A study of membrane bioreactors for wastewater treatment and water reclamation

Abstract

Membrane Bioreactors (MBR), integrating membrane technology with biological processing, have emerged as an innovative technology, ideal for advanced wastewater treatment and water reclamation. The advantages of MBR are partly reduced by membrane fouling, comprising a host of complicated phenomena that result from the interactions between the biological active mixed liquor and the membrane. Τhe goal of this thesis is to contribute to a better understanding of the close interrelationship between biological processes and membrane filtration, with emphasis on the effect that externally controlled system parameters have on membrane fouling through their influence on specific mixed liquor physicochemical characteristics. The review of the relevant literature reveals the critical role of two specific organic fractions on membrane fouling phenomena; i.e. the soluble organic fraction present in the mixed liquor supernatant (DOM) and the particulate biopolymers that comprise the extracellular matrix of the bacteria bioflocs (EPS). Α mathematical modeling approach of activated sludge bioprocesses, de novo focused on the specific needs of MBR technology is introduced (ASM_MBR), whereas a laboratory scale aerobic, submerged type MBR pilot system that closely simulates the filtration operation of full-scale MBR plants has been designed, constructed and continuously operated for 702 days. A carefully designed protocol of experimental measurements has been implemented to collect reliable data for evaluation of MBR performance, for ASM_MBR calibration and validation, and for assessment of membrane filtration performance in respect of the concentration profiles of DOM and EPS organic fractions. Regarding MBR operating conditions in practice, the experimental data of this study clearly suggest that under moderately high SRT values (e.g. 40 d), the consistently high wastewater treatment efficiency can be accompanied by satisfactory membrane filtration performance. The systematic data analysis has provided ample evidence on the critical and multiple role that DOM and EPS play concerning membrane filtration and has led to identification of mechanisms and phenomena, which significantly affect membrane fouling tendency and deserve further investigation. It is expected that the ASM_MBR mathematical framework can contribute in this direction, constituting a valuable tool for the integration of bioprocesses simulation and membrane filtration modeling.

Οι βιοαντιδραστήρες μεμβρανών αποτελούν μια καινοτόμο τεχνολογία, ιδανική για την επεξεργασία λυμάτων και την ανάκτηση του επεξεργασμένου νερού, μέσω της συνδυασμένης χρήσης της τεχνολογίας των μεμβρανών και της βιολογικής επεξεργασίας. Στόχος της διδακτορικής διατριβής είναι να συνεισφέρει στην καλύτερη κατανόηση της στενής αλληλεπίδρασης μεταξύ των βιολογικών δράσεων και της διήθησης διαμέσου της μεμβράνης, με έμφαση στην επιρροή που έχουν εξωτερικά ρυθμιζόμενες λειτουργικές μεταβλητές πάνω στο φαινόμενο της ρύπανσης των μεμβρανών, επηρεάζοντας κρίσιμα φυσικοχημικά χαρακτηριστικά του διηθούμενου υγρού (μικτό υγρό). Η ανασκόπηση της σχετικής βιβλιογραφίας αποκαλύπτει τον σημαντικό ρόλο που παίζουν δύο συγκεκριμένα οργανικά κλάσματα του μικτού υγρού: το διαλυτό οργανικό κλάσμα του μικτού υγρού (Dissolved Organic Matter - DOM) και τα σωματιδιακής φύσεως βιοπολυμερή, τα οποία σχηματίζουν το εξωκυτταρικό συνεκτικό σύμπλεγμα των αιωρούμενων βιοσυσσωματωμάτων του μικτού υγρού (Extracellular Polymeric Substances - EPS). Αναπτύχθηκε ένα μαθηματικό μοντέλο των βιοδιεργασίων σε βιοαντιδραστήρες μεμβρανών (μοντέλο ASM_MBR), εξ’ αρχής εστιασμένο στις ανάγκες της συγκεκριμένης τεχνολογίας ενώ παράλληλα σχεδιάστηκε και κατασκευάστηκε ένα πιλοτικό σύστημα βιοαντιδραστήρα μεμβρανών εργαστηριακής κλίμακας, που προσομοιάζει την λειτουργία συστημάτων πραγματικής κλίμακας. Ακολουθήθηκε ένα προσεκτικά σχεδιασμένο πρωτόκολλο μετρήσεων που αποσκοπούσε στη συλλογή πειραματικών δεδομένων για τη βαθμονόμηση και τελικό έλεγχο του μοντέλου ASM_MBR καθώς και για τη μελέτη της ρύπανσης των μεμβρανών σε σχέση με τις συγκεντρώσεις των οργανικών κλασμάτων DOM και EPS. Συνολικά, καθόσον αφορά της βέλτιστες λειτουργικές συνθήκες των βιοαντιδραστήρων μεμβρανών στην πράξη, τα δεδομένα της παρούσας μελέτης δείχνουν καθαρά ότι σε σχετικά υψηλές τιμές χρόνου παραμονής στερεών (ενδεικτικά 40 d) το σταθερά υψηλής ποιότητας διήθημα συνδυάζεται με ικανοποιητική απόδοση των μεμβρανών. Η συστηματική ανάλυση των πειραματικών δεδομένων υποστηρίζει σαφώς τον κρίσιμο και πολύπλευρο ρόλο των οργανικών κλασμάτων DOM και EPS όσο αφορά τη ρύπανση των μεμβρανών και αναδεικνύει μηχανισμούς και φαινόμενα που χρήζουν περαιτέρω μελέτης. Το προτεινόμενο μοντέλο ASM_MBR αναμένεται να συμβάλει στη μελέτη αυτή αποτελώντας ένα πολύτιμο εργαλείο για την ενοποίηση των μαθηματικών μοντέλων των βιοδιεργασιών και της διήθησης διαμέσου της μεμβράνης στα συστήματα των βιοαντιδραστήρων μεμβρανών.