Role of extracellular polymeric substances and metals in fouling of membranes in the wastewater treatment [Elektronische Ressource] / vorgelegt von Djamila al-Halbouni

Djamila Al-Halbouni

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• Publié le: 01 janvier 2008
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Extrait

Role of extracellular polymeric substances and metals in fouling
of membranes in the wastewater treatment


Von der Fakultät für Mathematik, Informatik und Naturwissenschaften der Rheinisch-
Westfälischen Technischen Hochschule Aachen zur Erlangung des akademischen Grades
einer Doktorin der Naturwissenschaften genehmigte Dissertation

vorgelegt von

Dipl.-Biotechnol.
Djamila Al-Halbouni
aus Dresden

Berichter: Professor Dr.-Ing. Juliane Hollender
Professor Dr. Andreas Schäffer

Tag der mündlichen Prüfung: 12. Februar 2008
Diese Dissertation ist auf den Internetseiten der Hochschulbibliothek online verfügbar.
















Practical work for the present study was conducted at the Institute of Hygiene and
Environmental Medicine at the University Hospital in Aachen, Germany.
The project was funded by the Ministry of the Environment and Conservation, Agriculture
and Consumer Protection of the German State of North Rhine-Westphalia (MUNLV).






Abstract
Abstract

The use of membrane bioreactors (MBRs) for wastewater treatment has been increasing since
the 1990s and is gaining more importance due to rising demands for water in general. There is
yet one main limitation in full-scale applications of MBRs: the membrane fouling, leading to
a substantial loss of membrane performance and subsequently to high costs because of
cleaning and replacing the membranes.
Since no consensus on the exact fouling phenomenon or a single fouling parameter in MBRs
has been reached yet the present study was aiming at characterizing membrane foulants in the
full-scale MBR Nordkanal (Düsseldorf, Germany), in pilot-scale MBRs as well as in
fermenter-/lab-scale studies. The focus of the present study was on two classes of substances
that are known to cause fouling in membrane applications: extracellular polymeric substances
(EPS) and metals.
The long-term observation of activated sludge, permeate and autopsied membranes from the
MBR Nordkanal showed a significant contribution of EPS and iron to membrane fouling. The
membrane fouling layers where shown to have the following composition (in weight %):
humic substances (39%), carbohydrates (30%), iron (22%) and fatty acids (8%). Contrary to
other, mostly pilot-scale studies, biofilm development was not dominant in this full-scale
MBR due to vigorous aeration and frequent backwashing of the fibres. Interestingly,
precipitations of iron hydroxides were detected on the membranes, even on the permeate side,
2+ 2+whereas Ca and Mg were not involved in fouling in this MBR.
The retention by the ultrafiltration membranes in the full-scale MBR was shown to be
39 ± 27% for humic acids and 79 ± 30% for carbohydrates (average of 2.5 years of monthly
samples) although the molecular weight of the humics fraction was demonstrated to be below
the molecular weight cut-off of the membrane.
Fatty acids (FA) of microbial origin (C16:0, C18:0) were the dominating FA in EPS of
activated sludge flocs, sludge supernatant, permeate and membrane fouling layers in the MBR
Nordkanal. A remarkable finding was that a shorter FA of a probable synthetic origin (C9:0)
was preferentially deposited into the membranes where it accounted for 10% of the FA in
total EPS whereas in sludge floc EPS it was only 1% of total FA concentration.
The results from the full-scale study were used to propose a fouling mechanism that is based
2+on complexation and adsorption processes. Iron from the coagulant FeCl in form of Fe and 3
3+Fe is playing a central role in this mechanism as it is able to form complexes with humic
acids and with uronic acids that were detected in the microbial polysaccharides of samples of
i Abstract
the MBR Nordkanal. For such complexes as well as for fatty acids, reduced electrostatic
repulsion, narrowing of the membrane pores and hydrophobic interactions with the membrane
material could explain the observed fouling phenomenon.
In lab-scale surveys regarding membrane cleaning strategies, it was further verified that citric
acid is especially suited to remove iron and EPS from fouled membranes. Moreover, it was
2+demonstrated through lab-scale sludge digestion how soluble Fe can be formed and released
together with EPS from the sludge floc matrix under anaerobic conditions. Such conditions
also deteriorated sludge properties in terms of filterability and settling behaviour.
Finally, in the pilot-scale study it was shown that low sludge retention time (SRT) leads to an
excess production of EPS in correlation with deteriorating sludge properties. The formation of
fouling layers on the membranes was also more distinct at low SRT, with 40-fold higher
amounts of deposited proteins and 5-fold higher concentrations of carbohydrates compared
with high SRT. However, membrane permeability was similar at both SRTs.
The conclusion for operators of full-scale MBRs in general is that high SRT is beneficial for
activated sludge properties. For the specific case of the MBR Nordkanal which is already
operated at high SRT (28 d), it can be concluded that the presence of iron in conjunction with
anaerobic conditions in the denitrification tank, prior to membrane filtration, is more decisive
for the membrane fouling. As shown by results of the present study, the applied cleaning
strategy with citric acid in Nordkanal is appropriate for removing the major membrane
foulants. For future studies aiming at clarifying distinct fouling parameters and fouling
mechanisms, a focus on metal complexation with specific EPS or with wastewater
components, as well as the interaction of such complexes with different membrane materials
looks promising.

ii Zusammenfassung
Zusammenfassung

Die Verwendung von Membranbioreaktoren (MBRs) in der Abwasserbehandlung hat seit
1990 zugenommen und wird immer bedeutender, da allgemein der Bedarf an sauberem
Wasser steigt. Das sogenannte Membranfouling ist der hauptsächlich limitierende Faktor bei
der Anwendung der MBR-Technik, denn es führt zu einem wesentlichen Verlust der
Filtrationsleistung und anschließend zu höheren Kosten durch erforderliche Reinigung und
Erneuerung der Membranen.
Da bisher noch kein einheitliches Verständnis des Membranfouling-Phänomens oder eines
einzelnen Foulingparameters in MBRs vorliegt, war der Schwerpunkt in der aktuellen Arbeit
die Charakterisierung von Membranfoulants in der realen MBR-Kläranlage Nordkanal
(Düsseldorf), in Pilot-MBRs und zusätzlich in Laborversuchen. Der Fokus lag dabei auf zwei
Substanzklassen, die bekannt sind als Verursacher von Membranfouling: extrazelluläre
polymere Substanzen (EPS) und Metalle.
Die Langzeitbeobachtung von Belebtschlamm, Permeat und entnommenen Membranen des
MBR Nordkanal zeigten einen signifikanten Beitrag der EPS und Metalle zum
Membranfouling in dieser Kläranlage. Die Foulingschichten der Membranen hatten folgende
Zusammensetzung (in Gew.-%): Huminstoffe (39%), Kohlenhydrate (30%), Eisen (22%), und
Fettsäuren (8%). Anders als in anderen Studien, die sich meist auf Pilotanlagen beziehen,
wurde in der vorliegenden Arbeit für diesen MBR kein dominierendes Biofilmwachstum auf
den Membranen festgestellt, was auf die starke Belüftung und häufiges Rückspülen der
Fasern zurückzuführen ist. Es wurden jedoch Eisenhydroxidpräzipitate auf den Membranen –
2+ 2+sogar auf der Permeatseite – gefunden, wohingegen Ca und Mg nicht in das Fouling bei
diesem MBR involviert waren.
Die Retention löslicher Substanzen durch die Ultrafiltrationsmembran im MBR Nordkanal
betrug 39 ± 27% für Huminsäuren und 79 ± 30% für Kohlenhydrate (Mittelwerte aus
monatlichen Proben über 2.5 Jahre), obwohl das Molekulargewicht der Huminstofffraktionen
nachweislich unter dem molecular weight cut-off der Membran lag.
Fettsäuren mikrobiellen Ursprungs (C16:0, C18:0) dominierten im Fettsäurenanteil der EPS
aus Belebtschlammflocken, im Schlammüberstand, im Permeat und auch in den
Membranfoulingschichten des MBRs Nordkanal. Bemerkenswert war die Erkenntnis, dass
eine kürzere Fettsäure (C9:0), wahrscheinlich synthetischen Ursprungs, bevorzugt in den
Membranen abgelagert wurde und dort 10 Gew.-% der Fettsäuren in den EPS betrug,
iii Zusammenfassung
während sie in Schlammflocken-EPS nur 1 Gew.-% der Gesamtkonzentration an Fettsäuren
ausmachte.
Die Ergebnisse der Studie über die reale Kläranlage wurden verwendet, um einen
Foulingmechanismus zu postulieren, der auf Komplexierung und Adsorptionsprozessen
3+ 2+basiert. Eisen als Fe oder Fe aus dem Fällungsmittel FeCl spielt hierbei eine 3
entscheidende Rolle, da es Komplexe mit Huminsäuren und Uronsäuren bilden kann; letztere
wurden in mikrobiellen Polysacchariden in Proben aus Nordkanal nachgewiesen. Für solche
Komplexe als auch für Fettsäuren können reduzierte elektrostatische Abstoßung, Verengung
der Membranporen und hydrophobe Wechselwirkungen mit dem Membra