Membrane Bioreactor (mbr) as an Advanced Wastewater Treatment Technology

66
J. Radjenovi´c et al.
or that disinfection is inadequate. These organisms are referred to as “in-
dicator organisms”, and they are not harmful to health but they coexist in
high quantities where pathogens are present. The most common indicator
organisms used are total coliform (TC) in drinking water quality control,
while for wastewater evaluation fecal coliform and bacteria Escherichia coli
are used. On the other side, viruses are expected to be more suitable indi-
cator organisms than bacteria since they are much smaller and harder to
straining than bacteria, and also considered to be more resistant to common
disinfectants [120]. The removal of enteric viruses requires specific attention,
given their low infective dose, long-term survival in the environment, and low
removal efficiency in the conventional wastewater treatment. Due to the diffi-
culty in assaying animal viruses, bacteriophages have been suggested as viral
indicators because they closely resemble enteric viruses in terms of struc-
ture, morphology, size, and behavior [121]. A variety of bacteriophages have
shown potential as model organisms for monitoring virus-removal in drink-
ing water treatment plants [122], such as F-specific RNA coliphages (viruses
infecting E. coli). MS-2 is the most-studied F-RNA coliphage, and it is often
used as an indicator because of its being the smallest (0.02–0.025 µm) among
viruses and relative hydrophobicity, which makes it a good worst-case strain
and therefore representative to address the ability of pathogen removal.
If these pathogens (i.e., microorganisms capable of causing diseases) are
not removed by water treatment or disinfection and stay present in water,
consumers may suffer infectious diseases like cholera, polio, typhoid, hep-
atitis, and a number of other bacterial, viral, and parasitic diseases. Sewage
treatment may reduce the numbers by ten to ten thousand-fold, depending
on the nature and degree of treatment. However, even tertiary treatment of
sewage will not eliminate all viruses. In well-functioning biological plants,
as many as 10
6
CFU L
–1
resistant coliform bacteria were found in the efflu-
ent [123, 124], while this number is much larger when counting with the
existence of smaller viruses. In the production of potable water, a limited
number of bacteria are acceptable, which also depends on the type of bacte-
ria. The average content of viruses in drinking water should be only around
10
–8
viruses L
–1
. Hence, given their low infective dose, long-term survival
in the environment and low removal efficiency in the conventional wastew-
ater treatment, enteric virus removal requires specific attention. For their
elimination, the most important step in potable and wastewater treatment is
disinfection, during which the number of pathogenic organisms in water is
lowered to an acceptable value. Primary methods of disinfection are chlori-
nation, chloramines, ozone, and ultraviolet light. Other disinfection methods
include chlorine dioxide and treatment with potassium permanganate. These
processes are often accompanied by mutagenic/carcinogenic and toxic dis-
infection by-products (DBPs), which are potentially harmful to humans and
aquatic organisms. Another disadvantage of chemical sterilization methods is
that they kill the present microorganisms without removing the dead ones,

Membrane Bioreactor (MBR) as an Advanced Wastewater Treatment Technology
67
which are a source of pyrogens (compounds that can cause a rise of a body
temperature).
One of the most advanced options for disinfection is MBR treatment,
where removal of microorganisms is achieved by filtration. Membrane treat-
ments have been proved to be very efficient in reducing vegetative bacte-
ria [125–127]. Ottoson et al. [126] noted a 5 log removal of E. coli and 4.5 log
removals of enterococci. These reductions are in line with the MBR removal
rates of Faecal coliforms and Faecal streptococci (up to 7 log) reported by
Ueda et al. [128]. Phages and spores are not as efficiently removed as bacteria,
though their elimination can be successfully increased by submerging a mem-
brane module in the reactor for a few weeks, which allows a membrane-
attached biofilm to develop [126, 129, 130]. Some investigations have shown
that membranes were capable of removing viruses completely (UF) or sig-
nificantly (MF) under appropriate conditions [116]. If the pore sizes of the
membrane are smaller, then viruses can be removed by size exclusion. Cooper
and Straube [131] found that RO can effectively remove viruses from wastew-
ater without any additional treatment.
It was found in these studies that the main role in the removal of bacte-
ria as well as viruses plays a biofilm formed on the membrane surface. In
the absence of biofilm, virtually no phage removal was observed, while in its
presence better phage removal was observed at higher sludge concentrations.
It has been suggested that mechanisms for this removal comprise a physical
component due to pore size reduction, a chemical component due to viral
adsorption on the biofilm, and a biological component resulting from the pre-
dation of phage by other microorganisms. Given enough time for a biofilm
to develop, the removal improves significantly because the membrane surface
gets fully covered with gel layers, while internal blockage and partial cov-
erage (presumably by EPS) are observed in the membrane pores [95, 117].
In the study performed by Shang et al. [117] the membrane alone showed
poor virus removal. This was to be expected since the average pore size of
the membrane fibers (0.4 µm) was much larger than the size of the bacterio-
phage MS-2 (0.02 µm). The overall removal increased substantially with the
presence of biomass and biofilm. Similar results were found by Lv et al. [132]
for the elimination of the phage T4 in two membrane modules with pore
sizes of 0.22 and 0.1 µm. In the second one, a membrane alone could block
most phages from leaking by direct membrane interception, while cake and
gel layer played a significant role on the phage removal for the 0.22 µm mem-
brane module. Phages are also expected to associate with biomass flocs and
then get removed by flocculation or cell adsorption in the aeration tank [117].
There is evidence that pore size does not necessarily describe the ability
of a filter to remove particles from solutions [127]. Besides gel layer at mem-
brane surface, important factors for adsorption of viruses on membranes are
chemical composition of membrane, ratio of membrane pore diameter to
virus diameter and hydrophobic and electrostatic interactions. The charge of

68
J. Radjenovi´c et al.
most viruses will be negative under the conditions present in most wastewa-
ter effluents (i.e., pH 6–7). Neutral net charge at the iso-electric point (pI) of
a virus leads to maximum virus–virus coagulation. Aggregation may there-
fore further promote virus retention by membranes. It has also been noted
that the presence of particular ions promotes virus aggregation compared to
buffers at low pH alone.
For electrostatic interaction of viruses, the thickness of the double-layer as
described by Gerba [129, 133] plays the most important role, which is gov-
erned by the pH and the presence of salts in the bulk solution (Fig. 15).
Increasing the salt concentration (for example its thickness) is reduced
(Gouy layer around the virus is decreased) and thus virus adsorption to mem-
brane surfaces is facilitated. Gerba showed that certain salts have a positive
effect on both electrostatic and hydrophobic interactions.
pI of a virus is a parameter relevant for its electrostatic interactions and
relative hydrophobicity. By knowing a virus’s pI it is possible to predict the
likelihood of its adsorption to a charged surface as long as the suspend-
ing conditions are known, at the first place pH of a bulk solution. Van
Voorthuizen et al. [129] observed that the retention of bacteriophage MS-
2 at its pI and in the presence of salts was significantly higher when using
a hydrophobic membrane compared to the hydrophilic one. If a solution’s
pH is greater than the pI of a virus, hydrophobic interaction could play the
major role in maintaining virus-filter adsorption due to the increased elec-
trostatic repulsion at higher pH levels [133]. On the other hand, the pI of
a virus can differ within the same strain due to the fact that different viruses
have different protein coatings that surround the virus. In addition, metals
and other substances present in water could form complexes with these pro-
tein coatings, which will have an impact on adsorption characteristics and the
measured pI [129].
Fig. 15
Schematic illustration of virus structure with electrokinetic double layers [129]

Membrane Bioreactor (MBR) as an Advanced Wastewater Treatment Technology
69
The presence of human enteric viruses is a major risk associated with
wastewater reuse.
As sewage mixes with the receiving water, viruses are carried downstream
and the length of time they remain detectable depends on temperature, their
degree of absorption into sediments, penetration of sunlight into the water,
pH, and other factors. Consequently, enteric viruses can be found in sewage-
polluted water at the intakes to water treatment plants. In recent years, the
reuse of wastewater for non-potable reuse has gained much attention. MBR
effluents were found to be compliant with the EU Bathing Water Directive
(EC/160/75) including parameters such as total coliforms, Faecal coliforms,

tải về 0.95 Mb.

Chia sẻ với bạn bè của bạn: