Membrán bioreaktoros szennyvíztisztítási technológiák (MBR)

A membránok féligáteresztő hártyák, melyek egy elegy bizonyos komponenseit szelektíven átengedik a hártya túloldalára, míg más komponenseket visszatartanak. A membrán technológiákat a vízkezelésben a 20. század második felétől alkalmazzák, a technológiák folyamatosan fejlődnek, költség-hatékonyságuk javul, melyek következtében terjedésük napjainkban is töretlen, melyről részletesen itt írunk.

A membrán bioreaktor (MBR) gyakorlatilag a bioreaktor és a membránszűrés kombinációjával kialakított, folyamatosan üzemeltethető rendszer. A membrán feladata itt a lebegőanyag visszatartása, ami döntőrészt mikroorganizmusokból áll, melyek mérettartománya a 0,1-1 μm közé tartozik. Így a fázisszétválasztásra a mikro- és az ultraszűrés is alkalmas, nem szükséges finomabb pórusméret.

A szennyvíztisztításban a membrán bioreaktorok alkalmazásával a biomasszának a vizes fázistól történő szeparációja valósítható meg, azaz gyakorlatilag az utóülepítő váltható ki. Az így összeállított rendszerek lényegesen kisebb helyen is elférnek, így jól alkalmazhatók például mobil (konténeres) szennyvíztisztítókban is.

A membrán bioreaktoroknak két alaptípusa alakult ki. Az egyikben a bioreaktor egy teljesen külön reakciótér, ahol a biológiának optimális körülmények (hőmérséklet, pH, DO, fényviszonyok stb.) alakítható ki, melyből egy részáramot elvezetnek egy külön membránmodulra. Az elválasztott termékek (ill. tisztított víz) a permeátummal elválasztásra kerülnek, a visszamaradó szubsztrát (ill. a biomassza) a koncentrátummal visszaforgatásra kerül. A megoldás előnye, hogy a membránmodulban a membrános elválasztáshoz optimális körülmények (pl. hűtés) úgy alakítható ki, hogy az nem zavarja különösen a bioreaktor normál üzemét.

A másik megoldásban a membrán a reaktortérben található, gyakorlatilag belemerül abba. Keringetés ez esetben nem szükséges, a membránnal folyamatosan nyerhető ki a termék, és tartható vissza a biomassza. Ennek a konfigurációnak az előnye, hogy helytakarékos, illetve nincs szükség keringetőszivattyúra, így az üzemeltetési költségei lényegesen olcsóbbak.

A membrán bioreaktorok alkalmazhatók a fermentációs iparban is (pl. gyógyszeripar, finomvegyipar) például enzimatikusan előállított észterek elválasztására, a hulladékgazdálkodásban mezőgazdasági hulladékáramok kezelésére vagy például a biogáz fermentációban kísérleti jelleggel. Fő alkalmazási területük talán mégis a szennyvíztisztítás, ahol az 1960-as évek végétől jelentek meg, igaz ekkor még inkább kísérleti jelleggel, kuriózumként.

A lendületesebb fejlődés inkább az elmúlt egy-két évtized statisztikái alapján figyelhető meg. A 2000-es évek elején az MBR reaktorok piacán évi 10%-os növekedés volt tapasztalható. Ez elsősorban a membránok árában bekövetkezett csökkenésnek köszönhető, melynek következtében a vízkezelési költség is már a „vállalható” mértékre redukálódott, így az MBR technológiák terjedése megkezdődhetett.

Az MBR technológia elsősorban kisebb telepek esetén alkalmazható előnyösen, bár készültek nagyméretű kommunális szennyvíztisztítók is, pl. Németországban már létesítettek olyan MBR rendszert is, ami naponta 48 000 m3 szennyvizet tisztít meg.

A membrán bioreaktor előnyei:

  • magas iszapkor biztosítása
  • magas biomassza koncentráció
  • jó lebontási hatásfok
  • jó fázisszeparáció

Az MBR rendszerekben a hagyományos eleveniszapos rendszerekhez képest elvileg kb. 5-10-szer magasabb eleveniszap koncentráció (MLSS) lehetne fenntartható. Az üzemeltetési gyakorlat azonban azt mutatja, hogy ezzel az adattal óvatosan kell bánni, melynek fő oka, hogy nagy MLSS aránynál a membrán eltömődés, angol szakkifejezéssel a „fouling” jelensége sokkal gyorsabb, ami az üzemeltetést megnehezíti, a költségeket pedig megnöveli.

Ezzel gyakorlatilag be is mutattuk a membrán bioreaktor legfőbb hátrányát, ami azonban megfelelő üzemeltetéssel gyakorlatilag minimálisra csökkenthető. A membrán eltömődés jelensége leginkább a fluxus csökkenésével, illetőleg a fluxus fenntartásához szükséges nyomáskülönbség, az ún. transz-membrán nyomás (TMP) radikális növekedésével azonosítható.

Az alábbi ábra a transzmembrán nyomás időbeli változását mutatja be egy kísérleti MBR berendezés esetén, különböző fluxusokon üzemeltetve. Jól megfigyelhető, hogy 50 L/m2×h fluxus mellett a membrán 20 óra alatt gyakorlatilag „eltömődött”, míg 40%-kal kisebb, azaz 30 L/m2×h fluxust alkalmazva 150 üzemóra (azaz kb. egy hét folyamatos üzem) alatt alig tapasztalható nyomásnövekedés. Megéri tehát kissé nagyobb felületű membrán alkalmazásával egy kisebb fluxust beállítani, hiszen így stabil üzem állítható be, és lényegesen ritkábban kell a membrán esetleges eltömődéseit visszamosással regenerálni.

Az MBR rendszerek energiafogyasztása ma már általában hasonló a hagyományos szennyvíztisztítási eljárásokéhoz hasonlónak tekinthető. Míg a „hőskorban” (1970-es és ’80-as évek) a bemerülő membrán reaktorok esetében az energiafogyasztás elérte az 1 kWh/m3 értéket, ma ez már jellemzően 0,5-0,6 kWh/m3 közötti, és jelenleg is csökkenő tendenciát mutat. Ez a fajlagos energiaigény már jól megközelíti a hagyományos szennyvíztelepek fajlagos energiaigényét.

SzennyvíztelepKapacitás m3/dReaktor típusaEnergiafogyasztás kWh/m3
Bresica, Olaszország42 000MBR0,85
Schilde, Belgium8 500MBR0,62
Ulu Pandan, Szingapúr23 000MBR0,55
Szombathely24 000hagyományos0,45*
Átlagadat12 000hagyományos0,75

*az anaerob iszapkezeléssel visszanyert energiát is belekalkulálva

A VPMF szűréstechnika

Ahogy korábban is említettük, a biomassza elválasztására a kevésbé finom pórusméretű mikroszűrés (MF) is alkalmas. Ezen belül a szennyvíztisztításban-vízelőkészítésben az ún. variálható pórusméretű mikroszűrés (VPMF) elterjedése várható, tekintettel annak egyszerű, praktikus alkalmazhatóságára.

Maga a VPMF egy igen szellemes szerkezet. A membrán gyakorlatilag nagyszámú finom rostból áll, melyek egy henger (a szűrés nyomon követése miatt rendszerint átlátszó, pl. plexi anyagú) aljára, illetve egy abban könnyen mozgó, pórusos műanyag dugattyúhoz vannak erősítve (a szálak hossza kb. akkora, mint a henger magassága). A szűrendő nyersvizet felülről adagolják be, melynek hatására a dugattyú lesüllyed, és a szálak összetömörödnek, biztosítva a megfelelő szűrőfelületet, a szűrt víz pedig a henger alsó részén elvezethető. A visszamosás során fordítva (alulról) történik a mosóvíz betáplálása, melynek hatására a dugattyú felemelkedik, a szálak kiegyenesednek, megfeszülnek és a mosóvíz könnyen átjárja azokat. A használt mosóvíz, azaz a koncentrátum felül kerül elvezetésre. A mosás intenzifikálására – azaz hogy minél kevesebb mosóvízzel is jól regenerálható legyen a membrán – a mosóvízhez alul nagynyomású levegő is adagolható, így a buborékok gyakorlatilag „lerázzák” a kiegyenesedett szálakról a megtapadt szennyezéseket, plakkokat.

Szendvics membrán szerkezetek kiépítése

A bemerülő membrános („immersed”) rendszerek egyik lehetősége az ún. szendvics szerkezetű membrán. Itt egy modulban számos szendvics szerkezetű membrán lap helyezkedik el (rendszerint néhányszor tíz db). A lapok szendvicsszerkezetét az alábbi ábra mutatja be. A külső réteg két oldalon ultraszűrő membrán, a belső támasztórétegben pedig a permeátum áramlik; ami végül csöveken keresztül kerül elvezetésre. A szennyvíz (nyersvíz) a lapok közötti csatornákban áramlik, az áramlást az alul elhelyezett levegőztetés („air-lift”) biztosítja.

A membrán regenerálása, a feltapadt plakkok eltávolítása mechanikusan történik. Míg a korábban bemutatott VPMF esetében elegendő egy intenzív levegőztetés, itt a feltapadt réteg eltávolítására jól alkalmazható pl. kisméretű gyöngyök intenzív áramoltatása. A gyöngyök a feláramlás során nagy sebességgel beleütköznek a membránlapokba, és mechanikailag lekoptatják a feltapadt filmet.

Kiépíthető konfigurációk

Külső membránmodul – pl. VPMF – gyakorlatilag bármilyen szennyvíztisztító rendszer után kiépíthető, az utóülepítő helyettesítésére. Természetesen a fő előnye – helytakarékos elhelyezés – leginkább olyan esetben tud érvényesülni, ahol eleve kevés hely áll rendelkezésre, pl. a domborzat vagy a beépítettség miatt.

Bemerülő membrán modul esetében előnyös a már korábban említett „air-lift” kihasználása, így membrán modulokat célszerű levegőztetett medencékbe telepíteni (nem levegőztetett rendszerekben áramlási holtterek alakulhatnak ki, így a membrán rendszer előnyei nem érvényesülnek). A membrán bioreaktorok a korábban említett előnyök miatt (nagy iszapkoncentráció, jó fázis-elválasztás) alkalmasak nagyobb terhelés elviselésére, így erősebben szennyezett szennyvizek (élelmiszeripar, kórházak) tisztítása jó hatásfokkal és helytakarékosan is elvégezhető. Ez esetben természetesen előtisztítás (pl. flotálás) is alkalmazható. Egy ilyen rendszerre mutat példát az alábbi kiépítés:

Kisméretű rendszerek

Ahogy a legtöbb biológiai szennyvíztisztítóknak, a membrános bioreaktoroknak is megvannak a kis kapacitású (akár egyedi kisberendezés méretű) változatai. Ez a megoldás azért különösen előnyös kis méretek esetén, mivel így – akár egy utólagos ülepítéssel kombinálva – koncentráltabb iszap állítható elő, így az iszapzsák csak később telik meg (ritkábban kell szippantani a rendszert).