Vis enkel innførsel

dc.contributor.advisorRatnaweera, Harsha
dc.contributor.advisorHeistad, Arve
dc.contributor.advisorMaletskyi, Zakhar
dc.contributor.authorKulesha, Olga
dc.date.accessioned2019-12-18T08:55:31Z
dc.date.available2019-12-18T08:55:31Z
dc.date.issued2019
dc.identifier.isbn978-82-575-1645-1
dc.identifier.issn1894-6402
dc.identifier.urihttp://hdl.handle.net/11250/2633818
dc.description.abstractConventional wastewater treatment technologies are not able to keep up with the population growth and new challenges and restrictions, induced by climate change. Membrane bioreactor (MBR) technology has a high potential to become a solution of choice when implementing the concepts of minimal/zero liquid discharge and 100% recycling. However, membrane fouling highly inhibits the expansion of MBR technology. Among the variety of methods to fouling mitigation, the integration of the biofilm membrane bioreactor technology (BF-MBR), which is the advancement of the MBR, with the coagulation approach into a concept of flux enhancement has been showing high potential. Due to the complexity of the fouling phenomenon and underlying mechanisms of its mitigation, process control in coagulant-assisted BF-MBR remains a major gap in its investigation. The development of the universal strategy for real-time fouling control and prediction in coagulant-assisted BF-MBR requires the comprehension of the membrane fouling patterns, determination of the underlying mechanisms of coagulant action, and system optimisation. According to the analysis of the latest studies, performed in Paper I, membrane fouling phenomenon is primarily caused by floc-bound extracellular polymeric substances (EPSs) and soluble microbial products (SMPs), whose accumulation causes pore blockage and cake and gel layer formation, resulting in reversible, irreversible and irrecoverable fouling. Polysaccharides of the SMPs were identified as the primary foulants in MBR. Among the most efficient approaches to flux enhancement, the use of coagulants was recognized as one of the most promising directions. The outlined mechanisms of fouling mitigation during chemical flux enhancement in MBR became the instrument of “navigation” in the development of an advanced fouling mitigation strategy with regard to BF-MBR at the further stages of the present research. Paper II was focused on the identification of membrane fouling patterns in the BF-MBR. During 114 days of system performance, a large representative, with regard to the application of the variety of operational conditions in BF-MBR, data array was analysed. One of the main contributions of this work was the development of the multivariate chemometric approach to fouling monitoring and control in BF-MBR based on the interrelation between the characteristics of the mixed liquor fouling propensity, membrane fouling indicators, and operational conditions. The introduction of the term “critical solids retention time” (SRT) allowed for determining SRT operational window with regard to the absence of severe fouling, which was less than 31 days for the investigated BF-MBR. The automated monitoring of the MLSS concentration in the moving bed biofilm (MBBR) and the separation chambers was implemented. The developed partial least squares (PLS) models were used to adjust the operational conditions (SRT, permeate flux, and sludge recirculation intensity) according to the characteristic of mixed liquor, which enabled the system to work below the critical fouling levels. In Paper III, the comparative analysis of the prepolymerized and non-prepolymerized coagulants with regard to flux enhancement in BF-MBR revealed that the extent of chemical flux enhancement via floc-bound EPSs removal highly correlated with the intrinsic charge concentration of the coagulants and their basicity. pH correction was shown to have a tremendous influence on fouling mitigating performance of every coagulant. The operational settings in the pilot system, which was the source of mixed liquor, were kept at the optimum levels, determined in Paper II. Paper III addresses one of the main concepts of the thesis, i.e., the development of the core model for the soft sensor for fouling control and prediction based on the electrostatic mechanism of the floc-bound EPSs removal during coagulation. The optimisation analysis applying the most effective coagulant revealed the significance of mixed liquor suspended solids (MLSS), coagulant dose, temperature, pH, and the interaction factors in the filtration processes. The derived optimisation models allow for minimising the adverse effects of low temperatures on the membrane filtration process by adjusting the operational conditions in BF-MBR. Paper III allowed for the determination of the most efficient coagulant with respect to flux enhancement and the optimum pH of its performance in BF-MBR. Based on these findings and according to the literature analysis, conducted in Paper IV, the active hydrolysis species of the optimum coagulant (i.e., Al13 2+ complex of the prepolymerized aluminium chloride with medium basicity) and the dominant carbohydrates in the structure of SMPs in MBR and BF-MBR systems were identified. By applying the quantum chemical and thermodynamic calculations, and multivariate chemometric analysis, the other main concept of the thesis was addressed, i.e., the deriving of the core model for the soft sensor for membrane fouling estimation and prediction based on the chemical coordination of the carbohydrates of SMPs to the Al13 2+ complex. In Paper IV, a two-stage supervised classifier was developed based on data mining and cluster analysis of the PLS Y-scores. The results of this study served as a basis for developing an unsupervised hierarchical classifier for online monitoring of the reduction of the mixed liquor fouling propensity during coagulation in BF-MBR based on the thermodynamic parameters of the system.nb_NO
dc.description.abstractKonvensjonelle teknologier for rensing av avløpsvann klarer ikke å følge med befolkningsveksten og nye utfordringer og restriksjoner, drevet frem av klimaendringer. Membran-bioreaktor (MBR) - teknologi har et stort potensial til å bli den foretrukne løsningen når man skal oppnå minimale/null utslipp av avløpsvann og 100% resirkulering. Gjentetting av membraner hindrer imidlertid utbredelsen av MBR-teknologien. Kombinasjonen av biofilm-membran-bioreaktor (BF-MBR) – teknologi, som er en videreutvikling av MBR, og koagulering i et konsept for fluksforbedring har vist et stort potensial blant de mange metodene for å begrense gjentetting av membraner. På grunn av kompleksiteten i gjentettingssfenomenet og de underliggende mekanismene for å forebygge gjentetting, utgjør prosesskontroll i koagulant-assistert BF-MBR fortsatt et kunnskapshull. Utvikling av en universell strategi for sanntids kontroll og prediksjon av gjentetting i koagulant-assistert BF-MBR krever forståelse av gjentettingsmønstre, klarlegging av de underliggende mekanismene for koagulantenes virkning samt systemoptimalisering. I følge en gjennomgang av de nyeste studiene, gjennomført i Artikkel I, er membrangjentettingsfenomenet primært forårsaket av fnokkbundne ekstracellulære polymere stoffer (EPS) og løselige mikrobielle produkter (SMP), hvis akkumulering forårsaker blokkering av porene og dannelse av slamkake og gel, noe som resulterer i reversibel, irreversibel og uopprettelig gjentetting. Polysakkarider av SMPene ble identifisert som de viktigste stoffene som bidrar til gjentetting i MBR. Blant de mest effektive tilnærmingene til fluksforbedring ble bruken av koagulanter anerkjent som en av de mest lovende retningene. De skisserte mekanismene for forebygging av membrangjentetting ved kjemisk fluksforbedring i MBR utgjorde veikartet for de videre stadier av denne avhandlingen i utviklingen av en avansert strategi for forebygging av gjentetting ved BF-MBR. Artikkel II fokuserte på identifisering av gjentettingsmønstre for membraner ved BF-MBR. Med 114 dagers driftstid ble en stor representativ datasamling – med hensyn til forskjellige driftsforhold i BF-MBR – analysert. Et av hovedbidragene i dette arbeidet var utviklingen av en multivariat kjemometrisk tilnærming til overvåkning og kontroll av membrangjentetting i BF-MBR, basert på sammenhengen mellom egenskapene til slamsuspensjonen og dens gjentettingspotensiale, gjentettingsindikatorer for membranen samt driftsforhold. Innføringen av begrepet "kritisk slamalder" (SRT) tillot å bestemme et driftsvindu for SRT med hensyn til fravær av alvorlig gjentetting, som var mindre enn 31 dager for den undersøkte BF-MBR. Automatisert overvåkning av slam-konsentrasjonen i "moving bed" bioreaktoren (MBBR) – og separasjonskamrene ble implementert. De utviklede PLS-modellene (PLS er delvis minste kvadraters metode) ble brukt til å justere driftsforholdene (SRT, permeatfluks og slamresirkuleringsintensitet) i henhold til egenskapene til slamsuspensjonen, noe som gjorde det mulig for systemet å holde seg under kritiske nivåer for gjentetting. I Artikkel III avdekket en sammenlignende analyse av de prepolymeriserte og ikke-prepolymeriserte koagulantene med hensyn til fluksforbedring i BF-MBR at graden av kjemisk fluksforbedring via fjerning av fnokkbundet EPS korrelerte sterkt med ladningskonsentrasjonen til koagulantene og deres basisitet. Korrigering av pH viste seg å ha en enorm innflytelse på evnen til å forebygge gjentetting for hver koagulant. Driftsinnstillingene for pilotsystemet som var kilden til slamsuspensjonen, ble holdt på optimale nivåer bestemt i Artikkel II. Artikkel III tar for seg en av hovedideene i avhandlingen, nemlig utviklingen av selve modellen for en virtuell sensor for kontroll og prediksjon av gjentetting basert på den elektrostatiske mekanismen for fjerning av EPS-fnokker ved koagulering. En optimaliseringsanalyse der den mest effektive koagulanten ble brukt, avslørte betydningen av slamkonsentrasjon (MLSS), koagulantdose, temperatur, pH og samvirkningseffekter i filtreringsprosessene. De avledede optimaliseringsmodellene gjør det mulig å minimere ugunstige effekter av lave temperaturer på membranfiltreringsprosessen ved å justere driftsforholdene i BF-MBR. I Artikkel III ble den mest effektive koagulanten identifisert med hensyn til fluksforbedring og dens optimale pH i BF-MBR. Basert på disse funnene og i henhold til litteraturgjennomgangen utført i Artikkel IV, ble den aktive hydrolyserte formen av den optimale koagulanten (dvs. Al13 2+-komplekset av prepolymerisert aluminiumklorid med middels basisitet) og de dominerende karbohydratene i strukturen til SMP-er i MBR- og BF-MBR-systemer identifisert. Ved å anvende kvantekjemiske og termodynamiske beregninger og den multivariate kjemometriske analysen, ble den andre hovedideen i avhandlingen behandlet, det vil si utviklingen av selve modellen for den virtuelle sensoren for estimering og prediksjon av membrangjentetting basert på den kjemiske koordineringen av karbohydrater i SMP til Al13 2+-komplekset. I Artikkel IV ble en to-trinns overvåket klassifikator utviklet basert på data mining og clusteranalyse av PLS Y-scoreverdier. Resultatene fra denne studien utgjorde et grunnlag for å utvikle en ikke-overvåket hierarkisk klassifikator for online overvåking av reduksjonen i gjentettingspotensialet til slamsuspensjonen ved koagulering i BF-MBR basert på de termodynamiske parametrene til systemet.nb_NO
dc.language.isoengnb_NO
dc.publisherNorwegian University of Life Sciences, Åsnb_NO
dc.relation.ispartofseriesPhD Thesis;2019:83
dc.rightsAttribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 Internasjonal*
dc.rights.urihttp://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/deed.no*
dc.subjectMembrane foulingnb_NO
dc.subjectMultivariate modelsnb_NO
dc.subjectProcess optimisationnb_NO
dc.titleFlux enhancers in biofilm membrane bioreactors : insight into fouling controlnb_NO
dc.title.alternativeKjemikaler for fluksforbedringer i biofilm membran bioreaktorer : innsikt i kontroll av gjentetting av membranernb_NO
dc.typeDoctoral thesisnb_NO


Tilhørende fil(er)

Thumbnail

Denne innførselen finnes i følgende samling(er)

Vis enkel innførsel

Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 Internasjonal
Med mindre annet er angitt, så er denne innførselen lisensiert som Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 Internasjonal