Mini-plant and bench-scale studies on the fouling mechanisms as well as the responsible organic foulants during direct filtration of algal-containing waters using hollow-fiber membranes
This study mainly explores comprehensive investigations which were carried out on fouling scenarios in Polyethersulfone hollow-fiber (HF) membrane modules occurring during filtration of various suspensions containing microalgae. Intensity and various types of fouling were correlated to properties and cell condition of the microalgae, organic components of the algal-containing suspension, and membrane retention. Four microalgae species were individually suspended in two extreme cell conditions which are intact (i.e., growth / algae bloom phase) and lysed (i.e., death and ultimate cell breakage phase). Suspensions were made without prior separation of algal cells, debris, and algae organic matter (AOM) as in case of real application. Mini-plant filtration experiments were performed at operating conditions close to full-scale application, up to 16 multiple cycles of dead-end constant flux filtration and mechanical backwashing, equivalent to 1,040 L/m2 total filtered volume per one experiment. Moreover, the temporal variation of fouling mechanisms with the number of filtration cycles performed was modelled via a consolidation between classical pore blocking filtration model and resistance-in-series model using a self-made algorithm. This method allows changes in the contribution of different fouling mechanisms (in fouling rates per cycle and in fouling reversibility over multiple filtration cycles) to be properly interpreted. Additionally, the observed fouling behavior could be identified as combined fouling and reliably correlated with the ratio of individual chemical substances in the AOM and chlorophyll-a concentration, as well as with the cell conformation and size distribution of the microalgae.
The vast majority of experiments reported in the literature investigating membrane performance loss and fouling behavior during filtration of microalgae were conducted using flat sheet membranes (FS) that are backwashable only once, if at all. Additionally, the fouling mechanisms (in particular, cake layer formation) could differ due to the different hydrodynamic conditions in FS and HF at macroscale (i.e., no cross-flow vs. low cross-flow). This may also influence the responsible fouling mechanisms in microscale that may result in, for instance, different fouling layer morphology and/or distribution along the membrane surface. Thus, the motivation of the second part of the thesis was to investigate the extent to which the performance of FS in laboratory-scale experiments could be comparable to that of HF operated at full-scale conditions. The performance and fouling propensity of FS and HF were compared in terms of normalized decrease in membrane permeability, chronological analysis of fouling mechanisms, individual fouling mechanisms and fouling rates, membrane retention, and initial fouling in the early filtration phase (onset of fouling).
Die vorliegende Arbeit untersucht Fouling-Szenarien in Polyethersulfon-Hohlfaser (HF)-Membranmodulen, die bei der Filtration von verschiedenen mikroalgenhaltigen Suspensionen auftreten. Dabei wurden die Intensität und die Art des Foulings mit dem Membranrückhalt sowie den Charakteristika der jeweiligen Feedsuspension korreliert, d. h. dem Zellzustand der Mikroalgen sowie den organischen Bestandteilen der Suspension. Dazu wurden Versuche mit vier unterschiedlichen Mikroalgenspezies durchgeführt, welche in jeweils zwei sehr unterschiedlichen Zellzuständen vorlagen, zum einen als intakte Zellen in der sogenannten Wachstumsphase, zum anderen als lysierte Zellen, d.h. abgestorben und teilweise zerstört. Wie im realen Anwendungsfall wurden die Mikroalgensuspensionen hergestellt, ohne zuvor Zelltrümmer oder algenbürtige, extrazelluläre Substanzen (AOM) abzutrennen. Die Filtrationsversuche wurden mit einer Membrananlage im Labormaßstab unter Betriebsbedingungen durchgeführt, die der Anwendung im großtechnischen Maßstab nahekommen. Im Dead-End-Modus wurde in bis zu 16 Zyklen (ein Zyklus entspricht jeweils einer Filtration mit konstantem Flux gefolgt von einer hydraulischen Rückspülung) ein Gesamtvolumen von 1.040 L/m2 pro Experiment filtriert. Darüber hinaus wurde die zeitliche Änderung der Fouling-Mechanismen über die Anzahl der durchgeführten Filtrationszyklen mit Hilfe eines selbst entwickelten Algorithmus modelliert, wobei das klassische „Pore Blocking“-Modell und das „Resistance in Series“-Modell kombiniert wurden. Dadurch war es möglich, sowohl den sich ändernden Einfluss verschiedener Foulingmechanismen als auch die Änderung der Foulingrate pro Zyklus sowie die Reversibilität des Foulings über verschiedene Zyklen zu interpretieren. Zudem konnte das beobachtete Foulingverhalten als kombiniertes Fouling identifiziert und zuverlässig mit dem Verhältnis der einzelnen chemischen Substanzen der AOM und der Chlorophyll-a-Konzentration sowie mit der Zellform und -größenverteilung der Mikroalgen korreliert werden.
Die überwiegende Mehrzahl der in der Literatur beschriebenen Versuche zur Leistungsfähigkeit und zum Fouling von Membranen bei der Filtration von Mikroalgen wurden mit Flachmembranen durchgeführt. Diese sind jedoch, wenn überhaupt, nur ein einziges Mal rückspülbar. Zudem können sich durch die unterschiedlichen hydrodynamischen Bedingungen (gar keine Überströmung der Membran gegenüber geringer Überströmung) die jeweiligen Foulingmechanismen, insbesondere die Kuchenbildung, erheblich von jenen in makroskaligen Hohlfasermembranprozessen unterscheiden. Dies kann die entsprechenden Foulingmechanismen beeinflussen und führt unter Umständen zu einer unterschiedlichen Morphologie der Foulingschicht oder einer anderen Verteilung derselben auf der Membranoberfläche. Ein weiteres Ziel dieser Arbeit war daher die Untersuchung der Übertragbarkeit von mit Flachmembranen im Labormaßstab generierten Membranleistungsdaten auf großtechnische Hohlfasermembrananlagen. Dazu wurde die Leistungsfähigkeit sowie die Foulingneigung von Flach- und Hohlfasermembranen verglichen. Untersucht wurden die normalisierte Membranpermeabilität, individuelle Foulingmechanismen und -raten sowie der Membranrückhalt und das Fouling in der frühen Phase der Filtration. Zudem erfolgte eine chronologische Analyse der Foulingmechanismen.