Membránové bioreaktory ‒ biotechnologie ve službách čištění vody

Problematika čištění odpadních vod tak i s ohledem na vzrůstající legislativní nároky představuje skutečnou výzvu. Řešení přináší prudce se rozvíjející oblast biotechnologií. Mnohé z nich pronikly i do vodohospodářství. Membránové bioreaktory (MBR) jsou inovativní a účinná zařízení na čištění vody spojující v sobě princip biologického čištění se separací nečistot na membráně.

Jak pracují MBR

MBR pracují ve dvou krocích. V prvním se využívá schopnosti mikroorganismů rozkládat ve vodě obsažené nežádoucí látky (klasické biologické čištění odpadních vod) a v druhém probíhá separace nečistot a kalu přes speciální membránu. Tok kapaliny pohání rozdílný tlak před a za membránou. MBR se, stejně jako konvenční biologické čistírny odpadních vod, dělí na aerobní a anaerobní. Další dělení vychází například z konstrukčního uspořádání ‒ existují bioreaktory, které mají membránu zabudovanou uvnitř své konstrukce a bioreaktory s membránou externí.

Ilustrace membránového bioreaktoru

Aktivovaný kal

Rozkladné pochody probíhají v nádrži, která funguje stejně jako aktivační nádrž v procesu konvenčního čištění. V bioreaktoru je přítomná směs mikroorganismů ‒ aktivovaný kal. Tvoří ho nejen bakterie, ale i mikroskopické houby, viry nebo mnohobuněčné organismy, například krytenky nebo hlístice. Obsah je provzdušňován, aby mikroorganismy mohly optimálně pracovat. Provzdušňovaný aktivovaný kal se poté pod tlakem vhání na membránu, která zadrží nerozpustné frakce. Část zachyceného kalu se vrací zpět do procesu pro další čištění.

Provzdušňovaný aktivovaný kal

Membrána ‒ místo, kde dochází k filtraci

Filtrace vody probíhá přes jednu nebo více membrán. Membrány se dělí podle velikosti pórů, struktury a tvaru. Vyrábí se z nejrůznějších organických i anorganických materiálů, například z celulózy, polyamidu, keramiky nebo kovů. V čištění odpadních vod se nejvíce používají membrány na bázi plastů. Moduly membrán mohou být deskové nebo vláknité. Kvalita vody, která z bioreaktoru odchází, je závislá na velikosti membránových pórů. Póry bývají velké od několika desítek nanometrů do přibližně 0,5 mikrometrů. Nejúčinnější a zároveň nejpoužívanější jsou membrány s otvory menšími než 0,2 mikrometry. Propustnost membrány ovlivňuje mnoho činitelů ‒ zejména obsah koloidních látek a polysacharidů.

Výhody a nevýhody membránových bioreaktorů

Klasické čistírny odpadních vod tvoří hrubé a jemné česle, lapače pevných částic, usazovací, aktivační a dosazovací nádrž a nádrž kalová pro anaerobní vyhnívání. Celý komplex čistírny je náročný na prostor. MBR mají tu výhodu, že je lze zabudovat do již existujících objektů a potom odpadne potřeba budovat další nádrže například při zvyšování kapacity dané ČOV. Filtrace vody membránou nahradí procesy sedimentace a částečně i dezinfekce vody. V bioreaktorech MBR je koncentrace aktivovaného kalu vyšší než u konvenční čistírny odpadních vod ‒ pohybuje se kolem 10 gramů na litr, u standardní čistírny bývá toto číslo kolem 4 g/L.

Každý bioreaktor lze přizpůsobit místním podmínkám. Provozovatel se může sám rozhodnout, jak vysoký stupeň přečištění je pro dané účely potřebný.

Pořízení MBR je spojeno s vyššími ekonomickými vstupy, protože membránové technologie bývají drahé. Na druhou stranu je chod bioreaktorů spjatý s nižšími provozními náklady. MBR sice nepracují bezobslužně, ale významná část chodu je řízená automatikou. Hlavní část nákladů na provoz je spojená právě s membránou. Je také nutné zařadit správný krok předčištění v podobě jemnějších česlí, aby písek nebo ostré úlomky jiných materiálů membránu nepoškodily.

MBR ‒ zajímavosti

• Technologie není zcela nová. První MBR začala vyrábět v šedesátých letech minulého století firma Dorr Olivier (2). K boomu bioreaktorů dochází v posledních desíti letech. V současnosti je využívá více než 200 zemí (3).
• Prudký rozmach bioreaktorů proběhl na počátku 90. let v Japonsku. To souviselo s novým přístupem k čištění odpadních vody, kdy se Japonsko snažilo aplikovat úsporná a zároveň ekologická řešení.
• První membránová čistírna odpadních vod v České republice byla uvedena do provozu v obci Chýně. Zakázku realizovala společnost ASIO s r.o. (4).
• Membrány nejvýkonnějších MBR se vyrábějí z nanomateriálů.

Závěr

MBR mají velký aplikační potenciál. Lze je využít k čištění odpadních vod nejrůznějšího původu. Vyznačují se vysokým stupněm automatizace a malou ekologickou stopou. Proces filtrace přes selektivně propustnou membránu představuje alternativu k separačnímu stupni používaném v klasickém čištění. MBR dokážou zadržet dokonce některé choroboplodné zárodky, část antibiotika nebo pesticidy. To vše je důvodem, proč má v posledních letech trh s MBR vzestupnou tendenci.

Zdroje

1. https://www.epa.gov/sites/production/files/2019-08/documents/membrane_bioreactor_fact_sheet_p100il7g.pdf
2. https://www.filtsep.com/content/features/the-rise-of-membrane-bioreactors
3. https://www.thembrsite.com/what-are-the-advantages-of-membrane-bioreactors/
4. https://voda.tzb-info.cz/likvidace-odpadnich-vod/7440-prvni-realizace-membranove-cov-v-cr