طراحی یک بیورآکتور غشایی MBR فقط به انتخاب نوع غشا یا تعیین حجم یک مخزن خلاصه نمی‌شود. MBR یک فرایند ترکیبی است که در آن، تصفیه بیولوژیکی فاضلاب با جداسازی غشایی ترکیب می‌شود. بنابراین طراحی آن باید هم از نظر فرایند بیولوژیکی و هم از نظر عملکرد غشا بررسی شود.

در سیستم‌های متعارف لجن فعال، جداسازی لجن از پساب معمولاً در حوض ته‌نشینی ثانویه انجام می‌شود؛ اما در MBR، این وظیفه بر عهده غشا است. همین تفاوت باعث می‌شود پارامترهایی مانند فلاکس غشا، سطح غشایی موردنیاز، گرفتگی غشا، هوادهی غشایی، زمان استراحت غشا و برنامه شست‌وشو وارد محاسبات طراحی شوند.

به همین دلیل، طراحی MBR نسبت به سیستم‌های متعارف نیازمند دقت بیشتری است؛ اما در مقابل، کیفیت پساب خروجی، کنترل فرایند و امکان استفاده مجدد از آب تصفیه‌شده نیز به‌طور قابل‌توجهی بهتر خواهد بود.

طراحی MBR از کجا شروع می‌شود؟

طراحی یک سیستم MBR معمولاً با شناخت مشخصات فاضلاب ورودی و کیفیت مورد انتظار پساب خروجی آغاز می‌شود. پیش از انتخاب غشا یا محاسبه سطح ممبران، ابتدا باید مشخص شود که سیستم قرار است چه آلاینده‌هایی را حذف کند.

مهم‌ترین اطلاعات اولیه طراحی عبارت‌اند از:

• دبی متوسط، حداکثر روزانه و پیک ساعتی فاضلاب
• غلظت BOD و COD
• غلظت TSS
• غلظت نیتروژن و فسفر
• دمای فاضلاب
• کیفیت موردنیاز پساب خروجی
• هدف از تصفیه؛ تخلیه به محیط یا استفاده مجدد
• محدودیت زمین و فضای اجرایی
• شرایط بهره‌برداری و نگهداری

برای مثال، اگر هدف فقط کاهش BOD و TSS باشد، طراحی ساده‌تر است. اما اگر هدف حذف نیتروژن نیز باشد، باید نواحی هوازی و آنوکسیک در راکتور پیش‌بینی شوند تا فرایندهای نیتریفیکاسیون و دنیتریفیکاسیون انجام شوند.

اجزای اصلی در طراحی MBR

یک سیستم MBR معمولاً از چند بخش اصلی تشکیل می‌شود:

1. واحد پیش‌تصفیه
2. راکتور بیولوژیکی
3. تانک یا محفظه غشا
4. سیستم هوادهی
5. پمپ مکش یا پمپ تراوا
6. سیستم برگشت لجن و گردش داخلی
7. سیستم شست‌وشوی غشا
8. ابزار دقیق و کنترل

هرکدام از این بخش‌ها در طراحی نقش دارند. برای مثال، اگر پیش‌تصفیه مناسب نباشد، ذرات درشت، الیاف، مو، چربی و مواد شناور می‌توانند باعث گرفتگی زودهنگام غشا شوند. به همین دلیل، در سیستم‌های MBR معمولاً استفاده از آشغالگیر ریزدانه یا fine screen اهمیت زیادی دارد.

پارامترهای کلیدی در طراحی بیولوژیکی MBR

1. دبی طراحی

اولین پارامتر مهم در طراحی MBR، دبی فاضلاب ورودی است. دبی معمولاً در چند حالت بررسی می‌شود:

• دبی متوسط روزانه
• دبی حداکثر روزانه
• دبی پیک ساعتی
• دبی حداقل

در طراحی غشا، معمولاً دبی‌های حداکثر اهمیت زیادی دارند، زیرا سطح غشا باید بتواند در شرایط بارگذاری بالا نیز پاسخگوی جریان ورودی باشد.

فرمول ساده دبی به‌صورت زیر است:

$$Q = \frac{V}{t}$$

که در آن:

نماد	معنی
$Q$	دبی
$V$	حجم
$t$	زمان

در طراحی تصفیه‌خانه، دبی معمولاً بر حسب $m^3/day$ یا $m^3/h$ بیان می‌شود.

2. زمان ماند هیدرولیکی یا HRT

HRT یا Hydraulic Retention Time نشان می‌دهد فاضلاب چه مدت در راکتور باقی می‌ماند.

فرمول آن به‌صورت زیر است:

$$HRT = \frac{V}{Q}$$

که در آن:

نماد	معنی
$HRT$	زمان ماند هیدرولیکی
$V$	حجم راکتور
$Q$	دبی ورودی

اگر حجم راکتور $1960 \, m^3$3 و دبی ورودی مثلاً $5000 \, m^3/day$باشد:

$$HRT = \frac{1960}{5000} = 0.392 \, day$$

برای تبدیل به ساعت:

$$0.392 \times 24 = 9.4 \, h$$

بنابراین زمان ماند هیدرولیکی حدود 9.4 ساعت خواهد بود.

HRT روی میزان تماس فاضلاب با میکروارگانیسم‌ها اثر دارد. اگر HRT خیلی کم باشد، فرصت کافی برای حذف آلاینده‌ها وجود ندارد. اگر بیش از حد زیاد باشد، حجم مخزن و هزینه ساخت افزایش می‌یابد.

3. غلظت MLSS در MBR

یکی از تفاوت‌های مهم MBR با لجن فعال متعارف، امکان کار در غلظت بالاتر MLSS است.

MLSS مخفف Mixed Liquor Suspended Solids است و به غلظت جامدات معلق در مخلوط لجن و فاضلاب داخل راکتور گفته می‌شود.

در سیستم‌های MBR، MLSS معمولاً می‌تواند در بازه‌های بالاتری نسبت به سیستم‌های لجن فعال متعارف قرار گیرد. برای مثال، در بسیاری از طراحی‌ها مقدار MLSS در محدوده حدودی زیر بررسی می‌شود:

$$6000 – 8000 \, mg/L$$

افزایش MLSS باعث می‌شود حجم راکتور کاهش یابد، زیرا جرم زیست‌توده بیشتری در واحد حجم وجود دارد. اما از طرف دیگر، MLSS بالا می‌تواند ویسکوزیته مخلوط را افزایش دهد و روی انتقال اکسیژن، مصرف انرژی و گرفتگی غشا اثر بگذارد.

بنابراین MLSS نباید صرفاً تا حد ممکن زیاد انتخاب شود؛ بلکه باید بین ظرفیت بیولوژیکی، انرژی هوادهی و عملکرد غشا تعادل برقرار شود.

4. سن لجن یا SRT

SRT یا Solids Retention Time یکی از مهم‌ترین پارامترهای طراحی فرایندهای بیولوژیکی است. SRT نشان می‌دهد جامدات بیولوژیکی یا همان لجن فعال، به‌طور متوسط چند روز در سیستم باقی می‌مانند.

فرمول کلی SRT به‌صورت زیر است:

$$SRT = \frac{\text{جرم جامدات داخل سیستم}}{\text{جرم جامدات دفع‌شده در روز}}$$

به شکل مهندسی‌تر:

$$SRT = \frac{V \times X}{Q_w \times X_w + Q_e \times X_e}$$​

که در آن:

نماد	معنی
$V$	حجم راکتور
$X$	غلظت MLSS در راکتور
$Q_w$​	دبی لجن دفعی
$X_w$​	غلظت جامدات در لجن دفعی
$Q_e$​	دبی پساب خروجی
$X_e$​	غلظت جامدات در پساب خروجی

در MBR، چون غشا مانع خروج ذرات معلق و زیست‌توده می‌شود، مقدار $X_e$Xe​ معمولاً بسیار پایین است. به همین دلیل کنترل SRT در MBR دقیق‌تر و مستقل‌تر از HRT انجام می‌شود.

برای بسیاری از سیستم‌های MBR، SRT طراحی می‌تواند در محدوده‌ای مانند 10 تا 20 روز قرار گیرد. برای نمونه، مقدار 14 روز می‌تواند به‌عنوان یک SRT طراحی در نظر گرفته شود.

SRT بالاتر معمولاً باعث پایداری بیشتر فرایند و کاهش تولید لجن می‌شود، اما ممکن است روی ویژگی‌های لجن، اکسیژن‌خواهی و گرفتگی غشا نیز اثر بگذارد.

5. ناحیه آنوکسیک و حذف نیتروژن

اگر هدف سیستم، حذف نیتروژن باشد، طراحی باید شامل نواحی مختلف فرایندی باشد. حذف نیتروژن معمولاً در دو مرحله انجام می‌شود:

نیتریفیکاسیون

در ناحیه هوازی، آمونیاک توسط باکتری‌های نیتریفایر به نیترات تبدیل می‌شود:

$$NH_4^+ \rightarrow NO_2^- \rightarrow NO_3^-$$

دنیتریفیکاسیون

در ناحیه آنوکسیک، نیترات به گاز نیتروژن تبدیل شده و از سیستم خارج می‌شود:

$$NO_3^- \rightarrow N_2 \uparrow$$

برای انجام دنیتریفیکاسیون، وجود منبع کربن قابل‌مصرف ضروری است. به همین دلیل، در بعضی طراحی‌ها بخشی از فاضلاب خام به ناحیه آنوکسیک هدایت می‌شود تا کربن لازم برای باکتری‌های دنیتریفایر فراهم شود.

در برخی نمونه‌های طراحی، حدود 25 درصد حجم راکتور به ناحیه آنوکسیک اختصاص داده می‌شود. البته این عدد ثابت و عمومی نیست و باید بر اساس کیفیت فاضلاب، هدف حذف نیتروژن و طراحی فرایندی تعیین شود.

طراحی بخش غشایی MBR

بعد از طراحی بیولوژیکی، نوبت به طراحی بخش غشایی می‌رسد. این بخش یکی از مهم‌ترین تفاوت‌های MBR با سیستم‌های متعارف است.

در MBR، غشا وظیفه جداسازی جامدات، میکروارگانیسم‌ها و ذرات معلق را از پساب تصفیه‌شده بر عهده دارد. بنابراین سطح غشا، فلاکس، جنس غشا، نوع ماژول و برنامه شست‌وشو همگی در عملکرد سیستم نقش دارند.

فلاکس در MBR چیست؟

یکی از مهم‌ترین مفاهیم در طراحی MBR، فلاکس یا Flux است.

فلاکس یعنی مقدار آبی که در واحد زمان از واحد سطح غشا عبور می‌کند.

فرمول فلاکس:

$$J = \frac{Q_p}{A}$$

که در آن:

نماد	معنی
$J$	فلاکس
$Q_p$	دبی آب عبوری از غشا یا permeate flow
$A$	سطح مؤثر غشا

واحد رایج فلاکس در MBR معمولاً LMH است:

$$LMH = \frac{L}{m^2 \cdot h}$$

یعنی:

فلاکس برابر است با لیتر بر مترمربع در ساعت

برای مثال، اگر فلاکس طراحی برابر با:

$$30.5 \, LMH$$

باشد، یعنی هر مترمربع غشا در هر ساعت می‌تواند حدود 30.5 لیتر آب تصفیه‌شده تولید کند.

محاسبه سطح غشا

برای تعیین سطح غشای موردنیاز، از رابطه فلاکس استفاده می‌شود:

$$A = \frac{Q_p}{J}$$

اما باید به واحدها دقت کرد.

اگر دبی بر حسب $m^3/day$m3/day باشد و فلاکس بر حسب $L/m^2.h$L/m2.h، ابتدا باید دبی به لیتر بر ساعت تبدیل شود:

$$Q_p(L/h) = Q(m^3/day) \times \frac{1000}{24}$$​

سپس سطح غشا محاسبه می‌شود:

$$A(m^2) = \frac{Q_p(L/h)}{J(L/m^2.h)}$$

مثال محاسباتی

فرض کنیم دبی طراحی برابر باشد با:

$$Q = 5000 \, m^3/day$$

و فلاکس طراحی:

$$J = 30.5 \, LMH$$

ابتدا دبی را به لیتر بر ساعت تبدیل می‌کنیم:

$$Q = 5000 \times \frac{1000}{24}$$

$$Q = 208333 \, L/h$$

حالا سطح غشا:

$$A = \frac{208333}{30.5}$$

$$A \approx 6831 \, m^2$$

بنابراین برای این دبی و این فلاکس، حدود 6831 مترمربع سطح مؤثر غشا لازم است.

البته در طراحی واقعی، این عدد باید با در نظر گرفتن ضرایب اطمینان، شرایط پیک، گرفتگی، دمای فاضلاب، downtime، شست‌وشو و خارج بودن احتمالی یک train از مدار اصلاح شود.

چرا انتخاب فلاکس خیلی حساس است؟

انتخاب فلاکس یکی از تصمیم‌های کلیدی در طراحی MBR است. اگر فلاکس بیش از حد بالا انتخاب شود:

• گرفتگی غشا سریع‌تر رخ می‌دهد
• TMP افزایش پیدا می‌کند
• تعداد دفعات شست‌وشو بیشتر می‌شود
• عمر غشا کاهش می‌یابد
• مصرف انرژی و مواد شیمیایی افزایش می‌یابد

از طرف دیگر، اگر فلاکس خیلی پایین انتخاب شود:

• سطح غشای بیشتری لازم است
• تعداد ماژول‌ها افزایش می‌یابد
• هزینه سرمایه‌گذاری اولیه بیشتر می‌شود

بنابراین طراحی MBR همیشه بین دو موضوع در حال تعادل است:

کاهش هزینه اولیه از یک طرف، و حفظ پایداری بهره‌برداری از طرف دیگر.

TMP چیست و چه ارتباطی با فلاکس دارد؟

TMP یا Transmembrane Pressure به اختلاف فشار دو طرف غشا گفته می‌شود. این فشار نیروی محرک عبور آب از غشا است.

رابطه ساده بین فلاکس و TMP را می‌توان به‌صورت زیر در نظر گرفت:

$$J = \frac{TMP}{\mu R_t}$$

که در آن:

نماد	معنی
$J$	فلاکس
$TMP$	فشار عبوری از غشا
$\mu$	ویسکوزیته سیال
$R_t$	مقاومت کل غشا و لایه گرفتگی

با افزایش فولینگ، مقاومت کل $R_t$Rt​ افزایش پیدا می‌کند. در نتیجه برای حفظ همان فلاکس، باید TMP بالاتر برود.

به همین دلیل، افزایش TMP در طول بهره‌برداری معمولاً یکی از نشانه‌های گرفتگی غشا است.

محاسبه تعداد ماژول‌ها یا subunitها

بعد از محاسبه سطح کل غشا، باید مشخص شود این سطح چگونه با ماژول‌ها یا subunitهای واقعی تأمین می‌شود.

اگر سطح هر subunit کوچک برابر باشد با:

$$32 \, m^2$$

و سطح کل موردنیاز مثلاً:

$$6831 \, m^2$$

تعداد subunitهای کوچک برابر است با:

$$N = \frac{A_{total}}{A_{subunit}}$$

$$N = \frac{6831}{32}$$

$$N \approx 214$$

چون تعداد subunit باید عدد صحیح باشد، مقدار به سمت بالا گرد می‌شود:

$$N = 214 \text{ یا } 215$$

اگر هر large subunit شامل 48 عدد small subunit باشد، تعداد large subunitها به شکل زیر محاسبه می‌شود:

$$N_{large} = \frac{N_{small}}{48}$$

$$N_{large} = \frac{214}{48}$$

$$N_{large} \approx 4.46$$

بنابراین در طراحی واقعی، باید حداقل 5 large subunit در نظر گرفته شود.

مفهوم train در طراحی MBR

در طراحی MBR، غشاها معمولاً در چند خط یا train تقسیم می‌شوند.

train به یک مجموعه مستقل یا نیمه‌مستقل از ماژول‌های غشایی گفته می‌شود که می‌تواند وارد مدار یا از مدار خارج شود.

تقسیم سیستم به چند train چند مزیت دارد:

• امکان تعمیر و نگهداری بدون توقف کامل سیستم
• افزایش قابلیت اطمینان
• امکان شست‌وشوی بخشی از سیستم
• انعطاف‌پذیری در برابر تغییرات دبی
• امکان توسعه آینده

در طراحی‌های مهندسی، ممکن است سیستم طوری طراحی شود که حتی اگر یک train از مدار خارج شود، باقی trainها بتوانند دبی طراحی را عبور دهند.

این مفهوم به عنوان redundancy یا افزونگی شناخته می‌شود.

فضای رزرو غشا در طراحی

در طراحی‌های حرفه‌ای، معمولاً مقداری فضای رزرو برای نصب غشای اضافی در آینده در نظر گرفته می‌شود.

برای مثال، ممکن است برای هر train حدود 10 درصد فضای رزرو پیش‌بینی شود.

این فضا ممکن است در ابتدا با غشا پر نشود، اما اگر در آینده به دلیل افزایش دبی، کاهش عملکرد غشا یا فولینگ پیش‌بینی‌نشده نیاز به سطح بیشتر باشد، امکان نصب غشای اضافی وجود خواهد داشت.

این کار باعث می‌شود طراحی سیستم فقط برای شرایط روز اول نباشد، بلکه قابلیت سازگاری با شرایط آینده را نیز داشته باشد.

بارگذاری جامدات روی غشا

علاوه بر فلاکس آب، در طراحی MBR باید به بارگذاری جامدات نیز توجه کرد. یکی از مفاهیم مهم در این زمینه solids flux است.

فرمول ساده آن را می‌توان به‌صورت زیر نوشت:

$$J_s = J \times X$$

که در آن:

نماد	معنی
$J_s$	شار یا بارگذاری جامدات
$J$	فلاکس عبوری
$X$	غلظت جامدات معلق یا MLSS

البته در محاسبات دقیق، باید واحدها با دقت تبدیل شوند.

اگر:

$$J = 30.5 \, L/m^2.h$$

و:

$$X = 8000 \, mg/L$$

آنگاه:

$$J_s = 30.5 \times 8000$$

$$J_s = 244000 \, mg/m^2.h$$

تبدیل به گرم:

$$J_s = 244 \, g/m^2.h$$

اگر مقدار مجاز بارگذاری جامدات مثلاً:

$$325 \, g/m^2.h$$

باشد، مقدار محاسبه‌شده یعنی 244 g/m².h کمتر از حد مجاز است و از این نظر قابل قبول خواهد بود.

این نوع بررسی کمک می‌کند مطمئن شویم غشا فقط از نظر عبور آب، بلکه از نظر مواجهه با جامدات معلق نیز در محدوده مناسب کار می‌کند.

هوادهی غشا یا Air Scouring

در MBR، هوادهی فقط برای تأمین اکسیژن موردنیاز میکروارگانیسم‌ها نیست. بخشی از هوادهی برای تمیز نگه داشتن سطح غشا استفاده می‌شود که به آن air scouring گفته می‌شود.

در air scouring، حباب‌های هوا در کنار سطح غشا حرکت می‌کنند و با ایجاد آشفتگی، از تجمع لایه لجن و ذرات روی سطح غشا جلوگیری می‌کنند.

مزایای air scouring عبارت‌اند از:

• کاهش سرعت فولینگ
• کاهش تشکیل cake layer
• حفظ پایداری فلاکس
• کاهش نیاز به شست‌وشوی شیمیایی
• افزایش عمر مفید غشا

در طراحی MBR، air scouring ممکن است به‌صورت پیوسته یا متناوب انجام شود.

زمان استراحت غشا یا Relaxation

یکی از روش‌های بهره‌برداری برای کنترل فولینگ، استفاده از relaxation است.

در این روش، مکش غشا برای مدت کوتاهی متوقف می‌شود، اما معمولاً هوادهی ادامه پیدا می‌کند. این توقف کوتاه باعث می‌شود بخشی از ذرات نشسته روی سطح غشا جدا شوند.

برای مثال، ممکن است سیستم به این شکل کار کند:

• هر 12 دقیقه
• به مدت 30 ثانیه
• عملیات فیلتراسیون متوقف شود

این کار ساده به نظر می‌رسد، اما در پایداری بلندمدت غشا بسیار مؤثر است.

شست‌وشوی غشا در طراحی MBR

هیچ سیستم MBR بدون شست‌وشوی غشا طراحی نمی‌شود.

حتی با وجود air scouring و relaxation، باز هم در طول زمان بخشی از مواد آلی، بیولوژیکی، کلوئیدی یا معدنی روی سطح یا داخل منافذ غشا تجمع پیدا می‌کنند.

به همین دلیل، طراحی باید شامل برنامه شست‌وشو باشد.

1. شست‌وشوی نگهداری یا Maintenance Cleaning

این نوع شست‌وشو با هدف جلوگیری از تشدید فولینگ انجام می‌شود و معمولاً در فواصل کوتاه‌تر اجرا می‌شود.

برای مثال:

• هر 4 روز
• به مدت 60 دقیقه

این نوع شست‌وشو کمک می‌کند عملکرد غشا در محدوده پایدار باقی بماند.

2. شست‌وشوی بازیابی یا Recovery Cleaning

این شست‌وشو عمیق‌تر است و معمولاً زمانی انجام می‌شود که عملکرد غشا کاهش محسوس پیدا کرده یا TMP به محدوده بالاتری رسیده باشد.

برای مثال:

• هر 180 روز
• به مدت 8 ساعت

هدف recovery cleaning بازگرداندن بخشی از ظرفیت اولیه غشا است.

فولینگ؛ مهم‌ترین چالش طراحی MBR

Fouling یا گرفتگی غشا مهم‌ترین چالش بهره‌برداری در MBR است.

فولینگ زمانی رخ می‌دهد که ذرات، مواد آلی، میکروارگانیسم‌ها، پلیمرهای زیستی یا مواد معدنی روی سطح غشا یا در منافذ آن تجمع پیدا کنند.

انواع رایج فولینگ عبارت‌اند از:

نوع فولینگ	توضیح
فولینگ فیزیکی	تجمع ذرات و لایه لجن روی سطح غشا
فولینگ آلی	رسوب مواد آلی و کلوئیدی
فولینگ بیولوژیکی	رشد میکروارگانیسم‌ها و تشکیل biofilm
فولینگ معدنی	رسوب ترکیبات معدنی و scaling

برای کنترل فولینگ، چند راهکار اصلی وجود دارد:

• انتخاب فلاکس مناسب
• کنترل MLSS
• پیش‌تصفیه مناسب
• هوادهی غشایی کافی
• relaxation
• backwash در برخی سیستم‌ها
• شست‌وشوی شیمیایی دوره‌ای
• کنترل چربی، روغن و گریس
• جلوگیری از ورود الیاف و ذرات درشت

طراحی MBR با سیستم لجن فعال متعارف چه تفاوتی دارد؟

در سیستم لجن فعال متعارف یا CAS، پس از راکتور بیولوژیکی، مخلوط لجن وارد حوض ته‌نشینی ثانویه می‌شود. در آنجا لجن ته‌نشین شده و پساب زلال از بالا خارج می‌شود.

اما در MBR، ته‌نشینی ثانویه حذف می‌شود و غشا وظیفه جداسازی را انجام می‌دهد.

این تفاوت چند نتیجه مهم دارد:

موضوع	لجن فعال متعارف CAS	بیورآکتور غشایی MBR
جداسازی جامدات	حوض ته‌نشینی	غشا
وابستگی به ته‌نشینی لجن	زیاد	بسیار کم
کیفیت پساب	خوب	بسیار بالا
MLSS قابل بهره‌برداری	معمولاً پایین‌تر	بالاتر
فضای موردنیاز	بیشتر	کمتر
حساسیت به فولینگ	ندارد	دارد
نیاز به طراحی غشا	ندارد	دارد
هزینه انرژی	معمولاً کمتر	معمولاً بیشتر
امکان استفاده مجدد از پساب	محدودتر	مناسب‌تر

بنابراین طراحی MBR فقط طراحی یک راکتور بیولوژیکی نیست؛ بلکه طراحی هم‌زمان یک فرایند زیستی و یک سیستم جداسازی غشایی است.

ترتیب کلی محاسبات طراحی MBR

به‌صورت خلاصه، طراحی MBR می‌تواند طبق مسیر زیر انجام شود:

مرحله 1: تعیین داده‌های ورودی

• دبی
• BOD/COD
• TSS
• TN/TP
• دما
• کیفیت پساب موردنیاز

مرحله 2: انتخاب آرایش فرایندی

• فقط هوازی
• آنوکسیک/هوازی
• بی‌هوازی/آنوکسیک/هوازی
• همراه با حذف نیتروژن و فسفر

مرحله 3: تعیین حجم راکتور

با توجه به:

• HRT
• بار آلی
• SRT
• MLSS
• نیاز حذف نیتروژن

مرحله 4: تعیین MLSS و SRT

بر اساس:

• کیفیت پساب
• تولید لجن
• پایداری فرایند
• نیتریفیکاسیون
• محدودیت‌های غشا

مرحله 5: محاسبه سطح غشا

با استفاده از:

$$A = \frac{Q_p}{J}$$

مرحله 6: تعیین تعداد ماژول‌ها

با استفاده از:

$$N = \frac{A_{total}}{A_{module}}$$

مرحله 7: تعیین تعداد trainها

با توجه به:

• redundancy
• امکان خروج یک train از مدار
• دبی پیک
• شست‌وشو و تعمیرات

مرحله 8: بررسی air scouring و cleaning

شامل:

• نرخ هوادهی غشا
• زمان relaxation
• maintenance cleaning
• recovery cleaning

مرحله 9: کنترل فولینگ و TMP

شامل:

• بررسی روند TMP
• کنترل فلاکس
• بررسی solids flux
• تعیین برنامه شست‌وشو

یک مثال ساده طراحی سطح غشا

فرض کنیم اطلاعات زیر را داریم:

پارامتر	مقدار
دبی طراحی	5000 m³/day
فلاکس طراحی	30.5 LMH
سطح هر subunit	32 m²
تعداد small subunit در هر large subunit	48

ابتدا دبی را تبدیل می‌کنیم:

$$Q = 5000 \times \frac{1000}{24}$$​

$$Q = 208333 \, L/h$$

حالا سطح غشا:

$$A = \frac{208333}{30.5}$$

$$A = 6831 \, m^2$$

تعداد small subunit:

$$N_{small} = \frac{6831}{32}$$​

$$N_{small} = 213.5$$

یعنی حداقل:

$$214 \, small \, subunits$$

تعداد large subunit:

$$N_{large} = \frac{214}{48}$$​

$$N_{large} = 4.46$$

بنابراین باید حداقل:

$$5 \, large \, subunits$$

در نظر گرفته شود.

در طراحی واقعی، این عدد با توجه به موارد زیر اصلاح می‌شود:

• پیک دبی
• خارج بودن یک train از مدار
• افت عملکرد غشا در زمان بهره‌برداری
• ضریب اطمینان
• برنامه شست‌وشو
• فضای رزرو آینده

نکات مهم مهندسی در طراحی MBR

در طراحی MBR باید به چند نکته مهم توجه شود:

1. پیش‌تصفیه را جدی بگیرید

MBR نسبت به ورود الیاف، مو، پلاستیک، چربی و ذرات درشت حساس است. بنابراین استفاده از fine screen مناسب ضروری است.

2. فلاکس را بیش از حد خوش‌بینانه انتخاب نکنید

فلاکس بالا ممکن است در ابتدا سطح غشا و هزینه اولیه را کاهش دهد، اما در بهره‌برداری باعث فولینگ، افزایش TMP و شست‌وشوی مکرر می‌شود.

3. MLSS بالا همیشه بهتر نیست

افزایش MLSS باعث کاهش حجم راکتور می‌شود، اما می‌تواند انتقال اکسیژن را سخت‌تر کند و گرفتگی غشا را افزایش دهد.

4. redundancy در طراحی ضروری است

سیستم باید بتواند در زمان شست‌وشو، تعمیرات یا خروج یک train از مدار همچنان کار کند.

5. cleaning strategy بخشی از طراحی است، نه بهره‌برداری بعدی

برنامه شست‌وشوی غشا باید از همان مرحله طراحی در نظر گرفته شود.

6. کنترل چربی و FOG بسیار مهم است

چربی، روغن و گریس می‌توانند عملکرد غشا را به‌شدت تحت تأثیر قرار دهند. به همین دلیل، در طراحی باید محدودیت FOG و واحدهای پیش‌تصفیه مناسب در نظر گرفته شود.

جدول خلاصه پارامترهای مهم طراحی MBR

پارامتر	نقش در طراحی
دبی طراحی	تعیین حجم راکتور و سطح غشا
HRT	زمان تماس فاضلاب با زیست‌توده
SRT	کنترل سن لجن و پایداری بیولوژیکی
MLSS	تعیین غلظت زیست‌توده در راکتور
Flux	تعیین ظرفیت عبور آب از غشا
Membrane Area	سطح لازم برای تولید پساب
TMP	شاخص فشار و وضعیت گرفتگی غشا
Air Scour	کنترل فولینگ سطحی
Relaxation	کاهش تجمع ذرات روی غشا
Maintenance Cleaning	شست‌وشوی دوره‌ای سبک
Recovery Cleaning	شست‌وشوی عمیق برای بازیابی عملکرد
Redundancy	حفظ عملکرد در زمان خروج train از مدار

جمع‌بندی

طراحی بیورآکتور غشایی MBR یک فرایند چندبعدی است. در این سیستم، مهندس طراح باید هم‌زمان به عملکرد بیولوژیکی، کیفیت پساب، ظرفیت غشا، فلاکس، MLSS، SRT، هوادهی، فولینگ و برنامه شست‌وشو توجه کند.

برخلاف سیستم‌های لجن فعال متعارف که جداسازی جامدات در حوض ته‌نشینی انجام می‌شود، در MBR این وظیفه بر عهده غشا است. همین موضوع باعث می‌شود پارامترهایی مثل فلاکس، سطح غشا، TMP، air scouring و cleaning cycle در قلب طراحی قرار بگیرند.

اگر بخواهیم طراحی MBR را در یک جمله خلاصه کنیم:

طراحی MBR یعنی ایجاد تعادل بین فرایند بیولوژیکی پایدار، سطح غشای کافی، فلاکس منطقی، کنترل فولینگ و بهره‌برداری قابل‌اعتماد.

به همین دلیل، MBR اگرچه نسبت به سیستم‌های متعارف پیچیدگی بیشتری دارد، اما در صورت طراحی صحیح می‌تواند پسابی با کیفیت بسیار بالا و مناسب برای استفاده مجدد

فلاکس در MBR چیست؟

فلاکس مقدار آبی است که در واحد زمان از واحد سطح غشا عبور می‌کند و معمولاً با واحد LMH یا لیتر بر مترمربع در ساعت بیان می‌شود.

فرمول محاسبه سطح غشا در MBR چیست؟

فرمول ساده محاسبه سطح غشا به‌صورت $A = Q/J$A=Q/J است؛ یعنی سطح غشا برابر است با دبی عبوری تقسیم بر فلاکس طراحی.

SRT در طراحی MBR چه نقشی دارد؟

SRT یا سن لجن نشان می‌دهد لجن فعال چه مدت در سیستم باقی می‌ماند. این پارامتر روی پایداری فرایند، نیتریفیکاسیون و تولید لجن اثر دارد.

چرا در MBR به air scouring نیاز داریم؟

air scouring با ایجاد آشفتگی در اطراف سطح غشا، از تجمع ذرات و تشکیل لایه گرفتگی جلوگیری می‌کند و باعث پایداری عملکرد غشا می‌شود.

مهم‌ترین چالش طراحی MBR چیست؟

مهم‌ترین چالش طراحی و بهره‌برداری MBR، کنترل فولینگ یا گرفتگی غشا است. انتخاب فلاکس مناسب، هوادهی غشایی، relaxation و شست‌وشوی دوره‌ای از راهکارهای کنترل فولینگ هستند.