Biological Performance of Membrane Bioreactor

Membrane Bioreactor (MBR) as an Advanced Wastewater Treatment Technology
55
by Pirt [37], where maintenance energy is defined as the amount of bio-
chemical energy strictly necessary for sludge endogenous respiration. Mi-
croorganisms satisfy their maintenance energy requirements in preference to
producing additional biomass. Therefore, under the conditions of decreased
nutrient supply, external substrate is used only for the upkeep of bacterial
vial functions, while the amount of bacteria is not changed. Moreover, the
higher the biomass concentration, the lower the sludge loading, i.e., food-
to-microorganism (F/M) ratio (g COD gTSS
–1
day
–1
) becomes [38]. When the
sludge loading becomes low enough, little or no excess sludge is produced [3,
39–42]. Low et al. [41] reported a sludge production reduced by 44% when in-
creasing a biomass concentration in an MBR from 1.7 to 10.3 g L
–1
. In various
studies on applications of MBR in wastewater treatment, zero sludge pro-
duction was established at different F/M ratios, obviously depending on feed
compositions which determine the growth of microbial populations [43–45].
However, there is an optimal biomass concentration (i.e., SRT) for a suc-
cessful operation of MBR. Biomass retention results in a slow-growing pop-
ulation with high sludge ages, where cell dormancy and death reduce the
viability of population [46, 47]. An example of changes in sludge yield and
biomass concentration with sludge age are presented on a Fig. 11 (HRT—
hydraulic retention time, k-rate constant for endogenous metabolism, k
d
-rate
constant for biomass decay) [48].
Several explanations are suggested for this phenomenon. Since MBR
sludge acts as a non-Newtonian fluid by increasing the mixed-liquor sus-
pended solids (MLSS) concentration, the viscosity of sludge increases expo-
nentially. This results in mass transfer limitations for both the oxygen and
substrate, which increases aeration costs as well as causing extensive mem-
brane fouling [49]. On the other side, at lower MLSS concentrations, more
specific surface area is available for the uptake of a substrate and enzyme
production, and the enzymatic activity is higher. Thus, when operating at
Fig. 11
Net observed yield · · · and biomass concentration as a function of sludge age in
a MBR, HRT=2.7 h, Y=0.4, k = 0.07 d
–1
, k
d
= 0.06 d
–1
[48]

56
J. Radjenovi´c et al.
low SRT response of the system in degradation of xenobiotic waste should be
faster. Moreover, the chances of genetic mutation and adaptation of microor-
ganisms to different organic loadings should be greater [46]. Horan et al. [50]
also noted that at high sludge ages the solubility of substrate becomes rate-
limiting.
Ng et al. [51] studied the performance of MBR at low SRT (0.25–5 days).
They indicated that modification of sludge morphology, i.e., proliferation of
non-flocculating microorganisms, could have a positive impact on removal
performance. In addition, recent works of Wilen et al. [52] showed that the
surface properties and the structure of biological flocs in activated sludge are
correlated to the chemical constituents of EPS, and can be significantly influ-
enced by the operating condition. However, some investigations have given
completely opposite results. Massé et al. [53] observed a decrease in floc size
at higher SRTs. This could be due to lower production of EPS, which is respon-
sible for the formation of flocs or other cell aggregates. Moreover, growth of
non-flocculating bacteria is enhanced because they are more exposed to the
present substrate than when they are arranged into macro-flocs.
Some authors believe that there should be a minimal rate of sludge wasting
in order to keep an optimal range of sludge concentration in MBR [46, 54–
56]. When no sludge is withdrawn from the reactor, accumulation of inor-
ganic compounds can be expected [16, 56–58]. Retention and accumulation
of non-biodegradable compounds in the bioreactor could lead to microbial
inhibition or toxicity, which limits the alternatives available for excess sludge
disposal. Several works have described a possible negative long-term effect
of accumulation of recalcitrant compounds on process stability [40, 59–62].
Non-biodegradable solids (solids that are not metabolized under present
conditions) are either present in the influent or they are produced in the
microbial process. Their forming can also be a result of protozoan activity,
which may not degrade the bacterial cell walls fully, leaving behind the inert
material. However, inerts are not ultimately inert: it is possible that degra-
dation of inert material occurs by slow-growing bacteria, which will depend
on the SRT [63]. Many studies have reported a stable performance of MBR
during long operating periods, with a dynamic balance of active biomass
and inorganic fraction during long-term operating periods [40, 58, 64]. In
these studies, the mixed-liquor volatile suspended solids (MLVSS) to MLSS
(MLVSS/MLSS) ratio was used as an indicator of the amount of viable sludge,
and it was found to be relatively constant. Pollice et al. [65] explained this
phenomenon by a possible hydrolysis and/or enzymatic solubilization of inert
matter.
Taking into account all of the above-mentioned aspects of SRT control
in MBR, SRT should be chosen in such a way to avoid both the adverse
effects of accumulated non-biodegradable substances resulting from low
sludge discharge and also an excessive production of sludge at low sludge
ages. High sludge ages are one of the main advantages of MBR, consider-

Membrane Bioreactor (MBR) as an Advanced Wastewater Treatment Technology
57
ing that in conventional treatment processes long SRTs are impossible be-
cause of bad settling ability of sludge at high concentration and withdrawal
of suspended solids with the effluent. Typical values for MLSS concentra-
tion in MBR vary from 10 to 25 g MLSS L
–1
, while in CAS they are around
1.5
–5 mg MLSS L
–1
[44, 66].
Besides the “prolonged SRT” strategy, sludge decay rate in MBR could be
boosted by disintegration of some part of sludge. The most common way for
achieving this is sludge lyses. Lyses imply death and the breaking apart of cells,
and therefore loss of bacteria. The autochthonous substrate formed contributes
to the organic loading and is reused in microbial metabolism. Since the biomass
growth on this substrate cannot be distinguished from the growth on the ori-
ginal organic substrate, it is called cryptic growth, and it was first introduced
by Ryan et al. [67]. Limiting step for cell lyses is the degradation of the cell wall,
and in order to accelerate it, physical or chemical treatment can be used [68].
Canales et al. [69] managed to improve the endogenous metabolism in an MBR
by inducing cell death and lyses with a thermal treatment. Biomass was ex-
tracted and treated at three different temperatures (50, 70, and 90
◦
C) (see
Fig. 12), while the hydrolysates were recycled to the bioreactor. Thus, improve-
ment of endogenous metabolism was obtained by cryptic growth with both
HRT and SRT were very low (2 and 10 h, respectively).
Other techniques for establishing cryptic growth in an MBR are ultra-
sound disintegration [70], ozone-induced biodegradation [71–73], and alka-
line treatment [74]. Experimental results showed that by ozonization, excess
sludge production could be reduced significantly, and biological performance
of mineralization and nitrification would not be inhibited [71]. The ozone
Fig. 12
Death kinetics of P. Fluorescens at different temperatures [69]

58
J. Radjenovi´c et al.
dosing rate is directly proportional to the amount of sludge to be treated. For
example, in a study of Sakai et al. [72], it was found to be 0.034 kg O
3
per kg
of suspended solids (SS).
On the other side, growth of controllable predators has been successfully
tested for reducing excess sludge production in bench and pilot-scale re-
actors [75]. Grazing fauna mainly consists of protozoa and metazoa. These
higher organisms consume bacteria, while decomposition of substrate re-
mains unaffected. During energy transfer from low to high trophic levels, en-
ergy is lost due to inefficient biomass conversion. Under optimal conditions,
the total loss of energy will be maximal, and the total biomass production
thus will be minimal [49].
Environmental factors that influence and limit microbial growth are tem-
perature and pH value, i.e., the acidity or alkalinity of the aqueous environ-
ment. Temperature has a profound effect not only in governing the rate of the
treatment but it also affects bacterial composition. Chiemchaisri et al. [76] in-
vestigated performances of MBRs at various temperatures and noted a reduc-
tion in the number of strict aerobic bacteria when temperature was lowered,
suggesting a limited oxygen transfer, partly due to reduced viscosity of mixed
liquor at lower temperatures. The temperature range for optimal performance
of MBR was found to be from 15 to 25
◦
C, while the treatment efficiency de-
teriorated as the temperature decreased to 10
◦
C. As far as pH is concerned,
autotrophic metabolism is considered impaired outside the optimal pH range
(7.2–8.5) [77].
How to operate MBR systems efficiently remains a topic of argument
because there is a lack of information on the development of microbial com-
munity structure in the reactor [57]. The characteristics of sludge morphology
(dispersed bacteria, lower amount of large filamentous bacteria, floc densifi-
cation) certainly play an important role in the removal efficiencies, but they
also affect sludge filterability and fouling mechanisms. Under the high organic
loading conditions (i.e., low SRT), foaming and sludge bulking may rise.
In particular, the modification of sludge structure induced by membrane
separation compared to a settling separation is still unclear. Because MF
and UF membrane retain dispersed bacteria as well as colloidal and supra-
colloidal material, the biological medium in MBR can be significantly dif-
ferent from those produced in an activated sludge [78]. It can be assumed
that if operated at high sludge ages, bacteria in MBR face conditions of ex-
treme competition for the inflowing substrates. However, microbiology and
physiology of MBR are far from being understood.

tải về 0.95 Mb.

Chia sẻ với bạn bè của bạn: