parts of the sludge end up in treated water, which leads to poor removal ef-

Membrane Bioreactor (MBR) as an Advanced Wastewater Treatment Technology
87
lem occurs due to the growth of filamentous bacteria. In filamentous growth,
bacteria form filaments of single-cell organisms that attach end-to-end and
normally protrude out of the sludge floc. Common filamentous organisms
are Sphaerotilus natans, Microthrix parvicela and Thiothrix spp. The main
reasons for bulking are low DO concentration, low F/M ratio, and nutrient
deficiency. At such conditions of low substrate concentration, filamentous or-
ganisms, due to their increased surface-to-mass ratio can compete better for
substrate and overgrow the floc-forming organisms. While DO concentration
can be provided by a proper aeration system, problems with variations in
wastewater flow rate and composition can seriously affect the CAS process.
The usual measures for bulking control are the addition of flocculants like fer-
ric chloride and aluminum sulphate to the settler, or chlorination of return
sludge (0.002 to 0.008 kg of chlorine per kg of MLSS per day) since filamen-
tous bacteria is more sensitive to oxidative agents. Also, if the design of the
plant allows, bulking can be mitigated by setting the operational parameters
(such as the F/M ratio) high enough to enhance the growth of floc-forming
organisms. By doing so, microorganisms of the activated sludge are kept in
the exponential growth phase in which they produce a large amount of ex-
cess biomass. To achieve high F/M, the MLSS in the aeration basin has to
be kept low (around 3–5 g L
–1
dry mass weight) while the concentration of
the organic matter in the feedwater needs to be high. These conditions are
usually easy to achieve with municipal wastewater with a small amount of
industrial wastewater and drainage water. In the cases where drainage water
dilutes the wastewater significantly, or industrial wastewater adds its compo-
nents to the influent, the efficiency of CAS can be seriously lowered due to
a poor sedimentation of microbial flocs.
The quality of CAS effluent is another important issue. Firstly, microbi-
ological contamination of the effluent may be significant since there is no
physical barrier between activated sludge and treated water. A correlation has
been reported between the occurrence of eye and ear infections in humans
and their contact with water where recreational use occurs (e.g., rivers or
lakes) that has been receiving CAS effluents [266]. This problem is even more
pronounced if hospitals discharge their wastewater into sewage without treat-
ment, because of the increased number of pathogens that may be found in raw
sewage and in the effluent.
Also, there is a problem with specific compounds whose biodegradation
depends on specialized microbial species. If such species have a slow growth
rate they will be washed out with the excess sludge during the constant
and fast sludge disposal rate (i.e., short SRT) of CAS treatment. As a con-
sequence, specialized slow-growers may not develop in sufficient number to
degrade efficiently some trace pollutants. Emerging contaminants in munic-
ipal wastewater and their fate in the environment have become an issue of
importance for the legislators and decision-makers. Since the design of most
municipal WWTPs does not allow operation at longer SRTs, they may not be

88
J. Radjenovi´c et al.
suitable for degradation of some organic micropollutants. To overcome the
limitations of conventional treatment with activated sludge, MBR technology
can be successfully employed. While bacteria in activated sludge decompose
and degrade organic matter from the wastewater, membrane separates them
from the treated water, thus replacing the secondary settler used in CAS.
The simple change from one physical separation technique to another leads
to quite complex changes in the process characteristics. It affects the sludge
characteristics in several ways.
During CAS wastewater treatment, the bacterium present can survive in
the bioreactor only in the form of flocs because the ones that do not settle are
discharged with the treated water. Also, due to its short SRT, it is necessary
for all microorganisms to grow fast or otherwise they will be washed out from
the bioreactor. In other words, microbial population in CAS is selected among
fast-growing and floc-forming species. On the contrary, in the case of MBR,
the bacterial ability to settle and to grow fast is of negligible importance.
MBR works at much longer SRTs, which can be measured in months rather
than days. As an illustration, the SRT for a full-scale MBR for municipal wa-
ter treatment (Porlock, UK, 1900 m
3
/
d) was reported to be 30–60 days [4] in
comparison with the typical SRT of the conventional process with activated
sludge, which ranges from 3 to 15 days [260]. In such conditions, slower-
growing species with the ability to decompose less-biodegradable compounds
have the opportunity to proliferate. In other words, in MBR selection among
microorganisms is primarily made by their capability to degrade the sub-
strate, which is also the primary purpose of the treatment process.
Without demand for settling of the sludge, the F/M ratio can be set much
lower, thus allowing operation at much higher MLSS concentrations, which
consequently leads to higher volumetric efficiency of the process. Given the
reduction in bioreactor volume, the elimination of secondary clarifiers and
the elimination of granular media filters, MBR typically has a much smaller
footprint relative to CAS, when achieving the same discharge limits. Due to
this footprint reduction, other concerns such as esthetics and odors can be
more easily addressed.
A low F/M ratio means that less substrate is available per unit of biomass.
According to the maintenance concept introduced by Pirt [37], part of the en-
ergy contained in the supplied substrate is used for maintenance functions that
are independent of growth rate. When the energy supplied to the bioreactor
is lowered, the biomass ceases to grow and to utilize the substrate for mainte-
nance. In this manner, the sludge production in the process is much lower, or
does not occur at all. Very low sludge production in pilot MBR operations are re-
ported [16], but it is often impractical for full-scale operations to keep F/M too
low. The design of such plants would include very high MLSS concentrations
that can promote membrane clogging, or large bioreactors, which contributes
to the initial capital cost. Moreover, high MLSS concentration reduces aeration
efficiency, which is possibly the most significant problem with maintenance of

Membrane Bioreactor (MBR) as an Advanced Wastewater Treatment Technology
89
high MLSS concentration. Nevertheless, due to the low F/M ratio, there is a sig-
nificant decrease of sludge production in MBR in comparison to CAS, which
then decreases the cost of excess sludge handling.
As water reuse and reclamation increases, MBR technology can make re-
claimed water more accessible by achieving the reclaimed water treatment
standards in nearly a single step, thus reducing the complexity of these sys-
tems. Further, the use of reclaimed water reduces the stresses on other water
bodies by reducing the need for water withdrawals and by reducing pollu-
tant loading. In the United States, reclaimed water is being used to augment
drinking water supplies. Required treatment involves multiple steps, typic-
ally culminating in RO. In wastewater treatment, RO typically is preceded
by MF or UF to reduce RO membrane fouling. Therefore, implementation of
an MBR process provides the flexibility to install RO without the expense of
a pre-treatment process.
With the use of UF membranes (effective pore size of 0.04 µm) instead of
CAS, most of the pathogens of concern in wastewater can be significantly re-
moved from the effluent. The membranes provide an additional barrier to

tải về 0.95 Mb.

Chia sẻ với bạn bè của bạn: