Nie ulega wątpliwości, że woda jest jednym z najcenniejszych zasobów przyrody, z których należy korzystać oszczędnie i racjonalnie. W wielu regionach na całym świecie dostępność wody (zwłaszcza słodkiej) staje się krytycznym wyzwaniem. Związane jest to między innymi z rosnącymi obostrzeniami prawnymi dotyczącymi korzystania ze środowiska. W związku z czym, właściwe pozyskiwanie i zarządzanie wodą w zakładach przemysłowych determinuje jej ogólne zużycie, a co za tym idzie wpływa na koszty operacyjne zakładu.

Przyzakładowe oczyszczalnie ścieków odgrywają kluczową rolę w gospodarce z obiegiem zamkniętym (GOZ) w każdej firmie produkcyjnej. Dlatego tak ważna powinna być filozofia odprowadzania minimalnej ilości ścieków, o właściwych parametrach jakościowych, a tym samym bezpiecznych dla środowiska. Taka polityka podyktowana jest również coraz to bardziej restrykcyjnymi uwarunkowaniami prawnymi, mającymi na celu ochronę zasobów wodnych oraz zachęcanie zakładów produkcyjnych do ponownego zagospodarowania strumienia ścieku oczyszczonego. W przypadku filozofii minimalnego zrzutu (z ang. MLD philosophy – minimum liquid discharge) „cieczy-ścieku”, odpowiednie oczyszczanie ścieków ma ogromne znaczenie dla potrzeb dalszego przetwarzania i zagospodarowywania ścieków oczyszczonych.

Większość procesów oczyszczania ścieków składa się z następujących etapów:

1. oczyszczanie mechaniczne
2. oczyszczanie fizyko-chemiczne
3. oczyszczanie biologiczne

Każdy z wyżej wymienionych etapów ma istotne znaczenie dla właściwego oczyszczania strumienia ścieku, podczas gdy proces oczyszczania biologicznego ma kluczowe znaczenie dla ostatecznego usunięcia zanieczyszczeń, w trakcie którego mikroorganizmy są wykorzystane do utleniania materii organicznej do prostych produktów (CO₂, H₂O, N₂ ) w warunkach tlenowych lub beztlenowych.

Technologie biologicznego oczyszczania ścieków – tradycyjne i nowoczesne

W tradycyjnej oczyszczalni biologicznej (gdzie wiodące są procesy tlenowe), mikroorganizmy są zawieszone w objętości cieczy, często tworząc większe kłaczki, które są stale napowietrzane w procesie tzw. barbotażu, to jest przepływu powietrza w postaci pęcherzyków przez warstwę ścieków. Jest to tak zwane biologiczne oczyszczanie ścieków metodą technologii osadu czynnego. W ostatnim czasie, coraz częściej na skalę przemysłową wprowadza się nowoczesne technologie takie jak: MBBR (reaktor z biofilmem i z zawieszonym złożem), PBBR (bioreaktor ze złożem w formie pakietu), RBC (obrotowy reaktor biologiczny), MBR (bioreaktor membranowy). Każda z tych technologii ma coś wspólnego – mikroorganizmy zaadsorbowane są do powierzchni specjalnie zaprojektowanego nośnika – złoża, dysku lub membrany. Skuteczność technologii MBBR ocenia się na poziomie 99%. Technologia ta wyróżnia się trzema głównymi cechami:

• Redukcją ChZT i toksyczności, poprawą usuwania fenolu i innych zanieczyszczeń ze strumienia ścieków
• Stabilnym procesem biologicznego oczyszczania ścieków, w celu usunięcia zawiesiny koloidalnej, redukcji materii organicznej, stężenia azotu i fosforu
• Separacją nadmiernego osadu czynnego, która jest końcowym etapem usuwania nieaktywnych mikroorganizmów w ściekach.

Korzyści technologii MBBR:

• oszczędność miejsca dzięki kompaktowym rozmiarom
• ergonomia obsługi
• wysoka skuteczność dla dużego obciążenia ładunkiem zanieczyszczeń
• duża elastyczność wobec szerokiego zakresu ładunku zanieczyszczeń, poprzez zwiększanie stopnia wypełnienia, a co za tym idzie masy mikroorganizmów
• mniejsza produkcja osadów w porównaniu z klasyczną technologią osadu czynnego
• niższe koszty związane z opłatami za odpady oraz zrzutu oczyszczonych ścieków do zewnętrznego odbiornika
• lepsza odporność technologii MBBR na wstrząsy toksyczne
• dłuższy czas retencji osadu (SRT), co usprawnia proces nitryfikacji
• technologie MBBR mogą być instalowane na istniejących obiektach z osadem czynnym.

Oczyszczalnie ścieków oparte na systemie złoża zawieszonego MBBR

Technologia MBBR wykorzystuje adsorpcję mikroorganizmów na powierzchni nośnika, co jest naturalną zdolnością mikroorganizmów do „przyczepiania” się do powierzchni o odpowiedniej strukturze i chropowatości. Dzięki temu na nośniku tworzy się tak zwany biofilm, będący cienką warstwą „przyczepionych” mikoorganizmów. Dodatkowo mikoorganizmy mają tendencję do agreacji do innych komórek – w ten sposób z czasem grubość warstw i biofilmu przyrasta.

Nośnik może mieć różne kształty, różną gęstość, dostępne obszary na powierzchni oraz różne objętości pustych przestrzeni. Wymienione właściwości wpływają na zdolności mikoorganizmów do adsorpcji oraz podwyższają powierzchnię właściwą dostępną dla mikoorganizmów. Dobrze zaprojektowany nośnik sprzyja stabilizacji biofilmu w procesie MBBR (pusta przestrzeń nie jest zatykana cząstkami ścieków, ani nadmiernym gromadzonym się biofilmem). Połączenie skutecznego mieszania poprzez napowietrzanie oraz odpowiedniej konstrukcji nośnika, daje w efekcie wydajny system oczyszczania ścieków. Unikalna struktura biofilmu oraz duża powierzchnia wymiany masy zwiększa szybkość wymiany substratów, składników odżywczych i produktów między biofilmem, a fazą ciekłą w reaktorze.

W reaktorze MBBR powietrze dostarczane jest do reaktora od dołu, co wprawia nośnik z biofilmem w ciągły ruch oraz zapewnia ujednolicenie składu w całej objętości reaktora. W rezultacie mikroorganizmy mają dobry dostęp do tlenu i składników odżywczych, przez co są w stanie wydajniej przetwarzać zanieczyszczenia, uzyskując wysokie wskaźniki redukcji. Oprócz korzyści procesowych istnieją inne atuty tej technologii, związane ze sprawniejszym działaniem, niższymi kosztami eksploatacji, mniejszą ilością tworzącego się nadmiernego osadu, lepszą odpornością na fluktuację w górnej części złoża, mniejszą ilością dostarczanych składników odżywczych do mikroorganizmów w porównaniu z konwencjonalnym reaktorem z osadem czynnym. Poniższy rysunek 1 przedstawia cykl dyfuzji składników odżywczych przez rozwinięty biofilm do powierzchni nośnika.

Rysunek 1. Schemat dyfuzji substancji rozpuszczonych między fazą ciekłą, a biofilmem na przykładzie reaktora MBBR.

Sprawność usuwania zanieczyszczeń w bioreaktorze zależy od właściwości nośnika, na którym jest tworzony biofilm, takich jak powierzchnia, morfologia, struktura porów, gęstość, hydrofobowość oraz zdolności do adsorpcji mikroorganizmów. Parametry operacyjne takie jak: pH, temperatura, hydrauliczny czas zatrzymania, stopień wypełnienia bioreaktora nośnikiem oraz obciążenie reaktora substancjami organicznymi, również wpływają na całkowitą wydajność procesu w bioreaktorze.

Rysunek 2. Schemat ideowy reaktora MBBR.

Technologia MBBR jest zalecana ze względu na długotrwałą wysoką wydajność procesów oczyszczania ścieków, w porównaniu z całkowitym kosztem inwestycyjnym oraz operacyjnym (CapEX vs OpEX). Technologia MBBR jest dedykowana do usuwania substancji organicznych, nitryfikacji i denitryfikacji, wykazując wysoką skuteczność w eliminowaniu biodegradowalnych substancji organicznych. Poprawnie zaprojektowany system MBBR, z efektywnie działającym rozdziałem osadu nadmiernego, nie wymaga żadnego dodatkowego etapu oczyszczania, by doczyścić ścieki do jakości pozwalającej na zrzut do środowiska. Dodatkowo technologia MBBR wykorzystuje kombinację wzrostu mikroorganizmów zawieszonych w osadzie czynnym oraz wzrostu na bionośniku. Stałe mieszanie przy użyciu napowietrzania drobnopęcherzykowego zapewnia ciągły ruch nośników z biofilmem, tym samym eliminując nadmiernie zlepianie się (ew. nadmierną ich agregację).

Prawidłowe systemy monitoringu i sterowania procesem na zasilaniu oczyszczalni ścieków stabilizują ten proces i skutkują lepszym efektem oczyszczania oraz kontrolą procesu. Systemy MBBR są również odporne na wysokie temperatury i obciążenie ładunkiem ChZT (ogólnie systemy MBBR mają skuteczność usuwania wartości ChZT na poziomie ok. 80%), a także tolerują skoki pH.

Technologie MBBR znajdują szerokie zastosowanie w wielu gałęziach przemysłu, między innymi w przemyśle spożywczym, farmaceutycznym, chemicznym, petrochemicznym czy tekstylnym. Kolejną wielką zaletą technologii MBBR jest to, że jest stosunkowo tania w zakupie i utrzymaniu, w porównaniu do innych nowo pojawiających się technologii oczyszczania ścieków takich jak MBR czy PBR.

Technologie MBBR na skalę przemysłową – projektowanie od podstaw

Prawidłowe zaprojektowanie reaktora MBBR często stanowi wyzwanie, ponieważ wymaganym jest, aby w pełni uwzględniał procesy mechanicznego i fizykochemicznego oczyszczania ścieków przed reaktorem MBBR. Należy zatem dogłębnie poznać charakter procesów separacji przed reaktorem MBBR, a co za tym idzie określić wskaźniki jakości i ilości wstępnie oczyszczonych ścieków, które trafiają do reaktora MBBR. W związku z tym, że reaktor MBBR jest często ostatnim etapem oczyszczania ścieków, przy projektowaniu należy również mieć na uwadze przepisy środowiskowe wyznaczające maksymalne wartości graniczne parametrów ścieków, których nie można przekroczyć.

Ogólny bilans masowy musi uwzględniać wiele czynników wpływających na proces, takich jak: temperatura, ładunki wpływających zanieczyszczeń i ich synergia, ilość tlenu dostarczonego do złoża, pH, ilość dostarczanych składników odżywczych (azot, fosfor, potas) i obecność substancji inhibitujących wzrost biofilmu. Bilans masowy wszystkich przychodzących ładunków jest podstawą do prawidłowego modelowania procesów mikrobiologicznych, co w konsekwencji przekłada się na poprawność projektu reaktora MBBR. Warto również ten proces wzbogacić o schemat blokowy, który wskazuje kierunki przepływu poszczególnych strumieni w procesie.

Ponieważ istotą technologii MBBR są procesy mikrobiologiczne, niezwykle ważne jest utrzymanie biofilmu w odpowiedniej kondycji. Warunki wewnątrz reaktora MBBR muszą być ciągle monitorowane i regulowane, aby zapewnić optymalne środowisko do rozwoju mikroorganizmów i metabolizowania przez nie napływających zanieczyszczeń. Poniżej przedstawiono parametry, które są niezbędnym minimum, na które należy zwrócić uwagę, aby zapewnić płynne działanie procesu:

1. Dostarczanie tlenu – zwykle przeprowadzane jest przy pomocy zestawu dmuchaw, które dostarczają powietrze do reaktora MBBR przez dysze drobnopęcherzykowe. Ilość tlenu jest stale monitorowana, a dawka powietrza kontrolowana. Czasami powietrze można zastąpić czystym tlenem (O₂)
2. Temperatura – optymalny zakres dla procesów biologicznych wynosi od 25°C do 35°C
3. Stosunek N ; P : K (azot/fosfor/potas). Stężenie strumienia wlotowego na wejściu jest monitorowane i w razie potrzeby przeprowadzane jest dodatkowe dozowanie azotu, potasu i fosforu
4. pH – najlepiej utrzymywać na poziomie neutralnego ~7, ale w praktyce mikroorganizmy tolerują zarówno lekko kwaśne, jak i lekko zasadowe środowisko.

Podsumowanie

Podczas realizacji swoich projektów – w tym modernizacji przemysłowych obiektów oczyszczalni ścieków, Fluor stara się wdrażać jak najbardziej korzystne rozwiązania, a co za tym idzie metody oczyszczania ścieków nowoczesne i skuteczne, przyczyniające się do intensyfikacji działań proekologicznych oraz obniżających koszty. W chwili obecnej Fluor zaproponował tą technologię podczas realizacji jednej z największej inwestycji petrochemicznej w Europie środkowo-wschodniej.

Podstawą działania MBBR jest biofilm, za pomocą którego można usunąć związki organiczne i nieorganiczne z przyzakładowych oczyszczalniach ścieków. Lata doświadczeń pokazują, że jest to wysoce efektywne i energooszczędne rozwiązanie, w połączeniu z wykorzystaniem naturalnego osadu czynnego. Ponadto, zdolności adaptacyjne biofilmu pozwalają szybko dostosowywać się reaktorom MBBR do zmieniających się warunków środowiskowych w dzisiejszym zurbanizowanym świecie.

---

Autorzy: Joanna Kucharska-Ciszek and Michał Radziwon, Process Engineers, Advanced Technologies and Life Sciences, Fluor S.A.

Żródło: Moving bed biofilm reactor- (MBBR) -based advanced wastewater treatment technology for removal of emerging contaminants, by Ravi Kumar Sonwani, Ravi Prakash Jaiswal, Birendra Nath Rai, Ram Sharan Singh (Department of Chemical Engineering & Technology, Indian Institute of Technology (Banaras Hindu University), Varanasi, Uttar Pradesh, India).