Combined treatment of domestic wastewater and biodegradable kitchen waste in a fluidized-bed anaerobic ceramic membrane bioreactor

Abstract

Membran prosesleri, yüksek kaliteli su üretimindeki verimlilikleri nedeniyle su geri kazanımında önemli bir rol oynamaktadır. Batık anaerobik membran biyoreaktörler (AnMBR'ler), özellikle düşük mukavemetli ya da düşük sıcaklık gibi zorlu koşullar için sürdürülebilir atık su arıtımında umut verici teknolojiler olarak öne çıkmaktadır. Membran biyoreaktörlerin avantajlarını anaerobik süreçlerle birleştiren AnMBR'ler, çamur üretimini en aza indirir, havalandırma ihtiyacını ortadan kaldırarak enerji gereksinimlerini azaltır ve yenilenebilir bir enerji kaynağı olan metan üretir. Ancak üretilen enerji genellikle ısıtma gereksinimlerini karşılamada yetersiz kalmaktadır. Bu çalışma, evsel atık suyun (DWW) biyobozunur mutfak atığı (FW) ile karıştırılmasıyla oluşturulan yüksek KOİ'li atık su kullanılarak, akışkan yataklı anaerobik seramik membran biyoreaktörde (AnFCMBR) enerji geri kazanımı ve arıtma verimliliğini araştırmaktadır. Sistem, filtrasyon akıları (1,7–5 L/ m²/ sa), hidrolik alıkonma süreleri (22–7 saat) ve organik yükleme oranları (OLR) (0,46–6,08 kg/ m³·gün) dahil olmak üzere değişen koşullar altında 519 gün boyunca çalıştırılmıştır. Giriş KOİ seviyeleri, artan FW içeriğiyle 500±143 mg/ L'den 2000±196 mg/ L'ye yükselmiş ve %92–98 KOİ giderim verimleri elde edilmiştir. Membran ve kek tabakası bu verime %5–8 oranında katkıda bulunmuştur. FW ilavesi, çözünebilir mikrobiyal ürün (SMP) ve hücre dışı polimerik madde (EPS) konsantrasyonlarını önemli ölçüde artırarak filtrasyon performansını olumsuz etkilemiştir. Filtrasyona karşı spesifik direnç (SRF) ve kapiler emme süresi (CST) de artan OLR ile yükselmiştir. FW ilavesiyle metan üretimi 5,5 kat artmış ve üretilen enerji, biyoreaktörün işletimi için gereken enerjinin 12 katı olarak hesaplanmıştır. Bu ortak arıtım yaklaşımı, enerji pozitif atık su arıtımı ile sulama için uygun, yüksek kaliteli çıkış suyu üretiminin fizibilitesini göstermektedir. Atık sudaki azot ve fosfor gibi besinlerin geri kazanımı, sistemin sürdürülebilirliğini daha da artırmaktadır. Ayrıca, FW'nin kanalizasyon hatları aracılığıyla yakındaki arıtma tesislerine taşınması, düzenli depolama alanlarına giden atık miktarını ve kentsel katı atık taşıma maliyetlerini azaltmaktadır. Bu öncü çalışma, AnFCMBR'nin biyobozunur mutfak atıkları ve evsel atık suların yönetimi için sürdürülebilir bir çözüm sunduğunu, yenilenebilir enerji üretimi ve kaynak geri kazanımı sağlarken karbon ayak izini önemli ölçüde azalttığını vurgulamaktadır.Membrane processes play a pivotal role in water recovery due to their efficiency in producing high-quality water. Submerged anaerobic membrane bioreactors (AnMBRs) stand out as promising technologies for sustainable wastewater treatment, particularly for low-strength or challenging conditions such as low temperatures. Combining the advantages of membrane bioreactors with anaerobic processes, AnMBRs minimize sludge production, reduce energy demands by eliminating aeration, and generate methane as a renewable energy source. However, the energy produced often falls short of heating requirements. This study investigates energy recovery and treatment efficiency in a fluidized bed anaerobic ceramic membrane bioreactor (AnFCMBR) using high-COD wastewater created by blending domestic wastewater (DWW) with biodegradable kitchen waste (FW). The system operated for 519 days under varying conditions, including filtration fluxes (1.7–5 L/ m²/ h), hydraulic retention times (22–7 hours), and organic loading rates (0.46–6.08 kg/ m³·d). Influent COD levels rose from 500±143 mg/ L to 2000±196 mg/ L with increased FW content, achieving COD removal efficiencies of 92–98%. The membrane and cake layer contributed 5–8% to this efficiency. Adding FW significantly increased supernatant soluble microbial product (SMP) and extracellular polymeric substance (EPS) concentrations, negatively impacting filtration performance. Specific resistance to filtration (SRF) and capillary suction time (CST) also increased with higher OLR. Methane production, which rose 5.5-fold with FW addition, was 12 times greater than the energy required to operate the bioreactor. This co-treatment approach demonstrates the feasibility of energy-positive wastewater treatment with high-quality effluent suitable for irrigation. Nutrients such as nitrogen and phosphorus in the effluent can be recovered, further enhancing sustainability. Transporting FW via sewer lines to nearby treatment plants reduces landfill-bound waste and urban solid waste transportation costs. This pioneering study highlights AnFCMBR as a sustainable solution for managing biodegradable kitchen waste and DWW, significantly lowering the carbon footprint while enabling renewable energy generation and resource recovery.