Domestic sewage treatment plants (STPs) consume about 0.5 % of total electric energy produced annually, which is equivalent to 207.7 billion Korean won per year. To minimize the energy consumption and as a way of mitigating the depletion of energy sources, the sewage treatment strategy should be improved to the level of "energy positive". The core processes for the energy positive sewage treatment include A-stage for energy recovery and B-stage for energy-efficient nitrogen removal. The integrated process is known as the A/B-process. In A-stage, chemically enhanced primary treatment (CEPT) or high rate activated sludge (HRAS) processes can be utilized by modifying the primary settling in the first stage of sewage treatment. CEPT utilizes chemical coagulation and flocculation, while HRAS applies returned activated sludge for the efficient recovery of organic contents. The two processes showed organic recovery efficiencies ranging from 60 to 70 %. At a given recovery efficiency of 80 %, 17.3 % of energy potential ($1,398kJ/m^3$) is recovered through the anaerobic digestion and combustion of methane. Besides, anaerobic membrane bioreactor (AnMBR) can recover 85% of organic contents and generate $1,580kJ/m^3$ from the sewage. The recovered energy is equal to the amount of energy consumption by sewage treatment equipped with anaerobic ammonium oxidation (ANAMMOX)-based B-stage, $810{\sim}1,620kJ/m^3$. Therefore, it is possible to upgrade STPs as efficient as energy neutral. However, additional novel technologies, such as, fuel cell and co-digestion, should be applied to achieve "energy positive" sewage treatment.
Silva, Cynthia C.;Viero, Aline F.;Dias, Ana Carolina F.;Andreote, Fernando D.;Jesus, Ederson C.;De Paula, Sergio O.;Torres, Ana Paula R.;Santiago, Vania M.J.;Oliveira, Valeria M.
Journal of Microbiology and Biotechnology
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v.20
no.1
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pp.21-29
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2010
The phenolic compounds are a major contaminant class often found in industrial wastewaters and the biological treatment is an alternative tool commonly employed for their removal. In this sense, monitoring microbial community dynamics is crucial for a successful wastewater treatment. This work aimed to monitor the structure and activity of the bacterial community during the operation of a laboratory-scale continuous submerged membrane bioreactor (SMBR), using PCR and RT-PCR followed by denaturing gradient gel electrophoresis (DGGE) and 16S rRNA libraries. Multivariate analyses carried out using DGGE profiles showed significant changes in the total and metabolically active dominant community members during the 4-week treatment period, explained mainly by phenol and ammonium input. Gene libraries were assembled using 16S rDNA and 16S rRNA PCR products from the fourth week of treatment. Sequencing and phylogenetic analyses of clones from the 16S rDNA library revealed a high diversity of taxa for the total bacterial community, with predominance of Thauera genus (ca. 50%). On the other hand, a lower diversity was found for metabolically active bacteria, which were mostly represented by members of Betaproteobacteria (Thauera and Comamonas), suggesting that these groups have a relevant role in the phenol degradation during the final phase of the SMBR operation.
Candida tropicalis, an osmophilic strain isolated from honeycomb, produced xylitol at a maximal volumetric production rate of 3.5 g $l^{-1}$$h^{-1}$ from an initial xylose concentration of 200 g $l^{-1}$. Even with a very high xylose concentration, e.g., 350 g $l^{-1}$, this strain produced xylitol at a moderate rate of 2.07 g $l^{-1}$$h^{-1}$. In a fed-batch fermentation of xylose and glucose, 260 g $l^{-1}$ of xylose was added, and xylitol production was 234 g $l^{-1}$ for 48 h, corresponding to a rate of 4.88 g $l^{-1}$$h^{-1}$. To increase the xylitol production rate, cells were recycled in a submerged membrane bioreactor with suction pressure and air sparging. In cell-recycle fermentation, the average concentration of xylitol produced per recycle round, total fermentation time, volumetric production rate, and product yield for ten rounds were 180 g $l^{-1}$, 195 h, 8.5 g $l^{-1}$$h^{-1}$, and 85%, respectively. When cell-recycle fermentation was started with the cell mass contratrated two-fold after batch fermentation and was performed for ten recycle rounds, we achieved a very high production rate of 12 g $l^{-1}$$h^{-1}$. The production rate and total amount of xylitol produced in cell-recycle fermentation were 3.4 and 11 times higher than in batch fermentation, respectively.
Recently, one of the most interesting topic in the field of wastewater treatment is the disposal of excess sludge. The new concept of excess sludge reduction with recirculation of solubilized sludge via effective microorganisms for cell disruption within the wastewater treatment process has been developed in this study. The alkalophiles for degradation of sludge cell wall were isolated as Exiguobacterium sp., which could be more effectively solubilized sludge in the anaerobic condition. The SCOD of solubilized excess sludge by Exiguobacterium sp. was up to about 2,000mg/L and average TN and TP concentration of solubilized component were 117mg/L and 58mg/L, respectively and C/N ratio was more than 17. To investigate the effects of solubilized sludge by alkalophiles on excess sludge reduction and nutrient removal efficiency, the pilot plant of $DF^{(S)}-MBR$ process, combined with membrane bioreactor and sludge solubilization tank, was operated. In the control run(without sludge solubilization), the daily sludge production was about 4.54 kgMLVSS/day. However, in the $DF^{(S)}-MBR$(with sludge solubilization), the daily sludge production was decreased to 1.39kgMLVSS/day. The effluent quality satisfied the effluent regulation in both cases. Furthermore, the $DF^{(S)}-MBR$ showed relatively better TN removal efficiency in spite of high influent loading. So we concluded that the solubilized excess sludge by alkalophiles was effectively degraded in the MBR process as the carbon source and 70% of sludge reduction efficiency can be achieved.
Silva, Cynthia;Jesus, Ederson C.;Torres, Ana P. R.;Sousa, Maira P.;Santiago, Vania M. J.;Oliveira, Valeria M.
Journal of Microbiology and Biotechnology
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v.20
no.3
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pp.447-459
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2010
Bacterial diversity of two distinct wastewater treatment systems, conventional activated sludge (CAS) and membrane bioreactor (MBR), of petroleum refineries were investigated through 16S rRNA gene libraries. Sequencing and phylogenetic analysis showed that the bacterial community composition of sludge samples was distinct between the two wastewater treatment systems. MBR clones belonged predominantly to Class Betaproteobacteria, represented mainly by genera Thiobacillus and Thauera, whereas CAS clones were mostly related to Class Alphaproteobacteria, represented by uncultured bacteria related to Order Parvularculales. Richness estimators ACE and Chao revealed that the diversity observed in both libraries at the species level is an underestimate of the total bacterial diversity present in the environment and further sampling would yield an increased observed diversity. Shannon and Simpson diversity indices were different between the libraries and revealed greater bacterial diversity for the MBR library, considering an evolutionary distance of 0.03. LIBSHUFF analyses revealed that MBR and CAS communities were significantly different at the 95% confidence level ($P{\leq}0.05$) for distances $0{\leq}D{\leq}0.20$. This work described, qualitatively and quantitatively, the structure of bacterial communities in industrial-scale MBR and CAS processes of the wastewater treatment system from petroleum refineries and demonstrated clearly differentiated communities responsible for the stable performance of wastewater treatment plants.
Kim, Dae-young;Moon, Jin-young;Baek, Jin-uk;Hwang, Yong-woo
Journal of Korean Society of Water and Wastewater
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v.19
no.2
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pp.200-208
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2005
In this study, a new submerged membrane bioreactor process packed with granular sulfur (MBR-GS) was operated to identify the biological nitrogen removal behaviors with plating wastewater containing high-strength $NO_3{^-}$ concentration. The continuous denitrification was carried out at $20^{\circ}C$ with various nitrogen loading rates using synthetic wastewater, which composed of $NO_3{^-}$ and $HCO_3{^-}$, but also actual plating wastewater, which was collected from the effluent of the H metal plating company. As a result, high-rate denitrification in the range of $0.8kg\;NO_3{^-}-N/m^3\;day$ was accomplished at nitrogen loading rate of $0.9kg\;NO_3{^-}-N/m^3\;day$ using synthetic wastewater. Also, higher-rate denitrification with actual plating wastewater was achieved up to $0.91kg\;NO_3{^-}-N/m^3\;day$ at the loading rate of $1.11kg\;NO_3{^-}-N/m^3\;day$. Additionally, continuous filtration was possible during up to 30 days without chemical cleaning in the range of 20 cmHg of transmembrane pressure. On the basis of the proposed stoichiometry, ${SO_4}^{2-}$ production could be estimated efficiently, while observed alkalinity consumption was somewhat lower than theoretical value. Consequently, a new process, MBR-GS is capable of high-rate autotrophic denitrification by compulsive flux and expected to be utilized as an alternative of renovation techniques for nitrogen removal from not only plating wastewater but also municipal wastewater with low C/N ratio.
Even though MBR processes have many advantages such as high quality effluents, a small footprint and convenience for operation compared to conventional activated sludge processes, there are some shortcomings in terms of the cost and potential fouling incident that keeps MBR (Membrane bioreactor) processes from being widely applied. To reduce these problems, PTFE (Polytetrafluoroethylene) flat sheet membranes that have excellent permeability and durability were tested instead of PVDF (Polyvinylidene fluoride) membrane which is being used widely in water treatment. Low concentration of sodium hydroxide (NaOH) was also added into the membrane modules in order to prevent the membrane fouling as well as to provide the alkalinity. With conditions mentioned above, a pilot-scale MBR system based on the MLE (Modified Ludzack Ettinger) process was operated at flux of 40 $L/m^{2}/hr$ and over 15,000 mg/L MLSS concentration for about 8 months. And coagulant(alum) was added into the membrane tank to remove phosphorus. Although the more coagulant is added the more effectively phosphorus is removed, that can lead to fouling for a long operation(Ronseca et al.,2009). By the way there is a research that fouling grow up after stopping injection of coagulant(Holbrook, 2004). Stable operation of MBR systems was achieved without major chemical cleaning and the effluent quality was found to be good enough to comply with the treated waste water quality regulations of the Korea.
A denitrification bacterium was isolated from riverbed soil and identified as Ochrobactrum sp., whose specific enzymes for denitrification metabolism were biochemically assayed or confirmed with specific coding genes. The denitrification activity of strain G3-1 was proportional to glucose/nitrate balance, which was consistent with the theoretical balance (0.5). The modified graphite felt cathode with neutral red, which functions as a solid electron mediator, enhanced the electron transfer from electrode to bacterial cell. The porous carbon anode was coated with a ceramic membrane and cellulose acetate film in order to permit the penetration of water molecules from the catholyte to the outside through anode, which functions as an air anode. A non-compartmented electrochemical bioreactor (NCEB) comprised of a solid electron mediator and an air anode was employed for cultivation of G3-1 cells. The intact G3-1 cells were immobilized in the solid electron mediator, by which denitrification activity was greatly increased at the lower glucose/nitrate balance than the theoretical balance (0.5). Metabolic stability of the intact G3-1 cells immobilized in the solid electron mediator was extended to 20 days, even at a glucose/nitrate balance of 0.1.
Kim, In-Soo;Lee, Eon-Sung;Oh, Yeom-Jae;Kim, Eog-Jo
Proceedings of the Korean Institute of Navigation and Port Research Conference
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2010.04a
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pp.395-396
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2010
Lab scale experiment study was carried out for biological process development on cruise. SBR(Sequence Bath Reactor), MBR(Membrane Bioreactor), and MSBR(Membrane Sequence Bath Reactor) system were investigated for practical application on shipboard sewage treatment. From the results it was suggested that MSBR system might be suitable process for cruise in terms of pollutant removal efficiency, maintenance and special environmental conditions of cruise. Based on Res. MEPC.159(55) the MSBR system was qualified for the required regulations.
N-acetylcysteine (NAC) has been widely used as an initial mucolytic agent and is generally used as an antioxidant to help alleviate various inflammatory symptoms. NAC reduces bacterial extracellular polymeric substances (EPS) production, bacterial adhesion to the surface and strength of mature biofilm. The efficacy has been shown to inhibit proliferation of gram-positive and gram-negative bacteria. In membrane bioreactor (MBR) processes, which contain a variety of gram negative bacteria, biofilm formation has become a serious problem in stable operation. In this study, use of NAC as an inhibitor of biofilm contamination was investigated using the center for disease control (CDC) reactors with MBR sludge. Biomass reduction was confirmed with CLSM images of membrane surfaces by addition of NAC, which was more efficient as the concentration of NAC was increased to 1.5 mg/mL. NAC addition also showed decreases in EPS concentrations of the preformed biofilm, indicating that NAC was able to degrade EPS in the mature biofilm. NAC addition was also effective to inhibit biofilm formation by MBR sludge, which consisted of various microorganisms in consortia.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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