Membrane Bioreactor (mbr) as an Advanced Wastewater Treatment Technology

Membrane Bioreactor (MBR) as an Advanced Wastewater Treatment Technology
49
subtraction. This model neglects the coupling of synergistic effects on foul-
ing, which may occur among different activated sludge components.
Similar to the above approach, in an attempt to make a distinction among
different constituents of activated sludge, relative contribution of biomass
fractions on fouling has been intensively investigated by fractionation of ac-
tivated sludge into suspended solids, colloids, and solutes. This fractionation
is usually performed by centrifugation of biomass and subsequent filtration
of the supernatant through 0.45 µm filter for separation of colloid from solu-
ble matter. Again, this approach does not take into account all the interactions
among fractions, but it represents an interesting approach to clarification of
the fouling phenomenon. The results of these studies, recently reviewed by
Judd [4], vary significantly in assessment of the relative contributions of com-
ponents to fouling. Despite variations in the published results, it is generally
accepted that fouling caused by suspended solids is less than that of super-
natant. Moreover, Chang et al. [13] reported a faster fouling rate with the
effluent of biological process than with the activated sludge and concluded
that suspended solids can act as a dynamic layer over the membrane surface,
which can slow the penetration of soluble fouling species that cause fouling.
Ng et al. [14] also reported greater filtration resistance from mixed-liquor su-
pernatant than from the biomass. With regards to the fouling mechanism,
it is generally assumed that soluble and colloid materials are responsible for
pore blocking, while suspended solids contribute mainly to cake layer resist-
ance. Again, one has to be aware of the fact that biomass itself is responsible
for a composition of soluble and colloid material in the liquid phase, and
that composition of supernatant is a function of the physiological state of the
suspended phase, i.e., biomass.
Among the constituents of the supernatant, extracellular polymeric sub-
stances (EPS) have gained a lot of attention as possible important foulants in
MBR [5, 15, 16]. EPS is a general term for various types of macromolecules
found outside the cell surface, most commonly carbohydrates and proteins.
They are normally produced by microorganisms as a construction material
necessary for the development of microbial aggregates, such as biofilms or
flocs, or used as a protective barrier around the bacteria. Apart from the EPS
that are bound in microbial flocs, EPS can be found in the water phase as
free EPS. Substances in this category originate from the break up of flocs
and cell lyses, or they can be introduced by the influent. Another group of
substances overlapping the EPS is called “soluble microbial products” (SMP).
This group contains a wider range of substances that can also be defined as
soluble EPS. The presence of EPS is desirable in CAS because it helps for-
mation of microbial flocs and makes them easier to settle, but due to its
heterogeneous nature EPS can form hydrated gel which can act as a barrier
to permeate flow in MBR. Little is known about the circumstances that in-
fluence EPS production and their possible release to the water phase. Many
operating parameters including substrate composition and organic loading

50
J. Radjenovi´c et al.
rate appear to affect EPS, with solid retention time (SRT) probably being the
most significant factor [17]. Generally taken, the EPS level may be lower when
fewer disturbances, such as starvation, oxygen or essential nutrient depletion,
are introduced to the biomass. Rosenberger et al. [18] found a correlation be-
tween polysaccharide concentration in the supernatant of mixed liquor and
high fouling rates of submerged membrane. The concentration of polysac-
charides of microbiological origin was influenced by temperature and stress
situations to microorganisms.
Fouling can be divided from the practical point of view on:
1. Reversible fouling that can be removed from the membrane by physical
cleaning
2. Irreversible fouling removed by chemical cleaning
3. Irrecoverable fouling that cannot be removed by any cleaning
Physical cleaning in MBRs is normally achieved either by back-flushing
or by relaxation (stopping the permeate flow and continuing to scour the
membrane with air bubbles). Physical cleaning is a simple and short method
(usually lasting less then 2 min) of fouling suppression which demands no
chemicals and generally it is less likely that it will affect the membrane ma-
terial. The latest published data [4] on the cleaning regime of full-scale plants
suggests that presently most of MBR facilities use relaxation rather than back-
flushing. However, by means of physical cleaning it is not possible to remove
all the material deposited on the membrane. Chemical cleaning is a more
effective method, which is able to remove more strongly the adsorbed de-
posits. Chemical cleaning is carried out mostly with sodium hypochlorite
and sodium hydroxide for organic deposits removal, or with acidic solutions
for removal of lime or other inorganic deposits. Cleaning is performed by
soaking the membrane in the cleaning solution or by adding the cleaning
agent into the back flush water. Most MBRs employ chemical maintenance
cleaning on a weekly basis, which lasts 30–60 min, and recovery cleaning
when filtration is no longer sustainable, which occurs once or twice a year.
Deposits that cannot be removed by available methods of cleaning is called
“irrecoverable fouling”. This fouling builds up over the years of operation and
eventually determines the membrane life-time. Development of the fouling
given as pressure transient for these three types of fouling for the continuous
operation are presented on Fig. 10.
MBRs are normally operated under a constant flux. Since the fouling rate
increases roughly and exponentially with the flux, MBR plants operate at mod-
est fluxes and preferably below the so-called critical flux. The critical flux
concept, firstly introduced by Field et al. [19], assumes that in MF/UF pro-
cesses exists a flux below which a decline of permeability with time does not
occur, and above which fouling occurs. In MBR operations, critical flux is
normally defined as the highest flux under which a prolonged filtration with
constant permeability is possible. Critical flux is often determined by the flux-

Membrane Bioreactor (MBR) as an Advanced Wastewater Treatment Technology
51
Fig. 10
Fouling rates for different types of fouling (t
phys
– duration of physical cleaning
cycle, t
chem
– duration of chemical cleaning cycle)
step method, in which the flux is incrementally increased in number of steps
with fixed duration, and the increase in TMP is recorded. It is then possible
to observe the apparent flux where fouling occurs, observed as a significant
TMP increase or deviation in linearity of K. The critical flux definition in its
strong form demands that K obtained during filtration in sub-critical condi-
tions equals K obtained during clean water filtration. It is possible to achieve
such results when filtration media has defined characteristics regarding the
size of the particles. In MBR operation, however, due to the complexity of the
mixed liquor, some irreversible fouling constantly occurs, which makes it im-
possible to achieve the sub-critical conditions as for the strong form of the
critical flux. Nevertheless, this concept is widely accepted in MBR operations
as a tool that can provide useful guide value for the appropriate operating flux.
Pollice et al. [20] reviewed the sub-critical fouling phenomenon in MBR.
From the reviewed data it is evident that even sub-critical operation in-
evitably leads to fouling. This fouling is often reported to follow a two-stage
fouling pattern [21, 22], which includes slow TMP increase over a long period
of time, followed by a rapid increase after some critical time period. In the
work of Zhang et al. [23], this pattern is extended with an initial period of
conditioning fouling. In cited work, fouling in MBR under sub-critical condi-
tions three stages are introduced, which include:
1. Initial conditioning fouling
2. Slow fouling
3. Sudden TMP jump

52
J. Radjenovi´c et al.
During the initial conditioning fouling reported also by Ognier et al. [24]
and Jiang et al. [25] interactions take place between the membrane surface
and soluble components of the mixed liquor. This fouling is usually rapid
(measured in hours), irreversible by nature, and occurs even for zero flux
operation [23]. In the second stage, slow fouling, the membrane surface is
gradually covered by biopolymers such as EPS, which changes the proper-
ties of the membrane surface and makes attachment of the microbial flocs
to the membrane surface easier. Thus, biofilm growth on the membrane sur-
face may be promoted. Over time, complete or partial pore blocking takes
place. This blocking is expected to be inhomogeneous since the air and the li-
quid flow are distributed unevenly in MBR. With regions of membrane more
fouled than others, flux locally varies, thus exceeding the critical flux in some
areas of the membrane surface, which then leads to a sudden TMP jump char-
acteristic for operation above the critical flux. The other explanation for the
sudden TMP jump may be the change of properties of the fouling cake on the
membrane surface due to its compression.

tải về 0.95 Mb.

Chia sẻ với bạn bè của bạn: