Synergistic Effect of Polymer Beads Used as Scraper and Different Aeration Intensities on Membrane Fouling

Öz

One of the most important problems encountered during the operation of membrane bioreactors (MBR) is biofouling. The aim of this study is to determine the synergistic effect of low and high aeration intensity (150 L/s and 350 L/s) and the use of beads on membrane biofouling. In order to solve this problem, polymer beads were produced and optimized to take advantage of the biofilm stripping effect. Three MBR operations were carried out with the selected beads at two different aeration densities. According to the optimization results, it was selected to use beads containing 12.5% polyvinyl alcohol (PVA) and 1% sodium alginate (S.A) and soaked in 5.5% boric acid-2% CaCl2 (2 hours) and 0.3 M phosphate solution (15 min). As a result of the 1st MBR operation with 350 L/s, the transmembrane pressure (TMP) was recorded as 280 mbar, while the TMP increased to 440 mbar at the end of the 2nd operation, in which the intensity of the aeration was reduced by half. According to 1st and 2nd MBR operations, membrane biofouling increased by 57% at low aeration intensity compared to high aeration intensity. The maximum transmembrane pressure (TMP) value was 350 mbar at the 3rd MBR operation, which was operated with the high air flow rate, and the module was used again after chemical washing. When the two operations under high aeration intencity were compared, the 25% increase in biofouling in the 3rd operation compared to the 1st one was evaluated as a result of irreversible fouling of the membrane module under high aeration conditions. For this reason, it is critical that the polymer beads exhibit an additional positive effect on biofilm prevention through membrane stripping properties even in low aeration conditions. The joint use of aeration intensities with polymer beads and their optimization according to the designed operating conditions will lead to an improvement in the control of membrane fouling and aeration costs.

Anahtar Kelimeler

• Biofouling
• MBR
• aeration intensity
• polymer beads

Sıyırıcı Olarak Kullanılan Polimer Boncuklarının ve Farklı Havalandırma Yoğunluklarının Membran Tıkanması Üzerine Sinerjistik Etkisi

Öz

Membran biyoreaktörlerin (MBR) işletimi sırasında karşılaşılan en önemli problemlerden biri biyotıkanma sorunudur. Bu makalede düşük ve yüksek havalandırma yoğunluğunun (150 L/s ve 350 L/s) ve boncuk kullanımının membran biyotıkanması üzerindeki sinerjistik etkisinin belirlenmesi amaçlanmıştır. Bu sorunun çözümüne yönelik olarak, öncelikle biyofilm sıyırıcı etkisinden faydalanmak amacıyla polimer boncukların üretimi ve optimizasyonu yapılmıştır. Seçilen boncuklar ile yüksek ve düşük iki farklı havalandırma yoğunluğunda üç reaktör işletmesi gerçekleştirilmiştir. Optimizasyon sonuçlarına göre %12,5 polivinil alkol (PVA) ve %1 sodyum aljinat (S.A) kullanılarak hazırlanan, 2 saat süre ile %5,5 borik asit-%2 CaCl2 karışımında ve 15 dakika süre ile 0,3 M fosfat çözeltisi içerisinde bekletilen boncuklar seçilmiştir. 350 L/s ile yapılan 1. MBR işletmesi sonucunda transmembran basıncı (TMP) 280 mbar olarak kaydedilirken havalandırmanın yoğunluğunun yarıya düşürüldüğü ikinci işletme sonunda TMP 440 mbar’a yükselmiştir. Bu sonuçlara göre membran biyotıkanması, düşük havalandırma yoğunluğunda yüksek havalandırma yoğunluğuna göre %57 oranında artış göstermiştir. Kimyasal yıkama sonrası yüksek havalandırma koşulları ile 3. kez işletilen MBR’da işletme sonunda maksimum TMP değeri 350 mbar olarak kaydedilmiştir. Yüksek havalandırma koşullarındaki iki işletme karşılaştırıldığında 1. işletmeye göre 3. işletme sonunda TMP değerinde gözlenen %25 artış membran modülünde meydana gelen geri dönüşümsüz tıkanmanın bir sonucu olarak değerlendirilmiştir. Bu nedenle polimer boncukların yüksek olmayan havalandırma koşulunda da ilave membran sıyırıcı özellikleriyle biyofilm önleme adına ek olumlu etki ortaya koyması kritik öneme sahiptir. Havalandırma koşulları ve polimer boncukların ortak kullanımı ve tasarlanan işletme koşullarına göre optimizasyonu biyotıkanmanın kontrol altına alınması ve havalandırma maliyetlerinde iyileşmeye neden olacaktır.

Anahtar Kelimeler

• Biyotıkanma
• MBR
• havalandırma yoğunluğu
• polimer boncuk

Kaynakça

1. [1] Drews, A. 2010. Membrane fouling in membrane bioreactors-Characterisation, contradictions, cause and cures. Journal of Membrane Science, Cilt. 363(1-2), s. 1-28. DOI: 10.1016/j.memsci.2010.06.046
2. [2] Judd, S. 2008. The status of membrane bioreactor technology. Trends in Biotechnology, Cilt. 26(2), s. 109-116. DOI: 10.1016/j.tibtech.2007.11.005
3. [3] Malaeb, L., Le-Clech, P., Vrouwenvelder, J. S., Ayoub, G. M., Saikaly, P. E. 2013. Do biological-based strategies hold promise to biofouling control in MBRs? Water Research, Cilt. 47(15), s. 5447-5463. DOI: 10.1016/j.watres.2013.06.033
4. [4] Valladares Linares, R., Fortunato, L., Farhat, N. M., Bucs, S. S., Staal, M., Fridjonsson, E. O., Johns, M. L., Vrouwenvelder, J. S., Leiknes, T. 2016. Mini-review: Novel non-destructive in situ biofilm characterization techniques in membrane systems. Desalination and Water Treatment, Cilt. 57(48-49), s. 22894-22901. DOI: 10.1080/19443994.2016.1180483
5. [5] Guo, W., Ngo, H.-H., Li, J. 2012. A mini-review on membrane fouling, Bioresource. Technology, Cilt. 122, s. 27–34. DOI: 10.1016/j.biortech.2012.04.089
6. [6] Pekgenc, E., Yavuzturk Gul, B., Vatanpour, V., Koyuncu, I. 2022. Biocatalytic membranes in anti-fouling and emerging pollutant degradation applications: Current state and perspectives. Separation and Purification Technology, Cilt. 282, s. 120098. DOI: 10.1016/j.seppur.2021.120098
7. [7] Saffarimiandoab, F., Gul, Y., Sengur Tasdemir, R., Kose Mutlu, B., Erkoc Ilter, S., Unal, S., Tunaboylu, B., Menceloglu, Y. Z., Vatanpour, V., Koyuncu, I. 2022. Mechanisms, diagnosis, and monitoring of biofouling in membrane processes: A review, Cilt. 247 s. 40–63 DOI: 10.5004/dwt.2022.28045
8. [8] Yavuztürk Gül, B., Köse Mutlu, B., Park, P.-K., Lee, C.-H., Koyuncu, I. 2019. Quorum Quenching for Biofouling Control in Membrane Bioreactors. Içinde Encyclopedia of Water (ss. 1-13). John Wiley & Sons, Ltd. DOI: 10.1002/9781119300762.wsts0030

9. [9] Asadi, S., Eris, S., Azizian, S. 2018. Alginate-Based Hydrogel Beads as a Biocompatible and Efficient Adsorbent for Dye Removal from Aqueous Solutions, ACS Omega, Cilt. 3(11), s. 15140-15148. DOI: 10.1021/acsomega.8b02498
10. [10] Kim, S.-R., Lee, K.-B., Kim, J.-E., Won, Y.-J., Yeon, K.-M., Lee, C.-H., Lim, D.-J. 2015. Macroencapsulation of quorum quenching bacteria by polymeric membrane layer and its application to MBR for biofouling control. Journal of Membrane Science, Cilt. 473, s. 109-117. DOI: 10.1016/j.memsci.2014.09.009
11. [11] Li, P., Müller, M., Chang, M. W., Frettlöh, M., Schönherr, H. 2017. Encapsulation of Autoinducer Sensing Reporter Bacteria in Reinforced Alginate-Based Microbeads. ACS Applied Materials & Interfaces, Cilt. 9(27), s. 22321-22331. DOI: 10.1021/acsami.7b07166
12. [12] Kim, S. R., Oh, H. S., Jo, S. J., Yeon, K. M., Lee, C. H., Lim, D. J., Lee, C. H., Lee, J. K. 2013. Biofouling control with bead-entrapped quorum quenching bacteria in membrane bioreactors: Physical and biological effects. Environmental Science and Technology, Cilt. 47(2), s. 836-842. DOI: 10.1021/es303995s
13. [13] Huang, J., Zhou, J., Zeng, G., Gu, Y., Hu, Y., Tang, B., Shi, Y., Shi, L. 2018. Biofouling control and sludge properties promotion through quorum quenching in membrane bioreactors at two aeration intensities. Biotechnology Letters, Cilt. 40(7), s. 1067-1075. DOI: 10.1007/s10529-018-2563-y
14. [14] Iorhemen, O. T., Hamza, R. A., Tay, J. H. 2016. Membrane Bioreactor (MBR) Technology for Wastewater Treatment and Reclamation: Membrane Fouling. Membranes, Cilt. 6(2). DOI: 10.3390/membranes6020033
15. [15] Krzeminski, P., van der Graaf, J. H. J. M., van Lier, J. B. 2012. Specific energy consumption of membrane bioreactor (MBR) for sewage treatment. Water Science and Technology, Cilt. 65(2), s. 380-392. DOI: 10.2166/wst.2012.861
16. [16] Baird, R., Bridgewater, L. 2017. Standard methods for the examination of water and wastewater (23rd edition). American Public Health Association, American Water Works Association, & Water Environment Federation.
17. [17] Hongwei, Y., Zhanpeng, J., Shaoqi, S., Tang, W. Z. 2002. INT–dehydrogenase activity test for assessing anaerobic biodegradability of organic compounds. Ecotoxicology and Environmental Safety, Cilt. 53(3), s. 416-421. DOI: 10.1016/S0147-6513(02)00002-7
18. [18] Wilén, B.-M., Lund Nielsen, J., Keiding, K., Nielsen, P. H. 2000. Influence of microbial activity on the stability of activated sludge flocs. Colloids and Surfaces B: Biointerfaces, Cilt. 18(2), s. 145-15. DOI: 10.1016/S0927-7765(99)00138-1
19. [19] S. Kamble, Dr. R., Pandit, A. B. 2020. Significant Study of Effect of Aeration Intensities on Membrane Bioreactor Performance. International Journal of Scientific and Research Publications (IJSRP), Cilt. 11(1), s. 203-209. DOI: 10.29322/IJSRP.11.01.2021.p10921
20. [20] Du, X., Shi, Y., Jegatheesan, V., Haq, I. U. 2020. A Review on the Mechanism, Impacts and Control Methods of Membrane Fouling in MBR System. Membranes, Cilt. 10(2), s. 24. DOI: 10.3390/membranes10020024