Что такое мбр без овр
Что такое мбр без овр
Мембранные биореакторы используют для очистки хозяйственно бытовых сточных вод, и доочистки промышленных вод от аммонийного азота. Оправдано так же, их применение, на предприятиях мясомолочной промышленности и в качестве предподготовки, для систем питьевой и технической воды из естественных источников водозабора.
Технология мембранных биореакторов (МБР)
Что же представляет собой мембранный биореактор? Мембранный биореактор – это комбинация традиционной биологической очистки и мембранного разделения, реализуемого на ультра- или микрофильтрационных мембранах. Размер пор таких мембран составляет от 0,01 до 0,1 мкм, что обеспечивает практически полное удаление всех взвешенных веществ и микроорганизмов. Для очистки бытовых сточных вод традиционно используется аэробный процесс, однако для очистки промышленных стоков применяют и анаэробные МБР.
Существуют два типа аппаратурного оформления мембранного процесса:
— напорная фильтрация, когда сточная вода из аэротенка (биореактора) насосом подается на мембранный модуль, где разделяется на очищенную воду (фильтрат) и концентрат, содержащий активный ил;
— вакуумная фильтрация с погружными мембранными модулями, последние располагаются непосредственно в биореакторе (в большинстве случаев в зоне аэробной очистки). Движущей силой процесса в этом случае является перепад давлений, который достигается, созданием вакуума со стороны фильтрата. Перепад давления составляет 0,2 – 0,5 бар, что теоретически позволяет работать погружным модулям под действием сил гравитации без насосного оборудования.
Мембранные биореакторы с напорными мембранами выпускаются компаниями Pentair Process Technology (Norit X-Flow), Ultra-Flo Pte Ltd., Hyflux Ltd., Asahi Kaisei, Berghof Filtrations und Anlagentechnik GmbH & Co. KG, Novasep, TAMI Industries и другими. Напорное фильтрование позволяет получить более высокую удельную производительность мембран (в расчете на 1 м 2 ), однако это достигается за счет более высокого трансмембранного давления и создания высокой скорости транзитного потока в напорных аппаратах. Все это приводит к более высокому энергопотреблению (см. табл. 1), что ограничивает использование такой технологии в системах с высокой производительностью, в частности, в коммунальном хозяйстве.
В подавляющем большинстве современных МБР используются погружные мембраны. Мы категорически работаем только с погружными мембранными модулями, даже при небольших производительностях установок. Среди производителей можно назвать такие компании как Zenon (GE Water & Process Technologies), Kubota, Toray, KOCH Membrane Systems, Huber Technology, Pall Co. (мембраны Asahi Kaisei), Siemens Water Technologies, Hyflux, Mitsubishi Rayon Engineering Co., Polymem, Beijing Origin Water Technology Co., Tianjin Motimo Membrane Technology Co., Litree Ultrafiltration Membrane Technology Co., Hangzhou Kaihong Membrane Technology Co. Полный список исчисляется десятками компаний.
Таблица 1. Сравнение МБР с напорными и погружными мембранными модулями
Методы снижения загрязнения мембран
• поперечный поток Cross Flow
• обратная промывка (не всегда возможна)
Плотность упаковки мембран
Низкая (50 – 200 м 2 /м 3 )
Высокая (до 600 м 2 /м 3 )
(только создание перепада давления на мембранах)
Таблица 2. Сопоставление характеристик мембранных модулей различных конструкций
Плотность упаковки мембран, м 2 /м 3
Избыточный активный ил
Удельная производительность мембран
Удельный расход воздуха
(на единицу площади мембран)
Таблица 4. Степень очистки городских сточных вод в МБР
К особенностям мембранных биореакторов, определяющим их преимущество по сравнению с традиционными схемами очистки сточных вод, относятся:
• полное задержание всех взвешенных веществ и микроорганизмов, и как следствие:
– максимальный эффект очистки по взв. веществам;
– повышение эффекта очистки по ХПК и БПК5;
– дезинфекция очищенной воды без реагентов;
– малая чувствительность к колебаниям расхода и качества исходной воды;
• минимальное время пребывания воды в зоне отделения твердой фазы;
• полное удержание микроорганизмов в реакторе, что существенно изменяет условия автоселекции микроорганизмов активного ила;
• существенно меньшая занимаемая площадь по сравнению с отстойниками.
• изменить параметры работы реактора (аэротенка):
– при высоких гидравлических нагрузках на реактор увеличить возраст активного ила, в том числе накопить медленно растущие виды микроорганизмов (нитрификаторы, микроорганизмы, окисляющие биорезистентные соединения);
– продлить время нахождения взвешенных веществ в реакторе вплоть до полной их биологической деструкции;
– исключить влияние седиментационных характеристик активного ила на качество очищенной воды;
– повысить устойчивость системы к колебаниям концентраций загрязнений в исходной воде благодаря хорошей адаптации биоценозов;
• разобщить время пребывания воды в реакторе со временем пребывания твердой фазы (микроорганизмов и взвешенных веществ сточной воды);
• в несколько раз увеличить гидравлическую производительность и окислительную мощность процессов биологической очистки.
Использование погружных мембранных модулей позволяет легко модернизировать сооружения биологической очистки без значительных конструктивных изменений. Наиболее яркий положительный эффект от внедрения МБР наблюдается при стесненных условиях, необходимости более компактных конструктивных решений, особенно при высоких требованиях к содержанию взвешенных веществ в очищенной воде.
К главным недостаткам мембранных биореакторов относятся:
• высокие капитальные затраты, причем удельная стоимость самих мембранных блоков практически не зависит от производительности;
• неизбежное загрязнение мембран и связанные с этим затраты;
• более высокие эксплуатационные затраты (электроэнергия и замена мембран);
• более сложная система управления и контроля;
• сложность в обеспечении достаточного уровня аэрации при высоких концентрациях активного ила, характерных для МБР.
Влияние различных факторов на работу МБР
Очевидно, что в сравнении с традиционной технологией мембраны являются наиболее уязвимым звеном в системе, поэтому вкратце рассмотрим, какие факторы оказывают влияние на их работу.
1. Материал мембран. Выбор материала диктуется устойчивостью к загрязнению веществами, содержащимися в обрабатываемых сточных водах (в частности, межклеточными органическими веществами – полисахаридами и протеинами), а также химической стойкостью при проведении реагентных промывок мембранных модулей. Удовлетворяя первому требованию, большинство мембран обладают гидрофобными свойствами. Заряд мембраны также оказывает влияние на степень ее загрязнения (например мембраны с нейтральным зарядом более устойчивы к отложениям бактерий группы E.Coli, имеющих на поверхности положительно и отрицательно заряженные группы). Для улучшения характеристик мембран производители подвергают модификации их поверхность, вводят различные добавки в рецептуру химического состава их материала. Поэтому мембраны разных производителей, изготовленных из одного и того материала, например поливинилиденфторида, могут иметь заметные отличия в характеристиках.
Необходимо иметь в виду, что, во-первых, слой загрязнений значительно уменьшает влияние материала мембраны на степень ее дальнейшего загрязнения, а, во-вторых, важным является способность мембраны восстанавливать свою проницаемость после химической или гидравлической промывки.
2. Размер пор мембран не имеет решающего значения: микрофильтры с размером пор 0,1 – 1 мкм и ультрафильтры с размером пор 0,01 – 0,1 мкм показывают практически одинаковую эффективность в извлечении взвешенных веществ и микроорганизмов, которая тем более нивелируется при накоплении слоя осадка на поверхности мембраны в процессе фильтрования. Уменьшение размера пор, по выводам ряда исследований [5], улучшает устойчивость мембраны к загрязнению, а при гидравлических промывках лучше удаляется слой осадка с ее поверхности.
Мембраны с более крупными порами имеют бóльшую проницаемость, но падение их производительности в процессе работы более значительно. Кроме того, если стоит задача задержания вирусов, то предпочтительнее использовать мембраны с размером пор менее 0,1 мкм.
3. Проницаемость мембраны (поток пермеата). Поток через мембрану является основным фактором, влияющим на скорость образования осадка на ее поверхности. Существует понятие «критического потока», при превышении которого рост осадка становится недопустимым для нормального функционирования мембранного модуля.
Многие МБР работают с постоянной производительностью, что достигается регулировкой трансмембранного давления. Повышение давления на мембране в процессе работы вызывает сжатие осадка и увеличение его сопротивления. При эксплуатации мембранных установок следует избегать достижения значительного падения проницаемости и своевременно проводить гидравлические и химические промывки
Ряд исследователей отмечает явление резкого снижения проницаемости мембраны после определенного периода фильтрации (около 500 – 1000 ч). Ясного объяснения этого феномена еще нет.
4. Продувка воздухом (аэрация мембран)
Главным способом контролировать процесс загрязнения мембран служит продувка их пузырьками воздуха, которые срывают отложения с поверхности мембран и перемешивают окружающую жидкость, улучшая массообмен. Затраты на аэрацию / продувку воздухом – одна из основных составляющих эксплуатационных затрат в МБР. Расход воздуха для мембранного модуля составляет 0,2 – 1,3 м 3 /ч на 1 м 2 площади мембран в нем. Эта величина зависит от объем жидкости вокруг мембран, удельной площади мембран, интенсивности потока воздуха.
5. Скорость движения фильтруемой жидкости около поверхности: для погружных мембранных модулей повышение скорости движения окружающей жидкости не оказывает существенного положительного влияния на удаление загрязнений с поверхности мембран, напротив, здесь может иметь место нарушение потоков воздушных пузырьков и уменьшение эффективности продувки воздухом. Для напорных трубчатых модулей повышение скорости движения жидкости внутри трубчатых мембран, напротив, позволяет уменьшить осадкообразование, повысить производительность, однако энергетически более выгодно сочетать этот прием с продувкой воздухом (например, технология «AirLift» компании Pentair).
6. Гидравлические промывки. Промывки обратным током фильтрата – действенный инструмент для борьбы с осадкообразованием, исторически пришедший из ультрафильтрационных установок для очистки природных вод. Как правило, модули с плоскими мембранами (за исключением рулонных конструкций) не допускают обратных промывок. Интервалы между обратными промывками и их продолжительность лежат в пределах 10 – 60 минут и 15 – 300 секунд соответственно. В МБР применяют также импульсную промывку – частые (1 раз в несколько секунд) импульсы обратного тока фильтрата продолжительностью менее 1 секунды.
Опыт эксплуатации мембранных биореакторов показал, что существует простой способ уменьшить загрязнение мембран – это периодическая приостановка фильтрования. В этот момент потоки воздуха и жидкости вокруг мембран уносят с ее поверхности частички загрязнений, а конвективный / диффузный поток – растворенные и коллоидные примеси. Продолжительность «простоя» мембранных блоков составляет около 5 – 15 % от общего времени их работы.
7. Природа и состав поступающей сточной воды. Наличие в сточной жидкости большого количество легко биоразлагаемой органики способствует образованию большего количества внеклеточных полимерных веществ (полисахариды, протеины), которые засоряют ультрафильтрационные мембраны. Поскольку мембраны задерживают все взвешенные вещества, а также частично полисахариды и протеины, концентрация этих веществ в биореакторе возрастает, что вызывает повышение сопротивления образующихся осадков.
Увеличение возраста ила способствует уменьшению загрязнения мембран за счет снижения содержания полисахаридов в иле. Отмечается также, что в условиях недостаточного питания адгезия клеток активного ила на поверхности мембран становится ниже. По мнению ряда исследователей, явление адгезии бактерий на поверхности мембран и дальнейший их рост способствует уменьшению необратимого загрязнения мембран другими компонентами и дополнительной доочистке сточной воды
Установлено также, что, как правило, размер флокул активного ила в МБР ниже, чем в обычных сооружениях – аэротенках, причем количество частиц меньшего размера повышается с увеличением возраста ила.
Поскольку мембраны, в особенности волокнистые, представляют собой, по сути, «ловушку» для плавающих примесей и крупной взвеси, то наличие в воде подобных примесей недопустимо. Учитывая, что МБР работают без первичного отстаивания, повышаются требования к решеткам – рекомендуется устанавливать решетки (сетки) с прозорами не более 1 мм, а лучше 0,5 мм. Обычно на станциях устанавливают два типа решеток: первые «традиционные», с прозорами 4 – 6 мм, и вторые, после песколовок, с рекомендуемыми для защиты мембран прозорами (0,5 – 1 мм).
Эксплуатация МБР
Для восстановления проницаемости мембран при эксплуатации МБР применяется обработка растворами реагентов, в основном, окислителями – т.н. химическая промывка. Применяемые реагенты – гипохлорит натрия концентрацией 0,2 – 1% или лимонная кислота (0,2 – 0,3 %). Дополнительно могут использоваться едкий натр, соляная кислота, различные детергенты и комплексообразователи. Периодичность этой процедуры составляет в среднем 1 раз в несколько месяцев. Профилактическая обработка гипохлоритом натрия может осуществляться более регулярно – несколько раз в месяц. Напорные модули промываются путем циркуляции раствора реагента, подаваемого насосом из отдельного бака, а погружные модули либо перемещают в отдельную специальную емкость, либо промывают на месте. По продолжительности процедура занимает несколько часов.
В ряде случаев возникает необходимость извлечения мембранных блоков и механическая их промывка струями воды от накопившихся отложений.
Какие основные трудности возникают при эксплуатации мембранных биореакторов? Исключив тонкости функционирования самой биологической очистки, можно выделить следующие характерные проблемы (по приоритету):
• загрязнение мембран и сетчатых фильтров;
• повреждение мембран или сильное загрязнение;
• отказы линий связи систем автоматизации;
• отказы системы обдувки мембран;
• отказ воздуходувок и аэраторов;
• загрязнение сеток или решеток;
• отказ вспомогательного мембранного оборудования.
Загрязнение мембран и сетчатых фильтров – это последствия плохой предочистки, когда происходит скопление волос, обрывков тряпья и других волокнистых материалов на волокнах мембран и в полостях мембранных блоков.
Условия аэрации оказывают значительное влияние на эксплуатационные характеристики мембран. Ухудшение характеристик иловой смеси (по различным внешним и внутренним причинам, включая проблемы с аэрацией) почти не ухудшает качество очищенной жидкости, но приводит к ухудшению проницаемости мембран и их забиванию.
Окислительно-восстановительные реакции
Окислительно-восстановительные реакции — это химические реакции, сопровождающиеся изменением степени окисления у атомов реагирующих веществ. При этом некоторые частицы отдают электроны, а некоторые получают.
Окислители и восстановители
Окислители — это частицы (атомы, молекулы или ионы), которые принимают электроны в ходе химической реакции. При этом степень окисления окислителя понижается. Окислители при этом восстанавливаются.
Восстановители — это частицы (атомы, молекулы или ионы), которые отдают электроны в ходе химической реакции. При этом степень окисления восстановителя повышается. Восстановители при этом окисляются.
Химические вещества можно разделить на типичные окислители, типичные восстановители, и вещества, которые могут проявлять и окислительные, и восстановительные свойства. Некоторые вещества практически не проявляют окислительно-восстановительную активность.
К типичным окислителям относят:
Типичные восстановители – это, как правило:
Большинство остальных веществ может проявлять как окислительные, так и восстановительные свойства.
Типичные окислители и восстановители приведены в таблице.
В лабораторной практике наиболее часто используются следующие окислители :
Классификация окислительно-восстановительных реакций
Окислительно-восстановительные реакции обычно разделяют на четыре типа: межмолекулярные, внутримолекулярные, реакции диспропорционирования (самоокисления-самовосстановления), и реакции контрдиспропорционирования.
C 0 + 4H N +5 O3(конц) = C +4 O2 ↑ + 4 N +4 O2 ↑+ 2H2O.
Внутримолекулярные реакции – это такие реакции, в которых разные элементы из одного реагента переходят в разные продукты, например:
Реакции диспропорционирования (самоокисления-самовосстановления) – это такие реакции, в которых окислитель и восстановитель – один и тот же элемент одного реагента, который при этом переходит в разные продукты:
3Br2 + 6 KOH → 5KBr + KBrO3 + 3 H2O,
Репропорционирование (конпропорционирование, контрдиспропорционирование ) – это реакции, в которых окислитель и восстановитель – это один и тот же элемент, который из разных реагентов переходит в один продукт. Реакция, обратная диспропорционированию.
Основные правила составления окислительно-восстановительных реакций
Окислительно-восстановительные реакции сопровождаются процессами окисления и восстановления:
Окисление — это процесс отдачи электронов восстановителем.
Восстановление — это процесс присоединения электронов окислителем.
В окислительно-восстановительных реакциях соблюдается электронный баланс: количество электронов, которые отдает восстановитель, равно количеству электронов, которые получает окислитель. Если баланс составлен неверно, составить сложные ОВР у вас не получится.
Используется несколько методов составления окислительно-восстановительных реакций (ОВР): метод электронного баланса, метод электронно-ионного баланса (метод полуреакций) и другие.
«Опознать» ОВР довольно легко — достаточно расставить степени окисления во всех соединениях и определить, что атомы меняют степень окисления:
Выписываем отдельно атомы элементов, меняющих степень окисления, в состоянии ДО реакции и ПОСЛЕ реакции.
Степень окисления меняют атомы марганца и серы:
Mn +7 + 1e = Mn +6
Марганец поглощает 1 электрон, сера отдает 2 электрона. При этом необходимо, чтобы соблюдался электронный баланс. Следовательно, необходимо удвоить число атомов марганца, а число атомов серы оставить без изменения. Балансовые коэффициенты указываем и перед реагентами, и перед продуктами!
Схема составления уравнений ОВР методом электронного баланса:
Внимание! В реакции может быть несколько окислителей или восстановителей. Баланс необходимо составить так, чтобы ОБЩЕЕ число отданных и полученных электронов было одинаковым.
Общие закономерности протекания окислительно-восстановительных реакций
Самый очевидный фактор, определяющий — среда раствора реакции — кислая, нейтральная или щелочная. Как правило (но не обязательно), вещество, определяющее среду, указано среди реагентов. Возможны такие варианты:
Среда протекания реакции позволяет определить состав и форму существования остальных продуктов ОВР. Основной принцип — продукты образуются такие, которые не взаимодействуют с реагентами!
Обратите внимание! Е сли среда раствора кислая, то среди продуктов реакции не могут присутствовать основания и основные оксиды, т.к. они взаимодействуют с кислотой. И, наоборот, в щелочной среде исключено образование кислоты и кислотного оксида. Это одна из наиболее частых, и наиболее грубых ошибок.
При увеличении температуры большинство ОВР, как правило, проходят более интенсивно и более глубоко.
Рассмотрим наиболее типичные лабораторные окислители.
Основные схемы окислительно-восстановительных реакций
Схема восстановления перманганатов
В составе перманганатов есть мощный окислитель — марганец в степени окисления +7. Соли марганца +7 окрашивают раствор в фиолетовый цвет.
Перманганаты, в зависимости от среды реакционного раствора, восстанавливаются по-разному.
3 K2S + 2 KMnO4 + 4 H2O = 2 MnO2↓ + 3 S↓ + 8 KOH,
Распространенной ошибкой в этой реакции является указание на взаимодействие серы и щелочи в продуктах реакции. Однако, сера взаимодействует с щелочью в довольно жестких условиях (повышенная температура), что не соответствует условиям этой реакции. При обычных условиях правильно будет указывать именно молекулярную серу и щелочь отдельно, а не продукты их взаимодействия.
При составлении этой реакции также возникают трудности. Дело в том, что в данном случае написание молекулы среды (КОН или другая щелочь) в реагентах не требуется для уравнивания реакции. Щелочь принимает участие в реакции, и определяет продукт восстановления перманганата калия, но реагенты и продукты уравниваются и без ее участия. Этот, казалось бы, парадокс легко разрешим, если вспомнить, что химическая реакция — это всего лишь условная запись, которая не указывает на каждый происходящий процесс, а всего лишь является отображением суммы всех процессов. Как определить это самостоятельно? Если действовать по классической схеме — баланс-балансовые коэффициенты-уравнивание металла, то вы увидите, что металлы уравниваются балансовыми коэффициентами, и наличие щелочи в левой части уравнения реакции будет лишним.
Перманганаты окисляют:
KMnO4 + неМе (низшая с.о.) = неМе 0 + другие продукты
KMnO4 + неМе (промежуточная с.о.) = неМе(высшая с.о.) + др. продукты
KMnO4 + Ме 0 = Ме (стабильная с.о.) + др. продукты
Схема восстановления хроматов/бихроматов
Соединения хрома VI окисляют:
Хромат/бихромат + неМе (отрицательная с.о.) = неМе 0 + другие продукты
Хромат/бихромат + неМе (промежуточная положительная с.о.) = неМе(высшая с.о.) + др. продукты
Хромат/бихромат + Ме 0 = Ме (стабильная с.о.) + др. продукты
Хромат/бихромат + P, As (отрицательная с.о.) = P, As +5 + другие продукты
Разложение нитратов
Например:
Активные металлы в природе встречаются в виде солей (KCl, NaCl).
Металлы средней активности чаще всего в природе встречаются в виде оксидов (Fe2O3, Al2O3 и др.).
Неактивные металлы в природе встречаются в виде простых веществ.
Некоторые исключения!
Разложение нитрата аммония :
При нагревании нитрат аммония разлагается. При температуре до 270 о С образуется оксид азота (I) («веселящий газ») и вода:
Результирующая степень окиcления азота — среднее арифметическое степени окисления атомов азота в исходной молекуле.
При более высокой температуре оксид азота (I) разлагается на простые вещества — азот и кислород :
При разложении нитрита аммония NH4NO2 также происходит контрдиспропорционирование.
Термическое разложение нитрата марганца (II) сопровождается окислением металла:
Нитрат железа (II) при низких температурах разлагается до оксида железа (II), при нагревании железо окисляется до степени окисления +3:
Нитрат никеля (II) разлагается до нитрита при нагревании до 150 о С под вакуумом и до оксида никеля при более высоких температурах (разложения нитрата никеля в ЕГЭ по химии не должно быть, но это не точно)).
Окислительные свойства азотной кислоты
Это связано с тем, что в составе кислоты есть очень сильный окислитель — азот в степени окисления +5. При взаимодействии с восстановителями — металлами образуются различные продукты восстановления азота.
Азотная кислота + металл = соль металла + продукт восстановления азота + H2O
Некоторые закономерности позволят верно определять основной продукт восстановления металлами азотной кислоты в реакции:
пассивация металлов — это перевод поверхности металла в неактивное состояние за счет образования на поверхности металла тонких слоев инертных соединений, в данном случае преимущественно оксидов металлов, которые не реагируют с концентрированной азотной кислотой
Для приближенного определения продуктов восстановления азотной кислоты при взаимодействии с разными металлами я предлагаю воспользоваться принципом маятника. Основные факторы, смещающие положение маятника: концентрация кислоты и активность металла. Для упрощения используем 3 типа концентраций кислоты: концентрированная (больше 30%), разбавленная (30% или меньше), очень разбавленная (меньше 5%). Металлы по активности разделим на активные (до алюминия), средней активности (от алюминия до водорода) и неактивные (после водорода). Продукты восстановления азотной кислоты располагаем в порядке убывания степени окисления:
Чем активнее металл, тем больше мы смещаемся вправо. Чем больше концентрация или меньше степень разбавления кислоты, тем больше мы смещаемся влево.
Взаимодействие металлов с серной кислотой
Например :
Концентрированная серная кислота взаимодействует с металлами, стоящими в ряду напряжений как до, так и после водорода.
H2SO4 (конц) + металл = соль металла + продукт восстановления серы (SO2, S, H2S) + вода
Основные принципы взаимодействия концентрированной серной кислоты с металлами:
1. Концентрированная серная кислота пассивирует алюминий, хром, железо при комнатной температуре, либо на холоду;
2. Концентрированная серная кислота не взаимодействует с золотом, платиной и палладием ;
3. С неактивными металлами концентрированная серная кислота восстанавливается до оксида серы (IV).
Cu 0 + 2H2 S +6 O4(конц) = Cu +2 SO4 + S +4 O2 + 2H2O
4. При взаимодействии с активными металлами и цинком концентрированная серная кислота образует серу S либо сероводород H2S 2- (в зависимости от температуры, степени измельчения и активности металла).
Пероксид водорода
При взаимодействии с окислителями перекись окисляется до молекулярного кислорода (степень окисления 0): O2. Например :