بیوراکتور غشایی
Membrane Bioreactor
در بیوراکتور غشایی، ترکیبی از تصفیه بیولوژیکی رشد معلق مانند فرایند لجن فعال، با تصفیه غشایی، به طور معمول میکروفیلتراسیون با فشار کم (MF) یا غشاهای اولترافیلتراسیون (UF) مورد استفاده قرار می گیرد. گزارش شده است که امروزه بيش از 2200 بيوراكتورغشايي در دنيا موردبهره برداری قرارگرفته است. بیوراکتور های غشایی از دو نوع غشای داخلی و خارجی می باشند که نوع خارجی آن به دلیل هزینه پایین ساخت، در مقیاس های بالا استفاده می شود. بیورآکتورهای غشایی با حفظ بيومس در داخل راکتور و زمان ماند لجن مستقل از زمان اقامت هيدروليکي، بازدهي بالاتري نسبت به لحن فعال براي حذف آلاينده ها و استفاده مجدد از آب دارد. علاوه براين سيستم بیوراکتور چندين واحد از سيستم لجن فعال را در يک واحد بصورت فشرده دارد. پارامترهاي مؤثر در عملکرد سيستم بيوراکتور غشايي فلاکس و زمان ماند هيدروليکي مي باشد که همزمان بر روي گرفتگي غشاء و راندمان فرايند مؤثر است . سازگاري بيومس با آلاينده يکي از موارد مؤثر در بالابردن درجه حذف زيستي مي باشد که در بيورراکتور غشايي به دليل زمان ماند بالاتر بهتر مي تواند انجام شود.
اجزا و انواع بیورآکتورهای غشایی
اجزاي اصلي بيوراكتورغشايي عبارتند از بيوراكتور، ماژول، غشا و ميكروارگانيسمهاي تجزيه كننده ي آلاينده. بيوراكتور غشايي غوطه ور، متداولترين نوع صنعتي است كه نسبت به انواع ديگر، گرفتگي غشا آن کمتر گزارش شده است. ماژولهاي صفحه اي گرفتگي كمتري ايجاد مي كنند و عيب يابي و تعويض آنها آسانتر است. غشا انتخاب شده بايد استحكام مكانيكي، مقاومت حرارتي و شيميايي بالا و انتخاب پذيري مناسب براي جزء مورد نظر را داشته باشد. جريان مماسي ايجاد شده روي غشا حين عبور جريان متقاطع از غشا با كندن ذرات از سطح غشا، گرفتگي غشا را كاهش ميدهد.
الف) MBR دارای خلا غوطه ور یا sMBR
به طور معمول از فیبرهای توخالی یا غشاهای ورق مسطح نصب شده در بیوراکتور در این نوع بایورآکتورهای غشایی استفاده می شود.
ب) بیورآکتور های غشایی با فیلتراسیون فشار محور و جریان جانبی یا iMBR
اگرچه فرایندهای sMBR از iMBR انرژی بیشتری مصرف میکنند ، اما چندین مزیت را ارائه می دهند:
- کاهش سطح مورد نیاز غشاء
- نعطاف پذیری عملیاتی برای بهره برداری و تمیز کردن
- کاهش هزینه های نگهداری و خرابی
- ماژول ها به راحتی در دسترس هستند و بنابراین می توانند در زمان بسیار کوتاهتری نسبت به غشاهای غوطه ور جایگزین شوند.
- عملکرد در غلظت های جامد بالاتر امکان پذیر است
- اگر فشار و سرعت جریان کاهش یابد عملکرد با مصرف انرژی کمتری امکان پذیر است.
در فرآیند MBR محدوده ی پارامترها نسبت به فرآیند لجن فعال معمولی متفاوت است:
SRT برای سیستم معمولی 5 تا 20 روز و برای سیستم MBR 20 تا 30 روز می باشد.
MLSS برای فرآیند معمولی mg/l2000 و برای فرایند معمولی mg/l5000 تا mg/l2000 می باشد. زمان احتباس 30 درصد فرایند لجن فعال معمولی است.
بازار بیورآکتورهای غشایی و عوامل موثر بر آن
بازار بیوراکتور غشایی (MBR) تحت تاثیر عوامل مختلفی از جمله کمبود عرضه آب و نگرانی‌های زیست‌محیطی است. تقاضای پالایشگاه‌ها یکی از مهم‌ترین محرک‌های بازار تصفیه آب بوده که به نوبه خود فرصت‌های گسترده‌ای در بازار بیوراکتورهای غشایی ایجاد می‌کند. علاوه بر این، با افزایش جمعیت و شهرنشینی در مکزیک، ترکیه، چین، هند، تایلند و بنگلادش انتظار می‌رود که کاربرد‌های شهری و تقاضا برای فیبرهای توخالی در این کشورها افزایش یابد. پیش بینی می‌شود توسعه صنعت در ایالات متحده و کانادا به عنوان قطب تولیدی، نقش مهمی در افزایش استفاده از بیوراکتورهای غشایی ایفا می‌کند. علاوه بر این، ایجاد واحدهای جدید تولیدی برق در کشورهای خاورمیانه از جمله عربستان سعودی، ایران و اسرائیل با توجه به ابتکارات برای ارتقاء سرمایه‌گذاری‌ها، در آینده نفوذ بازار را گسترش می‌دهد
شرایط کشورهای دنیا و ارتباط آن با صنعت تولید بایوآکتورهای غشایی
در اینجا وضعیت چند کشور بزرگ و پر جمعیت به شرح زیر مورد تحلیل و ارزیابی قرار می گیرد.
چین: فراوانی مواد معدنی خاکی کمیاب، فولاد، مس و چشم‌انداز مثبت نسبت به صنعت معدن در چین نقش اساسی در افزایش استفاده از تصفیه لجن یا بایو رآکتورهای غشایی برای دفن زباله ایفا می‌کند.
هند: پیش‌بینی می‌شود طرح‌های مختلف دولتی در هند برای بهبود بخش مسکن از جمله “مسکن برای همه تا سال ۲۰۲۲” و “برنامه جدید برای جوان‌سازی و تحول شهری”، نفوذ پساب‌های فاضلاب شهری را افزایش دهد که به نوبه خود بازار بیوراکتورهای غشایی را تقویت می کند.
آمریکای شمالی بازار برتر مصرف بیوراکتورهای غشایی است و ۲۸ درصد از کل صنعت بیوراکتور غشایی را در سال ۲۰۱۶ به خود اختصاص داده است. انتظار می‌رود حضور پرقدرت تولید داروسازی، مواد شیمیایی، مواد غذایی و نوشیدنی و خودرو در ایالات متحده و مکزیک باعث افزایش تقاضا برای خدمات تصفیه آب می‌شود.
علاوه بر این، دولت مکزیک با تصویب کنگره مکزیک در سال ۲۰۱۲ قانون جدید مشارکت عمومی خصوصی را تصویب کرد، که با هدف ارتقاء سرمایه‌گذاری از نظر بهسازی و استقرار جدید کارخانه‌های تصفیه آب و تأسیسات نمک‌زدایی در سطح داخلی انجام می‌شود. پیش‌بینی می‌شود این ابتکار مطلوب برای ارتقاء سرمایه‌گذاری در صنعت تصفیه آب تأثیر مثبتی بر بازار بیوراکتورهای غشایی داشته باشد.
تولید کنندگان مختلف بیورآکتورهای غشایی
در حوزه تولید بیوراکتور جهانی غشایی به دلیل حضور تولید کنندگان مختلف کوچک و بزرگ، بازاری بسیار پویا و رقابتی وجود دارد و تولید کنندگان متعددی در تولید MBR ها فعالیت می کنند. در زیر لیست مهم ترین شرکت های تولید کننده آورده شده است.
|
نام شرکت تولید کننده |
کشور |
|
Kubota |
ژاپن |
|
Toray Industries |
کره |
|
Koch Membrane Systems |
کره جنوبی |
|
Evoqua Water Technologies LLC |
سنگاپور |
|
میتسوبیشی ریون |
ژاپن |
|
Solutions & Technologies Water Veolia |
فرانسه |
|
Degremont |
فرانسه |
|
Wehrle Umwelt GmbH |
آلمان |
|
GE Water & Process Technologies |
آمریکا |
|
YUASA |
ژاپن |
مدل های مختلف بیورآکتورهای غشایی و نحوه عملکرد آنها
بسته به نحوه ي رشد ميكروارگانيسمها، بيوراكتورها به دو دسته سوسپانسيوني و بيوفيلمي تقسيم ميشوند.بيوراكتورهاي غشايي بر اساس نحوه قرارگيري غشا نسبت به بيوراكتور مخزنی به دو نوع سيستم دسته بندی :
الف- بيوراكتورغشايي با جريان جانبي
غشا خارج از تانك بيوراكتور تعبيه ميشود. پمپ گردش مجدد، در سطح غشا سرعت مماسي ايجاد كرده و رسوب جامدات معلق بر سطح غشا و تشكيل كيك را كاهش ميدهد. به اين ترتيب گرفتگي غشا با صرف هزينه ي بالاي پمپ كردن، كاهش مييابد.
ب- بيوراكتور غشايي غوطه ور
در اين سيستم غشا داخل تانك بيوراكتور غوطه ور است. براي ايجاد جريان مماسي به منظور كاهش گرفتگي غشا، از هوادهي مستقيم بر روي سطح غشا استفاده ميشود. به اين ترتيب هوادهي علاوه بر تامين اكسيژن لازم ميكروارگانيسمها، رسوب ذرات روي غشا را نيز كاهش مي دهد. به اين ترتيب با گرفتگي كمتر غشا و در نتيجه كاهش هزينه هاي مربوط به رفع آن، كاربرد اين نوع بيوراكتور در صنايع بيشتر است.
بيوراکتورهاي غشايي از نظر ميزان هوادهي
بيوراکتورهاي غشايي هوازي
در اين سيستم از لجن فعال هوازي براي تجزيه آلاينده ها استفاده مي شود. در اين سيستم ميکروارگانيزمها مواد آلي موجود در پساب را به دي اکسيد کربن، آب و پليمرهاي برون سلولي و بيومس (EPS) تبديل ميکند. هزينه هوادهي بالا و حجم لجن توليدي بالا و به دنبال آن مشکلات دفع لجن از معايب اين سيستم مي باشد.
بيوراکتورهاي غشايي بي هوازي
اين سيستمها به دليل استفاده از لجن بي هوازي، مواد آلي موجود در پساب به بيو گاز (متان) و بيو مس تبديل مي شود. مشکلاتي از جمله سرعت رشد پايين بيومس در چنين سيستمهايي و بازدهي پايين سبب شده است که بيشتر از سيستمهاي هوازي براي تصفيه پسابهاي صنعتي استفاده شود. سرعت کم ته نشيني لجن بي هوازي و خروج آن همراه با جريان خروجي وکاربرد در زمان ماند هيدروليکي کم باعث ناکارامدي چنين سيستمهايي شده است. در سيستمهاي غشايي نيز سايز کوچکتر توده هاي بي هوازي که باعث
گرفتگي بيشتر غشاء مي شودو همچنين دماي بالاي مورد نياز در چنين سيستمهايي نيز مزيد برعلت شده است. اما دلايلي چون حجم لجن توليدي کمتر نسبت به سيستم هوازي و عدم نياز به انرژي براي هوادهي و توليد بيو گاز بعنوان يک منبع انرژي استفاده از اين سيستمها را بطور کل منتفي نکرده است.
مزایا و معایب بیورآکتورهای غشایی
مزایای بیورآکتورهای غشایی
افزايش طول عمر غشاها به 3 تا 8 سال
كاهش هزينه ساخت غشاها
افزايش دبي ورودي به سيستم
قابليت بازيافت آب
فضای مورد نياز کمتر
کيفيت بالاي آب خروجي
غلظت بالاي بيومس :در سيستمهاي بيوراکتور غشايي غلظت بيومس بالاتر از واحدهاي تصفيه سنتي مي
حجم تانک هوادهي کمتر : به دليل غلظت بالاتر بيومس حجم تانک هوادهي کمتر مي باشد.
ميزان توليد لجن کمتر.
عدم مشکلات مربوط به مرحله ته نشيني
راندما ن بالاتر
بطورکلي محدوديتهاي اين سيستم را مي توان بصورت زير برشمرد :
۱- هزينه سرمايه گذاري بالا
۲- مصرف انرژي بالا
۳-نياز به مهارت فني بالاي متصدي
۴- هزينه تعمير و نگهداري
۵- مشکلات مربوط به گرفتگي غشاء و تناوب تميز کردن آنها
• هزینه های بالای بهره برداری (غشاها)
• پیچیدگی غشاء و رسوب آن
• عمر غشاء
• هزینه انرژی
کاربرد بیورآکتورهای غشایی
هتل ها، رستوران ها، بیمارستان ها و بیمارستان ها مناسب است.
مناطق مسکونی، روستاها و شهرها مناسب است.
ایستگاه ها، فرودگاه ها و کشتی ها مناسب است.
کارخانه ها، معادن، سربازان، نقاط توریستی و نقاط دیدنی مناسب است.
مناسب برای انواع مختلف فاضلاب های آلی صنعتی مشابه با فاضلاب های خانگی است.
مواد غذایی و نوشیدنی – دارای بار آلی زیاد است
صنعت نفت – بخش های اکتشاف ، پالایش و پتروشیمی
صنایع داروسازی – حاوی مواد داروهای فعال دارویی می باشند
صنعت خمیر و کاغذ – مقادیر بالای مواد جامد معلق ، COD و BOD
پساب صنعت نساجی – تجزیه‌پذیری ، سمی بودن، حاوی رنگ
آب شستشو- طیف گسترده ای از ترکیبات آلی و معدنی محلول و معلق
پساب کشتی – محدودیت های فضا
مزایای فناوری بیوراکتورهای غشایی MBR نسبت به سایر فن آوری های فاضلاب
• کنترل مستقل HRT و SRT
• نیاز به فضای کم
• بهبود تصفیه ی بیولوژیکی
• زلال سازهای ثانویه و فرآیندهای تصفیه ثانویه لازم نمی باشد. همچنین در موارد خاص سایر واحدهای فرآیند مانند دستگاه های هضم بیولوژیکی یا ضد عفونی اشعه ماوراء بنفش نیز می توانند از بین بروند و به حداقل برسند.
• طولانی تر بودن سن لجن و تولید لجن کمتر
• کیفیت بالای پساب
• قابلیت بارگذاری بالا
راندمان تصفیه بیولوژیکی با استفاده از بیورآکتورهای غشایی
پارامترهایی همچون فشار، درجه حرارت، دانسیته فشردگی غشاء، فلاکس (میزان جریان در واحد سطح)، فاکتور احیا، رد کردن املاح، طول عمر غشا، PH، کدورت، مصرف انرژی و سرعت جریان، در بهره برداری MBR در راندمان تصفیه با استفاده از بیورآکتورهای غشایی موثر هستند.
