2015-06-30
769
Aqua-Aerobic Systems совместно с Колорадским горным университетом с успехом завершили запуск последовательно-циклического мембранного биореактора. Установка очищает бытовые сточные воды, образованные 400-квартирным жилищным комплексом для студентов и преподавателей, расположенном в студенческом городке при горном университете в Голдене, штат Колорадо. Этот успех уходит корнями в 15-летнюю программу развития, которая следует за процессом Stage Gate ®.
В зависимости от формальности процесса развития компании каждый последовательный этап требует проверки перед принятием решения о продолжении или прекращении работ. Разработка новой продукции в водохозяйственной отрасли, как правило, занимает довольно много времени. Основная причина заключается в сложившемся исторически неприятием к новому оборудованию и процессам в связи со значительными финансовыми вложениями, необходимыми для включения их в уже существующие системы.
Также существует зависимость от потенциальных рисков, связанных с вредным воздействием на окружающую среду и неблагоприятным общественным мнением, в случае если новые технологии не работают надлежащим образом. Чтобы добиться успеха в водохозяйственной отрасли, необходимо терпение, готовность инвестировать значительную часть активов компании и формировать совместное партнерство. Развитие и внедрение очистной установки последовательно-циклического мембранного биореактора в Колорадо свидетельствует о предпринятых усилиях.
|
| Рис. 1. Путь развития последовательно-циклического мембранного биореактора |
Concepts & Ideas – Концепции и Идеи;
Product Fit & Market Evolution – соответствие продукта рынку и развитие рынка;
Design Review & Funding Approval – Анализ Проекта и Утверждение Финансирования;
Alpha Prototype Testing – Лабораторные испытания прототипа;
Beta Prototype Review Testing – Испытания в производственных условиях;
Commercialize – Организация серийного производства.
|
| Рис. 2 Рабочий цикл двухбассейнового последовательно-циклического мембранного биореактора |
React Fill – Заполнение реактора;
React Draw – Спуск воды из реактора;
Anaerobic – Анаэробная среда;
Anoxic – Бескислородная среда.
Последовательно-циклические реакторы являются распространенной, хотя и не преобладающей, технологией по очистке городских и промышленных сточных вод. Стендовые системы последовательно-циклического реактора часто используются в лабораторных исследованиях для определения кинетических параметров и общей очищаемости различных потоков. За последние 25 лет Aqua-Aerobic Systems разработала, изготовила и продала более 1000 полномасштабных очистных систем последовательно-циклических реакторов. Существующая установочная база и факторы роста рынка, такие как высокое качество очищенной воды, повторное использование местной воды и ограниченное пространство под основную постройку обусловили развитие концепции последовательно-циклического мембранного биореактора.
Первая прототипная система такого биореактора, разработанная Aqua-Aerobic Systems, была предназначена для очистки 1400 галлонов сточной воды в день, и была установлена на небольшой станции очистки городских сточных вод в Роктоне, штат Иллинойс. Исследование на месте длилось 18 месяцев и потребовало круглосуточного присутствия одного исследователя/оператора.
В ходе исследования резервуар последовательно-циклического реактора был наглухо соединен с внешней мембраной с вытеснительной подачей, предоставленной корпорацией Pall. Учитывая базовую конструкцию мембраны и ее применение в очистке сточных вод, требуется этап фильтрации через решетку между биореактором и мембранным блоком. В промышленности того времени проведение качественной фильтрации потоков сточных вод считалось ненужным, однако, опыт работы в Роктоне доказал обратное. На сегодняшний день эффективная предварительная очистка сточных вод является важным этапом и характерна при эксплуатации мембранных биореакторов.
|
| Рис. 3 Децентрализованная установка последовательно-циклического мембранного биореактора в Колорадском горном университете. |
Несмотря на то, что процесс прошел хорошо, и через мембраны было получено желаемое качество воды, исследователи фактически не смогли выявить различия между этой технологией и существующей прямоточной системой мембранного биореактора с высокой пропускной способностью потоков и низкими эксплуатационными расходами. По этой причине работы прекратили, и проект разработки последовательно-циклического мембранного биореактора был временно приостановлен, однако, в течение всего исследования прототипа непрерывный обзор технологии продолжался в различных направлениях, включающих изучение рынка, посещение заводов и сотрудничество с бизнес-партнерами.
Как уже отмечалось, совместное партнерство является ключевым элементом к успеху, и одно из таких партнерств возобновило проект разработки последовательно-циклического мембранного биореактора. Когда компании Koch Membrane Systems и Aqua-Aerobic Systems начали сотрудничать, и был обеспечен доступ к технологии Koch-PURON ™, появилась возможность объединить две уникальные технологии, которые предлагали комплексное технически выгодное решение, отвечающее существующим потребностям рынка. Таким образом, была разработана вторая прототипная система, и последующее исследование возобновилось. Программа была усовершенствована за счет выявленных факторов роста рынка для децентрализованной комплексной системы очистки и повторного использования воды.
В дополнение к другим ресурсам и услугам Ассоциация WateReuse и Федерация водной среды предоставляют отличные возможности для совместной работы. Именно благодаря членству в этих профессиональных организациях Aqua-Aerobic Systems встретила профессоров Колорадского горного университета доктора Йорга Дрюеса (Jorg Drewes) и доктора Тцахи Кат (Tzahi Cath). В результате этой встречи был отмечен взаимный интерес обеих сторон, а также признание потенциальных долгосрочных выгод от совместных исследований в Центре Колорадского горного университета по технологиям обработки воды (AQWATEC) и в рамках программы университета Small Flows. План исследований был разработан и утвержден, место проведения испытаний было назначено в Голдене, штат Колорадо.
На этапе проектирования последовательно-циклического мембранного биореактора Aqua-Aerobic Systems и Колорадский горный университет тесно сотрудничали при подготовке исследовательской площадки. Эта подготовка включала в себя подсоединение обводной трубы к коллектору канализации, установку подземного приёмного резервуара/ отстойника для осаждения крупных частиц и подключение к коммунальным сетям. Подобный уровень подготовки испытательной площадки обычно не требуется, поскольку испытания, как правило, проводятся на существующих очистных сооружениях. Прототип комплексной водоочистной установки был доставлен в Голден в сентябре 2008 г., и после четырех месяцев эксплуатационных проверок и работы на чистой воде в него был помещен активный ил, полученный из местной водоочистной установки.
Первоначальными целями исследования является поддержание непрерывной стабильной работы установки и создание базовой производительности системы путем мониторинга таких параметров, как количество органических веществ в сточной воде, поступающей на очистку и в очищенной сточной воде, показатели азота, фосфора и мутности. Также оцениваются такие показатели в реакторе, как взвешенные летучие твердые вещества в смеси сточных вод с активным илом, трансмембранное давление, требования к химической очистке и стабильность потока.
Существующая установка последовательно-циклического мембранного биореактора полностью оснащена измерительной аппаратурой в сочетании с системой SCADA для осуществления мониторинга и контроля в режиме «онлайн». В каждом реакторе имеются датчики определения взвешенных веществ после глубокой доочистки, датчики растворенного кислорода и датчики уровня, а также свободное место для дополнительного датчика. Каждый мембранный резервуар оборудован датчиком уровня, воронкой для сброса взвешенных твердых веществ, и датчики определения растворенного кислорода/температуры в дополнение к свободным слотам для будущих датчиков в случае необходимости. Клапаны с пневматическим приводом контролируют одновременно потоки жидкости и воздуха в системе. Подача сточной воды на очистку, подача воды на мембрану и мембранный насос для перекачки пермеата управляются частотно-регулируемым электроприводом.
| Резервуар №1 принимает поток в течение одного часа, пока Резервуар №2 спускает воду. Каждый резервуар оборудован комплектом таймеров для создания необходимого уровня аэрации. Гидравлическое перемешивание обеспечивается за счет погружного насоса, оснащенного двумя направленными форсунками. Преимуществом системы последовательно-циклического реактора с временным управлением – это способность ослабить мембраны, чтобы спустить пермеат, если поток сточной воды поступает в меньшем количестве, чем запроектировано. Кроме того, резервуар реактора может быть рассчитан по размеру для выравнивания потока, в случае превышения среднего уровня по проекту. Скорость потока через мембрану автоматически регулируется при пиковом расходе пермеата, если поток сточных вод превосходит средний уровень по проекту. |
9 февраля 2009 г. в установку поместили активный ил, и исходная концентрация взвешенных твердых веществ в каждом резервуаре составила примерно 1000 мг/л. Система достигла стабильной концентрации взвешенных твердых веществ, равной 8000 мг/л, 1 апреля 2009 г. На Рисунке 4 показан устойчивый рост показателей системы с начала февраля до середины апреля.
Было достигнуто немедленное удаление углеродистых и азотистых компонентов, и в течение первых 12-ти дней этот процесс возрос на 80%. К марту 2013 г. снижение содержания углерода, измеряемого как растворенный органический углерод, приблизилось к 90% с типичной концентрацией растворенного вещества, составляющей 7,2 мг/л. Аналогично, полное удаление азота достигло 95% с концентрацией растворенного вещества в пределах от 3 до 0,2 мг/л. Удаление аммиака было почти завершено. Биологическое удаление фосфора началось очень медленно в диапазоне от 30% до 50% и достигло 90%, когда система начала функционировать в установившемся режиме. Общая концентрация фосфора в растворенном веществе достигла 0,4 мг/л. Исследователи предвидели в будущем подобную эффективность очистки, когда система работает в установившемся режиме.
Каждый мембранный резервуар оснащен одним половолоконным мембранным модулем на 30 м2. Мембрана имеет единичный коллектор, состоящий из несущей опорной рамы, боковых перегородок, коллектора пермеата и очищающей воздуходувкой. На этом этапе исследования были проведены две профилактические очистки, первая прошла в конце марта, вторая – в начале апреля. Восстановление мембран в реакторе №1 происходило во время обеих очисток, а в реакторе №2 мембраны отреагировали только на вторую очистку. Практически полное восстановление мембран в обоих реакторах было достигнуто.
Испытательная площадка Колорадского горного университета обеспечивает необходимые реальные жизненные условия для осуществления децентрализованной обработки. Система достигла стабильного состояния, однако, скоро ей предстоит испытание на прочность с началом летних каникул в университете. Исследователи полагают, что во время каникул поток и нагрузка на систему существенно снизится, что потребует эксплуатационной регулировки для поддержания стабильности системы.
При конструкции последовательно-циклического реактора с двумя бассейнами у исследователей есть возможность выбрать либо меньший объем поступающего потока, либо использование только одного бассейна с низким расходом и низкой загрузкой. Основываясь на успехе данного эксперимента в сочетании с уверенностью в гибкости конструктивных особенностей, Aqua-Aerobiс Systems приступила к организации серийного производства последовательно-циклического мембранного биореактора.
Будущие исследования включат в себя составное профилирование биологического процесса с течением времени, регулировку настройки процесса для определения эксплуатационных ограничений, оценку процесса по удалению микрокомпонентов и оценку различных эксплуатационных стратегий для улучшения рабочих характеристик и срока службы мембран.
