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 بیش از ۲۲۰۰ بیوراکتورغشایی در دنیا 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 بیومس در داخل راکتور و زمان ماند لجن مستقل از زمان اقامت هیدرولیکی، بازدهی بالاتری نسبت به لحن فعال برای حذف آلاینده ها و استفاده مجدد از آب دارد. علاوه براین سیستم بیوراکتور چندین واحد از سیستم لجن فعال را در یک واحد بصورت فشرده دارد. پارامترهای مؤثر در عملکرد سیستم بیوراکتور غشایی فلاکس و زمان ماند هیدرولیکی می باشد که همزمان بر روی گرفتگی غشاء و راندمان فرایند مؤثر است . سازگاری بیومس با آلاینده یکی از موارد مؤثر در بالابردن درجه حذف زیستی می باشد که در بیورراکتور غشایی به دلیل زمان ماند بالاتر بهتر می تواند انجام شود.

اجزا و انواع بیورآکتورهای غشایی

اجزای اصلی بیوراکتورغشایی عبارتند از بیوراکتور، ماژول، غشا و میکروارگانیسمهای تجزیه کننده ی آلاینده. بیوراکتور غشایی غوطه ور، متداولترین نوع صنعتی است که نسبت به انواع دیگر، گرفتگی غشا آن کمتر گزارش شده است. ماژولهای صفحه ای گرفتگی کمتری ایجاد می کنند و عیب یابی و تعویض آنها آسانتر است. غشا انتخاب شده باید استحکام مکانیکی، مقاومت حرارتی و شیمیایی بالا و انتخاب پذیری مناسب برای جزء مورد نظر را داشته باشد. جریان مماسی ایجاد شده روی غشا حین عبور جریان متقاطع از غشا با کندن ذرات از سطح غشا، گرفتگی غشا را کاهش میدهد.

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 ۵ تا ۲۰ روز و برای سیستم MBR 20 تا ۳۰ روز می باشد.
MLSS برای فرآیند معمولی mg/l2000 و برای فرایند معمولی mg/l5000 تا mg/l2000 می باشد. زمان احتباس ۳۰ 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.

مدل های مختلف بیورآکتورهای غشایی و نحوه عملکرد آنها

بسته به نحوه ی رشد میکروارگانیسمها، بیوراکتورها به دو دسته سوسپانسیونی و بیوفیلمی تقسیم میشوند.بیوراکتورهای غشایی بر اساس نحوه قرارگیری غشا نسبت به بیوراکتور مخزنی به دو نوع سیستم دسته بندی :

الف- بیوراکتورغشایی با جریان جانبی

غشا خارج از تانک بیوراکتور تعبیه میشود. پمپ گردش مجدد، در سطح غشا سرعت مماسی ایجاد کرده و رسوب جامدات معلق بر سطح غشا و تشکیل کیک را کاهش میدهد. به این ترتیب گرفتگی غشا با صرف هزینه ی بالای پمپ کردن، کاهش مییابد.

ب- بیوراکتور غشایی غوطه ور

در این سیستم غشا داخل تانک بیوراکتور غوطه ور است. برای ایجاد جریان مماسی به منظور کاهش گرفتگی غشا، از هوادهی مستقیم بر روی سطح غشا استفاده میشود. به این ترتیب هوادهی علاوه بر تامین اکسیژن لازم میکروارگانیسمها، رسوب ذرات روی غشا را نیز کاهش می دهد. به این ترتیب با گرفتگی کمتر غشا و در نتیجه کاهش هزینه های مربوط به رفع آن، کاربرد این نوع بیوراکتور در صنایع بیشتر است.

بیوراکتورهای غشایی از نظر میزان هوادهی

بیوراکتورهای غشایی هوازی

در این سیستم از لجن فعال هوازی برای تجزیه آلاینده ها استفاده می شود. در این سیستم میکروارگانیزمها مواد آلی موجود در پساب را به دی اکسید کربن، آب و پلیمرهای برون سلولی و بیومس (EPS) تبدیل میکند. هزینه هوادهی بالا و حجم لجن تولیدی بالا و به دنبال آن مشکلات دفع لجن از معایب این سیستم می باشد.

بیوراکتورهای غشایی بی هوازی

این سیستمها به دلیل استفاده از لجن بی هوازی، مواد آلی موجود در پساب به بیو گاز (متان) و بیو مس تبدیل می شود. مشکلاتی از جمله سرعت رشد پایین بیومس در چنین سیستمهایی و بازدهی پایین سبب شده است که بیشتر از سیستمهای هوازی برای تصفیه پسابهای صنعتی استفاده شود. سرعت کم ته نشینی لجن بی هوازی و خروج آن همراه با جریان خروجی وکاربرد در زمان ماند هیدرولیکی کم باعث ناکارامدی چنین سیستمهایی شده است. در سیستمهای غشایی نیز سایز کوچکتر توده های بی هوازی که باعث

گرفتگی بیشتر غشاء می شودو همچنین دمای بالای مورد نیاز در چنین سیستمهایی نیز مزید برعلت شده است. اما دلایلی چون حجم لجن تولیدی کمتر نسبت به سیستم هوازی و عدم نیاز به انرژی برای هوادهی و تولید بیو گاز بعنوان یک منبع انرژی استفاده از این سیستمها را بطور کل منتفی نکرده است.

مزایا و معایب بیورآکتورهای غشایی

مزایای بیورآکتورهای غشایی

افزایش طول عمر غشاها به ۳ تا ۸ سال

کاهش هزینه ساخت غشاها

افزایش دبی ورودی به سیستم

قابلیت بازیافت آب

فضای مورد نیاز کمتر

کیفیت بالای آب خروجی

غلظت بالای بیومس :در سیستمهای بیوراکتور غشایی غلظت بیومس بالاتر از واحدهای تصفیه سنتی می

حجم تانک هوادهی کمتر : به دلیل غلظت بالاتر بیومس حجم تانک هوادهی کمتر می باشد.

میزان تولید لجن کمتر.

عدم مشکلات مربوط به مرحله ته نشینی

راندما ن بالاتر

بطورکلی محدودیتهای این سیستم را می توان بصورت زیر برشمرد :

۱- هزینه سرمایه گذاری بالا

۲- مصرف انرژی بالا

۳-نیاز به مهارت فنی بالای متصدی

۴- هزینه تعمیر و نگهداری

۵- مشکلات مربوط به گرفتگی غشاء و تناوب تمیز 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.