Anaerobní membránový bioreaktor (AnMBR)

AnMBR jsou považovány za perspektivní technologie. V rámci řešení projektu byla navržena pilotní AnMBR jednotka s ponorným membránovým modulem pro čištění průmyslových OV, následně podrobena více než ročnímu zkušebnímu provozu v reálných podmínkách (ČOV Pivovar Černá Hora, mezofilní režim), během kterého byly odstraněny projekční a konstrukční nedostatky a zjištěny omezení a počáteční / dlouhodobě dosažitelné provozní parametry. V dalších výzkumných aktivitách by bylo vhodné se zaměřit na optimalizaci plynového hospodářství – produkci a výtěžnost vyprodukovaného bioplynu jako alternativního zdroje energie.

Úvod

AnMBR se jeví jako atraktivní technologie, kterým se v posledních letech dostává pozornosti. Jako u každé technologie, i zde najdeme řadu výhod a potenciálů, a na druhou stranu se potýkáme s omezeními a výzvami – výčet je uveden v tab. 1.

Základní konfigurace AnMBR

Rozeznávají se 3 základní AnMBR konfigurace, obdobně jako u aerobních MBR (obr.1):

• externí cross-flow konfigurace – membránový modul/membrána je instalována na externí smyčce mimo nádrž bioreaktoru, k separaci dochází pomocí přetlaku;
• konfigurace s ponorným membránovým modulem – membránový modul/membrána je uložena přímo v nádrži bioreaktoru, k separaci dochází pomocí podtlaku;
• konfigurace s ponorným membránovým modulem v externí nádrži – membránový modul/membrána je uložena (ponořena) v oddělené nádrži, k separaci dochází pomocí podtlaku, tato konfigurace představuje vyšší investiční i provozní náklady než konfigurace předešlá, ale umožňuje lepší optimalizaci provozu.

V rámci výzkumného úsilí byl jako nejvhodnější koncept pro pilotní AnMBR zvolen membránový bioreaktor s ponorným membránovým modulem v externí nádrži.

Ucpávání membrán a způsoby čištění / regenerace

Ucpávání membrán zůstává hlavní nevýhodou těchto pokročilých procesů čištění OV, protože zvyšuje provozní náklady (čištění, energie), snižuje průtok membránou a její životnost. Proto byl tento nežádoucí jev v posledních letech z různých pohledů rozsáhle zkoumán, včetně příčin, vlastností, znečišťujících mechanismů a metod vedoucích k zabránění nebo omezení. Porozumění faktorům ovlivňujícím tento negativní jev spolu s výběrem vhodné strategie k jeho omezení jsou naprosto klíčové. Kromě tradičních způsobů provozu (An)MBR a čištění membrán jsou na obr.2 uvedeny i způsoby pokročilé - přestože některé z nich mají potenciál, v současné době jsou z různých důvodů nepoužitelné (náklady, nedostatečné ověření aj.).

Existuje celá řada faktorů ovlivňujících životnost membránových modulů souvisejících s konstrukcí membrán, návrhem systému a způsobem provozování. Zhoršení filtračních vlastností lze zařadit do dvou obecných kategorií. Jednou je samotná degradace membrány z mechanických, chemických nebo biologických příčin a druhou je náchylnost k ucpávání.

Obecně průtokem membránami dochází k jejich postupnému zanášení a snížení průtočnosti, což vyžaduje vyvození vyšších tlaků k udržení stálého množství permeátu. Ucpávání membrán může být podle biologických a chemických vlastností způsobováno biologickým znečištěním (biofilm, sludge cake), organickým (fouling) nebo anorganickým (scaling). Na povrchu může vznikat tenká vrstva, může docházet k ucpávání pórů / průtočných kanálků nebo ucpávání prostor mezi membránovými vlákny / deskami. K zajištění stabilního odtoku je nutné membrány v pravidelných intervalech (dle daných podmínek) čistit. S rostoucí kvalitou předčištění se prodlužuje interval mezi čištěním a regeneracemi.

Mezi hlavní způsoby prevence ucpávání membrán u (An)MBR patří (kromě způsobů předčištění) propírání plynem (u AnMBR nejčastěji vyprodukovaným bioplynem). Vháněný (bio)plyn strhává pevné látky a zabraňuje usazování / ulpívání na povrchu membrány. Zároveň vyvolává proudění, které zamezuje vzniku mrtvých prostor v membránovém modulu a nádrži. Tento způsob prevence současně představuje významné provozní náklady. Dalším preventivním způsobem omezení ucpávání membrán je přerušovaná filtrace (střídání fází filtrace a relaxace) a cyklický zpětný proplach permeátem (případně chemicky obohacený zpětný propach – CEB).

Bez ohledu na prevenci zanášení vyžadují membrány pravidelné čištění k odstranění nahromaděného materiálu na povrchu nebo uvnitř membrány a udržení si tak svých (počátečních) průtočných vlastností. Klíčovými parametry, které je nutné optimalizovat, jsou průtok, doba trvání a četnost čištění. Vzhledem k tomu, že se složení OV na jednotlivých ČOV výrazně liší, jsou vyžadovány i odlišné strategie čištění. Obecně rozlišujeme tři druhy čistících metod – mechanické, chemické a případně i biologické / biochemické (poslední zmíněné nejsou v současné době příliš rozšířené).

Opětovné využití permeátu

Vyčištěnou OV (permeát) lze za určitých podmínek dále využívat – dle dosažitelné kvality. Jako možnosti využití odtoku AnMBR lze uvést např.: mytí komunikací, splachování toalet, prádelny, zalévání a závlahy (zelených ploch urbanizovaných území, v zemědělství, golfových hřišť), obohacování vodních ploch určených k rekreačním účelům, nadlepšování průtoků v tocích, udržování kapacity podzemních zdrojů, protipožární opatření, zasněžování sjezdovek, procesní voda apod. Další možností je cílená recyklace surovin (dusík, fosfor aj.).

Výběr membránových modulů (pro pilotní) AnMBR

Základem každé membránové technologie je samotná membrána, případně membránový modul. Pro účely AnMBR se využívá filtračních separačních procesů, u kterých je základní hnací silou tlakový gradient ΔP. Membrána tvoří polopropustnou bariéru mezi dvěma fázemi – částicemi a kapalinou. Zachycená část se nazývá retentát (koncentrát) a fáze procházející membránou permeát (filtrát). Základní třídění těchto membránových procesů se odvíjí od velikosti pórů a potřebného transmembránového tlaku (TMP, bar) umožňujícího separaci, který vzrůstá se zmenšujícími se póry.

Čtyři klíčové procesy tlakové membránové separace jsou mikrofiltrace (MF), ultrafiltrace (UF), nanofiltrace (NF) a reverzní osmóza (RO), přičemž u (An)MBR jsou vhodné především první dva. Rozlišují se tři základní typy modulů: deskové moduly (FS - flat sheet), moduly z dutých vláken (HF – hollow fibre) a tubulární moduly (TM – tubular modules). U AnMBR se obecně vyskytují všechny tyto varianty. Pro účely projektu byly zvoleny ploché membránové moduly.

Na současném trhu (nejen) ponorných membránových modulů existuje celá řada výrobců/výrobků/dodavatelů. Jejich vhodnost použití v anaerobních bioreaktorech však až na výjimky zůstává předmětem zkoumání, respektive pouze několik výrobců má v této oblasti prokázané zkušenosti a tuto aplikaci nevylučují/doporučují (především z hlediska konstrukce, použitých materiálů, odolností apod.).

Pro pilotní AnMBR byly na základě rešerše a předchozích zkušeností (Obr.3) vybrány ponorné ploché polymerní (PES) membránové moduly Microdyn-Nadir BIO-CEL s velikostí pórů 0,04 μm / selektivitou 150 kDa s filtrační plochou 3,5 m2 (obr.4). Tyto membránové moduly svou konstrukcí umožňují zpětný proplach a CEB (do 150 mbar) a mají vhodné limitující parametry udávané výrobcem / dodavatelem.

Pilotní jednotka AnMBR

Navržený AnMBR (obr. 6) je koncipován jako rozšiřitelný (s ohledem na variabilitu a univerzálnost systému) celek – mobilní jednotka téměř kompletně sestavená v rámu, umožňující převoz a/nebo umístění v zaplachtovaném vozíku. Skládá se z jemného předčištění (spádové síto), přípravné nádrže (prac.objem 0,36 m3), anaerobního reaktoru (prac.objem 0,71 m3), membránové komory (prac.objem 0,71 m3), nádrže permeátu (prac.objem 0,22 m3), chemického hospodářství (úprava pH a CEB), ohřevu, měření a řídicího systému umožňujícího vzdálený přístup (Obr.5). Zkušební provoz probíhal v mezofilním režimu (±35°C). Membránová komora je vybavena třemi identickými ponornými plochými polymerními membránovými moduly (Obr.X) o celkové filtrační ploše 10,5 m2. Jednotka umožňuje pomocí manuálního nastavení kulových uzávěrů filtraci za pomoci jedné, dvou, nebo všech tří modulů. Membránové moduly jsou během provozu propírány bioplynem nahromaděným v membránové komoře a anaerobním reaktoru. K omezení ucpávání membrán přispívá také chemicky obohacený zpětný proplach (CEB, kys. citronová a chlornan sodný). Mezi anaerobním reaktorem a membránovou nádrží (pomocí recirkulačního čerpadla a horního přepadového potrubí) recirkuluje bioplyn a filtrovaná suspenze OV/kal.

Během provozu je měřena řada provozních hodnot – teploty (přípravná nádrž, anaerobní reaktor), pH (přípravná nádrž, recirkulační potrubí), ORP, hladiny (nádrže), průtoky (flux, recirkulace, bioplyn), tlaky (TMP, nádrže), spotřeba elektrické energie (celková, motohodiny), spotřeba chemikálií aj. Pro vyhodnocení funkčnosti systému a účinnosti čištění byly odebírány vzorky přítoku/odtoku, kalu (a bioplynu). Pro určení degradace membrán byly provedeny SEM snímky povrchu a řezu membránou (obr. 4).

Pilotní jednotka AnMBR byla zapracována pomocí kalu místního (ČOV Pivovar Černá Hora) IC reaktoru s hodnotami – sušina 1,1%, ztráta žíháním 60%. Během zkušebního provozu (obr. 7) byly identifikovány a odstraněny drobné projekčně-výrobní nedostatky a provedena optimalizace jednotky po koncepčně-konstrukční stránce (obr. 8). Zkušební provoz vykazoval účinnost odstranění CHSK > 96% (velmi nerovnoměrný přítok 5-20.000 mg/l CHSK). V druhé fázi bylo provedeno celkové čištění systému a především realizována hloubková regenerace membránových modulů (obr. 9). Následně byly dle získaných zkušeností a dostupných podkladů nastaveny a odzkoušeny reálnější – dlouhodobě udržitelné a konkurenceschopné – provozní parametry. Především byly navýšeny hodnoty filtrační rychlosti (8 LMH), upraveny délky jednotlivých cyklů (filtrace / relax I / zpětný proplach / relax II). Dodavatelem doporučené nastavení CEB se osvědčilo a nebylo zapotřebí upravovat.

Závěr

Anaerobní membránové bioreaktory mohou obecně velmi účinně čistit odpadní vody různých koncentrací a složení a produkovat upravenou vodu vynikající kvality. Mohou současně podpořit energetickou soběstačnost díky produkci bioplynu využitelného v rámci ČOV / podniku. Hlavními negativa jsou ucpávání / zanášení membrán a obecně vyšší náklady (záleží na mnoha faktorech). V rámci výzkumného úsilí byla navržena pilotní jednotka AnMBR a následně odzkoušena v reálných podmínkách, na ČOV Pivovar Černá Hora (OV z pivovaru a přidružených objektů). Během více než ročního zkušebního provozu byla ověřena vhodnost jednotky a samotné technologie - byly nastaveny počáteční a zjištěny doporučené provozní parametry, provedeny drobné stavební úpravy a optimalizace MaR, byl ověřen postup čištění a regenerace membránových modulů. Pilotní jednotka se prokázala jako provozuschopná, vhodná (především) pro čištění průmyslových OV v mezofilním režimu a má vysoký potenciál využitelnosti ať už pro další obecné výzkumné projekty a experimenty, tak i pro specifičtější záměry.