Επεξεργασία προσομοιωμένων υγρών αστικών αποβλήτων σε βιοαντιδραστήρες μεμβρανών: έλεγχος έμφραξης με χρήση εμπορικών κροκιδωτικών υλικών.
Creators: name: Μπάτσαρη, Ευφμορφία Λάμπρου
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2016
Subjects: Βιοαντιδραστήρες μεμβρανών
Διηθησιμότητα
Έμφραξη μεμβρανών
Membrane bioreactors
Filterability test
Membrane fouling

description: Οι βιοαντιδραστήρες μεμβρανών αποτελούν μια σύγχρονη μέθοδο επεξεργασίας αστικών και βιομηχανικών λυμάτων που εφαρμόζεται ευρέως τα τελευταία χρόνια. Συνδυάζουν την βιολογική επεξεργασία με την διήθηση διαμέσου μεμβρανών, για τον διαχωρισμό της τελικής εκροής από την αιωρούμενη βιομάζα και επομένως δεν παρεμβάλλεται δεξαμενή τελικής καθίζησης. Βασικό τους πλεονέκτημα σε σχέση με το αντίστοιχο σύστημα της ενεργού ιλύος, είναι πως μπορούν να λειτουργήσουν αποδοτικά σε πολύ υψηλές συγκεντρώσεις λυμάτων (5000-15000 mg/L), μειώνοντας έτσι τις συνολικές απαιτήσεις των δεξαμενών επεξεργασίας σε όγκο και η τελική εκροή είναι ποιοτικά ανώτερη και συγκρίσιμη με τριτοβάθμια συστήματα επεξεργασίας. Από την άλλη, το σημαντικότερο πρόβλημα στην επεξεργασία υγρών αποβλήτων με τη χρήση βιοαντιδραστήρων μεμβρανών (MBR) είναι η έμφραξή τους. Η έμφραξη των μεμβρανών αυξάνει τη διαμεμβρανική πίεση του συστήματος για δεδομένη ροή διήθησης και αυξάνει σημαντικά το λειτουργικό κόστος, καθώς απαιτείται συχνός καθαρισμός των μεμβρανών. Η έμφραξη επίσης στηρίζεται κυρίως στην αλληλεπίδραση μεταξύ του υλικού της μεμβράνης και των (οργανικών ή ανόργανων) ρύπων που οδηγεί σταδιακά στη μείωση της διαπερατότητας και της απόδοσής τους. Είναι ευρέως αποδεκτό ότι τα κολλοειδή συστατικά καθώς και τα διαλυτά μικροβιακά προϊόντα (SMP), που βρίσκονται στο μικτό υγρό, διαδραματίζουν καθοριστικό ρόλο στην έμφραξη των μεμβρανών, αφού προσροφώνται στην επιφάνεια της μεμβράνης, φράζουν τους πόρους και σχηματίζουν μία ζελώδη δομή στην επιφάνεια των μεμβρανών η οποία παρέχει μια πιθανή πηγή θρεπτικών για την δημιουργία βιοφίλμ και δημιουργεί μεγαλύτερη υδραυλική αντίσταση στην ροή διήθησης. Για το σκοπό αυτό η μέθοδος της κροκίδωσης/συσσωμάτωσης αποτελεί μια βασική επιλογή όσον αφορά την επεξεργασία των λυμάτων σε συστήματα βιοαντιδραστήρων μεμβρανών αφού σχηματίζονται συσσωματώματα των αιωρούμενων στερεών και κολλοειδών σωματιδίων, με αποτέλεσμα να επιτυγχάνεται ευκολότερα μέσω της διήθησης σαν μέθοδο διαχωρισμού, η απομάκρυνση των αιωρούμενων στερεών και των κολλοειδών σωματιδίων. Αντικείμενο της εργασίας αυτής είναι η προσθήκη εμπορικά διαθέσιμων κροκιδωτικών υλικών στο σύστημα MBR για τον έλεγχο της έμφραξης των μεμβρανών. Εντούτοις, κατασκευάστηκε μια εργαστηριακή μονάδα MBR συνεχούς ροής με πλήρως αυτοματοποιημένη λειτουργία στην οποία δοκιμάστηκαν διάφορα ανόργανα και οργανικά κροκιδωτικά (π.χ. FeCl3∙6H2O, Fe2(SO4)3∙5H2O, FeClSO4, PFS0.3, PAC-A9-M, PAC-A16, Al2(SO4)3∙18H2O, CPE FO4350SSH, NaAlO2). Οι παράμετροι που εξετάστηκαν πριν και μετά τη χρήση των κροκιδωτικών υλικών στο σύστημα προκειμένου να διερευνηθεί η αντιστρεπτή, καθώς και η μη αντιστρεπτή αντίστοιχα, έμφραξη των μεμβρανών είναι: η μεταβολή της διαμεμβρανικής πίεσης, πειράματα-δοκιμές διηθησιμότητας, και μετρήσεις της συγκέντρωσης των SMP τόσο στο μικτό υγρό όσο και το διήθημα. Για τη διεξαγωγή των πειραμάτων χρησιμοποιήθηκε εσωτερικά εμβαπτισμένο σύστημα βιοαντιδραστήρα μεμβράνης υπερδιήθησης της εταιρίας ZENON Environmental Services Inc. Η μονάδα των μεμβρανών, που χρησιμοποιείται στο σύστημα είναι μονάδα κοίλων ινών, όπου η διήθηση πραγματοποιείται από το εξωτερικό προς το εσωτερικό της μεμβράνης. Το σύστημα τροφοδοτείται με προσομοιωμένο αστικό υγρό απόβλητό το οποίο παρασκευάζεται στο εργαστήριο, σύμφωνα με τον Ο.Ο.Σ.Α και το μικτό υγρό λαμβάνεται από το ρεύμα ανακυκλοφορίας της ιλύος, από τις εγκαταστάσεις επεξεργασίας λυμάτων-βοθρολυμάτων στη βιομηχανική περιοχή της Σίνδου στη Θεσσαλονίκη. Τα αποτελέσματα απέδειξαν ότι καλύτερη απόδοση όσον αφορά τον έλεγχο της ρύπανσης της μεμβράνης είχαν τα κροκιδωτικά: FeCl3∙6H2O, FeClSO4 και Fe2(SO4)3∙5H2O. Συγκεκριμένα, τα FeCl3∙6H2O και FeClSO4 συμβάλουν τόσο στην ενίσχυση της διηθησιμότητας του μικτού υγρού, δηλαδή στη μείωση της αντιστρεπτής έμφραξης, όσο και στην απομάκρυνση των SMP, δηλαδή στη μείωση της μη αντιστρεπτής έμφραξης, ενώ αξιοσημείωτη είναι η επίδραση του Fe2(SO4)3∙5H2O στη μείωση των τιμών της διαμεμβρανικής πίεσης. Παρά το γεγονός ότι η βελτίωση της διηθησιμότητας της ιλύος και τα αποτελέσματα της μείωσης της συγκέντρωσης των SMP δεν συσχετίζονται άμεσα με τη μεταβολή της TMP, η βελτίωση των παραμέτρων που σχετίζονται με την έμφραξη των μεμβρανών (TTF, ΤΜP, μείωση συγκέντρωσης SMP) με την προσθήκη FeCl3∙6H2O, FeClSO4 και Fe2(SO4)3∙5H2O υποδηλώνει σαφώς ότι τα κροκιδωτικά του σιδήρου (Fe-based coagulants) συμβάλουν θετικά στην προσπάθεια ελέγχου της ρύπανσης των μεμβρανών. Τέλος, αξιοσημείωτο είναι το γεγονός ότι στο εργαστηριακής κλίμακας σύστημα MBR, επιτυγχάνεται υψηλής ποιότητας εκροή αφού ελαττώνονται σημαντικά οι φυσικοχημικοί παράγοντες όπως BOD5, COD, NH4+-N, TOC, turbidity και UV254 nm τόσο πριν όσο και μετά την προσθήκη των κροκιδωτικών υλικών στο σύστημα MBR.
description: Membrane Bioreactors (MBRs) integrate biological degradation of pollutants with membrane filtration during wastewater treatment. Membrane fouling, which is considered as the main process drawback, stems from the interaction between the membrane material and the (organic or inorganic) foulants, leading to membrane’s efficiency deterioration. It is widely recognized that the mixed liquor colloidal and Soluble Microbial Products (SMP) are principally responsible for this membrane fouling. As a result, the appropriate pretreatment of wastewater feed is often considered to be a necessary procedure and the coagulation/flocculation (C/F) process is regarded as a relevant viable option in order to improve the effective removal of suspended solids (SS), of colloidal particles, of natural organic matter (NOM), as well as of other soluble materials. The objective of this study is the application of coagulation/flocculation for fouling control in MBR systems by using several commercially available chemical coagulation/flocculation agents. For this purpose, an appropriate lab-scale continuous-flow, fully automatic MBR system has been assembled and various coagulants (i.e. FeCl3∙6H2O, Fe2(SO4)3∙5H2O, FeClSO4, PFS0.3, PAC A9-M, PAC-A16, Al2(SO4)3∙18H2O, CPE FO4350SSH, NaAlO2) have been tested. The parameters which were examined in order to investigate the reversible, as well as the irreversible fouling before and after the coagulant addition in the MBR system, include: Trans-Membrane Pressure recording, Filterability tests and SMP concentration measurements. Furthermore, the membrane used was a hollow fiber, ultrafiltration membrane of ZENON Environmental Services Inc. Company. The system was fed with simulated synthetic municipal wastewater which was prepared in the laboratory, according to O.E.C.D. Based upon the obtained results, and after selecting the most efficient coagulants (FeCl3∙6H2O, Fe2(SO4)3∙5H2O, FeClSO4, PAC-A9, PAC-A16), an attempt was subsequently performed to correlate the major fouling indices (i.e. TMP, TTF, SMP concentration) in order to improve the overall process operability by this fouling control method. Finally, the permeate samples were also analyzed both before and after the coagulant addition for a series of parameters, such as biochemical oxygen demand (BOD5), chemical oxygen demand (COD), ammonium (NH4+-N), total organic carbon (TOC), UV absorbance at 254 nm and turbidity. It was shown that the lab-scale MBR supports high BOD5, COD and ammonium removal.