Application of biofilm membrane bioreactor (BF-MBR) for municipal wastewater treatment

Abstract

The biofilm membrane reactor (BF-MBR) is a wastewater treatment system that combines biological wastewater treatment with a biofilm process and with membrane separation for clarification and purification of biologically treated wastewater. Work in this thesis is experimentally based on laboratory pilot scale systems specially built, developed and modified for the research purposes in this thesis.

The work in this thesis is presented through six main themes (research chapters (RC)):

RC1: Overview of previous research on knowledge on particle separation in a movingbed-biofilm reactor (MBBR) process

RC2: Overview of previous research on membrane bioreactors (MBR) based on attached (biofilm) growth.

RC3: Results from empirical studies on the influence of aeration on membrane performances in the BF-MBR

RC4: Results from mathematical and empirical studies on influence of membrane reactor design on membrane performances in the BF-MBR

RC5: Results from empirical studies on influence of nitrogen removal on membrane performances in the BF-MBR

RC6: Results from empirical studies on influence of coagulation and flocculation on overall performances in the BF-MBR

The main contributions (C) are:

C1: An overview of the research literature on empirical studies of knowledge on MBR with biofilm implementations and separation techniques in the movingbed-biofilm reactor

C2: Proposing a method for defining optimum aeration rates for the membrane unit based on minimizing the amount of submicron particles.

C3: Improvement in membrane performances by changing the membrane reactor geometry.

C4: Demonstration of feasibility of sustainable operation of proposed system with biological nitrogen removal treatment configurations.

C5: Improvement of membrane and overall process performance with addition of different additives.

Results from the research work in this thesis are based on five main empirical studies using a pilot scale biofilm MBR (BF-MBR) setup where overall system performance and membrane performance has been studied. The thesis is structured as a paper collection based on seven papers, where the first two are review papers and other five are results of the original research. In addition, there are three publications based on original research from the study that were published during the early stages of the project studies, presented only with the references and abstracts as secondary papers.

En biofilm membran reaktor (BF-MBR) er et rensesystem for avlopsvann som kombinerer biologisk rensing ved bruk av en biofilm prosess, og med membranseparasjon for filtrering og rensing av det biologisk renset avlopsvannet. Denne avhandlingen er basert pa eksperimentelle arbeider med pilot enheter og laboratoriesystemer som er spesielt bygd, utviklet og modifisert for forskningsformalene i dette studiet.

Arbeidet i denne avhandlingen er presentert gjennom seks hovedtema (forskning kapitler (FK)):

FK1: Oversikt over tidligere forskning og kunnskap om partikkelseparasjon i en moving-bed-biofilm reaktor (MBBR) prosess

FK 2: Oversikt over tidligere forskning pa membran bioreaktorer (MBR) basert pa vekst av fastsittende biomasse (biofilm).

FK 3: Resultater fra empiriske studier om hvordan lufting pavirker membranens prosessegenskaper i en BF-MBR

FK 4: Resultater fra matematiske og empiriske studier om hvordan membranreaktor design pavirker membranens separasjonsegenskaper i en BF-MBR

FK 5: Resultater fra empiriske studier om hvordan membranprosessen pavirkes av nitrogenfjerning i en BF-MBR

FK 6: Resultater fra empiriske studier om hvordan koagulering og flokkulering pavirker den generelle prosessen i en BF-MBR

De viktigste bidragene (B) er:

B1: En oversikt over forskningslitteratur om empiriske studier og kunnskap om MBR med anvendelse av biofilm prosesser og separasjon teknikker brukt i en movingbed-biofilm reaktor

B2: Foreslag pa en metode for a definere optimal lufting for membranenheten basert pa a minimere mengden av sub-mikron partikler.

B3: Forbedring i membranens ytelsesevne ved a endre pa membranreaktorens geometri.

B4: Demonstrasjon av mulighetene for en barekraftig drift av foreslatte system med konfigurasjoner av biologisk nitrogenfjerning.

B5: Forbedring av bade membran og generelle prosessytelser ved bruk av forskjellige tilsetningsstoffer.

Resultater fra forskningsarbeidet i denne avhandlingen er basert pa fem empiriske studier utfort med en pilot biofilm MBR (BF-MBR) apparatur, der generelle systemytelse og membranytelse er studert. Avhandlingen er strukturert som en samling av syv publikasjoner, der de to forste er ”review” artikler og folgende fem artikler er resultatene fra original forskningen. I tillegg er tre publikasjoner basert pa original forskning fra studiet som ble publisert i en tidlig fase av arbeidet presentert som sekundare artikler, kun angitt med referanser og sammendrag.