Ποσοτικοποίηση της επίδρασης παραμέτρων στον πληθυσμό νηματοειδών μικροοργανισμών και στην έμφραξη (TMP) βιοαντιδραστήρα μεμβρανών (MBR)
Creators: name: Πεντεδήμος, Αλέξανδρος Χρήστου
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2021
Subjects: Βιοαντιδραστήρας μεμβρανών (MBR)
Έμφραξη
Δείκτης νηματοειδών (FI)
Διαλυτά μικροβιακά προϊόντα (SMP)
Εμπειρικό μοντέλο
Membrane bioreactor (MBR)
Fouling
Filament index (FI)
Soluble microbial products (SMP)
Empirical model

description: Ο Βιοαντιδραστήρας Μεμβρανών (Membrane Bio-Reactor, MBR) αποτελεί μία από τις τελευταίες εξελίξεις στον τομέα της επεξεργασίας υγρών αποβλήτων αστικής και βιομηχανικής προέλευσης. Τα κυριότερα πλεονεκτήματα αυτής της καινοτόμου τεχνολογίας έναντι της συμβατικής μεθόδου της ενεργού ιλύος αφορούν τη μείωση των απαιτήσεων σε διαθέσιμο χώρο και την υψηλή ποιότητα εκροής. Παρόλα αυτά, τα συστήματα MBR δεν εφαρμόζονται ακόμη ευρέως και σε μεγάλη κλίμακα εξαιτίας της έμφραξης των μεμβρανών, που συνιστά και το μεγαλύτερό τους μειονέκτημα. Τα τελευταία χρόνια μια βιολογική μέθοδος που προτείνεται για την αντιμετώπιση της έμφραξης είναι η ελεγχόμενη ανάπτυξη νηματοειδών μικροοργανισμών. Αν και η παρουσία των νηματοειδών έχει συνδεθεί με προβλήματα αφρισμού και διόγκωσης της ιλύος στις κλασσικές εγκαταστάσεις ενεργού ιλύος, έχει αναφερθεί πως η παρουσία τους σε μέτρια επίπεδα στην ιλύ ενός συστήματος MBR μπορεί να αυξήσει τη διηθησιμότητα των μεμβρανών. Σκοπός της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η ποσοτικοποίηση της επίδρασης λειτουργικών παραμέτρων, όπως ο λόγος COD:TN στην τροφοδοσία, η συγκέντρωση του διαλυμένου οξυγόνου (DO) και η θερμοκρασία, στον πληθυσμό νηματοειδών μικροοργανισμών και στην έμφραξη μιας πιλοτικής μονάδας MBR. Συγκεκριμένα, αναπτύχθηκαν πρωτότυπες μαθηματικές σχέσεις που συνδέουν το ρυθμό αύξησης της διαμεμβρανικής πίεσης, dTMP/dt, με τον πληθυσμό των νηματοειδών (μέσω του δείκτη FI), καθώς και με το υδατανθρακικό κλάσμα των διαλυτών μικροβιακών προϊόντων της ιλύος, SMPc, το οποίο θεωρείται από τα κυρίως υπεύθυνα για την έμφραξη στους βιοαντιδραστήρες μεμβρανών. Αρχικά, τα πειραματικά δεδομένα TMP που αντιστοιχούν σε τέσσερεις λειτουργικές συνθήκες με διαφορετικές τιμές λόγου COD:TN, συγκέντρωσης DO και θερμοκρασίας (ΦΑΣΕΙΣ Α, Β, Γ, Δ) προσαρμόστηκαν στα βασικά και στα συνδυαστικά μοντέλα περιγραφής της έμφραξης. Η προσαρμογή έγινε στα δύο από τα τρία βασικά στάδια εξέλιξης της TMP, δηλαδή στο στάδιο της μακροχρόνιας έμφραξης (Στάδιο 2) και στο στάδιο απότομης αύξησης της TMP (Στάδιο 3). Η αξιολόγηση του βαθμού προσαρμογής έγινε με τη χρήση τυπικών δεικτών αξιολόγησης, όπως ο συντελεστής προσδιορισμού R2, το άθροισμα των τετραγώνων παλινδρόμησης (SSR) και ο δείκτης nSSR, που αποτελεί μία σχετικοποιημένη έκφραση των απολύτων τιμών του δείκτη SSR. Στη συνέχεια, συσχετίστηκαν μεταξύ τους οι ρυθμοί αύξησης της διαμεμβρανικής πίεσης, dTMP/dt, όλων των φάσεων και αναπτύχθηκαν πρωτότυπες μαθηματικές εξισώσεις οι οποίες ποσοτικοποιούν την επίδραση των εφαρμοζόμενων λειτουργικών παραμέτρων (λόγος COD:TN, συγκέντρωση DO, θερμοκρασία) στον πληθυσμό των νηματοειδών μικροοργανισμών και στην έμφραξη. Τα αποτελέσματα προσαρμογής με τα βασικά μοντέλα έδειξαν ότι οι τρεις από τις τέσσερις φάσεις (Α, Β, Γ) περιγράφονται καλύτερα από το μοντέλο σχηματισμού στρώματος στερεών. Στις περισσότερες φάσεις το μοντέλο αυτό περιγράφει καλύτερα από τα υπόλοιπα μοντέλα και τα δύο στάδια εξέλιξης της TMP, δηλαδή το στάδιο της μακροχρόνιας έμφραξης και το στάδιο της απότομης αύξησης της TMP. Η προσαρμογή των πειραματικών τιμών TMP στα συνδυαστικά μοντέλα έδειξε ότι η έμφραξη μπορεί να περιγραφεί από διάφορα συνδυαστικά μοντέλα, ανάλογα με την εξεταζόμενη φάση. Το Στάδιο 2 περιγράφεται καλύτερα τόσο από το συνδυαστικό μοντέλο εσωτερικής έμφραξης-πλήρους έμφραξης, όσο και από το συνδυαστικό μοντέλο σχηματισμού στρώματος στερεών-εσωτερικής έμφραξης, ενώ το Στάδιο 3 περιγράφεται καλύτερα από το συνδυαστικό μοντέλο σχηματισμού στρώματος στερεών-ενδιάμεσης έμφραξης. Η προσαρμογή των πειραματικών τιμών TMP στην εξίσωση y=ax+b και ο συσχετισμός των κλίσεων a μεταξύ τους, έδειξε ότι ο ρυθμός αύξησης, dTMP/dt, στο Στάδιο 2 αυξάνεται εκθετικά με την αύξηση του δείκτη FI και της συγκέντρωσης SMPc. Αντίθετα, κατά το Στάδιο 3 υπάρχει μια κρίσιμη τιμή των παραμέτρων (FI=2.5 και SMPc= 5.8 mg/L) η οποία επηρεάζει την εξέλιξη της TMP.
description: The Membrane Bio-Reactor (MBR) is a state-of-the-art technology which is employed in the field of municipal or industrial wastewater treatment. The main advantages of this innovative technology over the conventional activated sludge process (ASP) include the reduction of space requirement and the high quality of the treated effluent. However, MBRs are still not widely implemented on a large scale due to membrane fouling, which is their most significant drawback. Controlled growth of filamentous microorganisms is a biological method which is increasingly suggested for membrane fouling reduction over the last few years. Although filaments have been linked to foaming and bulking problems during the activated sludge process, it has been reported that they can increase membrane permeability when they are present at moderate populations in the mixed liquor of MBR systems. The present work aims to quantify the effect of operating parameters, such as COD to TN ratio in the influent, concentration of dissolved oxygen (DO) and temperature, on the population of filamentous microorganisms and on membrane fouling of a pilot-scale MBR. More specifically, novel mathematical equations were developed, which correlate the increase rate of Trans-Membrane Pressure, dTMP/dt, with filaments’ population (in terms of Filament Index, FI) and with the carbohydrate fraction of Soluble Microbial Products, SMPc, which is considered to be primarily responsible for fouling in membrane bioreactors. First, the experimental TMP data of four operating conditions with different values of COD to TN ratio, DO concentration and temperature (PHASES A, B, C, D) were fitted to the basic and combined theoretical fouling description models. Fitting was conducted for two of the three fundamental TMP evolution stages, namely for the stage of long-term fouling (Stage 2) and for the stage of TMP jump (Stage 3). Fitting was assessed with the measurement of standard indices, such as the coefficient of determination R2, the sum of the squared squares (SSR) and the normalized SSR (nSSR). Then, the theoretical increase rates dTMP/dt of all phases were correlated and novel mathematical equations were developed, which quantify the effect of the applied operating parameters (COD to TN ratio, DO concentration and temperature) on the population of filamentous microorganisms and on membrane fouling. Fitting with the basic models showed that three operating phases (A, B and C) are best described by the model of cake layer formation. For most phases, this model also describes both stages of TMP evolution, namely long-term fouling and TMP jump. Fitting with the combined models showed that fouling can be described by various models, depending on the examined phase. Stage 2 is described with the standard-pore blocking and the cake layer-standard blocking models, Stage 3 is described with the cake layer-intermediate blocking model. Fitting of experimental TMP data on the equation y=ax+b and correlation of the respective slopes (a) showed that the increase rate dTMP/dt during Stage 2 increases exponentially with the increase of FI and SMPc concentration. On the contrary, during Stage 3 there is a critical value for both parameters (FI=2.5 and SMPc= 5.8 mg/L) which significantly influences the evolution of TMP.