% ниже, чем для А2О и MBR-установок.
Как для MBR, так и для А2О-установки расходы на электрическую энергию составляет большую часть расходов при их эксплуатации. Затраты электрической энергии для MBR обычно больше, чем для А2О и SBR-установок.
Издержки обращения и утилизации смеси осадка и отработанного ила для MBR значительно ниже, чем А2О и SBR-установок. Поэтому с точки зрения обезвоживания и утилизации шлама MBR может рассматриваться как наиболее выгодная технология.
Согласно технической оценке экспертов из Японии MBR-установки с производительностью от 3000 до 5000 м3/сутки имеют более высокие затраты на строительство, чем А2О или SBR-установки. Однако, расходы на строительство почти одинаковы для объектов с производительностью более 5000 м3/сутки. На объектах с производительностью 10000 м3/сутки и более MBR является более выгодным по сравнению с аэротенком, поскольку строительные расходы ниже, т.к. MBR требует значительно меньше места, чем остальные установки. Независимо от затрат только MBR-установка может быть применима, когда пространство под очистные сооружения ограничено или предъявлены высокие требования к качеству биологически очищенной сточной воды (водоёмы рыбохозяйственного значения высшей категории и прочие водные объекты), в том числе по микробиологической чистоте.
Что касается SBR-установок, то совмещение различных процессов в одном объеме создает известные сложности, поскольку как аэробные, так и анаэробные микроорганизмы вынуждены сосуществовать в одном и том же резервуаре. Наличие кислорода подавляет жизнедеятельность анаэробов, его отсутствие–аэробов. Периодическая циклическая аэрация приводит к тому, что в реакторе начинают развиваться гетеротрофные аэробные микроорганизмы, способные потреблять органические загрязнения как в присутствии кислорода, так и в его отсутствии. При поступлении на SBR-установку бытовых сточных вод с низким содержанием органических веществ для активного ила не хватает органики на полное удаление азота нитратной группы, происходит накопление нитратов в резервуаре и их вынос с потоком очищенных вод, норматив по нитратам не соблюдается, поскольку на активную денитрификацию недостаточно органического углерода. SBR предназначен для очистки высококонцентрированных стоков и эксплуатируется только при положительных температурах (30-38оС). Для решения данной проблемы усложняется конструкция и технологическая схема сооружения, вводятся системы дозирования водных растворов химреагентов, что ведет к резкому удорожанию стоимости SBR-сооружения.
При штатной эксплуатации очистных сооружений с использованием МБР-технологии штрафные санкции за нарушение норм сброса выше ПДК – практически отсутствуют, равно как не наносится вред природе и экологическому режиму в месте сброса очищенных сточных вод,исключается эвтрофирование водного объекта [8].
Что касается обеспечения микробиологической чистоты биологически очищенных сточных вод, то для обеспечения указанного показателя следует применять ультрафильтрационные мембраны с размерами пор порядка 25 нм, поскольку согласно таблице 2 условный диаметр вирусов составляет от 27 до 250 нм. Использование мембран с рейтингом пор ниже 25 нм гарантирует удаление из воды всех коллоидных и взвешенных частиц, а также бактерий и вирусов [9].
Основные конкурентные преимущества технологии МБР перед аэротенками
- меньшая площадь застройки, экономия на площади;
- компактность - меньший объем сооружений;
- эффективность очистки, отсутсвие штрафов за превышение ПДК;
- безотказная работа даже в условиях Крайнего Севера;
- независимость от значения илового индекса;
- процесс эксплуатации полностью автоматизирован;
- физическое обеззараживание очищенных сточных вод;
- сокращение объема отработанного ила;
- высокая скорость СМР при возведении объекта.
Сравнение выносных и погружных мембран
Преимущества очистных сооружений на выносных мембранах перед подгружными:
| Сравнение погружных и выносных МБР систем | Погружные МБР | Выносные МБР | Комментарии |
| Занимаемая площадь | + | + | |
| Сроки строительства | + | ++ | Без сложных строительных работ |
| Доступность элементов системы | -- | ++ | Чистый и прямой доступ к элементам системы |
| Эффективность промывок | -- | ++ | Автоматические обратные промывки, химически усиленные промывки и дренаж |
| Обслуживание | - | ++ | Минимальные затраты на обслуживание |
| Гибкость процессов | - | ++ | Возможность функционирования только части системы |
| Удельная производительность | - | + | |
| Энергопотребление | + | + | |
| Потребление реагентов | -- | ++ | Только для заполнения модулей |
| Качество очищенной воды | -/+ | ++ | Настоящая UF мембрана 0,025 микрон |
Из сравнения выше видны несомненные преимущества выносных мембран перед погружными, особенно в условиях «северной» эксплуатации. Также необходимо отметить постоянную работу производителей мебмран над своей продукцией, позволяющей с каждым годом наращивать эффективность напорных мембран.
Очистка сточных вод по технологии МБР позволяет решить следующие проблемы, присущие классическим очистным сооружениям:
- Обеспечить высокую степень механической, биологической и микробиологической очистки сточных вод, что позволяет не только отводить очищенные воды в водоемы рыбохозяйственного значения, но и восстанавливать сточные воды для целей технического водоснабжения и мелиорации.
- Проводить реконструкцию существующих очистных сооружений с обеспечением требуемой степени очистки при увеличении нагрузки на очистные сооружения до 3-5 раз без увеличения существующих площадей.
- Размещать очистные сооружения на площадках строительства в условиях дефицита площадей при сокращении сроков строительства объекта, что особо актуально для строительных проектов с высокой стоимостью земли под застройку.
- Гарантировать высокое качество очищенной сточной воды в течение всего периода эксплуатации мембранных элементов.
- При штатной эксплуатации очистных сооружения с использованием МБР-технологии штрафные санкции за нарушение норм сброса выше ПДК – практически отсутствуют, равно как не наносится вред природе и экологическому режиму в месте сброса очищенных сточных вод, исключается эвтрофикация водного объекта.
Очищая Воду - сохраняем Жизнь!
Напишите нам
Подробнее о нас
