Feasibility study of submerged membrane bioreactor (MBR) as an alternative to conventional activated sludge process (CASP) for municipal wastewater treatment: A pilot scale study

The conventional activated sludge processes (CAS) for the treatment of municipal wastewater are going to be outdated gradually due to more stringent environmental protection laws and regulations. The Membrane bioreactors (MBRs) are the most promising modern technology widely accepted in the world of wastewater treatment due to their highly pronounced features such as high quality effluent, less foot print and working under high MLSS concentration. This research project was carried out to investigate the feasibility and effectiveness of MBR technology compare to the CAS process based on the scientific facts and results. The pilot scale MBR pilot plant was run for more than 150 days and the analysis results were evaluated. The prime focus of the project was to evaluate the correlation of permeate flux under different operating MLSS concentrations. The permeate flux was found almost constant regardless of variations in MLSS concentrations. The removal of micropollutant such as heavy metals, PCPPs, PFCs, steroidal hormones was also studied. The micropollutant removal performance of MBR process was found relatively effective than CAS process. Furthermore, the compatibility of submerged membranes within the bioreactor had truly reduced the process footprint.

Influence of sludge retention time on filtration performance and biomass characteristics in a hollow fiber membrane bioreactor

In this study, the filtration process and the biomass characteristics in a laboratory-scale submerged membrane bioreactor (MBR) equipped with a hollow fiber (HF) microfiltration membrane were studied at different solid retention times (SRT). The MBR was fed by synthetic wastewater and the organic loading rate (OLR) was 0.5, 0.2, 0.1, and 0.08 kg COD kg VSS−1 d−1 for 10, 30, 60, and 90 days of SRT, respectively. The hydraulic retention time was 8.4 h and the permeate flux was 6 L m−2 h−1(LMH). Data analysis confirmed that at all the studied SRTs, the HF-MBR operated very good obtaining of high quality permeates. Chemical Oxygen Demand (COD) removal efficiencies were higher than 95%. The best filtration performance was reached at SRT of 30 d. On the other hand, the respirometric analysis showed that biomass was more active and there was more biomass production at low SRTs. The concentration of soluble extracellular polymeric substances (EPS) decreased with increasing SRT. A decrease of soluble EPS caused a decrease of membrane fouling rate, decreasing the frequency of chemical cleanings. The floc size decreased with SRT increasing. At high SRTs, there was more friction among particles due to the increase of the cellular density and the flocs broke decreasing their size.

Characterization of soluble and bound EPS obtained from 2 submerged membrane bioreactors by 3D-EEM and HPSEC

This research study deals with the quantification and characterization of the EPS obtained from two 25 L bench scale membrane bioreactors (MBRs) with micro-(MF-MBR) and ultrafiltration (UF-MBR) submerged membranes. Both reactors were fed with synthetic water and operated for 168 days without sludge extraction, increasing their mixed liquor suspended solid (MLSS) concentration during the experimentation time. The characterization of soluble EPS (EPSs) was achieved by the centrifugation of mixed liquor and bound EPS (EPSb) by extraction using a cationic resin exchange (CER). EPS characterization was carried out by applying the 3-dimensional excitation–emission matrix fluorescence spectroscopy (3D-EEM) and high-performance size exclusion chromatography (HPSEC) with the aim of obtaining structural and functional information thereof. With regard to the 3D-EEM analysis, fluorescence spectra of EPSb and EPSs showed 2 peaks in both MBRs at all the MLSS concentrations studied. The peaks obtained for EPSb were associated to soluble microbial by-product-like (predominantly protein-derived compounds) and to aromatic protein. For EPSs, the peaks were associated with humic and fulvic acids. In both MBRs, the fluorescence intensity (FI) of the peaks increased as MLSS and protein concentrations increased. The FI of the EPSs peaks was much lower than for EPSb. It was verified that the evolution of the FI clearly depends on the concentration of protein and humic acids for EPSb and EPSs, respectively. Chromatographic analysis showed that the intensity of the EPSb peak increased while the concentrations of MLSS did. Additionally, the mean MW calculated was always higher the higher the MLSS concentrations in the reactors. MW was higher for the MF-MBR than for the UF-MBR for the same MLSS concentrations demonstrating that the filtration carried out with a UF membrane lead to retentions of lower MW particles.

Evolution of extracellular polymeric substances produced in two submerged membrane bioreactors working at high sludge age

This research paper deals with the evolution of the extracellular polymeric substances (EPS) produced in the mixed liquor of two 25 L bench-scale membrane bioreactors (MBRs), with micro (MF-MBR) and ultrafiltration (UF-MBR) submerged membranes. The conclusion focuses on the relationship between the operation and how EPS respond, demonstrating that significant changes in EPS concentration were commonly observed when abrupt changes in the operational conditions took place. Bound EPS (EPSb) showed moderate positive statistical correlations with sludge age and MLSS for the two MBRs. Soluble EPS (EPSs), on the other hand, showed a moderate negative statistical correlation between EPSs with the two parameters analyzed for MF-MBR and no correlation with the UF-MBR was found. With respect to the composition of EPS, EPSb were mostly made up of proteins (44–46%) whereas in EPSs, the three components (proteins, carbohydrates, and humic substances) appeared in approximately the same proportion. The statistical analysis exhibited strong positive correlations between EPSb and their constituents, however for EPSs, the correlation was strong only with carbohydrates and moderate with humic substances.

Modelling and optimization of the ion exchange membrane bioreactor for removal of anionic pollutants from drinking water streams

Dissertação para obtenção do Grau de Doutor em Engenharia Química, especialidade de Engenharia Bioquímica

Synthesis of isomaltooligosaccharides and oligodextrans in a recycle membrane bioreactor by the combined use of dextransucrase and dextranase

A recycle ultrafiltration membrane reactor was used to develop a continuous synthesis process for the production of isomaltooligosaccharides (IMO) from sucrose, using the enzymes dextransucrase and dextranase. A variety of membranes were tested and the parameters affecting reactor stability, productivity, and product molecular weight distribution were investigated. Enzyme inactivation in the reactor was reduced with the use of a non-ionic surfactant but its use had severe adverse effects on the membrane pore size and porosity. During continuous isomaltooligosaccharide synthesis, dextransucrase inactivation was shown to occur as a result of the dextranase activity and it was dependent mainly on the substrate availability in the reactor and the hydrolytic activity of dextranase. Substrate and dextranase concentrations (50-200 mg/mL(-1) and 10-30 U/mL(-1), respectively) affected permeate fluxes, reactor productivity, and product average molecular weight. The oligodextrans and isomaltooligosaccharides formed had molecular weights lower than in batch synthesis reactions but they largely consisted of oligosaccharides with a degree of polymerization (DP) greater than 5, depending on the synthesis conditions. No significant rejection of the sugars formed was shown by the membranes and permeate flux was dependent on tangential flow velocity. (C) 2004 Wiley Periodicals, Inc.

Tratamiento de lixiviados de residuos de origen urbano mediante MBR

Se ha utilizado una planta de tratamiento a escala laboratorio consiste en un biorreactor de membrana (MBR). Esta planta está compuesta por un reactor biológico de 25 L de capacidad. Se utilizó una membrana plana de micro filtración marca Kubota de polietileno clorado, tamaño de poro 0,1 μm y área de filtración 0.116 m2. Se utilizaron como condiciones de operación: tiempo de residencia hidráulico 3 días, caudal de permeado 0.35 L/h y LMH 3 L/m2h. Se ha podido comprobar que es posible adaptar una población microbiológica a las particulares características químicas del lixiviado procedente de la planta y tratar estos lixiviados en un reactor biológico de membrana sumergida operando en condiciones habituales de sólidos en suspensión en el reactor entre 8-12 g/L durante un periodo de 6 meses. El proceso utilizado permite reducir la materia orgánica (97% DBO5 y 40% DQO) presente en estas corrientes residuales, agotando prácticamente toda la materia biodegradable. Respecto a los contenidos de nutrientes, el tratamiento MBR ensayado permite reducir de 35-40% el nitrógeno total, 45-50% el nitrógeno amoniacal y un 65-70% el fósforo total. Los sólidos en suspensión se han reducido en el efluente tratado en más de un 99%.

The influence of sludge characteristics from fullscale MBR in membrane filterability

Dissertação apresentada na Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade Nova de Lisboa para a obtenção do grau de Mestre em Engenharia do Ambiente,perfil Sanitária

Towards integrated operation of membrane bioreactors : effects of aeration on biological and filtration performance

Two experimental studies evaluated the effect of aerobic and membrane aeration changes on sludge properties, biological nutrient removal and filtration processes in a pilot plant membrane bioreactor. The optimal operating conditions were found at an aerobic dissolved oxygen set-point (DO) of 0.5mgO2L-1 and a membrane specific aeration demand (SADm) of 1mh-1, where membrane aeration can be used for nitrification. Under these conditions, a total flow reduction of 42% was achieved (75% energy reduction) without compromising nutrient removal efficiencies, maintaining sludge characteristics and controlled filtration. Below these optimal operating conditions, the nutrient removal efficiency was reduced, increasing 20% for soluble microbial products, 14% for capillarity suction time and reducing a 15% for filterability. Below this DO set-point, fouling increased with a transmembrane pressure 75% higher. SADm below 1mh-1 doubled the values of transmembrane pressure, without recovery after achieving the initial conditions

Development of a decision support system for the integrated control of membrane bioreactors

The work presented in this PhD thesis includes various partial studies aimed at developing a decision support system for membrane bioreactor integrated control. The decision support systems (DSS) have as a main goal to facilitate the operation of complex processes due to the multiple variables that are processed. For this reason, the research used has focused on aspects related to nutrient removal, and on the development of indicators or sensors capable of facilitating, automating and controlling the filtration process in an integrated way with the biological processes that taking place. Work has also been done on the design, development, implementation and validation of tools based on the knowledge made available by the automatic control and the supervision of the MBRs

Development of an air-scour control system for membrane bioreactors

The thesis involves the development and implementation of a new and robust control system based on permeability trends but at the same time capable of reducing aeration proportionally to permeate flux. Permeability was made a key parameter for directly comparing temporary changes in membrane performance. Transmembrane pressure and flux were gathered every 10 seconds and permeability values were automatically calculated; different mathematical algorithms were applied for the signal filtering of on-line data. Short term and long term permeability trends were compared once a day, and a control action was applied proportionally to the short term/long term permeability ratio without exceeding the aeration flow recommended by the membrane suppliers.

Food waste valorization through the production of polyhydroxyalkanoates by mixed microbial cultures

Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Engenharia Química e Bioquímica

Kartonkijätteestä bioetanolia - Hydrolysoitujen sokerien erotus ja väkevöinti fermentointia varten

Tässä diplomityössä tutkittiin upotettavien membraanisuodattimien soveltuvuutta sakean hydrolysaattin suodattamiseen ja esisuodatettujen sokereiden väkevöintiä membraanisuodatuksella fermentointia varten. Työssä käytettiin kierrätyskartongista entsyymien avulla valmistettua hydrolysaattia. Sakean hydrolysaatin suodattamiseen käytettiin Kubota Membranesin upposuodatusmoduuleja ja suodatuslaitteistoa. Upposuodatusmoduulien likaantumisen vähentämiseksi suodatuksissa käytettiin ilmasekoitusta ja vastavirta-pesua. Upposuodatusmoduulilla kirkastettua hydrolysaattia väkevöitiin nanosuodatuksella ja tulosta verrattiin painesuodatuksella kirkastetun hydrolysaatin nanosuodatukseen. Konsentrointisuodatusten alussa testattiin neljää nanosuodatuskalvoa hydrolysaatin konsentrointiin. Sokereiden konsentrointiin valittiin Dow FilmTecTM NF-270 nanosuodatuskalvo sen korkean sokeriretention ja hyvän vuon perusteella. Sakean hydrolysaatin esisuodatuksessa ei upotettavien membraanimoduulien ja painesuodatuksen välillä havaittu merkittäviä eroja. Työn perusteella upposuodatusmoduulien käyttö sakean hydrolysaatin suodattamisessa on kuitenkin mahdollista. Tämä mahdollistaisi sokereiden jatkuvatoimisen erottamisen hydrolysaatista. Konsentrointisuodatuksissa molemmilla esisuodatetuilla hydrolysaateilla saavutettiin yli 10 % sokerikonsentraatio ilman suurta sokerihävikkiä. Sokeriretentio pysyi myös konsentraation kasvaessa 80 % yläpuolella.

Typenpoiston tehostaminen kunnallisessa jätevedenpuhdistuksessa membraanibioreaktorin avulla

Tämä diplomityö tehtiin Vihdin Vesihuoltolaitoksen Nummelan jäteveden puhdistamolle. Työssä tutkittiin typenpoistoa kunnallisista jätevesistä membraanibioreaktorin (MBR) avulla. MBR:ssä yhdistyvät perinteinen aktiivilieteprosessi ja kalvosuodatus. Työn tavoite oli päästä yli 95 % typenpoistoon. Aluksi typenpoisto oli yli 80 %, kun pilot-mittakaavan MBR-laitosta operoitiin perinteisen prosessin parametrein. Typenpoistoa onnistuttiin tehostamaan nostamalla nitraattipitoisen palautuslietteen kierrätystä prosessin alkupäähän (1600 L/h) ja lisäämällä aktiivista biomassaa reaktorissa. Yli 90 % typenpoisto edellytti myös pidempää viipymäaikaa (noin kaksinkertainen perinteiseen prosessiin verrattuna). Tutkimuksessa päästiin parhaimmillaan jopa 95 % typenpoistumaan operoimalla laitteistoa pienellä typpikuormalla (0,1 kg/vrk) ja alhaisemmalla lietepitoisuudella (10 g/L). Typpikuorman noustessa (0,3 kg/vrk) typenpoistoteho laski. Tätä onnistuttiin parantamaan (yli 90 %) nostamalla biomassan määrää reaktorissa (15 g/L). Hyvän typenpoiston saavuttaminen edellytti myös suurempaa metanolin ja hapen syöttöä.

Carboxydothermus hydrogenoformans comme catalyseur biologique pour la conversion du monoxyde de carbone en hydrogène simultanément a la minéralisation de calcium et phosphate

La gazéification est aujourd'hui l'une des stratégies les plus prometteuses pour valoriser les déchets en énergie. Cette technologie thermo-chimique permet une réduction de 95 % de la masse des intrants et génère des cendres inertes ainsi que du gaz de synthèse (syngaz). Le syngaz est un combustible gazeux composé principalement de monoxyde de carbone (CO), d'hydrogène (H2) et de dioxyde de carbone (CO2). Le syngaz peut être utilisé pour produire de la chaleur et de l'électricité. Il est également la pierre angulaire d'un grand nombre de produits à haute valeur ajoutée, allant de l'éthanol à l'ammoniac et l'hydrogène pur. Les applications en aval de la production de syngaz sont dictées par son pouvoir calorifique, lui-même dépendant de la teneur du gaz en H2. L’augmentation du contenu du syngaz en H2 est rendu possible par la conversion catalytique à la vapeur d’eau, largement répandu dans le cadre du reformage du méthane pour la production d'hydrogène. Au cours de cette réaction, le CO est converti en H2 et CO2 selon : CO + H2O → CO2 + H2. Ce processus est possible grâce à des catalyseurs métalliques mis en contact avec le CO et de la vapeur. La conversion catalytique à la vapeur d’eau a jusqu'ici été réservé pour de grandes installations industrielles car elle nécessite un capital et des charges d’exploitations très importantes. Par conséquent, les installations de plus petite échelle et traitant des intrants de faible qualité (biomasse, déchets, boues ...), n'ont pas accès à cette technologie. Ainsi, la seule utilisation de leur syngaz à faible pouvoir calorifique, est limitée à la génération de chaleur ou, tout au plus, d'électricité. Afin de permettre à ces installations une gamme d’application plus vaste de leurs syngaz, une alternative économique à base de catalyseur biologique est proposée par l’utilisation de bactéries hyperthermophiles hydrogénogènes. L'objectif de cette thèse est d'utiliser Carboxydothermus hydrogenoformans, une bactérie thermophile carboxydotrophe hydrogénogène comme catalyseur biologique pour la conversion du monoxyde de carbone en hydrogène. Pour cela, l’impact d'un phénomène de biominéralisation sur la production d’H2 a été étudié. Ensuite, la faisabilité et les limites de l’utilisation de la souche dans un bioréacteur ont été évaluées. Tout d'abord, la caractérisation de la phase inorganique prédominante lorsque C. hydrogenoformans est inoculé dans le milieu DSMZ, a révélé une biominéralisation de phosphate de calcium (CaP) cristallin en deux phases. L’analyse par diffraction des rayons X et spectrométrie infrarouge à transformée de Fourier de ce matériau biphasique indique une signature caractéristique de la Mg-whitlockite, alors que les images obtenues par microscopie électronique à transmission ont montré l'existence de nanotiges cristallines s’apparentant à de l’hydroxyapatite. Dans les deux cas, le mode de biominéralisation semble être biologiquement induit plutôt que contrôlé. L'impact du précipité de CaP endogène sur le transfert de masse du CO et la production d’H2 a ensuite été étudié. Les résultats ont été comparés aux valeurs obtenues dans un milieu où aucune précipitation n'est observée. Dans le milieu DSMZ, le KLa apparent (0.22 ± 0.005 min-1) et le rendement de production d’H2 (89.11 ± 6.69 %) étaient plus élevés que ceux obtenus avec le milieu modifié (0.19 ± 0.015 min-1 et 82.60 ± 3.62% respectivement). La présence du précipité n'a eu aucune incidence sur l'activité microbienne. En somme, le précipité de CaP offre une nouvelle stratégie pour améliorer les performances de transfert de masse du CO en utilisant les propriétés hydrophobes de gaz. En second lieu, la conversion du CO en H2 par la souche Carboxydothermus hydrogenoformans fut étudiée et optimisée dans un réacteur gazosiphon de 35 L. Parmi toutes les conditions opérationnelles, le paramètre majeur fut le ratio du débit de recirculation du gaz sur le débit d'alimentation en CO (QR:Qin). Ce ratio impacte à la fois l'activité biologique et le taux de transfert de masse gaz-liquide. En effet, au dessus d’un ratio de 40, les performances de conversion du CO en H2 sont limitées par l’activité biologique alors qu’en dessous, elles sont limitées par le transfert de masse. Cela se concrétise par une efficacité de conversion maximale de 90.4 ± 0.3 % et une activité spécifique de 2.7 ± 0.4 molCO·g–1VSS·d–1. Malgré des résultats prometteurs, les performances du bioréacteur ont été limitées par une faible densité cellulaire, typique de la croissance planctonique de C. hydrogenoformans. Cette limite est le facteur le plus contraignant pour des taux de charge de CO plus élevés. Ces performances ont été comparées à celles obtenues dans un réacteur à fibres creuses (BRFC) inoculé par la souche. En dépit d’une densité cellulaire et d’une activité volumétrique plus élevées, les performances du BRFC à tout le moins cinétiquement limitées quand elles n’étaient pas impactées par le transfert de masse, l'encrassement et le vieillissement de la membrane. Afin de parer à la dégénérescence de C. hydrogenoformans en cas de pénurie de CO, la croissance de la bactérie sur pyruvate en tant que seule source de carbone a été également caractérisée. Fait intéressant, en présence simultanée de pyruvate et de CO, C. hydrogenoformans n’a amorcé la consommation de pyruvate qu’une fois le CO épuisé. Cela a été attribué à un mécanisme d'inhibition du métabolisme du pyruvate par le CO, faisant ainsi du pyruvate le candidat idéal pour un système in situ de secours.