Membrane Aerated Biofilm Reactors for Nitrogen Removal from Municipal Wastewater

This dissertation investigates Membrane Aerated Biofilm Reactors (MABRs) for nitrogen removal in the context of municipal wastewater treatment. As part of these studies, several MABR systems were constructed at the laboratory scale. Both hollow fiber and flat sheet membrane configurations were used in the reactors. These were operated and compared under a variety of operating conditions such as feed composition, surface loading, aeration, and scouring. Special attention was given to the comparison of intermittent and continuous aeration pattern, as well as the effect of different scouring frequencies on biofilm control. In addition to the analysis of dissolved nitrogen and organic carbon, the microbial community in the biofilm and the suspended biomass were studied (P1 and P2), the characteristics of the biofilm and sludge production were determined (P1, P2 and P3), and oxygen profiles in the biofilm and nitrous oxide emissions were measured with microelectrodes (P3). During the studies, short-cut nitrogen removal was achieved in some of the MABRs under suitable conditions. Intermittent aeration and frequent scouring proved to be particularly beneficial to this process, resulting in high total nitrogen removal rates. In the experiments, continuous aeration, regardless of scouring, usually resulted in nitrification of the ammonium, which, together with organic carbon, tended to result in classical nitrogen removal by denitrification. Analysis of the microbial community by qPCR and 16S amplicon sequencing revealed significant differences between the biofilm and the detached biomass or free-growing cells. Furthermore, the aeration and scouring strategies were shown to have a significant impact on the microbial community of the different MABR systems. The application of a high scouring frequency can help to limit NOB retention and promote AOB abundance in membrane-aerated biofilms due to the detachment of the biofilm. A low scouring frequency promotes NOB retention in the biofilm due to less biomass detachment and thus higher biofilm age. Continuously aerated MABRs were found to be more sensitive to high shear stress than intermittent-aerated reactors. Frequent scouring sheared off more biomass from the biofilm of the continuous-aerated reactor, whereas there were minor differences between the scouring strategies in terms of biofilm detachment in the intermittent-aerated reactors. Analysis of the biofilm with oxygen microelectrodes revealed unique oxygen profiles depending on the operating conditions of the reactors. It is particularly noteworthy that the different oxygen exposure times and concentrations in the different layers of the biofilm could be precisely analyzed during intermittent aeration. Nitrous oxide emissions from the MABR systems were low compared to some conventional systems, but no hotspots of nitrous oxide production or reduction within the biofilm could be identified. The studies showed that MABR have a high potential for efficient nitrogen removal in municipal wastewater treatment. Promising operating conditions were found to allow for short-cut nitrogen removal and targeted control of biofilm thickness. These studies provide a basis for future research in the field of MABR systems for municipal wastewater treatment.

In dieser Dissertation werden membranbelüftete Biofilmreaktoren (MABR) zur Stickstoffelimination in der kommunalen Abwasserreinigung untersucht. Im Rahmen dieser Untersuchungen wurden mehrere MABR-Systeme im Labormaßstab aufgebaut. In den Reaktoren wurden sowohl Hohlfaser- als auch Flachmembran-Konfigurationen eingesetzt. Diese wurden unter verschiedenen Betriebsbedingungen wie Zulaufzusammensetzung, Oberflächenbelastung, Belüftung und Scouring (Erhöhung der Scherkräfte durch das Einblasen von Gas in die Flüssigphase des Reaktors) zur Biofilmkontrolle betrieben und verglichen. Besonderes Augenmerk wurde auf den Vergleich von intermittierender und kontinuierlicher Belüftung sowie auf die Auswirkungen unterschiedlicher Frequenzen des Scourings auf die Biofilmkontrolle gelegt. Neben der Analyse des gelösten Stickstoffs und des organischen Kohlenstoffs wurden die mikrobielle Gemeinschaft im Biofilm und der suspendierten Biomasse untersucht (P1 und P2), die Eigenschaften des Biofilms und die Schlammproduktion bestimmt (P1, P2 und P3) sowie Sauerstoffprofile im Biofilm und Lachgasemissionen mit Mikroelektroden gemessen (P3). Während der Untersuchungen wurde in einigen MABRs unter geeigneten Bedingungen eine Stickstoffelimination auf kurzem Weg über Nitrit erreicht. Intermittierende Belüftung und häufiges Scouring erwiesen sich für diesen Prozess als besonders vorteilhaft und führten zu hohen Gesamtstickstoffeliminationsraten. In den Versuchen führte eine kontinuierliche Belüftung unabhängig von dem Scouring in der Regel zu einer Nitrifikation des Ammoniums, welches zusammen mit dem organischen Kohlenstoff zu einer klassischen Stickstoffentfernung durch Denitrifikation führte. Die Analyse der mikrobiellen Gemeinschaft mittels qPCR und 16S-Amplikon-Sequenzierung ergab signifikante Unterschiede zwischen Biofilm und abgelöster Biomasse bzw. frei wachsenden Zellen. Darüber hinaus zeigte sich, dass die Belüftungs- und Scouringstrategien einen signifikanten Einfluss auf die mikrobielle Gemeinschaft der verschiedenen MABR-Systeme haben. Die Anwendung einer hohen Scouringfrequenz kann dazu beitragen, die NOB-Retention zu begrenzen und die AOB-Häufigkeit in membranbelüfteten Biofilmen aufgrund der Ablösung des Biofilms zu fördern. Eine niedrige Scouringfrequenz fördert die NOB-Retention im Biofilm durch eine geringere Ablösung der Biomasse und somit ein höheres Biofilmalter. Es wurde festgestellt, dass kontinuierlich belüftete MABR empfindlicher auf hohe Scherbelastungen reagieren als intermittierend belüftete Reaktoren. Häufiges Scouring scherte mehr Biomasse aus dem Biofilm des kontinuierlich belüfteten Reaktors ab, während es bei intermittierend belüfteten Reaktoren nur geringe Unterschiede zwischen den Scouringstrategien hinsichtlich der Biofilmablösung gab. Die Analyse des Biofilms mit Sauerstoff-Mikroelektroden ergab einzigartige Sauerstoffprofile in Abhängigkeit von den Betriebsbedingungen der Reaktoren. Besonders bemerkenswert ist, dass die unterschiedlichen Zeiten der Sauerstoffexposition und Sauerstoffkonzentrationen in den verschiedenen Schichten des Biofilms während der intermittierenden Belüftung genau analysiert werden konnten. Die Lachgasemissionen der MABR-Systeme waren im Vergleich zu einigen konventionellen Systemen gering, es konnten jedoch keine Hotspots der Lachgasproduktion oder -reduktion innerhalb des Biofilms identifiziert werden. Die Untersuchungen haben gezeigt, dass MABR ein hohes Potenzial für eine effiziente Stickstoffelimination in der kommunalen Abwasserreinigung haben. Es wurden vielversprechende Betriebsbedingungen gefunden, die eine Stickstoffelimination auf kurzem Weg über Nitrit und eine gezielte Steuerung der Biofilmdicke ermöglichen. Diese Untersuchungen bilden die Grundlage für weitere Forschungsarbeiten auf dem Gebiet der MABR-Systeme für die kommunale Abwasserreinigung.