The resistance in series model has been frequently used for determination of various filtration resistance to correctly understand the membrane fouling behaviour in MBR (membrane bio-reactor) for wastewater treatment. The cake layer resistance ($R_c$) which is commonly determined by calculation of flux dataset that are obtained empirically before and after removing the cake layer on membrane surface. However, the calculated Rc values are very dependent on the cleaning methods adapted for removal of cake layer. This study investigated how the various cleaning options affect $R_c$. Seven different cleaning methods were employed: i) ultrasonication (100 W, 10 min), ii) ultrasonication (200 W, 60 min), iii) ultrasonication (400 W, 120 min), iv) water rinsing in a shaker (100 rpm, 10 min), v) water rinsing in a shaker (300 rpm, 60 min), vi) water rinsing, vii) sponge scrubbing. For the hydrophilic PES membrane, the cake layer removal efficiencies ranged from 64% to 10%, indicating that the removal of cake layer was highly dependent on the cleaning options. For the hydrophobic PVDF membrane, the cake layer removal efficiencies ranged from 79% to 97%. Consequently, a standardized method for cake layer removal to determine cake resistance ($R_c$) is needed for correct interpretation of the fouling phenomena.
Cake resistance is influenced by floc size deposited on membrane surface. Enlarging floc size can reduce cake resistance. The small particles are enlarged by coagulation and flocculation process in conventional mixing tank at membrane filtration system. Fully-grown flocs for reducing the cake resistance, however, are ruptured while passing through a pump. In light of this fact, this study aims to experimentally look at the reaggregation phenomenon of mixing system. In addition, reaggregation phenomenon of mixing system is compared with first-aggregation of in-line injection system in which coagulant is injected just before a pump. These results suggest that first-aggregation of in-line injection system is better than reaggregation of mixing system for G-value above $3100sec^{-1}$. Since G-value in pipe of actual membrane filtration system are usually larger than $3100sec^{-1}$. The performance of in-line injection system is expected to be better than the conventional mixing tank system.
Fully-grown flocs in a mixing tank of membrane filtration with dead-end membrane are ruptured while passing through a pump and the ruptured flocs are aggregated again in a Membrane-Feed-Pipe (MFP). To look at more details, this study tries to relate the reaggregation to a parameter of mixing intensity in MFP, i.e., G-value. The G-value is a function of Reynolds number, pipe diameter, friction factor and average velocity in MFP. To deal with polydispersity condition, we develop a representative particle size called in this study EDPD (Effective Diameter for Polydispersity condition in Dead-end filtration). The experimental results show that as the G-value increases, the EDPD decreases and also the cake resistance increases. Through comparison between EDPD and cake resistance, these results show that cake resistances are controlled by reaggregation phenomenon in MFP. The effect of detention time in MFP, however, does not affect the reaggregation of the broken flocs as G-values are increased.
This study was carried out to investigate the change of average specific resistance according to filtration pressure, suspension concentration and filters for study phenomena occurring in cake filtration. As the results of this study, the following conclusions were obtained. It was estimated that the average specific resistance of filtration Was decreased in proportion to decreased of filtration pressure. But in very pressure, average specific resistance was increased. The average specific resistance value on filter medium by various pressure was showed as same trends under constant suspension concentration. This phenomenon was though that a carrain amount of fine particles in the cake was found to migrate throught the cake in the case of very thin at very low pressure. In relation to the change of suspension concentration, average specific resistance value become low according to decreased in supension concentration.
Although the specific resistance to filtration is the most frequently employed means for characterizing dewaterability of a sludge, it presently is not possible to design nor to prediet performance of dewatering facilities using traditional linearized parabolic filtration equation, that is, the specific resistance model because of theoretical and practical inadequacies of the concept. Limitations of the specific resistance model reflect the need to examine fundamental sludge properties and filtration behaviors affecting dewaterability. From this study, two major limitations of the specific resistance model were noted. First, specific resistance values are very dependent on the sludge concentration because of the variations of particle size distribution and cake clogging to occur when surface area mean diameter is less than $25{\mu}m$ for activated sludge, $18{\mu}m$ for water treatment plant sludge. Second, nonparabolic filtration behavior can result from cake clogging, caused by the migration of fine particles into the cake pores, accelated by skin effect with highly compressible sludges.
The aim of this study is to investigate the membrane fouling in a thermophilic membrane bioreactor (TMBR) operated different sludge retention times (SRTs). For this purpose, TMBR was operated at four different SRTs (10, 30, 60 and 100 days). Specific cake resistance (${\alpha}$), cake resistance, gel resistance, total resistance, MFI (modified fouling index) and FDR (flux decrease ratio) were calculated for all SRTs. It was observed that flux in the membrane increases with rising SRT although the sludge concentrations in the TMBR increased. The steady state flux was found to be 31.78; 34.70; 39.60 and 43.70 LMH ($Liter/m^2/h$) for the SRTs of 10, 30, 60 and 100 days respectively. The concentrations of extracellular polymeric substance (EPS) and soluble microbial product (SMP) decreased with increasing SRT. The membrane fouling rate was higher at shorter SRT and the highest fouling rate appeared at an SRT of 10 d. Both the sludge cake layer and gel layer had contribution to the fouling resistance, but the gel layer resistance value was dominant in all SRTs.
A simple empirical model with good quantitative prediction of inter-particle and intra-particle distance in a cake layer with respect to ionic strength was developed. The model is an inverse length scale with functions of interaction energy and hydrodynamic factor and it explains that the inter-particle and intra-particle distance in a cake is directly related to the effective size of particles. Particle compressibility with respect to ionic strength was also predicted by the model. The model corroborated very well with experimental results of polystyrene microsphere latex particles microfiltation in a dead end operation. From the results of the model, specific cake resistance could be controlled by the same variables affecting the height of particle energy barrier described by the Derjaguin-Landau-Verwey-Overbeek (DLVO) theory.
The permeation characteristics of the wastewater containing Si fine particles were examined by ultrafiltration using the polyolefin tubular membrane module. Flux with time was due to the growth of Si cake deposited on the membrane surface and the pore plugging by fine particles. The rate of flux decline in the initial stage increased with the trans-membrane pressure. The pore blocking resistance was the dominant resistance at the initial period of filtration and the cake resistance began to dominate with the initial pore blocking resistance. The larger pores compared with the fine particles, the more the membrane pores could be blocked by the fine particles. Before and after treatment, the distribution of particle size was shifted toward to the left. Then, the average size of fine particles in the permeate was 20 nm.
Filtration on horizontal filter medium facing upward is accompanied by sedimentation. When sedimentation phenomenon is not considered, the average specific cake resistance by filtration could be in error more than two times. In the previous paper on this subject, it was insisted that the solid mass fraction of suspension changes in filtration period by sedimentation. But we could not find out the degree of change. At the first half of this paper, the average specific cake resistance measured by permeation will be proved to be exact in several means. The average specific cake resistance conventionally measured by filtration does not give correct results because it uses initial solid mass fraction of suspension. Then we calculated the changed solid mass fraction of suspension due to sedimentation during filtration by the experimental values obtained "filtration-permeation" method. We also determined the solid mass fraction at a certain moment of filtration from the suspension height and a new equation derived in this study. The two results were compared and proven that they almost matched.
The average specific cake resistance, the most important indicator for cake filtration and solid-liquid separation, is measured by filtration experiment. But the exact value is difficult to measure because of the other influences such as sedimentation during filtration. This study, a little more stable method named filtration-permeation is proposed for measuring average specific cake resistance. The filtration-permeation is composed of permeation of particle eliminated water through pre-formed cake by filtration. Using 1 wt% calcium carbonate suspension, the filtration-permeation experiments were performed for 8 kinds of filter media at the conditions of 0.5 atm and 0.2 atm, 1 and 3 sheets of filter media. At each specific condition, three to five times filtration-permeation were accomplished. As a result, stable permeation speed is measured. According to this experimental result, the characteristics of permeation and the effect of sedimentation are analyzed with Ruth's equation. The one way analysis of variance (one way ANOVA) is applied to the average specific cake resistances of filtration and permeation obtained with the selected three kinds of filter media. The average specific cake resistances between 0.5 atm and 0.2 atm by filtration do not distinguished, but those by permeation is perfectly distinguished. The experimental results during permeation have a very narrow distribution than that measured during filtration. The analysis of filtration experiments, it was verified that the resistance of filter medium by traditional method is of no significance. Finally, the migration of small particles through the medium composed of fiber glass at low pressure was studied.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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