MOE-Fellowship

Zhao Li

Ermöglichung der wiederverwendeten Abwässer als alternative Wasserquelle durch vollständige Untersuchung von Biofilmentwicklung, Biofilm verstärkter Konzentrationspolarisation und Einfluss von Betriebsbedingung und CIP auf langfristigen Betrieb

Die deutsche Wasserversorgung für die kommunale und industrielle Nutzung (Energie, Verkehr und Produktion) wird größtenteils aus Süßwasser gespeist, das aus Grundwasserleitern und Flüssen gewonnen wird - ein Bedarf von rund 2,8 Mrd. m³ pro Jahr. Durch die wachsende Bevölkerung und Industrietätigkeit in Verbindung mit dem Klimawandel sind die vorhandenen Süßwasserquellen einem zunehmenden Wasserstress ausgesetzt. Alternative Wasserquellen müssen in die Wasserversorgungskette integriert werden, um eine übermäßige Entnahme zu verhindern und die ökologischen Folgen in wasserarmen Regionen abzumildern. Behandeltes Abwasser bietet aufgrund seiner hohen volumetrischen Produktion und seiner derzeitigen Einleitung als Abfallprodukt in die Umwelt - allein in Deutschland werden über 9,8 Mrd. m³ biologisch gereinigtes kommunales Abwasser eingeleitet - Potenzial als alternative Wasserressource. Es wurden zwar Anstrengungen unternommen, kommunales Abwasser für die indirekte Wiederverwendung für nicht/- trinkbare Zwecke durch Ultrafiltrationsmembranen (UF) und Umkehrosmose (UO) für die Endreinigung zu behandeln, aber die biologische Stabilität des gereinigten Abwassers reichte nicht aus, um die Zunahme des mikrobiellen Wachstums aufgrund der nur teilweisen Rückhaltung von assimilierbarem organischem Kohlenstoff (AOC) zu verhindern. Vorläufige Studien haben gezeigt, dass die Kurzzeit-Batch-Filtration eine hohe Rückhaltung von AOC bewirkt. Der Langzeitbetrieb der UO-Membrantechnologie in Abwasserwiederverwendungssystemen ist durch eine Abnahme der Permeatqualität aufgrund der Entwicklung eines Biofilms gekennzeichnet. Es ist bekannt, dass die Entwicklung eines Biofilms auf der Oberfläche der Umkehrosmose-Membran zu einem Phänomen beiträgt, das als "Biofilm-verstärkte Konzentrationspolarisation" (BECP-biofilm enhanced concentration polarisation) bezeichnet wird und von dem früher nachgewiesen wurde, dass es die Salzübertragung durch die Membranbarriere erhöht. Im vorliegenden Antrag werden wir über den Stand der Technik hinausgehen, indem wir ermitteln, inwieweit eine durch Biofilm verstärkte Konzentrationspolarisation die biologische Stabilität von gereinigtem Abwasser durch eine Zunahme nicht nur der anorganischen, sondern auch der organischen gelösten Stoffe beeinflussen kann. Membran Fouling-Simulatoren werden unter unterschiedlichen Betriebsbedingungen betrieben: (i) Nährstoffverfügbarkeit, (ii) Permeatflussrate (iii) Querströmungsgeschwindigkeit, wobei die entsprechenden physikalischen Strukturen des Biofilms mittels optischer Kohärenztomographie (OCT) online überwacht werden sollen. Die sich daraus ergebenden Unterschiede in der Biofilmstruktur und -aktivität werden mit dem Fluss organischer gelöster Stoffe durch die UO-Membranen und dem entsprechenden mikrobiellen Nachwuchspotenzial im resultierenden Permeat in Verbindung gebracht. Dies wird die Identifizierung praktischer Prozesskontrollen zur Steuerung der Biofilmentwicklung und des Auftretens von Konzentrationspolarisationen unterhalb der Störschwelle (d.h. Lösungsmittelübertragung, biologische Stabilität) ermöglichen. Eine verbesserte biologische Stabilität von gereinigtem Abwasser wird einen bedeutenden Engpass überwinden, der die weit verbreitete Anwendung von Wasserwiederverwendungspraktiken einschränkt, und somit Fortschritte bei der Nutzung alternativer Wasserquellen und dem Schutz von Süßwasser ermöglichen.

1. Bewertung des Fouling- und mikrobiellen Nachwuchspotenzials von wiederverwendetem Abwasser aus Belebtschlamm- und aeroben Granulatschlamm-membran Hybridsystemen für eine nachhaltige Wasserwiederverwendung

Das erste Projekt bewertete die Leistung von Belebtschlamm- (AS – Activated Sludge) und aeroben Granulatschlammreaktoren (AGS – Aerobic Granular Sludge) im Pilotmaßstab zum Zweck der Wasserwiederverwendung durch Analyse der Hydraulik- und Wasserqualitätsparameter nach der Nachbehandlung durch Membran-Ultrafiltration/Nanofiltration (UF/NF). Das Ziel dieser Arbeit bestand darin, den Einfluss verschiedener biologischer Abwasserbehandlungsmethoden auf die Zusammensetzung gelöster mikrobieller Produkte (SMP -  Soluble Microbial Products) und ihre Auswirkungen auf die membranbasierte Abwasserrückgewinnungstechnologien und aufbereitete Wasserqualitäten zu bewerten, da die Ergebnisse aus letztes Jahr darauf hinwiesen, dass die herkömmliche MBR-Verfahren in Kombination mit einer dichten Umkehrosmose (RO  - Reverse Osmosis) Membran zur Abwasserreinigung ein widerspenstiges erneutes Wachstum von Mikroben im resultierenden Permeat bewies, obwohl gelöster organischer Kohlenstoff zu über 95 % zurückgehalten wurde.

Geklärte sekundäre Abwässer aus AS- und AGS-Reaktoren im Pilotmaßstab (1,2-m³-Reaktoren, die rohes kommunales Abwasser behandeln) wurden über einen saisonalen Zeitraum hinweg routinemäßig beprobt. Die Abwasserproben wurden durch Ultrafiltration (UF, 150 kDa) gefiltert und das Permeat wurde als Zufuhr für die anschließende Nanofiltration (NF, 200 Da) verwendet. Die hydraulische Leistung von AGS/AS-UF und AGS/AS-NF wurde im Hinblick auf den hydraulischen Widerstand, das Membranfoulingspotenzial (Foulingmodelle, optische Kohärenztomographie (OCT), Rasterelektronenmikroskopie (REM)) in Kombination mit einer Zusammensetzungsanalyse bewertet gelöster organischer Kohlenstoff (DOC) und mikrobieller Nachwuchspotenzialtest als potenzieller Indikator für assimilierbaren organischen Kohlenstoff (AOC). Gelöste mikrobielle Produktfraktionen (SMP) werden mittels LC-OCD analysiert. Unter vergleichbaren Betriebsbedingungen und identischer Zusammensetzung des Zulaufwassers war der Permeatfluss des AGS-UF-Tests höher als der der AS-UF-Behandlung, was auf ein geringeres Fouling-Potenzial der UF-Klärung des AGS-Abwassers mit deutlich geringerer Kuchenschichtbildung hinweist. Bei der NF-Filtration des resultierenden Permeats zeigte AGS-NF jedoch einen über 90% Rückgang des NF-Flusses im Vergleich zur NF-Filtration des AS-UF-Permeats, mit einem Rückgang des NF-Flusses um weniger als 10% bei einem vergleichbaren hydraulischen Recovery (Abbildung 1.1). Dies deutete darauf hin, dass es unterschiedliche Zusammensetzungen der SMP-Fraktionen von AGS und AS gab, die eine Verschmutzung der NF-Membran verursachen könnten. Der Gesamtrückhaltekoeffizient von DOC zwischen AS- und AGS-Abfluss während der UF- und NF-Filtration war vergleichbar (ca. 15 % UF und 96 % NF), es wurde jedoch eine deutlich größere Absorption von DOC auf der NF-Membranoberfläche zur Filterung von AGS-UF-Permeat beobachtet, mit nur 62% DOC-Massenbilanz, was auch durch REM-Oberflächenanalyse bestätigt wurde (Abbildung 1.2). Dies liefert einen ersten Hinweis auf Zusammensetzungsunterschiede in der gelösten mikrobiellen Produktfraktion von AS und AGS, die zu einer Verschlechterung der hydraulischen Leistung von NF während der Abwasserrückgewinnung führen können. Das mikrobielle Nachwuchspotenzial als Indikator für assimilierbaren organischen Kohlenstoff (AOC) in UF-AS/AGS- und NF-AS/AGS-Permeaten war vergleichbar. AS-NF-Retentat zeigte im Vergleich zu AGS-NF-Retentat ein höheres Nachwuchspotenzial, was auf ein höheres Risiko für langfristiges Biofouling aufgrund der Biofilmentwicklung hinweist, obwohl es während der kurzfristigen Batchfiltration einen höheren Permeatfluss gab. Die Studie weist auf das potenzielle Risiko einer verstärkten Membranverschmutzung in AGS-Systemen nach dem Einbau der Membrannanofiltration hin, trotz des geringeren Verschmutzungspotenzials der Ultrafiltrationsstufe. Eine entsprechende Veröffentlichung ist nun in Vorbereitung.

2. Zusammenarbeit mit dem Sustainable Food Processing Laboratory der ETH Zürich & ETH Singapore Centre (SEC): Reinigung und Konzentration von Mikroalgen-Einzelzellproteinen mittels Mikrofiltration-Ultrafiltration: Einfluss des Pulsed Electric Fields (PEF) und High Pressure Homogenization (HPH) auf Proteinrückgewinnung und Membran Fouling

Dies ist eine Zusammenarbeit mit der ETH Zürich und dem ETH Singapore Centre und die Experimente wurden von April bis Mai geplant und abgeschlossen. Der Zweck bestand darin, den Einfluss zweier Methoden zur Extraktion von Einzelzellproteinen aus Mikroalgen zu bewerten: Pulsed Electric Fields (PEF) und High Pressure Homogenization (HPH) auf Nachbehandlungsmembranprozesse, nämlich die Proteinrückgewinnung durch Mikrofiltration (MF) und Proteinkonzentrieren durch Ultrafiltration (UF). Der Hauptunterschied zwischen beiden Mikroalgen-Proteinextraktionstechnologien besteht darin, dass bei der PEF-Verarbeitung das Biomaterial zwischen zwei Elektroden einer Behandlungskammer platziert und hochintensiven elektrischen Feldern ausgesetzt wird, die in Form sich wiederholender Impulse von sehr kurzer Dauer angelegt werden, die das induzieren Permeabilisierung von Zellmembranen durch Elektroporation, was die anschließende Freisetzung intrazellulärer Materie erleichtert (Raso et al., 2016). Der PEF-Prozess wird die selektive Gewinnung intrazellulärer Verbindungen aus feuchter Mikroalgenbiomasse ermöglichen, darunter Lipide, Pigmente, Kohlenhydrate und wasserlösliche Proteine mit niedrigem Molekulargewicht. Der HPH-Prozess ist ein rein mechanischer Prozess, bei dem eine flüssige Dispersion von Pflanzenmaterial oder einer Zellsuspension mit hohem Druck durch eine mikrometrische Aufschlusskammer gepresst wird, wo die Geschwindigkeit schnell ansteigt und der Druck auf atmosphärische Bedingungen absinkt, wenn die Suspension die Einheit verlässt. Dadurch wird die biologische Zellsuspension extrem starken strömungsmechanischen Belastungen ausgesetzt, die zu einer physikalischen Zerstörung der Zellwand und Membranen führen (Donsì et al., 2013; Donsì et al., 2009). Ein vollständiger Zellaufschluss oder nicht wirkt sich dann auf die Leistung des nachgeschalteten Membranprozesses aus, z.B. auf eine Verringerung des Flusses und einen erhöhten Energiebedarf für eine effiziente Proteinrückgewinnung aufgrund von Membranverschmutzung.

Die vorbehandelten Mikroalgensuspensionen wurden zunächst durch eine 0,1µm-Mikrofiltration filtriert, um die Proteinrückgewinnung zu erreichen. Das MF-Permeat wurde dann einzeln durch Ultrafiltration mit unterschiedlichen Porengrößen (3, 5, 10, 50, 100, 150kDa) gefiltert, um den effektivsten UF-Membrantyp mit der höchsten Proteinausbeute und der geringsten Membranverschmutzung herauszufinden. Alle Experimente wurden in Duplikate durchgeführt. Es wurde festgestellt, dass die verschiedenen Proteinextraktionsmethoden einen großen Einfluss auf die Leistung der nachgeschalteten Membran hatten. Die HPH-Vorbehandlung führte zu einem stärkeren Flussrückgang und einem größeren Widerstand der Kuchenschicht als die Filterung von PEF-vorbehandelten Mikroalgensuspensionen während der MF-Reinigung (Abbildung 2.1 und Abbildung 2.2). Gleichzeitig betrug die Proteinausbeute von der Behandlung der PEF-behandelten Suspension in MF-Permeat 39 %, was höher war als die Proteinausbeute der Filtration der HPH-behandelten Suspension mit nur 26 % Ausbeute. Der Hauptgrund könnte im vollständigen Zellaufschluss während der HPH-Behandlung liegen, der die Freisetzung intrazellulärer organischer Substanz erhöht, die nicht nur aus Proteinen, sondern auch aus Polysacchariden, Huminstoffen und anderen kleinen organischen Molekülen wie Säuren mit niedrigem Molekulargewicht besteht. Sie füllen die Hohlräume in der angesammelten Kuchenschicht, was zu einer verdichteten Kuchenschicht auf der Membranoberfläche/in den Poren der MF-Membran mit folglich höherem hydraulischen Widerstand gegenüber dem Permeatfluss führt, und die Kuchenschicht als zusätzliche Schicht erhöhte die Entfernung von Molekülen mit niedrigem Molekulargewicht .

Die Datenanalyse und Diskussion sind noch im Gange, daher werden die Einzelheiten und weiteren Informationen nächstes Jahr im Bericht vorgestellt. Zwei Veröffentlichungen sind in Vorbereitung: eine über MF Proteinrückgewinnung, eine andere über UF Proteinkonzentrieren.