Почему мембранные биореакторы меняют очистку сточных вод в 2025 году

При изучении принципа работы мембранных биореакторов (МБР) можно увидеть, что они имеют значительные преимущества по сравнению с традиционными методами очистки. В частности, мембраны нового поколения устраняют ограничения старых конструкций, а такие технологии, как нанофильтрация и ультрафильтрация, позволяют достичь беспрецедентного уровня чистоты воды. Кроме того, эти системы демонстрируют высокую эффективность сепарации, благодаря чему очищенная вода подходит для различных применений, включая сельское хозяйство и промышленность.

Влияние этих инноваций в области мембран выходит за рамки улучшения характеристик. В результате мы наблюдаем расширение возможностей повторного использования и переработки воды. Кроме того, передовые процессы очистки, такие как мембранные биореакторы, становятся более эффективными и экономичными, обеспечивая высокое качество сточных вод, соответствующее строгим нормативным стандартам.

В этой статье мы рассмотрим различные типы мембранных биореакторов, изучим, как они функционируют в современных очистных сооружениях, и выделим преимущества в эффективности, которые делают их важными для управления сточными водами в 2025 году.

Как мембранные биореакторы (МБР) работают в современных очистных сооружениях?

Мембранные биореакторы (МБР) сочетают в себе биологические процессы и технологию мембранного разделения, что представляет собой значительный прогресс по сравнению с традиционными системами с активным илом. Эти системы по сути заменяют вторичные отстойники мембранными фильтрационными установками, обеспечивая более эффективное разделение твердых частиц и жидкости ¹.

Интеграция биологической и мембранной фильтрации

МБР объединяют мембраны микрофильтрации или ультрафильтрации с биореакторами с взвешенным ростом для более эффективной очистки сточных вод по сравнению с традиционными методами ². Вместо того, чтобы полагаться на гравитационное осаждение для отделения твердых частиц, МБР используют полупроницаемые мембраны, которые задерживают биомассу, производя чистый пермеат. Эта интеграция создает две основные конфигурации: погружные (погруженные) и боковые МБР ³.

В погружных конфигурациях мембраны размещаются непосредственно внутри биореактора и работают в вакууме, с промывкой воздухом для уменьшения загрязнения ⁴. В боковых конфигурациях мембраны размещаются снаружи, а сточные воды прокачиваются под повышенным давлением (2-3 бара) в режиме поперечного потока ³. Несмотря на более высокие энергетические потребности, боковые MBR обеспечивают гибкость эксплуатации и более простое обслуживание ⁵.

Процесс активного ила в МБР

В отличие от традиционных систем активного ила, МБР работают с совершенно другими параметрами. Они поддерживают гораздо более высокую концентрацию взвешенных твердых веществ в смешанной жидкости (MLSS) — 5000–20 000 мг/л по сравнению с примерно 2000 мг/л в традиционных системах ⁵. Кроме того, MBR обычно работают с увеличенным временем пребывания твердых частиц (SRT) 20-30 дней по сравнению с 5-20 днями в традиционных процессах ⁵.

Активированный ил в MBR проходит через отдельные зоны очистки. Сначала сточные воды поступают в резервуар денитрификации, где смешиваются с помощью мешалки, затем проходят через аэрационный резервуар, содержащий диффузоры, и поступают в мембранный резервуар ¹. В результате этого процесса получаются сточные воды исключительно высокого качества с БПК и общим содержанием азота ниже 5 мг/л и содержанием взвешенных твердых веществ ниже 1 мг/л ¹.

Конфигурации половолоконной и плоской листовой мембран

В современных системах MBR существуют две основные конфигурации мембран:

• Половолоконные мембраны: состоят из пучков тонких, похожих на соломинки волокон с полым сердечником, обеспечивают превосходную плотность упаковки (до 10 000 м² на кубический метр) ⁶. Они облегчают обратную промывку и требуют меньшего объема резервуара, хотя они более подвержены внутреннему блокированию пор ⁶.

• Плоская листовая мембрана: плоские мембраны, расположенные в кассетах с равномерной толщиной ⁷. Хотя они обеспечивают меньшую площадь поверхности на единицу объема, они проще в обслуживании благодаря промывке поверхности и ручной очистке ⁶.

Обе конфигурации обеспечивают высокую степень удаления загрязняющих веществ, бактерий и взвешенных твердых частиц, хотя они различаются по энергопотреблению, протоколам очистки и пригодности для применения ⁶.

Типы мембранных биореакторов и их области применения

Различные типы мембранных биореакторов были разработаны для удовлетворения конкретных потребностей в очистке сточных вод в различных секторах. Каждая конфигурация предлагает уникальные преимущества в зависимости от целевого применения и характеристик сточных вод.

Погружные МБР для муниципальных сточных вод

Погружные МБР являются доминирующей конфигурацией для крупномасштабной очистки сточных вод с момента их коммерциализации в 1990-х годах ⁸. Эти системы оснащены мембранными модулями, погруженными непосредственно в резервуар биореактора, где впрыск воздуха вдоль поверхности мембраны создает турбулентность, которая очищает и промывает мембрану ⁹. Примечательно, что погружные МБР работают при значительно более низкой скорости воды и потоке по сравнению с другими конфигурациями, что делает их идеальными для очистки больших объемов муниципальных сточных вод благодаря сниженным энергетическим требованиям ⁹.

Показатели производительности погружных МБР впечатляют: они обеспечивают снижение ХПК более чем на 95 % и еще более высокую степень удаления БПК ⁹. Мутность очищенных сточных вод стабильно остается ниже 0,1 NTU, а снижение ХПК и БПК превышает 97% ⁹. Кроме того, эти системы могут эффективно удалять общее количество взвешенных твердых веществ (TSS) до концентрации ниже 1 мг/л, демонстрируя отличное отделение твердых веществ ⁸.

Боковые MBR в промышленных применениях

В боковых конфигурациях мембранные модули расположены вне резервуара биореактора и в основном используются для очистки промышленных сточных вод с середины 1990-х годов ¹⁰. Такая конструкция облегчает очистку и замену мембран по сравнению с погружными системами ¹¹. Боковые MBR создают высокую скорость поперечного потока и сдвиговое напряжение на поверхности мембран, что эффективно снижает скорость загрязнения ¹².

В промышленных условиях MBR с боковым потоком обычно обрабатывают сложные сточные воды с низкой фильтруемостью ¹³. Эти системы обрабатывают сточные воды от пищевой промышленности, производства напитков и других промышленных секторов ¹⁰. Согласно исследованиям, MBR с боковым потоком требуют меньшей площади мембран, но эффективно работают с сильными сточными водами и сточными водами с низкой фильтруемостью ¹³.

Гибридные системы MBR с анаэробным сбраживанием

Анаэробные мембранные биореакторы (AnMBR) сочетают анаэробное сбраживание с мембранной фильтрацией, обеспечивая значительную экономию энергии за счет производства биогаза. Эти системы удаляют более 97 % химической потребности в кислороде (ХПК), производя биогаз, эквивалентный 2,4 кВт·ч на кг ХПК в сутки ⁴. Кроме того, они преобразуют питательные вещества в химически доступные формы, такие как аммиак и фосфат, способствуя потенциальному восстановлению питательных веществ ¹⁴.

Гибридные конфигурации часто включают анаэробные процессы с другими этапами очистки. Например, мембранные реакторы с подвижным слоем биопленки (MBBMR) сочетают в себе технологии MBR и реакторов с подвижным слоем биопленки, что приводит к повышению эффективности удаления, уменьшению образования осадка и снижению биологического загрязнения ¹⁵. Аналогичным образом, гибридные системы, использующие AnMBR с мембранными реакторами на микроводорослях, демонстрируют множество преимуществ: высокое качество сточных вод, рециркуляция питательных веществ и производство возобновляемой биомассы ⁴.

Повышение эффективности в 2025 году: энергия, занимаемая площадь и качество воды

В 2025 году мембранные биореакторы будут выделяться в первую очередь благодаря своим замечательным показателям эффективности по трем важнейшим параметрам: использование пространства, энергопотребление и качество сточных вод.

На 30 % меньшая площадь по сравнению с традиционными системами

Системы MBR требуют на 30-50 % меньше места, чем традиционные процессы с активным илом ¹⁶. Такое значительное сокращение площади происходит благодаря тому, что MBR поддерживают более высокую концентрацию взвешенных твердых частиц в смешанной жидкости (8000-12 000 мг/л), что позволяет использовать реакторы меньшего объема ¹⁶. Более того, интеграция биологической очистки с мембранной фильтрацией устраняет необходимость в отдельных вторичных отстойниках, что еще больше минимизирует пространственные требования ¹⁷. Для объектов с ограниченными возможностями расширения, особенно в густонаселенных регионах, такая компактная конструкция оказывается неоценимой ¹⁸.

Рекуперация энергии с помощью биогаза в аэробных MBR

Анаэробные MBR (AnMBR) оказались особенно перспективными, поскольку наряду с очисткой они производят богатый энергией биогаз. Эти системы обычно производят 4,7±0,15 л/сутки биогаза с содержанием метана 64% ¹. Это соответствует примерно 0,3–0,5 л биогаза на грамм удаленного ХПК, что переводится в показатель производства энергии 2,4 кВт·ч/кг ХПК в день ¹. Впоследствии производство этого биогаза компенсирует эксплуатационные расходы, приближая объекты к энергетической самодостаточности ¹⁹.

Качество точных вод: <5 мг/л БПК и ТВВ

МБР обеспечивают стабильно высокое качество воды с:

• уровнями БПК и ТВВ ниже 5 мг/л ²⁰
• эффективностью удаления ХПК более 95% ²¹
• эффективностью удаления ТВВ около 99,5% ²¹

Эти превосходные показатели делают воду, очищенную с помощью MBR, пригодной для орошения, градирен и других видов повторного использования без дополнительной обработки ²⁰.

MBR в действии: реальные внедрения и результаты

Реальные внедрения мембранных биореакторов в различных условиях демонстрируют их адаптивность и эффективность в современной очистке сточных вод.

Пример из практики: модернизация MBR на заводе NEWater в Сингапуре

Национальное агентство по водоснабжению Сингапура PUB стратегически внедрило технологию MBR для повышения эффективности водоочистки ²². Завод по переработке сточных вод Changi Water Reclamation Plant подвергся значительной модернизации: четыре существующих традиционных биореактора были преобразованы в установку MBR без увеличения занимаемой площади, но с расширением мощности очистки с 800 000 м³/сутки до 920 000 м³/сутки ²³. Аналогичным образом, установка MBR на заводе по переработке сточных вод в Джуронг в настоящее время очищает 68 000 м³/сутки сточных вод ²³, производя воду промышленного качества для близлежащего производственного сектора острова Джуронг.

Децентрализованные MBR в сельских районах Индии

Компактные контейнерные системы MBR эффективно решают проблему нехватки воды в районах с недостаточным уровнем обслуживания. Установка в жилом районе, выполненная компанией Almasa, демонстрирует этот потенциал: их MBR стабильно производит высококачественные сточные воды, пригодные для орошения и благоустройства, что существенно снижает зависимость от пресной воды ²⁴. Эти небольшие системы оказываются особенно ценными там, где централизованная инфраструктура остается нецелесообразной.

Нулевой сброс жидкости (ZLD) с предварительной очисткой MBR

Технология MBR служит важным компонентом предварительной очистки в системах с нулевым сбросом жидкости. В Индии установка по очистке сточных вод кожевенных заводов обслуживает более 130 кожевенных заводов-членов через общую очистную станцию, где MBR обеспечивает превосходное качество подаваемой воды для установок обратного осмоса ²⁵. Такая схема позволяет достичь коэффициента извлечения RO до 95% ⁷, сводя к минимуму объем жидких отходов и производя воду, пригодную для повторного использования. Системы ZLD извлекают соли и воду ⁶, создавая замкнутые процессы, которые полностью исключают сброс отходов в окружающую среду.

Заключение

Мембранные биореакторы, несомненно, изменили ландшафт очистки сточных вод в 2025 году, предлагая непревзойденные преимущества по сравнению с традиционными системами. Их сочетание биологических процессов с технологией мембранной фильтрации представляет собой значительный шаг вперед в области водоочистки во всем мире. В этой статье мы рассмотрели, как эти системы обеспечивают исключительное качество воды с уровнями БПК и ТВВ, стабильно ниже 5 мг/л, при этом требуя на 30-50% меньше места, чем традиционные процессы с активным илом.

Различные конфигурации МБР, обсуждаемые в статье — погружные, боковые и гибридные системы — предоставляют адаптируемые решения для различных сценариев очистки. Муниципальные объекты в первую очередь выигрывают от погружных систем, в то время как промышленные объекты часто предпочитают боковые конфигурации из-за их преимуществ в обслуживании и способности обрабатывать сложные сточные воды. Кроме того, анаэробные МБР генерируют ценный биогаз, производя примерно 2,4 кВтч на килограмм ХПК в день, что компенсирует потребность в энергии для эксплуатации.

Реальные применения еще раз демонстрируют универсальность MBR. Заводы NEWater в Сингапуре демонстрируют крупномасштабное внедрение, а децентрализованные системы в сельских районах Индии доказывают масштабируемость этой технологии. Установки с нулевым сбросом жидкости подчеркивают эффективность MBR в качестве предварительной очистки для передовых систем рекуперации воды.

Превосходные возможности по удалению загрязнений, меньшие требования к занимаемой площади и потенциал рекуперации энергии делают мембранные биореакторы основополагающей технологией для решения современных задач в области управления водными ресурсами. Эти системы, безусловно, будут продолжать развиваться, решая растущие проблемы нехватки воды и расширяя возможности повторного использования воды в сельском хозяйстве, промышленности и коммунальном секторе. MBR являются свидетельством того, как технологические инновации могут преобразовать важнейшую инфраструктуру, одновременно принося экологические и экономические выгоды.

Часто задаваемые вопросы

• В1. Как мембранные биореакторы (МБР) улучшают очистку сточных вод? Мембранные биореакторы сочетают биологическую очистку с мембранной фильтрацией, что обеспечивает превосходную удаление загрязнений и более высокое качество сточных вод. Они поддерживают более высокую концентрацию микроорганизмов, устраняют необходимость в вторичных отстойниках и производят воду, пригодную для различных видов повторного использования.

• В2. Каковы основные преимущества МБР по сравнению с традиционными системами очистки? МБР предлагают ряд преимуществ, в том числе на 30-50 % меньшую занимаемую площадь, превосходное качество сточных вод с уровнем БПК и ТВВ ниже 5 мг/л, а также возможность рекуперации энергии за счет производства биогаза в анаэробных конфигурациях. Они также обеспечивают более эффективное удаление патогенов и могут эффективно обрабатывать сложные промышленные сточные воды.

• В3. Как MBR способствуют повторному использованию и сохранению водных ресурсов? MBR производят высококачественные сточные воды, которые сразу же пригодны для орошения, градирен и других видов повторного использования без дополнительной обработки. Эта возможность расширяет возможности повторного использования воды, снижая спрос на источники пресной воды и поддерживая инициативы по сохранению водных ресурсов в различных секторах.

• Вопрос 4. Существуют ли различные типы МБР для разных применений? Да, существует несколько конфигураций МБР. Погружные МБР обычно используются для очистки крупных объемов городских сточных вод, а боковые МБР предпочтительны для промышленного применения. Гибридные системы, такие как анаэробные МБР, предлагают дополнительные преимущества, такие как производство биогаза и рекуперация питательных веществ.

• Вопрос 5. Насколько эффективны MBR в удалении загрязнений из сточных вод? MBR демонстрируют исключительные возможности по удалению загрязнений. Они стабильно достигают более 95% снижения ХПК, удаления БПК более 97% и могут снизить общее количество взвешенных твердых веществ (TSS) до концентрации ниже 1 мг/л. Очищенные сточные воды обычно имеют мутность ниже 0,1 NTU, что указывает на отличную прозрачность воды.

Ссылки

Footnotes

1. https://www.thembrsite.com/features/sequential-anaerobic-and-microalgal-membrane-bioreactor-for-water-energy-and-nutrient-recovery-from-wastewater ↩ ↩² ↩³ ↩⁴ ↩⁵

2. https://www.pcimembranes.com/articles/membrane-bioreactors-mbr-for-wastewater-treatment/ ↩

3. https://www.thembrsite.com/membrane-separation-process-configurations-in-membrane-bioreactors ↩ ↩²

4. https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2352186420302960 ↩ ↩² ↩³

5. https://www.lenntech.com/processes/mbr-introduction.htm ↩ ↩² ↩³

6. https://www.sciencedirect.com/topics/engineering/zero-liquid-discharge ↩ ↩² ↩³ ↩⁴ ↩⁵

7. https://watertreatmentmagazine.com/en/assessing-mbr/ ↩ ↩²

8. https://www.researchgate.net/publication/237327670_Submerged_membrane_bioreactor_system_for_municipal_wastewater_treatment_process_An_overview ↩ ↩²

9. https://www.sciencedirect.com/topics/engineering/submerged-membrane-bioreactor ↩ ↩² ↩³ ↩⁴

10. https://www.thembrsite.com/industrial-membrane-bioreactors-food-beverage ↩ ↩²

11. https://www.eeer.org/journal/view.php?number=1375 ↩

12. https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0960852411002239 ↩

13. https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC9965322/ ↩ ↩²

14. https://www.thembrsite.com/features/anaerobic-mbrs-non-potable-water-reuse-a-good-match ↩

15. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1944398624105255 ↩

16. https://susbio.in/what-is-mbr-sewage-treatment-plant-mbr-a-detailed-study/ ↩ ↩²

17. https://eureka.patsnap.com/article/membrane-bioreactor-vs-conventional-activated-sludge-in-wastewater-treatment ↩

18. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2666016424002809 ↩

19. https://www.yhr-tanks.com/blog/trends-in-mbr-reactor-tech-2025/ ↩

20. https://samcotech.com/technologies-innovations/biological/membrane-bioreactor-mbr/ ↩ ↩²

21. https://iwaponline.com/wpt/article/17/6/1358/89088/Membrane-bioreactor-MBR-performance-in-fish ↩ ↩²

22. https://www.pub.gov.sg/Public/WaterLoop/OurWaterStory/NEWater ↩

23. https://www.bv.com/perspectives/land-constraints-reuse-drive-membrane-bioreactor-deployments-in-asia ↩ ↩²

24. https://almasauae.com/membrane-bioreactors-mbr-a-deep-dive/ ↩

25. https://www.berghofmembranes.com/wp-content/uploads/2022/01/berghof-membranes-case-study-textile-tanneries-mbr-filtration-pre-treatment-in-zld-plant-india_web2-2.pdf ↩