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Reduction of Membrane Fouling in Membrane Bioreactors - Development of Innovative and Sustainable Techniques

Siembida-Lösch, Barbara :
Reduction of Membrane Fouling in Membrane Bioreactors - Development of Innovative and Sustainable Techniques.
Schriftenreihe IWAR 213, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2011)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Reduction of Membrane Fouling in Membrane Bioreactors - Development of Innovative and Sustainable Techniques
Language: English
Abstract:

Over the past decade, membrane technology has become a worldwide implemented, acknowledged separation process. Although membrane bioreactors (MBRs) still require further research efforts re-garding operating and economic efficiency, they offer considerable advantages compared to conven-tional activated sludge systems, such as smaller foot print, modular construction, and superior effluent quality. They are especially preferred in cases where stringent water quality requirements have to be guaranteed. One of the main challenges in the operation of MBRs is membrane fouling, causing flux decrease and the increase of the transmembrane pressure. Its control and prevention result in high manpower re-quirements as well as in increased electrical power consumption and the need for cleaning chemicals. Therefore, most MBR researches aim to identify, investigate, and control membrane fouling. The research on fouling reduction and permeability loss in MBRs was carried out at three MBR pilot plants with synthetic and real wastewater. On the one hand, the effect of mechanical cleaning with an abrasive granular material on the performance of a submerged MBR process was tested. Additionally, scanning electron microscopy (SEM) measurements and integrity tests (rejection measurements and water microbiology testing) were conducted to check whether the membrane material was damaged by granulates. The results indicate that the fouling layer formation was significantly reduced by abrasion using the granular material. This technique allowed a long-term operation of more than 600 days at a flux up to 40 L/(m2h) without chemical cleaning of the membranes. However, at high flux rates (> 35 L/(m2h)) a significant decline in permeability was observed, presumably as a result of permeation drag forces that might draw the particulate and colloidal matter towards the membrane surface. It was demonstrated that the MBR with granulate could be operated with more than 27 % higher flux compared to conventional MBR operation. SEM images and integrity tests showed that in consequence of abrasive cleaning, the granular material left brush marks on the membrane surface; however, the membrane function was not affected. Rejection measurements indicated no damaging effects by granu-late, as the rates were comparable with those of new membranes (> 90 %). Water microbiology test-ing (removal of E. coli and total coliforms) showed that granulate did not have any negative impact on the membranes and still rejected almost all bacteria in the system. Additionally to the experiments with granulate, the impact of membrane backwash, using a salt brine solution, the impact of chemical and physical cleaning (relaxation breaks), and the effect of changed milieu conditions (aerobic, anaerobic) on membrane fouling was investigated. Among the chemical and physical methods relaxation breaks have proved to enhance membrane performance; however, this involves high specific costs due to operation interruptions, i.e. low membrane throughput. Research on permeability loss was carried out to investigate the influence of operating conditions (temperature, sludge retention time/sludge loading, and wastewater composition) and the influence of activated sludge characteristics (mixed liquor suspended solids, colloidal matter, truly soluble matter, viscosity) on fouling. It was shown that the concentration of the colloidal fraction obviously depends on the operating temperature and sludge retention time (SRT). A nearly linear correlation between the colloidal fraction (CODcolloidal) and the concentration of biopolymers (proteins and polysaccharides) was found. However, while a relationship between the retention of biopolymers and capillary suction time (CST) of activated sludge was found, a clearly connection with the permeability of the investi-gated membranes did not exist. It was observed that the addition of polyaluminum chloride coagulant resulted in the reduction of the colloidal fraction in the supernatant by up to 80 % of the initial value. The coagulant even bound soluble matter < 0.04 μm, as the chemical oxygen demand (COD) concen-tration of permeate was slightly higher. Fractionation tests showed that the colloidal fraction (0.04-0.1 μm) constituted the largest percen-tage of COD (71 %) and dissolved organic carbon (DOC) (81 %) of samples during high fouling in the MBR, whereas this fraction made up only 21 % (COD) and 20 % (DOC) of samples during low fouling. It was observed that the biological degradation of organic matter was much higher during periods of low fouling and only 41 % of organic compounds were retained by the membrane in the reactor com-pared to 84 % during periods of high fouling. This implies that most of the biopolymers (proteins, po-lysaccharides) were retained in the reactor by membrane separation. In a parallel experimental set up, the impact of the operationally fraction < 0.04 μm from wastewater and activated sludge on the ultrafiltration membrane fouling characteristics was investigated. Hereby, the fraction < 0.04 μm was defined operationally as the “truly soluble fraction”, determined by the separation abilities of the applied membrane. It was shown that the permeability loss was caused pre-dominantly by the colloidal fraction > 0.04 μm rather than by the dissolved fraction of wastewater and activated sludge. The rheological measurements showed a structural viscous behavior of the investigated activated sludge samples. Moreover, it was found that with increasing mixed liquor suspended solids (MLSS) concentration, the viscosity also tends to increase. The viscosity amounted to 18 mPas at a “common” MLSS concentration of 12 g/L in MBRs and a shear rate of 40 s-1. A correlation between the apparent viscosity and the retention of proteins and polysaccharides in the mixed liquor filtrate of activated sludge was observed. The coefficients of both model approaches (Oswald de Waele and Herschel-Bulkley) could be described as a function of MLSS concentration using a non-linear regression analysis, however the Oswald de Waele approach showed a better plausibility with the measured values. It was demonstrated that the energy consumption of the coarse-bubble crossflow system for fouling control is about two times higher than the fine-bubble crossflow system for oxygen supply.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Im vergangenen Jahrzehnt ist die Membrantechnologie zum weltweit eingesetzten und anerkannten Trennverfahren geworden. Obwohl das Membranbelebungsverfahren (MBR - Membran-Bio-Reaktor) nach wie vor Weiterentwicklung bezüglich der Leistungsfähigkeit und der Wirtschaftlichkeit benötigt, bieten die MBR-Anlagen beträchtliche Vorteile gegenüber konventionellen Belebungsverfahren. Vor allem sind der geringe Platzbedarf, der modulare Aufbau und die hervorragende Ablaufqualität durch den vollständigen Feststoff und Bakterienrückhalt zu nennen. MBR-Anlagen werden insbesondere dort bevorzugt eingesetzt, wo strengste Anforderungen an die Wasserqualität erfüllt werden müssen. Die zentrale Herausforderung dieser Verfahrenstechnik ist das Membranfouling, da dieses den Durch-satz verringert. Die Maßnahmen zur Begrenzung des Foulings führen zu erhöhtem Energie-, Personal-, und Chemikalienbedarf und somit zu erhöhten Betriebskosten. Zahlreiche Forschungsgruppen setzen sich deshalb mit dem Membranfouling auseinander, um die Natur des MBR-Foulings zu verstehen. Die Untersuchungen zur Prävention des Foulings und zum Permeabilitätsverlust bei Membran-bioreaktoren wurden auf drei MBR-Versuchsanlagen mit synthetischem und realem Abwasser durchge-führt. In erster Linie wurde die Reduzierung des Membranfoulings durch die Zugabe von abrasiv wirkenden Granulaten im Belebtschlamm getestet. Zudem wurden die Aufnahmen mit Rasterelektronenmikroskop (REM) und die Integritätstests (Rückhaltemessungen, mikrobiologische Tests) zur Bewertung des Ein-flusses der Abrasion durchgeführt. Die Ergebnisse haben gezeigt, dass die mechanische Reinigung durch die Zugabe von Granulaten die ungewünschte Deckschichtbildung durch Abrasion verringert werden konnte. Mit dieser Methode wurde ein kontinuierlicher Betrieb ohne chemische Reinigungen und zugleich bei sehr hohen spezifischen Flüssen bis zu 40 L/(m2h) über mehr als 600 Betriebstage aufrechterhalten. Erst bei höheren Flüssen (> 35 L/(m2h)) wurde eine signifikante Abnahme der Per-meabilität beobachtet. Dies deutet darauf hin, dass während der Hochlastphase mit Flüssen zwischen 35 und 40 L/(m²h) ein irreversibles Fouling, vermutlich wegen der „Schleppkraft der Filtrat-strömung“, die die kolloidalen und partikulären Stoffe zur Membranoberfläche transportiert, stattge-funden hat. Ein wirtschaftlicher MBR Betrieb mit Granulaten gegenüber konventionellen MBR Verfah-ren konnte mit einer 27 %igen Steigerung des Flusses nachgewiesen/realisiert werden. Die REM-Aufnahmen und die Integritätstests haben gezeigt, dass die Granulate auf der Membranoberfläche die Reinigungsspuren hinterlassen haben, allerdings nur geringe Oberflächenverletzungen festzustellen waren und die Membran intakt blieb, da ähnliche Rückhalte wie bei neuen Membranen (> 90 %) er-zielt wurden und fast alle Bakterien durch die Membran zurückgehalten werden konnten. Zusätzlich zu den Untersuchungen mit Granulaten wurde der Einfluss der Permeatrückspülungen mit einer Solelösung, der Einfluss der physikalischen (Filtrationspausen) und chemischen Reinigung sowie die Auswirkung des biologischen Milieuwechsels (aerob, anaerob) auf die Minimierung des Foulingprozesses untersucht. Unter den chemischen und physikalischen Methoden erwiesen sich die Filtrationspausen (Relaxationen) als Maßnahme zum Erhöhen der MBR-Performance als erfolgreichste. Die Relaxationen sind allerdings mit hohen spezifischen Kosten durch die Betriebsunterbrechungen bzw. geringen Membrandurchsätze verbunden. Darüber hinaus wurden Untersuchungen zum Permeabilitätsverlust bei Membranbioreaktoren durch-geführt, wo die Betriebsbedingungen (Temperatur, Schlammalter/Schlammbelastung, Abwasserzu-sammensetzung) und der Einfluss der Schlammeigenschaften (TS-Gehalt, kolloidale Stoffe, gelöste Stoffe, Viskosität) auf das Fouling getestet wurden. Einige Parameter sind eng miteinander verknüpft und lassen sich nicht unabhängig variieren. Es wurde gezeigt, dass die Konzentration der Kolloidfraktion (0,45-0,04 μm) offenbar von Tempera-tur und Schlammalter abhängt. Sie scheint bei niedriger Temperatur anzusteigen. Parallelmessungen der Protein- und Polysaccharidkonzentrationen (Biopolymere) belegen einen nahezu linearen Zusam-menhang mit dem kolloidalen CSB. Während ein Zusammenhang zwischen dem Rückhalt an Proteinen und Polysacchariden mit der CST (capillary suction time – kapillare Fließzeit) des Belebtschlamms festgestellt werden konnte, ist ein eindeutiger Zusammenhang mit der Permeabilität der Membranen nicht gegeben. Zusätzlich wurde beobachtet, dass die Zugabe vom Polyaluminiumchlorid-Fällungsmittel eine Abnahme der Kolloidfraktion in der Wasserphase des Belebtschlamms um bis zu 80 % des Anfangswertes ergab. Das Fällungsmittel konnte ebenfalls gelöste Stoffe kleiner als 0,04 μm binden, da die CSB-Konzentration im Permeat etwas höher lag als in der Wasserphase des Belebtschlamms. Fraktionierungsversuche zeigten, dass die Kolloidfraktion (0,04-0,1 μm) während des hohen Foulingpotenzials der MBR-Anlage den größten Anteil in der Wasserphase des Belebtschlamms dar-stellte, ausgedrückt als CSB (71 %) und DOC (81 %) Konzentration. Diese Fraktion machte nur 21 % (CSB) und 20 % (DOC) der untersuchten Proben während des niedrigen Foulingpotenzials in der MBR-Anlage aus. Zudem wurde beobachtet, dass der biologische Abbau organischer Inhaltsstoffe in Zeiten des geringen Foulingpotenzials (41 %iger Rückhalt der organischen Stoffe durch die Membran) wesentlich höher war als in Zeiten des hohen Foulingpotenzials (84 %). Dass bedeutet auch, dass der größte Teil der Biopolymere (Proteine, Polysaccharide) im Reaktor durch die Membran zurückgehalten wurden. In der weiteren Untersuchung zum Einfluss der durch die Membrantrenngrenze definierten gelösten Stoffe (< 0,04 μm) auf das Foulingsverhalten wurde festgestellt, dass der Permeabilitätsverlust über-wiegend von „partikulären“ Abwasser- und Belebtschlammstoffen größer 0,04 μm hervorgerufen wur-de. Aus den rheologischen Untersuchungen ergab sich, dass der untersuchte Schlamm der Membranbelebungsanlage ein strukturviskoses Fließverhalten aufweist, d.h. bei steigender Scherbean-spruchung reduziert sich die Viskosität. Es wurde festgestellt, dass mit steigenden Trockensubstanzge-halten die Viskosität tendenziell ansteigt. Bei „üblichen“ Trockensubstanzgehalten von 12 g/L in Membranbelebungsanlagen und einer Scherrate von 40 s-1 liegt die Viskosität etwa bei 18 mPas. Zu-dem konnte festgestellt werden, dass die Viskosität bei einer Scherrate von 40 s-1 abhängig von der Menge an zurückgehaltenen Polysacchariden und Proteinen im filtrierten Schlammwasser ist. Die Koef-fizienten der beiden Modellierungsansätze (Oswald de Waele, Herschel-Bulkley) ließen sich als Funk-tion der Trockensubstanz mit Hilfe der nicht-linearen Regressionsanalyse beschreiben. Allerdings zeig-te der Ansatz nach Oswald de Waele eine bessere Übereinstimmung mit den gemessenen Daten. Weiterhin konnte gezeigt werden, dass der Energiebedarf des mittelblasigen Crossflow-Belüftungs-systems zur Foulingkontrolle mehr als doppelt so hoch ist als für das feinblasige Crossflow-System zur Sicherstellung der Sauerstoffversorgung der Mikroorganismen.German
Place of Publication: Darmstadt
Publisher: Schriftenreihe IWAR 213
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 13 Fachbereich Bau- und Umweltingenieurwissenschaften > Institute IWAR
13 Faculty of Civil and Environmental Engineering > Institute IWAR > Wastewater Technology and Water Reuse
Date Deposited: 16 Feb 2016 08:43
Last Modified: 16 Feb 2016 08:50
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-53067
Referees: Cornel, Prof. Peter and Frechen, Prof. Franz-Bernd
Refereed: 11 April 2011
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/5306
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