Consultant expert, Dr. Mohamed Taha Technology Research and Innovation Fund Project Report The use of membrane bioreactors in the anaerobic digestion of the biodegradable fraction of municipal solid waste.
On Sale
$0.00
$6.99
Consultant expert, Dr. Mohamed Taha
Technology Research and Innovation Fund Project
Report
The use of membrane bioreactors in the anaerobic digestion of
the biodegradable fraction of municipal solid waste.
Produced for Defra
Imperial College London
ANAEROBIC MEMBRANE BIOREACTOR
TECHNOLOGY FOR SOLID WASTE
STABILIZATION
A thesis submitted for the degree of Doctor of Philosophy and for the Diploma of Imperial
College
Department of Chemical Engineering and Chemical technology
Imperial College London
London SW7 2AZ
It is declared that the work presented in the thesis is the candidate’s own.
ABSTRACT
In this study, a simulated Organic Fraction of Municipal Solid Waste (OFMSW) was treated in
an anaerobic two-stage membrane process. The OFMSW feedstock was fed to a ten litre hy-
drolytic reactor (HR) where solid and liquid fractions were separated by a coarse mesh, while
the leachate was fed to a three litre submerged anaerobic membrane bioreactor (SAMBR) with
in-situ membrane cleaning by biogas sparging beneath a flat sheet Kubota membrane. The
aim was to develop and optimize this two-stage process where the use of a membrane in both
reactors to uncouple the Solid and Liquid Retention Times (SRT and HRT) would allow us to
improve the current performances obtained with single stage designs. The Denaturing Gradient
Gel Electrophoresis (DGGE) technique was used to monitor the microbial population in the re-
actors and have a better understanding of the archaeal and bacterial distribution in a two-stage
process.
It was found that meshes with pore sizes of ≤ 10 microns and ≥ 150 microns were inappropriate
to uncouple the SRT and HRT in the HR. In the former case, the mesh became clogged, while
in the latter case, the large pore size resulted in high levels of suspended solids in the leachate
that built up in the SAMBR. The most important parameter for Volatile Solids (VS) removal in the
HR was the SRT. Maximum VS removals of 70-75% could be achieved when the SRT was equal
to or greater than 50-60 days. This was achieved at a HRT of 9-12 days and an Organic Loading
Rate (OLR) of 4-5 g VS.l-1.day-1.Increasing the SRT to beyond 100 days did not significantly
increase the VS removal in the HR. However, at an OLR of 10 g VS.l-1.day-1 in the HR the SRT
had to be reduced due to a build up of TS in the HR that impeded the stirring. Below 20 days
SRT, the VS removal reduced to between 30 and 40%. With kitchen waste as its main substrate,
however, an OLR of 10 g VS.l-1.day-1 was achieved with 81% VS removal at 23 days SRT and
1.8 days HRT.
The SAMBR was found to remain stable at an OLR up to 19.8 g COD.l-1.day-1 at a HRT of
0.4 day and at a SRT greater than 300 days, while the COD removal was 95%. However, the
performance at such low HRTs was not sustainable due to membrane flux limitations when
the Mixed Liquor Total Suspended Solids (MLTSS) went beyond 20 g.l-1 due to an increase in
viscosity and inorganics concentration. At 35 ̊ C the SAMBR was found to be stable (SCOD
removal ≥ 95%) at SRTs down to 45 days and at a minimum HRT of 3.9 days. The SAMBR
could achieve 90% COD removal at 22 ̊ C at an OLR of 13.4 g COD.l-1.day-1 and 1.1 days HRT
(SRT = 300 days).
The DGGE technique was used to monitor the archaeal and bacterial diversity and evolution
in the HR and SAMBR with varying SRTs, HRTs, OLRs and temperatures in the biofilm and
in suspension. Overall, it was found that stable operation and high COD removal correlated
with a high bacterial diversity, while at the same time very few species (2-4) were dominant.
Only a few dominant archaeal species were sufficient to keep low VFA concentrations in the
SAMBR at 35 ̊ C, but not at ambient temperatures. It was found that some of the dominant
species in the HR were hydrogenotrophic Archaea such as Methanobacterium formicicum and
Methanobrevibacter while the other dominant species were from the genus Methanosarcina
2
or Methanosaeta. The presence of hydrogenotrophic species in the HR could be fostered by
reinoculating the HR with excess sludge from the SAMBR when the SRT of the SAMBR was
greater than 45 days. Among the bacterial species Ruminococcus flavefaciens, Spirochaeta,
Sphingobacteriales, Hydrogenophaga, Ralstonia, Prevotella and Smithella were associated with
good reactor performances.
لخبير الاستشاري الدكتور محمد طهاا
مشروع صندوق البحث والابتكار التكنولوجي
تقرير
استخدام المفاعلات الحيوية الغشائية في الهضم اللاهوائي
الجزء القابل للتحلل الحيوي من النفايات الصلبة البلدية.
أنتجت لصالح Defra
جامعة لندن الامبرياليه
عامل حيوي للغشاء اللاهوائي
تكنولوجيا النفايات الصلبة
الاستقرار
أطروحة مقدمة لنيل درجة دكتوراه الفلسفة ودبلومة إمبراطورية
كلية
قسم الهندسة الكيميائية والتكنولوجيا الكيميائية
جامعة لندن الامبرياليه
لندن SW7 2AZ
يُعلن أن العمل المقدم في الرسالة هو عمل المرشح.
نبذة مختصرة
في هذه الدراسة ، تمت معالجة جزء عضوي محاكى من النفايات الصلبة البلدية (OFMSW) في
عملية غشاء لاهوائية على مرحلتين. تم تغذية اللقيم OFMSW بسعة 10 لترات من-
المفاعل المنحلل (HR) حيث تم فصل الأجزاء الصلبة والسائلة بشبكة خشنة ، بينما
تمت تغذية العصارة إلى مفاعل حيوي بغشاء لاهوائي مغمور بثلاثة لترات (SAMBR) مع
تنظيف الغشاء في الموقع عن طريق تجنيب الغاز الحيوي تحت طبقة مسطحة من غشاء كوبوتا. ال
كان الهدف هو تطوير وتحسين هذه العملية ذات المرحلتين حيث يتم استخدام الغشاء في كليهما
مفاعلات لفصل أوقات الاحتفاظ الصلبة والسائلة (SRT و HRT) سيسمح لنا بذلك
تحسين الأداء الحالي الذي تم الحصول عليه من خلال تصميمات المرحلة الواحدة. التدرج تغيير طبيعة
تم استخدام تقنية الهلام الكهربائي (DGGE) لمراقبة التجمعات الميكروبية في
الجهات الفاعلة ولديها فهم أفضل للتوزيع البدائي والبكتيري على مرحلتين
معالجة.
وجد أن الشبكات ذات الأحجام المسامية 10 ميكرون و 150 ميكرون غير مناسبة
لفك اقتران SRT و HRT في الموارد البشرية. في الحالة الأولى ، أصبحت الشبكة مسدودة ، بينما
في الحالة الأخيرة ، أدى حجم المسام الكبير إلى مستويات عالية من المواد الصلبة العالقة في العصارة
التي بنيت في سامبر. أهم معلمة لإزالة المواد الصلبة المتطايرة (VS) في
كان HR هو SRT. يمكن تحقيق الحد الأقصى من عمليات إزالة VS بنسبة 70-75 ٪ عندما تكون SRT متساوية
إلى أو أكثر من 50-60 يومًا. تم تحقيق ذلك في العلاج التعويضي بالهرمونات لمدة 9-12 يومًا والتحميل العضوي
معدل (OLR) من 4-5 جم VS.l-1.day-1. لم يكن زيادة SRT إلى ما بعد 100 يوم بشكل ملحوظ
زيادة إزالة VS في الموارد البشرية. ومع ذلك ، عند OLR من 10 جم VS.l-1.day-1 في HR ، فإن SRT
كان لابد من تقليله بسبب تراكم TS في الموارد البشرية الذي أعاق التحريك. أقل من 20 يومًا
SRT ، تم تقليل إزالة VS إلى ما بين 30 و 40٪. مع نفايات المطبخ كركيزة أساسية لها ،
ومع ذلك ، تم تحقيق OLR بمقدار 10 جم VS.l-1.day-1 مع إزالة 81 ٪ VS في 23 يومًا SRT و
1.8 يوم HRT.
تم العثور على SAMBR ثابتًا عند OLR يصل إلى 19.8 جم COD.l-1.day-1 في HRT من
0.4 يوم وبسرعة أكبر من 300 يوم ، بينما كانت إزالة COD 95٪. ومع ذلك ، فإن
لم يكن الأداء في HRTs المنخفض مستدامًا بسبب قيود تدفق الغشاء عندما
تجاوز إجمالي المواد الصلبة المعلقة (MLTSS) من الخمور المختلطة 20 جم لتر واحد بسبب زيادة في
اللزوجة وتركيز المواد غير العضوية. عند 35 درجة مئوية ، وجد أن SAMBR مستقر (SCOD
إزالة ≥ 95٪) في SRTs حتى 45 يومًا وبحد أدنى من العلاج التعويضي بالهرمونات من 3.9 أيام. سامبر
يمكن أن يحقق إزالة 90 ٪ من COD عند 22 درجة مئوية عند OLR يبلغ 13.4 جم COD.l-1.day-1 و 1.1 يوم HRT
(SRT = 300 يوم).
تم استخدام تقنية DGGE لمراقبة التنوع البدئي والبكتيري وتطورها
في HR و SAMBR مع اختلاف SRTs و HRTs و OLR ودرجات الحرارة في البيوفيلم و
في التعليق. بشكل عام ، وجد أن العملية المستقرة وإزالة COD عالية مرتبطة
ذات تنوع بكتيري مرتفع ، بينما في نفس الوقت سادت أنواع قليلة جدًا (2-4).
فقط عدد قليل من الأنواع البدائية المهيمنة كانت كافية للحفاظ على تركيزات VFA منخفضة في
SAMBR عند 35 درجة مئوية ، ولكن ليس في درجات الحرارة المحيطة. وجد أن بعض المهيمنين
الأنواع في الموارد البشرية كانت هيدروجينية التغذية مثل Methanobacterium formicicum و
الميثانوبريفيباكتر بينما الأنواع الأخرى السائدة كانت من جنس Methanosarcina
2
أو Methanosaeta. يمكن تعزيز وجود أنواع هيدروجينوتروفيك في الموارد البشرية
إعادة توطين الموارد البشرية بالحمأة الزائدة من SAMBR عندما كان SRT من SAMBR
أكثر من 45 يومًا. من بين الأنواع البكتيرية Ruminococcus flavefaciens ، Spirochaeta ،
ارتبطت بكتيريا Sphingobacteriales و Hydrogenophaga و Ralstonia و Prevotella و Smithella
أداء المفاعل الجيد.
Technology Research and Innovation Fund Project
Report
The use of membrane bioreactors in the anaerobic digestion of
the biodegradable fraction of municipal solid waste.
Produced for Defra
Imperial College London
ANAEROBIC MEMBRANE BIOREACTOR
TECHNOLOGY FOR SOLID WASTE
STABILIZATION
A thesis submitted for the degree of Doctor of Philosophy and for the Diploma of Imperial
College
Department of Chemical Engineering and Chemical technology
Imperial College London
London SW7 2AZ
It is declared that the work presented in the thesis is the candidate’s own.
ABSTRACT
In this study, a simulated Organic Fraction of Municipal Solid Waste (OFMSW) was treated in
an anaerobic two-stage membrane process. The OFMSW feedstock was fed to a ten litre hy-
drolytic reactor (HR) where solid and liquid fractions were separated by a coarse mesh, while
the leachate was fed to a three litre submerged anaerobic membrane bioreactor (SAMBR) with
in-situ membrane cleaning by biogas sparging beneath a flat sheet Kubota membrane. The
aim was to develop and optimize this two-stage process where the use of a membrane in both
reactors to uncouple the Solid and Liquid Retention Times (SRT and HRT) would allow us to
improve the current performances obtained with single stage designs. The Denaturing Gradient
Gel Electrophoresis (DGGE) technique was used to monitor the microbial population in the re-
actors and have a better understanding of the archaeal and bacterial distribution in a two-stage
process.
It was found that meshes with pore sizes of ≤ 10 microns and ≥ 150 microns were inappropriate
to uncouple the SRT and HRT in the HR. In the former case, the mesh became clogged, while
in the latter case, the large pore size resulted in high levels of suspended solids in the leachate
that built up in the SAMBR. The most important parameter for Volatile Solids (VS) removal in the
HR was the SRT. Maximum VS removals of 70-75% could be achieved when the SRT was equal
to or greater than 50-60 days. This was achieved at a HRT of 9-12 days and an Organic Loading
Rate (OLR) of 4-5 g VS.l-1.day-1.Increasing the SRT to beyond 100 days did not significantly
increase the VS removal in the HR. However, at an OLR of 10 g VS.l-1.day-1 in the HR the SRT
had to be reduced due to a build up of TS in the HR that impeded the stirring. Below 20 days
SRT, the VS removal reduced to between 30 and 40%. With kitchen waste as its main substrate,
however, an OLR of 10 g VS.l-1.day-1 was achieved with 81% VS removal at 23 days SRT and
1.8 days HRT.
The SAMBR was found to remain stable at an OLR up to 19.8 g COD.l-1.day-1 at a HRT of
0.4 day and at a SRT greater than 300 days, while the COD removal was 95%. However, the
performance at such low HRTs was not sustainable due to membrane flux limitations when
the Mixed Liquor Total Suspended Solids (MLTSS) went beyond 20 g.l-1 due to an increase in
viscosity and inorganics concentration. At 35 ̊ C the SAMBR was found to be stable (SCOD
removal ≥ 95%) at SRTs down to 45 days and at a minimum HRT of 3.9 days. The SAMBR
could achieve 90% COD removal at 22 ̊ C at an OLR of 13.4 g COD.l-1.day-1 and 1.1 days HRT
(SRT = 300 days).
The DGGE technique was used to monitor the archaeal and bacterial diversity and evolution
in the HR and SAMBR with varying SRTs, HRTs, OLRs and temperatures in the biofilm and
in suspension. Overall, it was found that stable operation and high COD removal correlated
with a high bacterial diversity, while at the same time very few species (2-4) were dominant.
Only a few dominant archaeal species were sufficient to keep low VFA concentrations in the
SAMBR at 35 ̊ C, but not at ambient temperatures. It was found that some of the dominant
species in the HR were hydrogenotrophic Archaea such as Methanobacterium formicicum and
Methanobrevibacter while the other dominant species were from the genus Methanosarcina
2
or Methanosaeta. The presence of hydrogenotrophic species in the HR could be fostered by
reinoculating the HR with excess sludge from the SAMBR when the SRT of the SAMBR was
greater than 45 days. Among the bacterial species Ruminococcus flavefaciens, Spirochaeta,
Sphingobacteriales, Hydrogenophaga, Ralstonia, Prevotella and Smithella were associated with
good reactor performances.
لخبير الاستشاري الدكتور محمد طهاا
مشروع صندوق البحث والابتكار التكنولوجي
تقرير
استخدام المفاعلات الحيوية الغشائية في الهضم اللاهوائي
الجزء القابل للتحلل الحيوي من النفايات الصلبة البلدية.
أنتجت لصالح Defra
جامعة لندن الامبرياليه
عامل حيوي للغشاء اللاهوائي
تكنولوجيا النفايات الصلبة
الاستقرار
أطروحة مقدمة لنيل درجة دكتوراه الفلسفة ودبلومة إمبراطورية
كلية
قسم الهندسة الكيميائية والتكنولوجيا الكيميائية
جامعة لندن الامبرياليه
لندن SW7 2AZ
يُعلن أن العمل المقدم في الرسالة هو عمل المرشح.
نبذة مختصرة
في هذه الدراسة ، تمت معالجة جزء عضوي محاكى من النفايات الصلبة البلدية (OFMSW) في
عملية غشاء لاهوائية على مرحلتين. تم تغذية اللقيم OFMSW بسعة 10 لترات من-
المفاعل المنحلل (HR) حيث تم فصل الأجزاء الصلبة والسائلة بشبكة خشنة ، بينما
تمت تغذية العصارة إلى مفاعل حيوي بغشاء لاهوائي مغمور بثلاثة لترات (SAMBR) مع
تنظيف الغشاء في الموقع عن طريق تجنيب الغاز الحيوي تحت طبقة مسطحة من غشاء كوبوتا. ال
كان الهدف هو تطوير وتحسين هذه العملية ذات المرحلتين حيث يتم استخدام الغشاء في كليهما
مفاعلات لفصل أوقات الاحتفاظ الصلبة والسائلة (SRT و HRT) سيسمح لنا بذلك
تحسين الأداء الحالي الذي تم الحصول عليه من خلال تصميمات المرحلة الواحدة. التدرج تغيير طبيعة
تم استخدام تقنية الهلام الكهربائي (DGGE) لمراقبة التجمعات الميكروبية في
الجهات الفاعلة ولديها فهم أفضل للتوزيع البدائي والبكتيري على مرحلتين
معالجة.
وجد أن الشبكات ذات الأحجام المسامية 10 ميكرون و 150 ميكرون غير مناسبة
لفك اقتران SRT و HRT في الموارد البشرية. في الحالة الأولى ، أصبحت الشبكة مسدودة ، بينما
في الحالة الأخيرة ، أدى حجم المسام الكبير إلى مستويات عالية من المواد الصلبة العالقة في العصارة
التي بنيت في سامبر. أهم معلمة لإزالة المواد الصلبة المتطايرة (VS) في
كان HR هو SRT. يمكن تحقيق الحد الأقصى من عمليات إزالة VS بنسبة 70-75 ٪ عندما تكون SRT متساوية
إلى أو أكثر من 50-60 يومًا. تم تحقيق ذلك في العلاج التعويضي بالهرمونات لمدة 9-12 يومًا والتحميل العضوي
معدل (OLR) من 4-5 جم VS.l-1.day-1. لم يكن زيادة SRT إلى ما بعد 100 يوم بشكل ملحوظ
زيادة إزالة VS في الموارد البشرية. ومع ذلك ، عند OLR من 10 جم VS.l-1.day-1 في HR ، فإن SRT
كان لابد من تقليله بسبب تراكم TS في الموارد البشرية الذي أعاق التحريك. أقل من 20 يومًا
SRT ، تم تقليل إزالة VS إلى ما بين 30 و 40٪. مع نفايات المطبخ كركيزة أساسية لها ،
ومع ذلك ، تم تحقيق OLR بمقدار 10 جم VS.l-1.day-1 مع إزالة 81 ٪ VS في 23 يومًا SRT و
1.8 يوم HRT.
تم العثور على SAMBR ثابتًا عند OLR يصل إلى 19.8 جم COD.l-1.day-1 في HRT من
0.4 يوم وبسرعة أكبر من 300 يوم ، بينما كانت إزالة COD 95٪. ومع ذلك ، فإن
لم يكن الأداء في HRTs المنخفض مستدامًا بسبب قيود تدفق الغشاء عندما
تجاوز إجمالي المواد الصلبة المعلقة (MLTSS) من الخمور المختلطة 20 جم لتر واحد بسبب زيادة في
اللزوجة وتركيز المواد غير العضوية. عند 35 درجة مئوية ، وجد أن SAMBR مستقر (SCOD
إزالة ≥ 95٪) في SRTs حتى 45 يومًا وبحد أدنى من العلاج التعويضي بالهرمونات من 3.9 أيام. سامبر
يمكن أن يحقق إزالة 90 ٪ من COD عند 22 درجة مئوية عند OLR يبلغ 13.4 جم COD.l-1.day-1 و 1.1 يوم HRT
(SRT = 300 يوم).
تم استخدام تقنية DGGE لمراقبة التنوع البدئي والبكتيري وتطورها
في HR و SAMBR مع اختلاف SRTs و HRTs و OLR ودرجات الحرارة في البيوفيلم و
في التعليق. بشكل عام ، وجد أن العملية المستقرة وإزالة COD عالية مرتبطة
ذات تنوع بكتيري مرتفع ، بينما في نفس الوقت سادت أنواع قليلة جدًا (2-4).
فقط عدد قليل من الأنواع البدائية المهيمنة كانت كافية للحفاظ على تركيزات VFA منخفضة في
SAMBR عند 35 درجة مئوية ، ولكن ليس في درجات الحرارة المحيطة. وجد أن بعض المهيمنين
الأنواع في الموارد البشرية كانت هيدروجينية التغذية مثل Methanobacterium formicicum و
الميثانوبريفيباكتر بينما الأنواع الأخرى السائدة كانت من جنس Methanosarcina
2
أو Methanosaeta. يمكن تعزيز وجود أنواع هيدروجينوتروفيك في الموارد البشرية
إعادة توطين الموارد البشرية بالحمأة الزائدة من SAMBR عندما كان SRT من SAMBR
أكثر من 45 يومًا. من بين الأنواع البكتيرية Ruminococcus flavefaciens ، Spirochaeta ،
ارتبطت بكتيريا Sphingobacteriales و Hydrogenophaga و Ralstonia و Prevotella و Smithella
أداء المفاعل الجيد.