Combining submerged membrane technology with anaerobic and

229 Pages·2013·2.35 MB·English

UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE COMPOSTELA

Departamento de Ingeniería Química

Combining submerged membrane
technology with anaerobic and aerobic
wastewater treatment

Memoria presentada por
Alberto Sánchez Sánchez
Para optar al grado de Doctor por la
Universidad de Santiago de Compostela

UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE COMPOSTELA

Departamento de Ingeniería Química

Juan Manuel Garrido Fernández, Profesor Titular del Departamento de Ingeniería
Química de la Universidad de Santiago de Compostela,

Informa:
Que la memoria titulada “Combining submerged membrane technology with anaerobic and
aerobic wastewater treatment”, que para optar al grado de Doctor de Ingeniería Química,
Programa de Doctorado en Ingeniería Química y Ambiental, presenta don Alberto
Sánchez Sánchez, ha sido realizada bajo mi inmediata dirección en el Departamento de
Ingeniería Química de la Universidad de Santiago de Compostela.

Y para que así conste, firma el presente informe en Santiago de Compostela a 19 de
marzo de 2013.

Juan Manuel Garrido Fernández

Agradecimientos

A lo largo de estas líneas me gustaría expresar mi gratitud a todas las personas que
han hecho posible la realización de esta tesis, así como resaltar desde un punto de vista
humano lo que ha supuesto este proceso para mí. El primer lugar de estos
agradecimientos tiene que estar reservado a mi tutor Juan Garrido por ser una inagotable
fuente de aprendizaje para mí como mentor, pero sobre todo por haberse excedido en sus
funciones y haberse convertido en algo más, en un amigo, que me ha apoyado siempre y
que ha sabido sacar lo mejor de mí.
Por supuesto, quiero agradecer a todos y cada uno de los profesores por su
importantísima labor en la mejora continua de este grupo, a Juan Lema por la dirección
del mismo, a los técnicos por su inestimable apoyo y a todos mis compañeros por su
esfuerzo, ayuda y respeto mutuo. Especialmente me gustaría mencionar a Moncho
Pampín por codirigir parte de mi trabajo, pero sobre todo porque fue con la primera
persona que me puse en contacto para entrar al grupo y todo lo que recibí por su parte
fueron facilidades y ayuda. También me gustaría hacer una mención especial a Dagmara
y así poder agradecerle su importante aportación a esta tesis. Ha sido un auténtico placer
poder trabajar contigo codo con codo. En general me gustaría dar la enhorabuena a todos
los miembros (incluidos los que ya no están y los que vendrán) del grupo por contribuir a
formar un ambiente de trabajo tan agradable y productivo. Me siento muy afortunado de
pertenecer a este grupo humano y agradecido por haber tenido la posibilidad de
doctorarme en el mismo.
Un pequeña pero importante parte de mi periodo de formación como doctor tuvo
lugar en el grupo de Ingeniería Química y de Procesos perteneciente a la Universidad
Técnica de Berlín. Por ello, quiero mostrar mi agradecimiento al profesor Matthias Kraume
por darme la oportunidad de realizar esta estancia de investigación y muy especialmente
a mi amigo Christoph Brand, por ser un perfecto anfitrión, por compartir, bromas, ideas,
preocupaciones y trabajo.
Haciendo balance de los últimos siete años me doy cuenta de que la decisión de
cursar los estudios de doctorado en el grupo de ingeniería ambiental y bioprocesos de la
USC ha sido con total seguridad la mejor decisión que he tomado a lo largo de mi vida,
tanto en el plano profesional como en el plano personal. El único aspecto negativo ha sido
la gran distancia que me separa de mi familia y amigos en Malpartida de Plasencia. A mis
padres Macario y Marisa, les agradezco su apoyo incondicional y su confianza ciega en
mí; a mis hermanos Nuria, Marta y Eduardo, su paciencia y cariño; y a mis queridos
sobrinos Alejandro y María, solo les pido disculpas por haberme convertido en “el tío
gallego”. Este gallego de adopción nunca estará suficientemente agradecido a Javier, Puri
y Pablo por haberme tratado como a un hijo y un hermano desde el primer momento en
que me conocieron.
Por último que decirte a ti, Andrea, la causa de todo, mi compañera de viaje, la
persona más importante de mi vida, gracias por darme la calma, gracias por tu amor y por
tu amistad, gracias por el pasado y por el futuro, gracias por tantas cosas, pero sobre todo
gracias por compartir conmigo el tesoro más precioso: Teo y Olivia. A ellos, mi vida,
muchísimas gracias por ser como sois y por paralizar mi mundo con cada sonrisa, llanto,
palabra o sueño.
Table of contents

Objetivos y resumen 1
Obxectivos e resumo 11
Objectives and summary 21
Chapter 1: Introduction 29
1.1. Membranes in wastewater treatment 30
1.2. Membrane configuration and characteristics 31
1.3. Membrane bioreactor (MBR) 33
1.3.1. Background 34
1.3.2. Market 37
1.4. Tertiary membrane filtration 39
1.5. Membrane fouling and its control 40
1.6. Other submerged membrane technologies for wastewater treatment 46
1.6.1. Anaerobic membrane bioreactor (AnMBR) 46
1.6.2. Biofilm membrane bioreactor (BF-MBR) 48
1.6.3. Hybrid biofilm-suspended biomass membrane bioreactors 50
1.6.4. Methanogenic-aerobic MBRs. 51
1.7. References 53
Chapter 2: Material and methods 61
2.1. Liquid phase 62
2.1.1. Carbon compounds 62
2.1.1.1. Chemical oxygen demand (COD) 62
2.1.1.2. Total dissolved carbon (TDC), dissolved organic carbon
(DOC) and dissolved inorganic carbon (DIC) 64
2.1.1.3. Volatile fatty acids (VFA) 65
2.1.2. Nitrogen compounds 66
2.1.2.1. Ammonium 66
2.1.2.2. Nitrite 68
2.1.2.3. Nitrate 69
2.1.2.4. Dissolved total nitrogen (DTN), dissolved organic nitrogen
(DON) and dissolved inorganic nitrogen (DIN) 70
2.1.3. Phosphorus compounds 71
2.1.3.1. Orthophosphates 71
2.1.3.2. Total phosphorus 72
2.1.4. Other control parameters 73
2.1.4.1. pH 73
2.1.4.2. Dissolved oxygen 73
2.1.4.3. Temperature 73
2.1.4.4. Alkalinity and alkalinity ratio 73
2.2. Solid phase: Sludge characterisation 74
2.2.1. Mixed liquor total suspended solids (MLTSS) and mixed liquor
volatile suspended solids (MLVSS) concentration 74
2.2.2. Biofilm concentration 75
2.2.3. Sludge volumetric index 76
2.2.4. Sludge settling rate 76
2.3. Gas phase 76
2.4. Membrane performance 76
2.4.1. Flux and permeability 76
2.4.2. Critical flux 77
2.4.3 Filterability 77
2.4.4. Extracellular polymeric substances (EPS) and soluble microbial
products (SMP) 79
2.4.4.1. Carbohydrates 79
2.4.4.2. Proteins 80
2.4.4.3. Biopolymer clusters (BPC) 81
2.4.4.4. Transparent exopolymer particles (TEP) 82
2.5. Membrane cleaning procedures 82
2.6. References 83
Chapter 3: Tertiary membrane filtration of an industrial wastewater using
granular and flocculent biomass SBRs 85
3.1. Introduction 86
3.2. Objectives 87
3.3. Material and methods 87
3.3.1. Experimental set-up and operating strategy 87
3.3.1.1. Operating system 87
3.3.1.2. Cleaning strategy 89
3.3.1.3. Influent and operating strategy 89
3.3.2. Analytical methods 91
3.4. Results and discussion 92
3.4.1. SBRs and tertiary filtration system performance 92
3.4.2. Tertiary membrane filtration 98
3.4.2.1. Membrane performances 98
3.4.2.2. Influence of nitrification on membrane performance 100
3.4.2.3. Influence of biopolymers on membrane performance 101
3.4.3. Specific cake resistance and particle size distribution 104
3.5. Conclusions 105
3.6. References 106
Chapter 4: Combining UASB and MBR for the treatment of low-strength
wastewaters at ambient temperature 109
4.1. Introduction 110
4.2. Objectives 111
4.3. Material and methods 111
4.3.1. Experimental set-up and operating strategy 111
4.3.1.1. Operating system 111
4.3.1.2. Influent and operating strategy 113
4.3.2. Analytical methods 114
4.4. Results and discussion 115
4.4.1. System performance 115
4.4.1.1. General results 115
4.4.1.2. Organic matter removal 115
4.4.1.3. Nitrification and nitrogen removal 118
4.4.2. Biomass 120
4.4.3. Membrane performance 122
4.5. Conclusions 125
4.6. References 126
Chapter 5: Impact of methanogenic pre-treatment on the performance of an
aerobic MBR system 129
5.1. Introduction 130
5.2. Objectives 131
5.3. Material and methods 132
5.3.1. Experimental set-up and operating strategy 132
5.3.2. Analytical methods 134
5.3.3. Batch experiments to study biomass hydrolysis 135