Investigation of a Rotating Hollow Fibre Membrane Bioreactor System for Wastewater Treatment

Die biologische Reinigung von Abwasser stellt das Kernstück der kommunalen Abwasserreinigung auf Kläranlagen dar. Das Membranbioreaktorsystem erweist sich hierfür als vielversprechende Alternative zum konventionellen Belebtschlammsystem, insbesondere aufgrund des begrenzten Platzbedarfs. Es macht den Einsatz eines Nachklärbeckens überflüssig und zeichnet sich gleichzeitig durch einen hohen Nährstoffeliminationsgrad sowie einen hohen Biomasserückhalt aus. Allerdings sind auch gewisse Nachteile von Membranbioreaktorsystemen zu berücksichtigen. Da der Membranbioreaktor mit höheren Trockensubstanzgehalten betrieben wird, ist eine Tendenz zum Membranfouling sowie eine Verringerung des Sauerstoffeintrags zu beobachten.
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Die vorliegende Dissertation präsentiert einen innovativen Ansatz zur Bewältigung der doppelten Herausforderungen eines effizienten Sauerstoffeintrags und einer Verminderung von Membranverblockung und -verschlammung in Membranbioreaktorsystemen. Der Ansatz umfasst die Entwicklung und Erprobung eines rotierenden Hohlfaser-Membranmoduls im Pilotmaßstab. Die Studie umfasst eine Reihe von Experimenten, die sowohl in Batch- als auch in kontinuierlichen Durchfluss-Pilotanlagen durchgeführt wurden. Im Rahmen der Studie wurde der Fokus auf die Untersuchung der Sauerstoffeintragsraten sowie des Verschmutzungsverhaltens der Membran unter verschiedenen Betriebsbedingungen gelegt.
Die Dissertation basiert auf drei begutachteten Veröffentlichungen, welche die Leistungsfähigkeit des neuartigen Hohlfaser-Membranbioreaktordesigns beschreiben. Die erste Veröffentlichung analysiert die Auswirkungen der Membranrotation auf die feinblasige Belüftung und zeigt signifikante Verbesserungen des Sauerstoffeintrags und der Energieeffizienz. Die zweite Veröffentlichung analysiert den Einfluss des Feststoffrückhalts (Volumen der Flocken) auf den Sauerstoffeintrag im rotierenden Hohlfaser-Membranbioreaktor unter verschiedenen Belüftungsbedingungen. Dabei wird die konsistente Auswirkung der Feststoffe auf den resultierenden Sauerstoffeintrag hervorgehoben. Die dritte Veröffentlichung analysiert die Auswirkungen der Betriebsparameter auf den Transmembrandruck und die Qualität des Filtrats und demonstriert das Potenzial des rotierenden Membranmoduls zur Verringerung von Membranverblockung und -verschlammung.
Zusammenfassend lassen sich die wichtigsten Ergebnisse der Dissertation wie folgt zusammenfassen:
- Die rotierende Hohlfaser-Membranbioreaktoreinheit weist eine signifikante Verbesserung des Sauerstoffeintrags auf, wobei die Effizienzsteigerung den zusätzlichen Energiebedarf für die Rotation kompensiert. Dies deutet auf potenzielle Kosteneinsparungen in großtechnischen Anwendungen hin.
- Der Feststoffrückhalt beeinflusst den Sauerstoffeintrag unabhängig vom Reaktortyp, der Art der Belüfter und der Rotationsgeschwindigkeit. Dies unterstreicht die Notwendigkeit, den Anteil der Feststoffphase bzw. den Anteil der resultierenden Flüssigkeitsphase in die Berechnung des α-Faktors einzubeziehen.
- Das rotierende Modul reduziert den Anstieg des Transmembrandrucks und ermöglicht längere Betriebszeiten (bis zu 48 Tage) mit zufriedenstellender Leistung, selbst ohne Belüftung in wärmeren Jahreszeiten.
- Das neuartige Design des Hohlfaser-Membranbioreaktors eröffnet die Möglichkeit einer hohen Integration in bestehende Belebtschlammanlagen, ohne dass größere Modifikationen erforderlich wären. Infolgedessen würde sich die benötigte Membranfläche und damit die Investitionskosten reduzieren.
Die Dissertation schließt mit einer Diskussion über die weitreichenden Implikationen des Hohlfaser-Membranbioreaktorsystems. Dabei werden insbesondere das Potenzial des Systems bei höheren Trockensubstanzgehalten, seine Vorteile bei der Vermeidung von Membranverblockung und -verschlammung sowie seine Anpassungsfähigkeit an verschiedene Betriebsbedingungen erörtert. Für zukünftige Forschungsarbeiten werden folgende Empfehlungen ausgesprochen: Die Betriebsparameter sollten optimiert und alternative Membranmaterialien untersucht werden, um die Nachhaltigkeit und Leistung des rotierenden Hohlfaser-Membranmoduls weiter zu verbessern.

The biological wastewater treatment by microorganisms represents a pivotal phase in the operation of wastewater treatment plants. The membrane bioreactor system has emerged as an alternative to the conventional activated sludge system for wastewater treatment where the space is limited, as it eliminates the need for a secondary clarifier while achieving high nutrient removal efficiencies and biomass retention. However, membrane bioreactor systems face certain drawbacks. As the membrane bioreactor operates at a higher mixed liquor suspended solids concentration, the tendency for membrane fouling is increased, and the oxygen transfer into the sludge is depleted.
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This dissertation presents an innovative approach to address the dual challenges of oxygen transfer and membrane fouling in membrane bioreactor systems. The approach involves the development and testing of a pilot-scale rotating hollow fibre membrane module. The study comprises a series of experiments conducted in both batch and continuous flow pilot plants, focusing on oxygen transfer rates and membrane fouling behaviour under various operational conditions.
Three peer-reviewed publications form the core of this dissertation, detailing the performance of the novel hollow fibre membrane bioreactor design. The first publication investigates the impact of membrane rotation on fine-bubble aeration, revealing significant improvements in oxygen transfer rates and energy efficiency. The second publication examines the influence of solid holdup on oxygen transfer in the rotating hollow fibre membrane bioreactor under different aeration conditions, highlighting the consistent impact of solids on oxygen transfer depletion. The third publication analyses the effect of operational parameters on transmembrane pressure and filtrate quality, demonstrating the potential of the rotating membrane module to mitigate fouling and enhance system efficiency.
Key findings from the study include:
- The rotating hollow fibre membrane bioreactor module significantly improves oxygen transfer efficiency, with the improvement offsetting the additional energy required for rotation, suggesting potential cost savings in full-scale applications.
- The solid holdup universally impacts oxygen transfer depletion, regardless of reactor type, diffuser setup, and rotational speed, emphasising the necessity of incorporating solid holdup or liquid holdup into the calculations of the α-factor.
- The rotating module reduces the increase in transmembrane pressure, allowing for extended operation periods (up to 48 days) with satisfactory performance, even without aeration during warmer seasons.
- The novel design of the hollow fibre membrane bioreactor shows high feasibility for integration into existing conventional activated sludge systems without major modifications, potentially reducing the total membrane area needed and, consequently, capital expenditure.
The dissertation concludes with a discussion on the broader implications of the rotating hollow fibre membrane bioreactor system, including its potential to operate at higher mixed liquor suspended solid concentrations, its advantages in preventing silting, and its adaptability to different operational conditions. Recommendations for future research include the optimization of operational parameters and the exploration of alternative membrane materials to enhance sustainability and performance.