Study of anaerobic biological wastewater treatment using membrane technology

Abstract

Amidst the accelerating global urgency for sustainable environmental practices, wastewater treatment techniques, like the Anaerobic Membrane Bioreactor (AnMBR), are rising to the forefront of technological innovations. AnMBR stands out not just for its unmatched energy efficacy in treating wastewater but also for its secondary, yet equally vital, role in generating biogas—a sustainable energy alternative. But like all groundbreaking innovations, the AnMBR too faces its share of challenges. The system's reliance on anaerobic bacteria, which is notorious for its slow growth rate, combined with performance variability due to fluctuating organic loads, poses real-world operational challenges. A detailed 3.5-year research initiative aimed to dissect these challenges. To investigate the performance of anaerobic wastewater treatment through the incorporation of membrane technology, a 40 L laboratory scale AnMBR with a flat sheet submerged membrane along with a 40 L reservoir for trapping and measuring the biogas produced have been installed and set in operation. Specifically, through long term bench scale experiments, the impact that different temperatures and also different operating conditions have on the efficiency of AnMBR was evaluated. The efficiency of the AnMBR was investigated, in the temperature range 14-26oC, opeating at four different hydraulic retention times (HRTs) that were 2 d, 1 d, 12 h and 6 h. Each HRT is divided into two different temperature ranges corresponding to winter and summer conditions. With a decrease in HRT, there was a decline in effluent quality and an increase in membrane fouling. During the summer, at an average temperature of 24°C, the AnMBR produced permeate water with an average Chemical Oxygen Demand (COD) of 51±5 mg·L-1 at an HRT of 2 days. The effluent COD increased to 67±6 mg·L-1 for an HRT of 1 day and 91±4 mg·L-1 for an HRT of 12 hours, under the same temperature conditions. At an HRT of 6 hours, the COD removal efficiency was further reduced, with values of 177±18 for winter and 121±8 for summer. In general, the findings were multifaceted: while the treatment offered by shorter HRTs is attractive in terms of cost reduction, it occasionally triggered spikes in COD levels, more so during the colder months. Conversely, the balmy Mediterranean summers favored the AnMBR operation, with 12-hour HRTs been sufficient to achieve both short treatment time and efficiency. Yet, the winter season brought its set of challenges, with efficiency metrics sometimes toeing the line of regulatory compliance. To bridge these operational and seasonal inconsistencies, the study investigated performance-enhancing by FeCl₃ addition. When administered at a Fe+3 dose, within the 25 mg/L to 30 mg/Livconcentrations range, this chemical additive showcased a slight enhancement in COD removal efficiencies. Its integration also heralded a substantial reduction in effluent Total Phosphorus (TP) concentrations, effectively sidelining the membrane fouling—an issue that could drastically curtail AnMBR's operational life and efficiency. Specifically, the addition of 25 mg FeCl3 L -1 improved the performance of the AnMBR. Average effluent COD concentrations without FeCl3 addition were 177±21 mg/L, while after the addition of 25 mg FeCl3 L -1 and 30 mg FeCl3 L-1 COD decreased to 147±8 mg/L and 149±11 mg/L, respectively. Moreover, effluent TP decreased by 75% with the dosage of 25 mg FeCl3 L -1 and was almost completely removed with 30 mg FeCl3L-1. The membrane performance was slightly improved by FeCl3 dosing while biogas production was not affected by iron addition. To further evaluate the energy efficiency of AnMBR, an energy balance was conducted based on the results obtained from the operation of the lab-scale AnMBR throughout this investigation. According to the findings, an energy balance was found favorable for all the scenarios tested. The total electrical energy that can be extracted from AnMBR for the winter and the summer periods was found to be in the range of 0.3 – 0.8 KWh/KgCODrem and 0.4 – 0.9 KWh/KgCODrem, respectively. Within the context of this research a mathematical model was applied to simulate AnMBR operation. The Anaerobic Digestion Model ADM1, integrated within the versatile Matlab/Simulink platform and a comprehensive Global Sensitivity Analysis (GSA) were undertaken. This analytical approach demystified the complex operational dynamics intrinsic to AnMBR systems. The model was calibrated with real-world experimental data for 2-day winter HRTs, especially in parameters like Qgas. Following model calibration, computational predictions, when evaluated across the five distinct operational scenarios, largely mirrored experimental findings. However, certain runs, such as the 1-day HRT during both seasons, presented notable variations. Based on the findings of this PhD thesis, a clear narrative emerges: The AnMBR system, while holding immense potential as a dual-purpose solution for wastewater treatment and sustainable energy generation, operates within a complex web of variables. Whether it's the seasonal temperature variations, the fine-tuning of HRTs, or the strategic deployment of additives like FeCl₃, achieving optimal performance requires a harmonious alignment of all these factors. This study, by juxtaposing empirical findings with computational modeling, charts a roadmap for both researchers and practitioners, offering a holistic blueprint for harnessing the full potential of AnMBR systems in varied real-world settings.

Στο πλαίσιο της επιταχυνόμενης παγκόσμιας ανάγκης για βιώσιμες περιβαλλοντικές πρακτικές, τεχνικές επεξεργασίας λυμάτων όπως οι Αναερόβιοι Βιοαντιδραστήρες Μεμβρανών (AnMBR) αναδύονται στο προσκήνιο των τεχνολογικών καινοτομιών. Ο AnMBR ξεχωρίζει όχι μόνο για τις χαμηλές ενεργειακές απαιτήσεις στην επεξεργασία των λυμάτων, αλλά και για την παραγωγή βιοαερίου - μιας εναλλακτικής μορφής παραγωγής ενέργειας. Παρόλα αυτά, ο AnMBR αντιμετωπίζει τις δικές του προκλήσεις. Η εξάρτηση του συστήματος από τα αναερόβια βακτήρια, τα οποία είναι γνωστά για το χαμηλό ρυθμό ανάπτυξής τους, σε συνδυασμό με την ποικιλομορφία της απόδοσης λόγω των μεταβλητών οργανικών φορτίων, θέτει πραγματικά προβλήματα λειτουργίας στον πραγματικό κόσμο. Η αναερόβια επεξεργασία λυμάτων εφαρμόζεται παραδοσιακά σε λύματα υψηλού ορφανικού φορτίου. Τα τελευταία χρόνια, εφαρμόζεται και σε λύματα χαμηλής οργανικής φόρτισης. Η έρευνά της παρούσας διδακτορικής διατριβής επικεντρώθηκε στην αναερόβια βιολογική επεξεργασία λυμάτων με την τεχνολογία μεμβρανών.Ο γενικός στόχος αυτής της διδακτορικής διατριβής είναι η έρευνα της βιώσιμης λειτουργίας ενός AnMBR στην επεξεργασία των υγρών αποβλήτων, σε συνθήκες περιβάλλοντος. Η προσέγγιση της συγκεκριμένης έρευνας είναι η εφαρμογή του AnMBR στην επεξεργασία πραγματικών αστικών υγρών απόβλητων και την ανάπτυξη πρωτοκόλλων λειτουργίας. Τα δεδομένα που θα προκύψουν από αυτή τη μελέτη προορίζονται να καθοδηγήσουν τους δήμους τόσο στην ενσωμάτωση αυτής της τεχνολογίας, όσο και στην αποτελεσματική λειτουργία και τις πιθανές βελτιώσεις των AnMBR, επικεντρώνοντας στην υψηλή βιωσιμότητα με βάση την ποιότητα του παραγόμενου νερού και τη μείωση της έμφραξης της μεμβράνης. Στόχοι διδακτορικής διατριβήςΠιο συγκεκριμένα, οι στόχοι της διδακτορικής διατριβής συνοψίζονται στα παρακάτω σημεία:1.Ανάλυση της Απόδοσης του AnMBR και δημιουργία πρωτοκόλλων για διαφορετικές συνθήκες λειτουργίας: Αξιολόγηση της επίδρασης του Υδραυλικού Χρόνου Παραμονής (HRT), υψηλών οργανικών φορτίων και διακυμάνσεων της θερμοκρασίας στην αποτελεσματικότητα του AnMBR στην επεξεργασία των αστικών υγρών αποβλήτων. Κύριοι δείκτες απόδοσης γι' αυτόν τον στόχο περιλαμβάνουν: Ποιότητα του νερού εκροής σύμφωνα με τα ελληνικά και ευρωπαϊκά πρότυπα.Παραγωγή βιοαερίου, η ποσόστωση μεθανίου μαζί με την δυνατότητα παραγωγής ενέργειας.Έμφραξη μεμβράνης.2.Προσθήκη FeCl3 για ενίσχυση της απόδοσης του AnMBR: Αξιολόγηση των επιπτώσεων της προσθήκης FeCl3 στην ενίσχυση των λειτουργικών παραμέτρων του AnMBR, με επίκεντρο τη μείωση της έμφραξης της μεμβράνης σε συνδυασμό με την απομάκρυνση φωσφόρου. Οι παράμετροι απόδοσης περιλαμβάνουν:Δυναμική παραγωγής βιοαερίου και δυνατότητα παραγωγής ενέργειας από το μεθάνιο. Αποτελεσματικότητα απομάκρυνσης οργανικού φορτίου. Αποτελεσματικότητα απομάκρυνσης επιλεγμένων οργανικών μικρορύπων, ιδίως από τις ομάδες μη στεροειδών αντιφλεγμονωδών φάρμακων (NSAID) και ορμονικών διαταρακτών (EDC). 3. Τροποποίηση και Επαλήθευση του Μοντέλου ADM1 για το AnMBR: Προσαρμογή, εφαρμογή και βαθμονόμηση του Μοντέλου Αναερόβιας Χώνευσης 1 (ADM1) για την προσομοίωση της επεξεργασίας αστικών υγρών αποβλήτων μέσω του AnMBR. Ο στόχος των παραπάνω είναι: Η απεικόνιση της συμπεριφοράς του συστήματος AnMBR, στην ποιότητα εξόδου καθώς και την παραγωγή ενέργειας με βάση το μεθάνιο που παράγεται σε διάφορα σενάρια. Η βελτιστοποίηση των λειτουργικών παραμέτρων. Η παροχή ενός πλαισίου για μια ευρύτερη εφαρμογή και κατανόηση του AnMBR σε εγκαταστάσεις επεξεργασίας υγρών αποβλήτων. Δομή διδακτορικής διατριβής. Η συγκεκριμένη διδακτορική διατριβή περιλαμβάνει έξι κεφάλαια, τα οποία παρουσιάζονται περιληπτικά παρακάτω: Κεφάλαιο 1: Εισαγωγή Αυτό το κεφάλαιο παρέχει μια επισκόπηση της έρευνας, αναλύοντας το πλαίσιο και τη σημασία της. Επίσης, περιγράφει τη δομή ολόκληρης της διδακτορικής διατριβής. Κεφάλαιο 2: Θεωρητικό Υπόβαθρο Αυτό το κεφάλαιο εξετάζει τις θεωρητικές βάσεις που υποστηρίζουν την έρευνα. Επικεντρώνεται στη διαδικασία αναερόβιας επεξεργασίας και τους παράγοντες που την επηρεάζουν. Εξετάζονται τα πλεονεκτήματα της αναερόβιας έναντι της αερόβιας επεξεργασίας. Λεπτομερείς πληροφορίες παρέχονται για διάφορα είδη αναερόβιας επεξεργασίας, καταλήγοντας σε μια εκτενή συζήτηση για το AnMBR, τις εφαρμογές του, τις προκλήσεις και τις πιθανές μελλοντικές κατευθύνσεις. Κεφάλαιο 3: Μεθοδολογία - Πειραματικό Πρωτόκολλο Σε αυτό το κεφάλαιο παρουσιάζεται η μεθοδολογία της έρευνας, αναλύοντας τα πειραματικά πρωτόκολλα και τις αναλυτικές μεθόδους που χρησιμοποιήθηκαν. Προσφέρει μια λεπτομερή ματιά στον αντιδραστήρα AnMBR εργαστηριακής κλίμακας περιγράφοντας τα λειτουργικά πρωτόκολλα για το εργαστηριακό AnMBR και τις τεχνικές παρακολούθησης για την αξιολόγηση της απόδοσής του. Κεφάλαιο 4: Αποτελέσματα πειραμάτων. Αυτό το κεφάλαιο παρουσιάζει και αναλύει τα ευρήματα των πειραμάτων. Εξετάζει την απόδοση του AnMBR, σε διαφορετικούς Υδραυλικούς Χρόνους Παραμονής (HRT), διαφορετικές θερμοκρασίες και ερευνά τη βελτίωση ή όχι της απόδοσής του μετά την προσθήκη σιδήρου. Πιο συγκεκριμένα, η απόδοση του συστήματος AnMBR ερευνήθηκε για 3,5 χρόνια, μέσα στα θερμοκρασιακά εύρη 16-26°C. Η προσαρμοστικότητα του συστήματος δοκιμάστηκε σε διαφορετικά HRT - από 2 ημέρες έως 6 ώρες-, ενώ λαμβάνονταν υπόψη οι διαφορές λειτουργίας μεταξύ καλοκαιριού και χειμώνα. Ένα καίριο στοιχείο αυτής της έρευνας ήταν η εισαγωγή σιδήρου (σε συγκεντρώσεις 25 και 30 mg FeCl₃ L⁻¹), που έπαιξε σημαντικό ρόλο στον προσανατολισμό των αποτελεσμάτων του συστήματος όσον αφορά την ποιότητα του νερού εξόδου την παραγωγή βιοαερίου και τη μείωση της έμφραξης της μεμβράνης. Κεφάλαιο 5: Αποτελέσματα εφαρμογής μοντέλου ADM1 Αυτό το κεφάλαιο παρουσιάζει ένα τροποποιημένο μοντέλο ADM1 προσαρμοσμένο στο εργαστηριακής κλίμακας σύστημα AnMBR. Το κεφάλαιο υπογραμμίζει την τροποποίηση, βαθμονόμηση και επικύρωση αυτού του μοντέλου για να αντιπροσωπεύει καλύτερα τις συνθήκες και τη δυναμική των AnMBR σε περιβαλλοντικές θερμοκρασίες. Το προσαρμοσμένο μοντέλο στη Matlab/Simulink υποβλήθηκε σε μια εκτενή Ανάλυση Ευαισθησίας (GSA) με τοπικές αλλά και καθολικές μεθόδους. Συγκεκριμένα, χρησιμοποιήθηκαν τρεις διακριτικές τεχνικές: One At a Time (OAT), Morris και Fourier Amplitude Sensitivity Test (FAST). Αυτή η ανάλυση ευαισθησίας που βασίστηκε σε πειραματικά δεδομένα, οδήγησε σε βαθμονόμηση και επαλήθευση του μοντέλου εξασφαλίζοντας έτσι μεγαλύτερη ακρίβεια και ταύτιση στα πειραματικά αποτελέσματα. Κεφάλαιο 6: Συμπεράσματα. Το Κεφάλαιο Συμπερασμάτων περιλαμβάνει τα βασικά ευρήματα. Στοχεύει στην παροχή σαφούς εικόνας των πλεονεκτημάτων και των προκλήσεων της τεχνολογίας AnMBR στις Εγκαταστάσεις Επεξεργασίας Λυμάτων, ιδιαίτερα στις Μεσογειακές χώρες που έχουν κατά βάση ψυχροφιλικές θερμοκρασίες.