Investigation of the efficiency of different draw solutions and physical  membrane cleaning methods in a Forward Osmosis system for synthetic municipal wastewater pre-concentration

Θεμελή, Ευαγγελία; Themeli, Evangelia

dc.contributor.author	Θεμελή, Ευαγγελία	el
dc.contributor.author	Themeli, Evangelia	en
dc.date.accessioned	2022-03-15T19:25:11Z
dc.date.available	2022-03-15T19:25:11Z
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/54979
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.22677
dc.description	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο--Μεταπτυχιακή Εργασία. Διεπιστημονικό-Διατμηματικό Πρόγραμμα Μεταπτυχιακών Σπουδών (Δ.Π.Μ.Σ.) “Επιστήμη και Τεχνολογία Υδατικών Πόρων” ”	el
dc.rights	Αναφορά Δημιουργού-Μη Εμπορική Χρήση-Όχι Παράγωγα Έργα 3.0 Ελλάδα	*
dc.rights.uri	http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/gr/	*
dc.subject	Φυσική ώσμωση	el
dc.subject	Προσυμπύκνωση αστικών λυμάτων	el
dc.subject	Φυσικός καθαρισμός μεμβρανών	el
dc.subject	Ανάκτηση ενέργειας	el
dc.subject	Ανάκτηση θρεπτικών	el
dc.subject	Forward osmosis	en
dc.subject	Municipal wastewater pre-concentration	en
dc.subject	Physical membrane cleaning	en
dc.subject	Energy recovery	en
dc.subject	Nutrient recovery	en
dc.title	Investigation of the efficiency of different draw solutions and physical membrane cleaning methods in a Forward Osmosis system for synthetic municipal wastewater pre-concentration	en
dc.title	Διερεύνηση της απόδοσης διαφορετικών υπερτονικών διαλυμάτων και φυσικών μεθόδων καθαρισμού μεμβρανών σε ένα σύστημα Φυσικής Ώσμωσης για την προσυμπύκνωση συνθετικών αστικών λυμάτων	el
heal.type	masterThesis
heal.classification	Περιβαλλοντική τεχνολογία	el
heal.classification	Environmental engineering	en
heal.language	en
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2021-11-11
heal.abstract	Η παρούσα διπλωματική εργασία στοχεύει στη διερεύνηση της δυνατότητας αναβάθμισης των συστημάτων επεξεργασίας αστικών λυμάτων μέσω του συν‐ δυασμού με την τεχνολογία της Φυσικής Ωσμωσης για την ενίσχυση της ανάκτη‐ σης ενέργειας και θρεπτικών. Η εξαιρετικά αραιή κατάσταση των αστικών λυμάτων αναστέλλει την αξιο‐ ποίηση του πλούσιου περιεχομένου σε χημική ενέργεια και θρεπτικά με τα συμ‐ βατικά συστήματα επεξεργασίας. Η προ‐συμπύκνωση των λυμάτων επιτυγχάνει ένα ιδιαίτερα συμπυκνωμένο ρεύμα με υψηλές συγκεντρώσεις οργανικής ύλης και θρεπτικών ενισχύοντας με αυτόν τον τρόπο τις κατάντη μονάδες αναερόβιας επεξεργασίας και χημικής κατακρήμνισης για την αποτελεσματική ανάκτηση ενέρ‐ γειας και υλικών, αντίστοιχα. Η Φυσική Ωσμωση αποτελεί μια αρκετά επωφελή επιλογή μεταξύ των τεχνολογιών συμπύκνωσης λυμάτων που βασίζονται στο δια‐ χωρισμό μέσω μεμβρανών, καθώς στην περίπτωση αυτή δεν απαιτείται ενέργεια για τη μεταφορά του νερού μέσω της ημιπερατής μεμβράνης. Συγκεκριμένα, η ρο‐ ή του νερού προκαλείται από τη διαφορά ωσμωτικής πίεσης μεταξύ των λυμάτων και του υπερτονικού διαλύματος χωρίς να απαιτείται η εφαρμογή εξωτερικής πί‐ εσης. Συνεπώς, ο συνδυασμός της Φυσικής Ωσμωσης με επακόλουθη αναερόβια επεξεργασία δύναται να μειώσει το ενεργειακό αποτύπωμα και το αποτύπωμα άνθρακα των εγκαταστάσεων επεξεργασίας λυμάτων. Το βασικότερο τμήμα της παρούσας διερεύνησης είναι η αξιολόγηση οκτώ δυνητικών υπερτονικών διαλυμάτων ως προς την απόδοσή τους στο σύστημα της Φυσικής Ωσμωσης και τη συμβατότητά τους με την κατάντη αναερόβια επεξερ‐ γασία. Για το σκοπό αυτό αναπτύχθηκε ένα σύστημα Φυσικής Ωσμωσης και μια συσκευή μέτρησης του δυναμικού παραγωγής μεθανίου εργαστηριακής κλίμακας στο Εργαστήριο Υγειονομικής Τεχνολογίας (ΕΥΤ) του Εθνικού Μετσόβιου Πολυτε‐ χνείου (ΕΜΠ). Τα υποψήφια υπερτονικά διαλύματα αποτελούνταν από δυο ανόρ‐ γανα διαλύματα (χλωριούχο νάτριο και θειικό μαγνήσιο), ενώ τα υπόλοιπα απο‐ τελούνταν από οργανικές και ιοντικές οργανικές ενώσεις (οξικό νάτριο, φορμικό νάτριο, EDTA, γλυκόζη, γλυκίνη και γλυκερόλη). Το χλωριούχο νάτριο όντας το πιο συχνά εφαρμοζόμενο υπερτονικό διάλυμα στις ερευνητικές εργασίες για τη Φυσι‐ κή Ωσμωση εξετάστηκε σε πέντε διαφορετικές συγκεντρώσεις (0.6Μ, 1.2Μ, 1.7Μ, 2.7Μ και 3Μ). Στη συνέχεια, οι οκτώ διαφορετικές χημικές ενώσεις εξετάστηκαν υπό την ίδια οσμωτική πίεση των 30 bar στο σύστημα Φυσικής Ωσμωσης. Υστερα, τα διαλύματα που, με βάση τα πειραματικά αποτελέσματα, είχαν την υψηλότερη απόδοση ως προς τη ροή νερού και το συντελεστή συμπύκνωσης αξιολογήθηκαν και στην υψηλότερη ωσμωτική πίεση των 60 bar. Η αξιολόγηση των υπερτονικών διαλυμάτων πραγματοποιήθηκε με βάση την προκαλούμενη ροή νερού, την αντί‐ στροφη ροή από το υπερτονικό διάλυμα και την ανάκτηση νερού, καθώς και ως προς το συντελεστή συμπύκνωσης της οργανικής ύλης και των θρεπτικών. Ταυ‐ τόχρονα, η καταλληλότητα κάθε υπερτονικού διαλύματος για το συνδυασμό με κατάντη αναερόβια επεξεργασία διερευνήθηκε μέσω των μετρήσεων του δυνα‐ μικού παραγωγής μεθανίου. Τέλος, διεξήχθησαν κάποια συμπληρωματικά πει‐ ράματα για την εξέταση της αποδοτικότητας του καθαρισμού μεμβρανών με δύο φυσικές μεθόδους, συγκεκριμένα της επί τόπου έκπλυσης με νερό αυξάνοντας την εγκάρσια ταχύτητα ροής και της χρήσης υπερήχων. Στον πρώτο πειραματικό κύκλο καθαρισμού μέσω έκπλυσης με νερό, η διαδικασία ξεκινούσε μόλις η πτώ‐ ση της ροής έφτανε σε ποσοστό 30 %, ενώ κατά το δεύτερο κύκλο εφαρμόστηκε περιοδικός καθαρισμός κάθε 12 ώρες ως μέτρο πρόληψης της έμφραξης της μεμ‐ βράνης. Αναφορικά με την εξέταση του χλωριούχου νατρίου ως υπερτονικό διάλυμα, παρατηρήθηκε μια συνεχής αύξηση της ροής του νερού και της αντίστροφης ροής αλάτων με την αύξηση της συγκέντρωσης του χλωριούχου νατρίου αγγίζοντας τις τιμές 13.6 LMH και 9.4 GMH, αντίστοιχα, στην περίπτωση του διαλύματος χλω‐ ριούχου νατρίου με συγκέντρωση 3Μ. Παράλληλα, η ροή του νερού ήταν ως επί το πλείστον σταθερή κατά τη διάρκεια των 12ωρων πειραμάτων υποδηλώνοντας την απουσία σοβαρής έμφραξης της μεμβράνης. Ο συντελεστής συμπύκνωσης των λυμάτων ήταν ίσος με 1.4 με το χλωριούχο νάτριο 0.6Μ και αυξήθηκε στο 4.4 με το χλωριούχο νάτριο 3Μ. Η ανάκτηση του νερού ήταν 29% και 77%, αντίστοιχα. Επίσης, ο συντελεστής συμπύκνωσης της οργανικής ύλης και των θρεπτικών είχε παρόμοια αυξητική τάση με την αυξανόμενη συγκέντρωση χλωριούχου νατρίου και κυμάνθηκε στο πλαίσιο 1.29‐2.65 και 1.28‐2.45, αντίστοιχα. Το βασικότερο συμπέρασμα που προέκυψε από τη διερεύνηση των οκτώ υ‐ περτονικών διαλυμάτων στις ωσμωτικές πιέσεις των 30 bar και 60 bar ήταν το γεγονός ότι ως πιο αποδοτικά διαλύματα αποδείχθηκαν το χλωριούχο νάτριο συ‐ γκέντρωσης 1.2Μ (60 bar) και το φορμικό νάτριο συγκέντρωσης 1.4Μ (60 bar) . Εν γένει, η ροή του νερού και η αντίστροφη ροή των υπερτονικών διαλυμάτων κυ‐ μάνθηκε μεταξύ 3.1‐7.4 LMH και 1.47‐6.15 GMH, αντίστοιχα, ενώ στην περίπτωση του φορμικού νατρίου 1.4Μ και του χλωριούχου νατρίου 1.2Μ έφτασαν στις υ‐ ψηλότερες τιμές των 5.9 LMH/4.52 GMH και 7.4 LMH/6.15 GMH, αντίστοιχα, κατά τη λειτουργία του συστήματος στην ωσμωτική πίεση των 60 bar. Ο συντελεστής συμπύκνωσης των λυμάτων με κάθε υπερτονικό διάλυμα διακυμάνθηκε μεταξύ 1.16‐1.4 (με αντίστοιχη ανάκτηση νερού 14%‐29%), με εξαίρεση το συντελεστή συμπύκνωσης του χλωριούχου νατρίου συγκέντρωσης 1.2Μ (60 bar), ο οποίος άγγιξε την τιμή 1.8 (αντίστοιχη ανάκτηση νερού 44%). Τέλος, ο συντελεστής συ‐ μπύκνωσης οργανικής ύλης και αμμωνίας ήταν μεταξύ 1.05‐1.3 και 0‐1.31, ενώ το χλωριούχο αμμώνιο και το φορμικό νάτριο είχαν την υψηλότερη απόδοση κατά τη λειτουργία του συστήματος στην ωσμωτική πίεση των 60 bar. Συνολικά, η απώλεια οργανικής ύλης αποδείχθηκε αναπόφευκτη με όλα τα ε‐ ξεταζόμενα χημικά, κατά βάση εξαιτίας της ατελούς κατακράτησης της μεμβράνης και κατά συνέπεια της διείσδυσης στο υπερτονικό διάλυμα και του φαινομένου της ”εξωτερικής πόλωσης συγκέντρωσης” (Cake Enhanced‐External Concentration Polarization (CE‐ECP)), το οποίο προκαλεί τη συσσώρευση διαλυτών στερεών στην περιοχή κοντά στην επιφάνεια της μεμβράνης και παρεμποδίζει τη διάχυσή τους πίσω στο διάλυμα των λυμάτων. Επίσης, η αποδοτικότητα της συμπύκνωσης της αμμωνίας ήταν σταθερά χαμηλότερη από την αντίστοιχη συμπύκνωση της οργα‐ νικής ύλης με κάθε εξεταζόμενο υπερτονικό διάλυμα, καθώς η αμμωνία των λυμά‐ των πιθανότατα υπέστη διάχυση προς το εκάστοτε υπερτονικό διάλυμα εξαιτίας της ανταλλαγής κατιόντων διαμέσου της ημιπερατής μεμβράνης, η οποία υποκι‐ νούνταν από την αντίστροφη ροή των υπερτονικών διαλυμάτων. Τέλος, η συμπύ‐ κνωση του φωσφόρου αποδείχθηκε αδύνατη για όλα τα εξεταζόμενα χημικά με το σύστημα Φυσικής Ωσμωσης που χρησιμοποιήθηκε στην παρούσα εργασία, πιθα‐ νότατα εξαιτίας της χημικής κατακρήμνισης του φωσφόρου πάνω στην επιφάνεια της μεμβράνης. Οι μετρήσεις του δυναμικού παραγωγής μεθανίου επικύρωσαν την συμβατό‐ τητα όλων των εξαταζόμενων υπερτονικών διαλυμάτων με την αναερόβια επεξερ‐ γασία. Η παραγωγή μεθανίου ήταν υψηλότερη στα δείγματα με την υψηλότερη προσθήκη χλωριούχου νατρίου, λόγω του υψηλότερου συντελεστή συμπύκνωσης των λυμάτων και της οργανικής ύλης που επετεύχθη στην αντίστοιχη εκροή του συστήματος φυσικής ώσμωσης με τις υψηλότερες συγκεντρώσεις χλωριούχου να‐ τρίου ως υπερτονικό διάλυμα φτάνοντας το συνολικό όγκο των 632 mL στην προ‐ σομοιωμένη εκροή του συστήματος φυσικής ώσμωσης με το χλωριούχο νάτριο συγκέντρωσης 3Μ ως υπερτονικό διάλυμα ύστερα από 20 μέρες λειτουγίας. Η α‐ ναχαίτιση που καταγράφηκε ήταν στην ουσία αμελητέα και κυμάνθηκε μεταξύ των ποσοστών 2.4% και 8.2%, τα οποία θα μπορούσαν να αποδοθούν σε σφάλμα της μέτρησης. Κατά τη διερεύνηση των προσομοιωμένων εκροών που προέκυψαν α‐ πό την εφαρμογή των διαφόρων υπερτονικών διαλυμάτων στο σύστημα φυσικής ώσμωσης στην ωσμωτική πίεση των 30 bar, η παραγωγή μεθανίου κυμάνθηκε στο εύρος των 150‐276 mL ενώ το αντίστοιχο εύρος για την ωσμωτική πίεση των 60 bar ήταν 230‐300 mL. Και σε αυτήν την περίπτωση η παρατηρούμενη αναχαίτιση των εξεταζόμενων χημικών στην αναερόβια επεξεργασία ήταν μηδαμινή. Τα πειράματα καθαρισμού της μεμβράνης μέσω επί τόπου έκπλυσης με νερό επιβεβαίωσαν την υπεροχή του περιοδικού καθαρισμού σε σύγκριση με την εκκί‐ νηση της διαδικασίας μετά από ένα προκαθορισμένο ποσοστό πτώσης της ροής του νερού, καθώς με αυτή τη μέθοδο επετεύχθη η σταθεροποίηση της ροής του νερού μετά από τρεις κύκλους λειτουργίας. Αντιθέτως, η χρήση υπερήχων ήταν ε‐ ντελώς ανεπαρκής για τη μεμβράνη που χρησιμοποιήθηκε στην παρούσα εργασία προκαλώντας μη αναστρέψιμες βλάβες στην επιφάνειά της.	el
heal.abstract	The current study aims to investigate the potential of the integration of municipal wastewater treatment with the Forward Osmosis (F.O.) technology for the enhancement of energy and nutrient recovery. The highly diluted state of municipal wastewater hinders the valorization of their rich content in terms of chemical energy and nutrients by applying the conventional treatment technologies. The pre‐concentration of sewage achieves a significantly condensed stream with high concentrations of organic matter and nutrients, thus enhancing the subsequent application of anaerobic treatment and chemical precipitation process for effective energy and nutrient recovery, respectively. F.O. constitutes a quite favorable option among the several membrane technologies known so far for sewage concentration, as it has no energy requirements for the stimulation of water transport across the semipermeable membrane. In particular, water flux is caused by the osmotic pressure gradient between the feed solution (F.S.) and the draw solution (D.S.) without the application of any external pressure. Thus, the integration of F.O. with subsequent anaerobic treatment has the potential to decrease of the energy and carbon footprint of the wastewater treatment facilities. The basic part of the current investigation is the evaluation of eight potential D.S. in respect to the F.O. efficiency and the compatibility with the subsequent anaerobic treatment. For this purpose a bench scale F.O. system and a Bio‐Methane Potential (BMP) apparatus were set up in the Sanitary Engineering Laboratory (SEL) of the National Technical University of Athens (NTUA). The potential D.S. consisted of two inorganic solutions (sodium chloride and magnesium sulfate), while the rest of them consisted of organic and ionic organic compounds (sodium acetate, sodium formate, EDTA,glucose, glycine and glycerol). Sodium chloride being the most common D.S. in F.O. research studies was examined in five different concentrations (0.6M, 1.2M, 1.7M, 2.7M and 3M). Then, the 8 different chemical compounds were tested under the same net osmotic driving force in the F.O. system (30 bar). Based on these results, the draw solutions that exhibited the best performance in terms of water flux and concentration factor were investigated at a higher osmotic pressure of 60 bar. The efficiency of these solutions regarding the sewage pre‐concentration was examined by evaluating the F.O. performance in terms of induced water flux, Reverse Salt diffusion (RSD) and water recovery, as well as the COD and nutrient concentration factor. Concurrently, the suitability of each D.S. for the integration with downstream anaerobic treatment was investigated by the conduction of BMP tests. Finally, some additional experimental cycles were conducted for the examination of the membrane cleaning efficiency by two physical methods, namely membrane in‐situ water flushing by increasing the cross flow velocity and ultrasonication. In the first experimental set the cleaning procedure started once the water flux decline reached a rate of 30% , while in the second one periodic cleaning was applied as mitigation measure every 12 hours of operation. Regarding the evaluation of NaCl as D.S., a steady increase in the water flux and the RSD with rising NaCl concentration was observed, which reached the values of 13.6 LMH and 9.4 GMH, respectively, in the case of NaCl 3M. Furthermore, the water flux remained mostly steady during the 12h experiments indicating the absence of severe fouling. The wastewater concentration factor was equal to 1.4 with NaCl 0.6M and climbed up to 4.4 with NaCl 3M. The corresponding water recovery was 29% and 77%, respectively. Also, the COD and ammonium concentration factor exhibited a similarly increasing trend with growing NaCl concentration in the range of 1.29‐2.65 and 1.28‐2.45, respectively. The major conclusion made from the investigation of the eight D.S. at the osmotic pressures of 30 bar and 60 bar was that the most efficient D.S. were sodium chloride 1.2M (60 bar) and sodium formate 1.4M (60 bar). In general, the water flux and the RSD ranged between 3.1‐7.4 LMH and 1.47‐6.15 GMH, respectively, and achieved the highest values of 5.9 LMH/4.52 GMH and 7.4 LMH/ 6.15 GMH for sodium formate 1.4M and sodium chloride 1.2M, respectively, when operating under the osmotic pressure of 60 bar. The wastewater concentration factor with each D.S. fluctuated between 1.16 and 1.4 (with corresponding water recovery between 14% and 29%), except from the concentration factor achieved by 1.2 M NaCl (60 bar), which reached the value of 1.8 (corresponding water recovery of 44%). Finally, the COD and ammonium concentration factor varied in the range of 1.05‐1.3 and 0‐1.31, with NaCl and sodium formate exhibiting the highest performance at the osmotic pressure of 60 bar. On the whole, the COD loss was inevitable for all chemicals tested, mostly due to the incomplete rejection by the F.O. membrane and thus penetration in the D.S. and the effect of Cake Enhanced‐External Concentration Polarization (CEECP), which causes the accumulation of feed solutes in the vicinity of the membrane surface and hinder the back diffusion in the bulk solution. Also, the ammonium concentration efficiency was always lower than the corresponding COD concentration efficiency for every examined D.S., since ammonium was probably diffusing towards the D.S. driven by the cation exchange across the F.O.membrane caused by the RSD of the draw solutes. Finally, phosphorus enrichment proved to be completely unfeasible with the examined chemicals and the F.O. setup used in this study, possibly due to the chemical precipitation of phosphorus on the membrane surface. The BMP tests confirmed the compatibility of all D.S. concentrations examined with anaerobic treatment. Methane production was higher in the samples with higher inoculated NaCl concentration, due to the higher wastewater and COD concentration factor obtained in the corresponding F.O. effluents with the higher NaCl concentrations as D.S., reaching a total volume of 632 mL when using the simulated F.O. effluent resulting from the application of NaCl 3M as D.S. after 20 days of operation. The inhibition rates recorded were actually negligible and ranged between 2.4%‐8.2%, which can be attributed to measurement bias. During the investigation of the simulated F.O. effluents obtained with the several D.S. in the F.O. system at the osmotic pressure of 30 bar, methane production varied between 150‐276 mL, while the corresponding range for the osmotic pressure of 60 bar was 230‐300 mL. Once again the observed inhibitory effects of all chemicals on the anaerobic treatment were minimal. Finally, the membrane cleaning experiments with in‐situ water flushing validated the superiority of periodic cleaning compared to the method of cleaning after a certain water flux decline rate achieving a relatively constant water flux after 3 cycles of operation. Ultrasonication, on the other hand, was totally insufficient for the CTA membrane used in the current study causing irreversible damage on its surface.	en
heal.advisorName	Μαλαμής, Συμεών	el
heal.committeeMemberName	Παπακωνσταντής, Ηλίας	el
heal.committeeMemberName	Νουτσόπουλος, Κωνσταντίνος	el
heal.committeeMemberName	Μαλαμής, Συμεών	el
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Πολιτικών Μηχανικών	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	167 σ.	el
heal.fullTextAvailability	false