Μελέτη της έμφραξης μεμβρανών σε πιλοτική μονάδα βιοαντιδραστήρα

Abstract

The Membrane Bio-Reactor (MBR) is a state-of-the art technology which is widely used for municipal and industrial wastewater treatment, and for water reuse applications as well. Although the MBR technology provides significant advantages over the Activated Sludge Process (ASP), such as better effluent quality, reduced space requirements and low excess sludge production, membrane fouling still remains its most serious drawback. The use of additives in the biomass is a novel, alternative method that reduces fouling by altering the biomass characteristics which results in the improvement of the filtration process and the increase of membrane lifetime. The aim of the present thesis is the membrane fouling mitigation and control using coagulation agents, powdered activated carbon (PAC) and biofilm carriers as additives in the biomass of an aerobic MBR. The experiments were conducted in a fully automated, pilot-scale submerged MBR while the biomass was separated by microfiltration flat sheet membranes. The optimization of the fundamental operating parameters in terms of fouling, without the use of additives in the bioreactor, showed that almost all fouling indices worsened with the decrease of Solids Retention Time (SRT) and Hydraulic Retention Time (HRT). Regarding the overall operation of the system, the pH, the temperature and the dissolved oxygen concentration in the bioreactor were satisfactory and met the needs of microbial metabolism. In terms of removal capacity, the effluent COD and BOD5 concentrations were consistently below the permissible discharge limits and, thus, the effluent quality can be safely characterized high regarding disposal to water recipients. The batch addition of coagulants and PAC reduced the concentration of the carbohydrate fraction of Soluble Microbial Products (SMPc) and improved sludge filterability at all concentrations. The suggested mass balance equation showed that the dosage of the optimal coagulants was 40 times lower than the respective equilibrium concentration in the bioreactor. The continuous-flow addition of the cationic polyelectrolytes reduced SMPc concentration, improved sludge filterability and increased membrane lifetime. On the contrary, fouling reduction with PAC addition was very low. Finally, the addition of biofilm carriers at all filling ratios did not affect TMP profile, SMPc concentration and sludge filterability.

Ο Βιοαντιδραστήρας Μεμβρανών (Membrane Bio-Reactor, MBR) είναι μια σύγχρονη τεχνολογία που εφαρμόζεται τόσο στην επεξεργασία αστικών λυμάτων και βιομηχανικών υγρών αποβλήτων, όσο και σε εφαρμογές επαναχρησιμοποίησης του νερού. Αν και παρουσιάζει σημαντικά πλεονεκτήματα σε σύγκριση με τη συμβατική μέθοδο ενεργού ιλύος, όπως είναι η καλύτερη ποιότητα εκροής, η μείωση του απαιτούμενου χώρου και η μικρότερη περίσσεια ιλύος, η έμφραξη των μεμβρανών παραμένει το μεγαλύτερο μειονέκτημά της. Η χρήση προσθέτων στη βιομάζα αποτελεί μια εναλλακτική μέθοδο που εφαρμόζεται με σκοπό τη μείωση της έμφραξης, καθώς επιτυγχάνει συνήθως την τροποποίηση των χαρακτηριστικών της βιομάζας, με αποτέλεσμα τη βελτίωση της διήθησης και την αύξηση του χρόνου αποδοτικής λειτουργίας της μεμβράνης. Σκοπός της παρούσας διδακτορικής διατριβής είναι η αντιμετώπιση και ο έλεγχος της έμφραξης με τη χρήση κροκιδωτικών ουσιών, κονιοποιημένου ενεργού άνθρακα (PAC) και βιοφορέων, ως πρόσθετα στη βιομάζα ενός αερόβιου συστήματος MBR. Τα πειράματα έλαβαν χώρα σε μια πλήρως αυτοματοποιημένη πιλοτική μονάδα MBR με εμβαπτισμένη επίπεδη μεμβράνη μικροδιήθησης. Η βελτιστοποίηση των κυριότερων λειτουργικών παραμέτρων του συστήματος ως προς την έμφραξη χωρίς να χρησιμοποιηθεί κάποιο πρόσθετο στο βιοαντιδραστήρα, έδειξε ότι οι δείκτες έμφραξης αυξήθηκαν με την ελάττωση του χρόνου παραμονής στερεών (SRT) και του υδραυλικού χρόνου παραμονής (HRT). Όσον αφορά τη γενική λειτουργία και απόδοση του συστήματος, το pH, η θερμοκρασία και η συγκέντρωση του διαλυμένου οξυγόνου στο βιοαντιδραστήρα ήταν σε ικανοποιητικά επίπεδα, ενώ η ποιότητα εκροής της μονάδας κρίνεται ιδιαίτερα υψηλή για τη διάθεση σε υδάτινους αποδέκτες, με τις συγκεντρώσεις COD και BOD5 στην εκροή της να είναι σταθερά χαμηλές και να πληρούν τα ανώτατα επιτρεπτά όρια. Η ασυνεχής προσθήκη κροκιδωτικών και PAC ελάττωσε τη συγκέντρωση του κλάσματος υδατανθράκων των διαλυτών μικροβιακών προïόντων (SMPc) και βελτίωσε τη διηθησιμότητα της ιλύος σε όλες τις συγκεντρώσεις που δοκιμάστηκαν. Η εφαρμογή του ισοζυγίου μάζας που προτείνεται κατά τη συνεχή προσθήκη των κροκιδωτικών έδειξε ότι οι δόσεις τους στο εισερχόμενο απόβλητο ήταν 40 φορές μικρότερες από τις αντίστοιχες συγκεντρώσεις ισορροπίας τους στο βιοαντιδραστήρα. Η συνεχής προσθήκη των κατιονικών πολυηλεκτρολυτών μείωσε τη συγκέντρωση των SMPc, βελτίωσε τη διηθησιμότητα της ιλύος και αύξησε το χρόνο αποδοτικής λειτουργίας της μεμβράνης. Αντίθετα, η μείωση της έμφραξης που παρατηρήθηκε κατά τη συνεχή προσθήκη PAC ήταν πολύ μικρή. Τέλος, η προσθήκη των βιοφορέων δεν επηρέασε ιδιαίτερα το προφίλ εξέλιξης της TMP, τη συγκέντρωση των SMPc και τη διηθησιμότητα της ιλύος.