Von: Kate
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Datum: 4. Dezember 2024
1. Überblick über den MBR-Prozess
MBR (Membran-Bioreaktor)ist eine membranbiologische Aufbereitungstechnologie, die in der Wasseraufbereitung eingesetzt wird. Es handelt sich um ein System, das Membrantrenntechnologie und biologische Abwasserbehandlungstechnologie kombiniert. Sie gilt heute weltweit als eine der fortschrittlichsten und effizientesten Technologien zur Abwasseraufbereitung und Ressourcenrückgewinnung.
Die MBR-Technologie nutzt die Trennfunktion von Membranen und ersetzt bei herkömmlichen Belebtschlammverfahren sekundäre Sedimentationstanks, Sandfilter, Desinfektionseinheiten und andere Komponenten durch Membrantrenngeräte. Es verwendet Mikrofiltrations-/Ultrafiltrationsmembranen (MF/UF), um das Abwasser aus dem Belebungsbecken direkt zu filtern. Schwebstoffe im Belebtschlammgemisch werden vollständig zurückgehalten und wieder in den Reaktor zurückgeführt. Dadurch kann das Schlammalter verlängert, die Schlammkonzentration erhöht und die Schlammfracht reduziert werden. Dadurch wird der mikrobielle Abbau von Schadstoffen beschleunigt, die Effizienz der Abwasseraufbereitung erheblich verbessert und sichergestellt, dass die Abwasserqualität nicht nur stabil und zuverlässig ist, sondern auch den hohen Qualitätsstandards für aufbereitetes Wasser entspricht. Es eignet sich besonders für die Modernisierung von Kläranlagen in China, um die neuen Einleitungsstandards von 2011 zu erfüllen, sowie für die Wiederverwendung von Industrieabwasser.
Mikrofiltration/Ultrafiltration (MF/UF)Membranen haben Porengrößen und Molekulargewichts-Grenzbereiche. Im Allgemeinen liegt die Porengröße von Ultrafiltrationsmembranen zwischen 0.01 und 0,1 μm, mit einem Molekulargewichtsgrenzwert (MWCO) im Bereich von 5,{7}} bis 500,{{ 9}} Dalton. Der nominale MWCO von Mikrofiltrationsmembranen, die typischerweise in der Abwasserbehandlung verwendet werden, liegt zwischen 30,000 und 800,000 Dalton.
2. Vorteile von MBR-Membranen
MBR bietet erhebliche Vorteile, die andere eigenständige biologische Prozesse nicht bieten können:
1.Ausgezeichnete und stabile Abwasserqualität
Dies zeigt sich in der hohen Effizienz der Fest-Flüssig-Trennung. Der Schwebstoffgehalt des Abwassers kann fast immer nahe Null gehalten werden und wird durch Faktoren wie Schlammzersetzung oder Schlammaufblähung kurzfristig nicht leicht beeinflusst.
2.Kompaktes Reaktordesign
Der Reaktor ist kompakter, da er normal bei hohen Schlammkonzentrationen betrieben werden kann, was zu einer hohen Effizienz bei der Entfernung organischer Stoffe bei gleichzeitiger Platzersparnis führt. Ein Nachklärbeckensystem ist nicht erforderlich.
3.Günstig für die aerobe nitrifizierende Bakterienkultivierung
Das System steigert die Nitrifikationskapazität der aeroben Zone. Dies spiegelt sich in der hohen Effizienz der Ammoniak-Stickstoffentfernung wider, die über einen langen Zeitraum stabil bleibt.
4.Vollständige Trennung von hydraulischer Verweilzeit und Schlammverweilzeit
Die vollständige Trennung der hydraulischen Verweilzeit (HRT) und der Schlammverweilzeit (SRT) des Reaktors ermöglicht eine flexiblere Betriebssteuerung.
5.Hohe mikrobielle Konzentration und starke Stoßbelastungsbeständigkeit
Die mikrobielle Konzentration im Reaktor ist hoch und er weist eine hohe Widerstandsfähigkeit gegenüber Stoßbelastungen auf. Bei einem langen Schlammalter sorgt die Membrantrennung dafür, dass große, schwer abbaubare Moleküle im Abwasser eine ausreichende Verweilzeit innerhalb des biologisch begrenzten Reaktorvolumens haben. Dies verbessert die Abbaueffizienz widerspenstiger organischer Stoffe erheblich. Der Reaktor arbeitet unter hohen Volumenlasten, geringen Schlammlasten und langen Schlammaltern, was dazu beiträgt, den Schlammaustrag wirksam zu reduzieren.
3. Zukünftige Entwicklungstrends von MBR-Membranen
1.Die wichtige Rolle der MBR-Technologie bei der Abwasserbehandlung
Die Erfahrung der letzten Jahre hat gezeigt, dass die MBR-Technologie ausgereift ist und ein erfolgreiches Design und ein erfolgreicher Betrieb möglich sind. Es kann sowohl zur Behandlung von kommunalem als auch industriellem Abwasser eingesetzt werden. Daher wird erwartet, dass die MBR-Technologie im Zuge der weiteren Entwicklung und Reife weltweit als wirtschaftlich effiziente und praktische Technologie weit verbreitet eingesetzt wird.
2.Aussichten für MBR-Anwendungen
Die Hauptanwendung für MBR sollte die kommunale Abwasserbehandlung sein, insbesondere weil Städte kleine Landflächen für die Abwasserbehandlung benötigen. Qualitativ hochwertiges Abwasser kann wiederverwendet werden oder als Vorbehandlung für Nanofiltration und Umkehrosmose dienen, wobei strenge Abwassernormen eingehalten werden müssen.
Die MBR-Technologie ist auch bei der Behandlung von Industrieabwässern wie Abwässern aus der Lebensmittelverarbeitung, Schlachtabwässern und Deponiesickerwasser wirksam. Es hat eine hervorragende Entfernungseffizienz für endokrin wirkende Substanzen (EDS) im Deponiesickerwasser gezeigt und kann Nitrate im Trinkwasser entfernen (mit einer Entfernungsrate von bis zu 98,5 %).
3.Membranverschmutzungskontrolle
Es bedarf weiterer Forschung zu den Mechanismen des Membranfoulings, insbesondere zur Untersuchung des biologischen Foulings. Effektivere, kontrollierbarere und minimierte Membran Es sollten Lösungen zur Verschmutzung entwickelt werden. Der Einsatz von Computer- und Sensortechnologie zur Online-Membranverschmutzungskontrolle sollte umfassend erforscht werden. Bei der Verbesserung der Reinigungsmethoden sollte besonderes Augenmerk auf die Verwendung sicherer Chemikalien gelegt werden.
4.Auswahl der Membranstruktur und -materialien basierend auf der Abwasserart
Membranstruktur und -materialien sollten je nach Art des Abwassers richtig ausgewählt werden. Es sollten neue energieeffiziente, leistungsstarke Membranmaterialien und Modulbaugruppen eingeführt werden. Die Integration aerober und anaerober MBR-Systeme sollte gefördert werden. Darüber hinaus sollten mathematische Modelle und Computertechnologie umfassend genutzt werden, um die Betriebsparameter zu optimieren und so eine bessere Abwasserqualität zu erreichen, wodurch der Prozess wirtschaftlicher und effizienter wird.
4. Funktionsprinzip von MBR-Membranen
In praktischen technischen Anwendungen wird häufiger das eingetauchte MBR-Verfahren (Membran-Bioreaktor) verwendet, und die Branchenerfahrung mit dieser Art von System ist relativ ausgereift. Daher werden wir diesen MBR-Typ als Beispiel für die Analyse verwenden. Das allgemeine Prinzip lautet wie folgt:
Rohwasser gelangt in den Bioreaktor, wo die organische Substanz durch den hochkonzentrierten gemischten Belebtschlamm oxidiert und zersetzt wird. Unterhalb des Membranmoduls befindet sich ein Belüftungssystem, das nicht nur ausreichend gelösten Sauerstoff (DO) für die Mikroorganismen in der gemischten Flüssigkeit bereitstellt, sondern auch eine gründliche Durchmischung fördert. Die durch die Blasen verursachte Bewegung sowie die auf der Membranoberfläche gebildete Zirkulationsströmung haben eine Scheuer- und Scherwirkung auf die Membranoberfläche und verhindern so wirksam die irreversible Ablagerung von Schadstoffen auf der Membranoberfläche unter nicht künstlichen Bedingungen. Das aufbereitete Wasser wird dann durch eine selbstansaugende Pumpe gesaugt und durch die Membran getrennt, wobei die flüssige Phase durch die Membran strömt und aus dem System abgeleitet wird.
Typischerweise verfügt der MBR-Prozess über mehrere wichtige Betriebsparameter, darunter Membranfluss, Permeabilitätskoeffizient, Retentionsrate und Konzentrationspolarisation.
1.Membranfluss
Der Membranfluss (J) bezieht sich auf die Materialmenge, die pro Zeiteinheit durch eine Flächeneinheit der Membran fließt. Sie wird typischerweise in SI-Einheiten als [m³/(m²·s)] ausgedrückt oder vereinfacht auf m/s. In praktischen technischen Berechnungen werden häufig Nicht-SI-Einheiten zur Messung des Flusses verwendet, z. B. LMH (Liter pro Quadratmeter und Stunde) mit der Einheit [L/(m²·h)]. Eine typische MBR-Membran, die die allgemeinen Anforderungen der Abwasserbehandlung erfüllt, hat einen LMH von mindestens 10 L/(m²·h).
Zu den Faktoren, die den Membranfluss beeinflussen, gehören die treibende Kraft für den Stofftransfer, der Membranwiderstand, der Strömungszustand der Zulauflösung auf der Membranseite (entspricht dem Grenzschichtwiderstand) und das Ausmaß der Membranverschmutzung.
2.Permeabilitätskoeffizient
Der Permeabilitätskoeffizient (Lp) einer Membran stellt die Materialmenge dar, die pro Zeiteinheit und Flächeneinheit unter einem Einheitsdruck durch die Membran fließt. Er wird einfach als Membranfluss unter Einheitsdruckbedingungen ausgedrückt. Der Permeabilitätskoeffizient ist einer der Hauptparameter zur Beurteilung der aktuellen Leistung der Membran.
3. Retentionsrate
Beim Membrantrennverfahren wird die durch die Membran strömende Flüssigkeit Permeat und die von der Membran zurückgehaltene Flüssigkeit Retentat genannt. Die Retentionsrate wird verwendet, um die Trennleistung der Membran zu charakterisieren, einschließlich der beobachteten/gemeldeten Retentionsrate (Robs) und der tatsächlichen/intrinsischen Retentionsrate (Ract). Seine Definition lautet wie folgt:
Dabei stellen Cp und Cb die Konzentrationen gelöster Stoffe im Permeat bzw. in der Feed-Lösung dar, die direkt gemessen werden können. Da jedoch gelöste Stoffe zurückgehalten werden und an der Membranoberfläche haften, ist die Konzentration gelöster Stoffe (Cm) auf der Membranoberfläche höher als die durchschnittliche Konzentration der Zulauflösung. Daher beträgt die tatsächliche Retention-Rate:
Der Wert von Cm ist im Allgemeinen nicht direkt messbar und muss mithilfe eines Rechenmodells geschätzt werden.
4.Konzentrationspolarisation
Bei tatsächlichen druckgetriebenen Prozessen nimmt der Membranfluss häufig mit der Zeit ab und auch die Retentionsrate gelöster Stoffe ändert sich. Die Hauptursache für dieses Phänomen ist Konzentrationspolarisierung und Membranverschmutzung.
Konzentrationspolarisation bezieht sich auf das Phänomen, bei dem unter druckgesteuerten Bedingungen das Lösungsmittel in der Zufuhrlösung ungehindert durch die Membran strömt, während gelöste Stoffe von der Membran zurückgehalten werden. Der Lösungsmittelfluss transportiert die gelösten Stoffe kontinuierlich zur Membranoberfläche, wodurch sich die gelösten Stoffe auf der Membran ansammeln. Dadurch steigt die Konzentration des gelösten Stoffes (Cm) auf der Membranoberfläche allmählich an, was zu einem Konzentrationsgradienten führt, der eine umgekehrte Diffusion von der Membranoberfläche zur Feed-Lösung bewirkt. Nach einer Stabilisierungsphase, wenn der Fluss der Zufuhrlösung zur Membranoberfläche der umgekehrten Diffusion entspricht, wird eine stabile Konzentrationspolarisationsgrenzschicht gebildet. Die Bedingung der vollständigen Beibehaltung wird durch die folgende Gleichung ausgedrückt:
Das Verhältnis Cm/Cb wird als Konzentrationspolarisationsverhältnis bezeichnet. Je höher das Verhältnis, desto ungünstiger ist es für die Membrantrennung.
Der Membranfluss (J) ist einfacher zu messen, aber k ist das Verhältnis des Diffusionskoeffizienten zur Grenzschichtdicke. Der Wert von k hängt von den Strömungsbedingungen auf der Membranoberfläche ab und kann mithilfe der dimensionslosen Massentransfer-Zahlenkorrelation berechnet oder experimentell bestimmt werden. Methoden zur Bestimmung von k-Werten finden sich in der Arbeit von Zeman und Zydney (1996).
