Characterization of Membrane Foulants in Full-scale and Lab-scale Membrane Bioreactors for Wastewater Treatment and Reuse. - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2015

Characterization of Membrane Foulants in Full-scale and Lab-scale Membrane Bioreactors for Wastewater Treatment and Reuse.

Caractérisation des colmatant membranaires dans les bioréacteurs à membranes à l'échelle industrielle et à l'échelle du laboratoire pour le traitement et la réutilisation des eaux usées.

Résumé

Membrane bioreactors (MBRs) offer promising solution for wastewater treatment and reuse to address the problem of water scarcity. Nevertheless, this technology is still facing challenges associated with membrane biofouling. This phenomenon has been mainly investigated in lab-scale MBRs with little or no insight on biofouling in full-scale MBR plants. Furthermore, the temporal dynamics of biofouling microbial communities and their extracellular polymeric substances (EPS) are less studied. Herein, a multidisciplinary approach was adopted to address the above knowledge gaps in lab- and full-scale MBRs. In the full-scale MBR study, 16S rRNA gene pyrosequencing with multivariate statistical analysis revealed that the early and mature biofilm communities from five full-scale MBRs differed significantly from the source community (i.e. activated sludge), and random immigration of species from the source community was unlikely to shape the community structure of biofilms. Also, a core biofouling community was shared between the five MBR plants sampled despite differences in their operating conditions. In the lab-scale MBR studies, temporal dynamics of microbial communities and their EPS products were monitored on different hydrophobic and hydrophilic membranes during 30 days. At the early stages of filtration (1 d), the same early colonizers belonging to the class Betaproteobacteria were identified on all the membranes. However, their relative abundance decreased on day 20 and 30, and sequence reads belonging to the phylum Firmicutes and Chlorobi became dominant on all the membranes on day 20 and 30. In addition, the intrinsic membrane characteristic did not select any specific EPS fractions at the initial stages of filtration and the same EPS foulants developed with time on the hydrophobic and hydrophilic membranes. Our results indicated that the membrane surface characteristics did not select for specific biofouling communities or EPS foulants, and the same early colonizers were selected from the source community (i.e. activated sludge), and then went through significant changes to form a mature biofilm. Our findings from these studies could support future research aimed at developing enhanced biological-based strategies to control biofouling in MBRs.
Les bioréacteurs à membrane (BàM) offrent une solution prometteuse pour le traitement et la réutilisation des eaux usées afin de résoudre le problème de carence en eau. Néanmoins, cette technologie est toujours confrontée aux défis associés colmatages biologique des membranes. Ce phénomène a été principalement étudié dans les BàM à l'échelle de laboratoire, avec peu ou pas d'informations sur le colmatage biologique des BàM à l'échelle industrielle. De plus, la dynamique temporelle des communautés microbiennes et de leurs substances polymériques extracellulaires (EPS) est moins étudiée. Cette thèse présente une approche multidisciplinaire qui a été adoptée pour combler les lacunes susmentionnées dans les BàM à l'échelle du laboratoire et industrielle. Dans une première étude produites sur des BàM à grande échelle, le séquençage de l'ADN génomique (gène de l'ARNr 16S) couplé d'une analyse statistique multivariée ont révélé que les communautés de biofilms primaires et matures de cinq BàM à grande échelle différaient de manière significative de la communauté source (boues activées). De plus, l'immigration aléatoire des espèces depuis la source (boues activées) était peu probable, surtout que les communautés microbiennes conditionnent la structure communautaire des biofilms membranaires. En outre, une communauté de biofilms essentielle a été partagée entre les cinq usines de BàM échantillonnées en dépit des différences dans leurs conditions de fonctionnement. Dans les études réalisées sur des BàM en laboratoire, la dynamique temporelle des communautés microbiennes et de leurs produits EPS a été surveillée sur différentes membranes hydrophobes et hydrophiles pendant 30 jours. Aux premiers stades de la filtration (1 jour), les mêmes colonisateurs primaires appartenant à la classe des Bêtaprotéobactéries ont été identifiés sur toutes les membranes. Cependant, leur abondance relative a diminué après 20 et 30 jours de filtration. De plus, les séquences appartenant aux groupes phylum Firmicutes et Chlorobi sont devenues dominantes sur toutes les membranes les jours 20 et 30. En outre, la caractéristique intrinsèque de la membrane ne sélectionnait pas de produits spécifiques d' EPS au niveau de la membrane. Les étapes initiales de la filtration et les profils identiques de colmatage membranaire par les EPS se sont développés avec le temps sur les membranes hydrophobes et hydrophiles. Nos résultats ont indiqué que les caractéristiques de la surface de la membrane ne sélectionnaient pas de communautés de biofilms spécifiques ou de produits spécifiques de colmatage par les EPS, et que les mêmes colonisateurs primaires étaient sélectionnés dans la communauté source (boues activées), puis subissaient des modifications importantes pour former un biofilm mature. Les résultats de ces études pourraient soutenir les recherches futures visant à développer des stratégies améliorées basées sur la biologie pour contrôler le colmatage biologique des membranes dans les BàM.
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tel-02323062 , version 1 (21-10-2019)

Identifiants

  • HAL Id : tel-02323062 , version 1

Citer

Gerald Matar, Gerald Kamil Matar. Characterization of Membrane Foulants in Full-scale and Lab-scale Membrane Bioreactors for Wastewater Treatment and Reuse.. Environmental Sciences. King Abdullah University of Science and Technology, 2015. English. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-02323062⟩
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