История рынка МБР систем
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].
Таблица 1
Основные этапы развития технологии МБР в конце ХХ и начале ХХI века
Период | Компания | МБР-продукты |
1960-е (окончание) | Dorr-Oliver Inc. (Eimco Water Technologies Pty Ltd.) | Плоскорамные «внешние» мембранные модули |
Одно из первых упоминаний о технологии МБР в научно-технической литературе [5] | ||
1970-е (начало) | Thetford Systems (GE Water & Process Technologies / GE Infrastructure). | Cycle-Let® - трубчатые «внешние» мембранные модули |
1980-е (начало) | TechSep (Novasep Orelis) | Pleiade® - плоскорамные «внешние» мембранные модули |
1980-е (середина) | Nitto-Denko (Nitto Denko Corporation) | Патент на плоскорамные «погружные» мембранные модули |
Университет Токио | Начало исследований половолоконных «погружных» мембран [6] | |
1990-е | Kubota | Плоскорамные «погружные» мембранные модули |
Mitsubishi Rayon | «SteraporeTM» - половолоконные «погружные» мембранные элементы и модули | |
Zenon Enivornmental Inc. (GE Water & Process Technologies / GE Infrastructure, США) | «ZeeWeed» - половолоконные «погружные» мембранные модули | |
Berghof Membrane Technology | Трубчатые «внешние» мембранные модули | |
2000-е (начало) | Asahi Kasei (Япония), | Половолоконные «погружные» мембранные элементы и модули: |
Koch Membrane Systems | Puron | |
USFilter / Siemens Water Technologies | Memjet® | |
Kolon and Para | - | |
Huber Technology | Плоские «погружные» и «вращающиеся» мембранные элементы и модули | |
Toray Industrues Inc | Плоскорамные «погружные» мембранные модули | |
Norit | X-Flow - трубчатые «внешние» мембранные модули |
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-установок 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.
Таблица 2
Сопоставление мембранных модулей различных конструкций
Параметр | Характеристики | ||
Тип мембраны | полое волокно | плоская | трубчатая |
Материал мембраны | полимерный | полимерный | полимерный/ неорганический |
Плотность упаковки мембран, м2/м3 | 300 - 600 | 50 - 150 | < 300 |
Материалоемкость | минимальная | максимальная | средняя |
Удельная производительность мембраны | средняя | высокая | низкая |
Механические свойства | минимальные | средние | максимальные |
Склонность к загрязнению | средняя | максимальная | минимальная |
Устойчивость к обратным гидравлическим промывкам | средняя | низкая | максимальная |
Возможность замены мембран | нет | есть | есть |
Стоимость | минимальная | средняя | максимальная |
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