bbk 000000

УДК 628.35:62-278

Губанов Л. Н., Катраева И. В., Розенвинкель Карл-Хайнц, Борхман Аксель, Колпаков М. В., Кузина Ю. С.

Керамические мембраны в качестве погружных модулей в мембранных биореакторах

Аннотация

Приводятся результаты лабораторных испытаний плоских и трубчатых керамических мембран с целью использования их в качестве погружных модулей в мембранных биореакторах. Исследования проводились с применением плоских керамических мембран немецкой фирмы «ItN Nanovation» и трубчатых мембран РХТУ им. Д. И. Менделеева. Установлено, что для работы в среде с активным илом можно рекомендовать мембраны с размером пор 200 нм, при этом рабочее трансмембранное давление должно быть не менее –0,3 бар.

Ключевые слова

керамическая мембрана , мембранный биореактор , очистка сточных вод , погружной модуль

Скачать статью в журнальной верстке (PDF)

Исследования по изучению работы керамических мембран в среде с активным илом с целью использования их в качестве погружных модулей в мембранных биореакторах проводились Институтом водного хозяйства населенных пунктов и переработки отходов (ISAH) Ганноверского университета совместно с Нижегородским государственным архитектурно-строительным университетом в рамках реализации проекта «Подготовка промышленной сточной воды до показателей технической воды с помощью анаэробной и мембранной техники» [1].

Выбор керамических мембран был обусловлен их химической и термической стойкостью, устойчивостью к изменениям давления, рН среды и долговечностью. Для эксперимента использовали плоские керамические мембраны низкого давления немецкой фирмы «ItN Nanovation», характеристика которых представлена в табл. 1 и 2. На рис. 1 показано, как организована работа погружной мембраны фирмы «ItN Nanovation» в лабораторном мембранном биореакторе.

Известно, что работа мембранных модулей в мембранных биореакторах и величина удельного потока фильтрата J, л/(ч·м²) зависят от следующих основных факторов: материала мембран, размера их пор и толщины активного слоя, температуры среды, концентрации активного ила в системе, рН, трансмембранного давления, эффективности удаления загрязнений с поверхности мембран [2].

В ходе исследований изучалась работа мембран «ItN Nanovation» в дистиллированной воде и в среде с активным илом с дозой 6 г/л при различном давлении и постоянной температуре 21°С. Мембраны работали в следующем режиме: продолжительность фильтрации 120 с, продолжительность обратной промывки фильтратом 20 с, площадь поверхности фильтрования 0,1 м². После проведения каждого эксперимента осуществляли химическую промывку мембран с использованием лимонной кислоты и NaOH.

Первоначально новые мембраны испытывались на дистиллированной воде (рис. 2, а) при различном давлении разрежения. Было установлено, что мембраны с размером пор 80 нм и толщиной активного слоя 15 мкм, 200 нм (40 мкм) и 200 нм (20 мкм) имели близкие значения величины удельного потока J.

Далее эксперимент проводился в среде с активным илом с дозой 6 г/л, при этом каждая из мембран тестировалась при различных значениях давления в течение 18 часов. Результаты этого эксперимента приведены на рис. 2, б. В среде с активным илом величина удельного потока J для мембран 300 нм (15 мкм) и 800 нм (10–15 мкм) была практически одинаковой, но по сравнению с опытом, проведенным в дистиллированной воде, она уменьшилась в 10–12 раз. Для мембран с меньшими порами величина J снизилась лишь в 1,5 раза. После того, как в среде с активным илом проницаемость мембран снизилась более чем на 10%, проводилась химическая промывка мембран и вновь тестирование на дистиллированной воде (рис. 2, в).

Мембраны 300 нм (15 мкм) и 800 нм (10–15 мкм) после химической промывки не восстановили величину удельного потока. У остальных мембран величина J была практически восстановлена до первоначального значения, а для мембраны 80 нм она стала даже выше исходной величины. Общее сравнение работы мембран при давлении –0,3 бар приведено на рис. 3. Для мембран 200 нм (20 мкм) и 200 нм (40 мкм) влияния толщины активного слоя на величину удельного потока в исследуемых условиях обнаружено не было.

Анализ полученных результатов испытаний показывает, что для работы в среде с активным илом наиболее подходят керамические мембраны с размером пор 200 нм, которые имеют достаточную величину Jи работают более стабильно, чем мембраны с бльшими размерами пор; рекомендуемое рабочее давление при фильтровании составляет не менее –0,3 бар. Для последующих лабораторных и опытно-промышленных испытаний был выбран именно этот тип мембран.

Кроме плоских керамических мембран использовался также модуль с трубчатыми керамическими мембранами РХТУ им. Д. И. Менделеева (рис. 4), имеющими площадь поверхности фильтрования 0,1 м². Материал данных мембран с размером пор 200 нм аналогичен материалу мембран «ItN Nanovation» [3].

Модуль в лабораторных условиях работал в следующем режиме: фильтрация в течение 20 мин при постоянном трансмембранном давлении 0,45 бар; очистка воздухом изнутри в течение 10 мин при давлении 1 бар; доза ила в системе 6 г/л. При установленных технологических параметрах промывка мембран водой снаружи с целью их очистки требовалась через 7–8 суток работы аппарата после падения величины удельного потока на 25%; после промывки производительность мембран восстанавливалась. Работа исследуемого мембранного модуля представлена на рис. 5. Следует отметить, что исследуемый модуль при выбранных условиях эксплуатации работал стабильно в течение времени проведения эксперимента, которое составило три месяца.

Выводы

В результате проведенной серии экспериментов установлено, что для работы в мембранном биореакторе в качестве погружных модулей можно рекомендовать керамические мембраны с размером пор 200 нм, при этом трансмембранное давление должно быть не менее –0,3 бар.

Список цитируемой литературы

1. Borchmann A., Rosenwinkel K.-H., Gubanov L. N., Katraeva I. V. Einbindung der Membrantechnik in die Abwasserreinigung mittels Anaerobtechnik // Statusseminar Membrantechnik:10. Hannoversche Industrieabwasser Tagung (HIT). – Hannover, 2007. Heft 139.
2. Melin T., Rautenbach R. Membranverfahren. Grundlagen der Modul- und Anlagenauslegung. – Springer, 2006.
3. Губанов Л. Н., Катраева И. В., Колпаков М. В. и др. Очистка сточных вод птицефабрик с применением биомембранных технологий // Приволжский научный журнал. 2010. № 4.