Design and start-up of laboratory scale membrane bioreactor for biological degradation of ibuprofen, diclofenac and carbamazepine

No Thumbnail Available
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Kemian tekniikan korkeakoulu | Master's thesis
Ask about the availability of the thesis by sending email to the Aalto University Learning Centre oppimiskeskus@aalto.fi
Date
2016-05-17
Department
Major/Subject
Yhdyskunta- ja ympäristötekniikka
Mcode
IA3006
Degree programme
PUU - Puunjalostustekniikan koulutusohjelma
Language
en
Pages
13+74+23
Series
Abstract
Pharmaceuticals and their fate in the wastewater treatment is a growing area of interest among researchers. Some pharmaceuticals are removed during conventional active sludge process, but new advanced methods are needed to improve the effluent quality. MBR (Membrane Bioreactor) technology is one of the fastest growing new technologies that can be used to receive better effluent quality. In this thesis two parallel laboratory scale MBR wastewater treatment plants were designed and built. The design parameters were based on full scale MBR plants and the target was to simulate the existing conditions. Sludge from existing pilot scale MBR plant was used to start up the units and after that synthetic wastewater was used to run the plants. Once the processes were stabilized the MBRs were used to study removal rate of three pharmaceuticals (ibuprofen, diclofenac and carbamazepine). Pharmaceuticals were used as continuous dosage for sludge adaptation and three times as one-off spiking for 24 hour degradation test. The MBRs worked during the tests as expected and the chosen design parameters were functional. The maintainability and adjustability of the MBRs was easy and the units turn out to be particularly suitable for this type of laboratory scale study. In the 24 hour degradation tests ibuprofen was biodegraded close to 100 % with kbiol values between 0,3 – 2,8 LgMLSS-1d-1. Analyses with diclofenac were inconsistent and thus the results were not accurate. Carbamazepine results showed no degradation at all. There were no accumulation of carbamazepine to the sludge and the same concentration of compound was found inside the bioreactor and in the effluent after membrane filtration. During the study it was also noted that adapting the sludge to the pharmaceuticals enhanced the performance and decreased shock effect during pharmaceutical spiking compared to previous study.

Lääkejäämät ja niiden poistaminen jätevesistä on yksi laajalti tutkittu aihe tällä hetkellä. Lääkeaineita poistuu perinteisessä jätevedenpuhdistuksessa, mutta uusia menetelmiä tarvitaan parempien tulosten saavuttamiseksi. MBR (Membrane Bioreactor) teknologia on yksi nopeimmin yleistyvistä kehittyneistä menetelmistä, jolla perinteisten aktiivilietemenetelmien tuloksia voidaan parantaa. Tässä diplomityössä mitoitettiin ja rakennettiin kaksi rinnakkaista MBR teknologiaan perustuvaa jatkuvatoimista laboratoriomittakaavan jätevedenpuhdistuslaitosta. Mitoituksen lähtökohtana oli simuloida vastaavan täyden mittakaavan MBR-laitoksen olosuhteita. MBR laitokset ylösajettiin olemassa olevan MBR laitoksen lietteellä, jonka jälkeen laitoksia syötettiin synteettisellä jätevedellä. Prosessin stabiloiduttua laitoksilla tutkittiin kolmen eri lääkejäämän (ibuprofeeni, diklofenaakki ja karpamatsepiini) käyttäytymistä ja poistumista biologisessa jätevedenpuhdistuksessa. Lääkeaineita käytettiin jatkuvana syöttönä, sekä kerta-annoksena vuorokauden mittaisen lääkeaineiden hajoamiskokeen alussa. Hajoamiskokeita tehtiin kolmeen kertaan, joiden välissä prosessin annettiin stabiloitua. Rakennetut MBR laitokset toimivat kokeiden aikana odotetusti ja valitut mitoitusparametrit toimivat käytännössä. Laitosten säätö ja ylläpito oli helppoa, joten MBR laitosten käyttäminen laboratoriomittakaavan testeihin osoittautui hyväksi vaihtoehdoksi. Lääkeaineiden hajoamiskokeissa ibuprofeenin biohajoamisaste oli lähes 100 % ja kbiol-arvot välillä 0,3 – 2,8 LgMLSS-1d-1. Diklofenaakin mittaustuloksissa oli epäselvyyttä ja tämän lääkeaineen osalta tulokset jäivät epäselviksi. Karpamatsepiini ei poistunut jätevedestä kokeiden aikana. Karpamatsepiinin sitoutumista lietteeseen ei hajoamiskokeissa havaittu. Tutkimuksessa havaittiin lisäksi, että aktiivilietteen sopeuttaminen lääkeaineille paransi suorituskykyä ja pienensi häiriötekijöitä verrattuna edelliseen tutkimukseen.
Description
Supervisor
Vahala, Riku
Thesis advisor
Kruglova, Antonina
Keywords
MBR, laboratory scale, wastewater treatment, pharmaceuricals, PHC, biodegradation
Other note
Citation