Application of an Anaerobic Membrane Bioreactor for the Treatment of Lipid-rich Sludges

Anaerobic membrane bioreactors (AnMBRs) may provide a sustainable technological solution to overcome limitations of lipid-rich sludge digestion in industrial WWTPs. These digesters combine extensive removal of organic matter and sufficient process stability with reduced reactor volumes. However, membrane fouling and a decrease in biomass activity due to ex-posure to high shear forces may limit successful application. This study characterises biological removal kinetics, limitations of anaerobic digestion of lipid-rich sludge, effects of shear stress on biomass activity and membrane performance. The study was carried out using a pilot-scale anaerobic digestion plant equipped with recuperative thickening by ceramic discs installed on a rotating hollow shaft. The membranes had a mean pore size of 0.2 µm and were operated at mean cross-flow velocities between 3.3 - 4.1 m/s. CSTRs were additionally operated for comparison of removal performance. A mixture of WAS from a municipal WWTP and flotation sludge from dairy industry was used as feed. In AnMBR and CSTR, COD removal and methane yields followed substrate first-order kinetics. COD removal of AnMBR corresponded to the performance of CSTR at similar SRT but AnMBR was operated with higher OLRs and reduced HRT. At high COD related shares of flotation sludge over CODflot/CODtotal = 0.85, CSTR could be operated with a maximum OLRCOD,deg = 8.3 kg COD/(m³∙d) at SRT = 15 d while OLRCOD,deg of 11.2 kg COD/(m³∙d) did not lead to process instabilities using an AnMBR with HRT = 10 d and SRT = 15 d. Process limitations, emerging inhibitions and process instabilities were clearly shown by the relationship between SMA measurements and mean COD removal rates. Activity losses of acetoclastic methanogens based on exposure to high shear required for mitigating fouling on the membranes were not observed. A decisive influence on process stability had especially the degradable lipid content in the anaerobic sludge. Inhibition on acetoclastic methanogens started at lipid contents of 50 mg lipid/ g TS while the digestion process remained stable up to 150 mg lipid/ g TS. Lower degradable lipid content in the anaerobic sludge can be achieved with elevated SRT or reduced shares of lipid-rich substrates. Hence, AnMBR can offer a higher process stability compared to CSTR at even HRT when extending the SRT. Common design criteria such as the OLR or the lipid-related sludge load did not assure a stable or efficient digestion process. Owing to the limitations on the applicability of existing design parameters, a generally valid design criterion for lipid-rich digestion – the maximum degradable lipid content in the anaerobic sludge – was elaborated. This criterion refers to the current state of knowledge on LCFA inhibition that inhibition of methanogens is initiated by the LCFA concen-tration related to the TS content in the sludge. In the field of sludge digestion, membrane performance in terms of the critical flux depends in particular on the apparent dynamic viscosity as decisive sludge (characteristic) parameter. A higher apparent viscosity reduces the flux. The characteristic sludge parameters TS, VS and CST did not exhibit a clear correlation to the critical flux but showed correct tendencies. The correlation between apparent viscosity and critical flux can be significantly improved by inte-grating the present shear rate on the membrane surface (R² = 0.9). Filtration performance can be improved by increasing the rotational speed of the membrane and adding Fe salts (here FeCl₂) to the sludge, as they affect shear stress on the membrane disc and apparent dynamic viscosity, respectively. An increase of mean cross-flow velocity from 3.8 to 4.1 m/s improved the critical flux by 20 %. The addition of Ferric salts (70 L FeCl₂ 20 % per t TS) im-proved the critical flux up to 30 %. A maximum critical flux up to 17 L/(m²∙h) was achieved when filtrating sludge with TS ≈ 3.2 %. At TS ≈ 4.0 % and TS ≈ 4.6 %, critical fluxes of around 9 L/(m²∙h) and 7 L/(m²∙h) were observed. In order to realise an economic advantage of AnMBR using rotating disc filters, specific membrane costs need to decrease noticeably. Membrane operation with higher net flux corresponding to less membrane surface required and lower costs results in case of lower TS concentration of the anaerobic sludge. This effect is especially pronounced in applications treating high shares of easily degradable substrates such as flotation sludge. Compared to conventional digesters additional energy demand for membrane rotation was around 1.0-2.5 kWhel/m³ filtrate at TS concentration of 3.5 % but can be compensated by advantages of lower heat loss based on smaller digester volumes.

Anaerobe Membranbioreaktoren (AnMBRs) können eine nachhaltige technologische Lösung bei der Schlammfaulung fettreicher Substrate auf industriellen Kläranlagen darstellen, indem sie einen weitgehenden Abbau organischer Substanz und eine ausreichende Prozessstabilität bei reduziertem Reaktorvolumen ermöglichen. Einschränkungen der Membranleistung durch Fouling und Einschränkungen der Abbauleistung durch Abnahme der Biomasseaktivität aufgrund hoher Scherkräfte im Membranmodul können hingegen den Nutzen reduzieren. In dieser Studie wurden die Kinetik des biologischen Abbauprozesses in einem Faulreaktor mit Schlammrückhalt, mit der Behandlung von fetthaltigen Substraten verbundene Einschränkungen und Auswirkungen der Scherbeanspruchung auf die Biomasseaktivität und die Membranleistung untersucht. Dabei wurde ein Anaerobreaktor im Pilotmaßstab eingesetzt, bei dem der Schlammrückhalt durch einen Rotationsscheibenfilter mit Keramikmembranen realisiert wurde. Die Membranen hatten eine mittlere Porengröße von 0,2 µm und wurden bei mittleren Überströmungsgeschwindigkeiten zwischen 3,3 - 4,1 m/s betrieben. Ein Vergleich der erzielten Abbauleistung erfolgte mit konventionellen Reaktoren (CSTR). Alle Reaktoren wurden mit Mischungen aus Überschussschlamm und Flotatschlamm aus der Milchindustrie beschickt. In beiden Reaktortypen folgte der CSB-Abbau einer Kinetik 1. Ordnung in Bezug auf das par-tikuläre Substrat. Die Abbauleistung im AnMBR entsprach der eines CSTR bei gleicher Feststoffverweilzeit (SRT). Der AnMBR konnte jedoch mit höheren Raumbelastungen betrieben werden. Bei hohen CSB-bezogenen Anteilen von Flotatschlamm über 0,85 konnten CSTRs mit BR,CSB,abb = 8,3 kg CSBabb/(m³∙d) bei SRT = 15 d betrieben werden, während Raumbelastungen von 11,2 kg CSBabb/(m³∙d) bei einem AnMBR mit HRT = 10 d und SRT = 15 d erzielt wurden. Prozessgrenzen, -instabilitäten und eintretende Hemmungen wurden durch die Auswertung des Verhältnisses von SMA zur mittleren Acetatumsetzungsrate im Faulbehälter sicher detektiert. Aktivitätsverluste von methanogenen Organismen aufgrund hoher Scherbelastungen infolge des Betriebs der Membran konnten nicht festgestellt werden. Maßgeblichen Einfluss auf die Prozessstabilität hatte die verbleibende, nicht-abgebaute Lipidkonzentration im Anaerobschlamm. Beginnende Hemmungen wurden ab 50 mg Lipid/g TR beobachtet, während der Abbauprozess bis zu Konzentrationen von 150 mg Lipid/g TR stabil blieb. Längere SRT oder reduzierte Anteile an lipidreichen Substraten reduzieren die Lipidkonzentration im Anaerobschlamm. Folglich kann durch den Betrieb eines AnMBR im Vergleich zum CSTR eine höhere Prozessstabilität bei Verlängerung der Faulzeit erreicht werden. Auslegungskriterien wie die CSB-Raum- oder Schlammbelastung gewährleisteten keinen stabilen oder effizienten Faulprozess. Aufgrund der Einschränkungen der Anwendbarkeit bestehender Auslegungskriterien für die Faulung mit fettreichen Substraten wurde ein allgemeingültiges Auslegungskriterium – der abbaubare Lipidgehalt im anaeroben Schlamm - entwickelt. Dieses Kriterium bezieht sich auf den derzeitigen Wissenstand zur LCFA-Hemmung, dass die Hemmung der methanogenen Organismen durch die Konzentration der langkettigen Fettsäuren in Verbindung mit dem Feststoffgehalt im Schlamm initiiert wird.

Im Bereich der Schlammfaulung hängt die Leistung der Membran basierend auf dem kritischen Flux maßgeblich von der scheinbaren Viskosität des Anaerobschlamms ab. Eine höhere Viskosität reduziert den kritischen Flux. Die charakteristischen Schlammparameter TR, oTR und CST wiesen hingegen keine eindeutige Korrelation zum kritischen Flux auf aber richtige Tendenzen. Die Korrelation zwischen kritischem Flux und scheinbarer Viskosität kann zusätzlich durch Einbeziehung der Scherbelastung an der Membranoberfläche (R²=0.9) verbessert werden. Der kritische Flux konnte gesteigert werden, indem die Rotationsgeschwindigkeit erhöht oder die scheinbare dynamische Viskosität des Schlamms reduziert wurde, z.B. durch Zugabe von Eisensalzen. Eine Steigerung der mittleren Rotationsgeschwindigkeit von 3,8 auf 4,1 m/s verbesserte den kritischen Flux um ca. 20 %. Eine Dosierung von Eisensalzen (70 L FeCl₂ / t TR) verbesserte den kritischen Flux um 30 %. Als kritischer Flux bei der Filtration von Schlamm mit TR ≈ 3,2 % wurden 17 L/(m²∙h) erreicht. Bei TR ≈ 4,0 % und TR ≈ 4,6 % reduziert sich die Leistung auf etwa 9 L/(m²∙h) und 7 L/(m²∙h).
Ein wirtschaftlicher Vorteil von AnMBRs mit rotierenden Scheibenfiltern kann nur erreicht werden, wenn die spezifischen Membrankosten deutlich sinken. Anderenfalls wären AnMBRs zur Schlammfaulung auf Anwendungen bei geringen TS-Konzentrationen (z.B. beim Einsatz nahezu vollständig abbaubarer Substrate) zur Reduzierung der erforderlichen Membranfläche und Investitionskosten begrenzt. Der zusätzliche Energiebedarf für die Membranrotation betrug etwa 1,0-2,5 kWhel/m³ Filtrat bei TR-Konzentrationen von 3,5 % und kann durch geringere Wärmeverluste aufgrund kleinerer Reaktionsvolumina kompensiert werden.