Мембранные биореакторы (МБР) представляют собой комплексные системы, объединяющие биологическое очищение сточных вод и мембранную фильтрацию. Основная функция МБР заключается в отделении микроорганизмов и твердых частиц от очищаемой жидкости с помощью мембранного барьера, что позволяет достичь высокой степени очистки и значительного снижения концентрации загрязняющих веществ.
Биологическая стадия МБР базируется на процессах микробного разложения органических соединений. Микроорганизмы, находящиеся в биореакторе, используют органические вещества в качестве источника энергии и строительного материала, превращая их в биомассу и побочные продукты метаболизма, такие как CO₂ и вода. Мембранная фильтрация обеспечивает удержание микроорганизмов в реакторе, позволяя поддерживать высокую концентрацию активного ила, что увеличивает эффективность биологического окисления и сокращает время гидравлического пребывания сточных вод.
Мембраны в МБР подразделяются на пористые и непористые. Пористые мембраны, чаще всего изготовленные из полиэфирсульфона, поливинилиденфторида или полиакриламида, обеспечивают селективное разделение жидкой и твердой фаз, удерживая коллоидные и биологические частицы. Поры мембран варьируются от ультрафильтрационных (0,01–0,1 мкм) до микро-фильтрационных (0,1–0,5 мкм), что позволяет регулировать степень очистки и пропускную способность. Непористые мембраны применяются редко и чаще служат для процессов обратного осмоса при дополнительной очистке.
Механическая структура мембраны может быть плоской, трубчатой или полупогружной. Плоские мембраны располагаются на рамах и обеспечивают компактное размещение, однако требуют сложной системы промывки. Трубчатые мембраны более устойчивы к загрязнению и позволяют проводить интенсивное промывание обратным потоком. Полупогружные мембраны устанавливаются непосредственно в резервуар с активным илом, что сокращает гидравлическое сопротивление и снижает энергозатраты.
Ключевым фактором эффективности МБР является массообмен между жидкой фазой и мембраной. Высокая концентрация микроорганизмов в реакторе приводит к образованию плотного слоя биомассы на поверхности мембраны — фильтрационного или биопленочного слоя. Этот слой увеличивает сопротивление потоку воды, что требует применения методов промывки и перемешивания.
Гидродинамика в МБР обеспечивается системами аэрации и перемешивания. Аэрация выполняет двойную функцию: насыщение среды кислородом для аэробных микроорганизмов и создание турбулентного потока, уменьшающего толщину биопленки на мембране. Интенсивность аэрации и режим рециркуляции определяют скорость удаления загрязняющих веществ и уровень забивания мембраны.
Забивание мембраны является одной из основных проблем эксплуатации МБР. Выделяют три типа загрязнения мембран:
Контроль забивания включает механическую промывку обратным потоком, химическую очистку гипохлоритом, кислородной аэрацией, а также регулирование гидродинамических условий для минимизации накопления осадка.
Эффективность МБР оценивается по следующим показателям:
МБР применяются в очистке городских и промышленных сточных вод, где требуется высокая степень удаления загрязняющих веществ и компактные установки. Они позволяют интегрировать биологическое окисление и фильтрацию в единую систему, сокращая площадь застройки и снижая эксплуатационные расходы. Современные исследования направлены на повышение долговечности мембран, снижение энергозатрат на аэрацию и создание нанокомпозитных мембран с улучшенной устойчивостью к загрязнению и биологической активности.