Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-5914
Main Title: Contribution to modeling of treatment and reuse of industrial wastewater
Translated Title: Beitrag zur Modellierung der Behandlung und Wiederverwendung von Industrieabwasser
Author(s): Hu, Kang
Advisor(s): Geissen, Sven-Uwe
Referee(s): Sievers, Michael
Geissen, Sven-Uwe
Granting Institution: Technische Universität Berlin
Type: Doctoral Thesis
Language Code: en
Abstract: Membrane bioreactor (MBR) and reverse osmosis (RO) are membrane systems often applied for wastewater treatment and reuse. An integrated water and energy management model (IWEMM) was developed to simulate the water and the related energy fluxes of the production and wastewater reuse processes consisting of a MBR and RO. The results of a pilot-scale MBR and RO process that was conducted by the Complutense University of Madrid in a polyvinyl chloride (PVC) production site were used for calibration and validation. IWEMM is intended to predict the economical and calculate the ecological effects (e.g. impact on water bodies) of water reuse and the related technologies in combination with life cycle assessment (LCA), to optimize water treatment technologies, processes and sites, to demonstrate the potential for freshwater savings as well as the recovery of heat and valuables. A simulation model based on activated sludge model No.1 (ASM1) was developed and calibrated for the MBR to evaluate performance in terms of effluent quality, energy consumption and operation strategy reliability. Furthermore, a modified aeration model with consideration of the effect of mixed liquor suspended solids (MLSS) on oxygen transfer was proposed. The results indicate that the calibrated ASM1 was sufficiently able to simulate effluent ammonia and nitrate concentrations and MLSS in the aerobic tank in both steady and dynamic states, and that the pilot-scale MBR consumed 0.73 kWh per m3 permeate production. After the calibration and validation of the MBR process model, a procedure of scenario analysis (SCA) was conducted to analyze the effect of sludge retention time (SRT), recirculation ratio (RO) and dissolved oxygen (DO) on aeration energy demand and effluent quality. Moreover, Latin Hypercube Sampling (LHS) was performed to study the uncertainty of model parameters to judge the reliability of operation strategy to meet certain criteria. It showed that the current operation strategy was able to reach the target with the effluent NH4-N concentration lower than 2 mg L-1 for about 97 % chance. The solution-diffusion-film model (SDFM) based on solution-diffusion model (SDM) and film theory was proposed to describe rejections of electrolyte mixtures in the MBR effluent which consists of dominant ions (Na+ and Cl-) and several trace ions (Ca2+, Mg2+, K+ and SO42-). The universal global optimization method was used to estimate the ion permeability coefficients (B) and mass transfer coefficients (K) in SDFM. Then, the membrane performance was evaluated based on the estimated parameters, which demonstrated that the theoretical simulations were in line with the experimental results for the dominant ions. Moreover, an energy analysis model with consideration of limitation imposed by the thermodynamic restriction was proposed to analyze the specific energy consumption of the pilot-scale RO system at various scenarios. The results demonstrated that the specific energy consumption of stages 1 and 2 in phase 1 is 0.204 and 0.180 kWh m-3 at the recovery of 70 %.
Membran-Bioreaktor (MBR) und Umkehrosmose (RO) sind Membransysteme, welche häufig für die Abwasserbehandlung und -wiederverwertung genutzt werden. Es wurde ein Integriertes Wasser- und Energiemanagement Modell (IWEMM, engl. integrated water and energy management model) entwickelt um die Wasser- und die daran gekoppelten Energieflüsse in der Produktion und in den Abwasserwiederverwendungsprozessen beschreiben zu können. Das Modell wurde mit Ergebnissen der Complutense Universität Madrid, die eine MBR-RO Pilotanlage zur Wiederverwendung von Abwasser in einer Polyvinylchlorid-Anlage betrieben haben, kalibriert und validiert. Das IWEMM wurde entwickelt um wirtschaftliche und ökologische Auswirkungen der Wasserwiederverwendung in Kombination mit Ökobilanz (LCA) für die verwendeten Technologien, Prozesse, Standorte sowie das Potenzial der Wasserwiederverwendung und der Nutzung von Wärme und Wertstoffen vorhersagen und optimieren zu können. Für die Bewertung von MBRs wurde ein Simulationsmodell, das auf dem Activated Sludge Model No.1 (ASM1) basiert entwickelt, welches die Leistung hinsichtlich der Qualität des gereinigten Abwassers, den Betriebskosten und die Betriebsstrategie zuverlässig vorhersagt. Außerdem wurde ein modifiziertes Belüftungsmodell unter Berücksichtigung der Wirkung des Trockensubstanzgehalts im Belebungsbecken (MLSS) auf den Sauerstofftransfer vorgeschlagen. Die Ergebnisse zeigen, dass das kalibrierte ASM1-Modell in der Lage ist die Ammonium- und Nitratkonzentrationen sowie den Trockensubstanzgehalt im Belebungsbecken mit hinreichender Genauigkeit, sowohl stationär als auch dynamisch, vorherzusagen. Der spezifische Energiebedarf des Pilotanalgen-MBRs betrug nur 0,73 kWh pro m3 Permeat. Nach der Kalibrierung und Validierung des MBR-Prozessmodells wurde eine Szenariosanalyse durchgeführt, um den Einfluss des Schlammrückhalts (SRT) der Rezirkulationsverhältnisse und des gelösten Sauerstoffs (DO) auf die Ablaufqualität und den Energiebedarf der Belüftung zu analysieren. Außerdem wurde die Latin Hypercube Sampling Methode (LHS) durchgeführt, um die Unsicherheit der Parameter zu bestimmen und damit die Zuverlässigkeit der Betriebsstrategie zu beurteilen und gewisse Ranbedingungen einzuhalten. Die Ergebnisse zeigen, dass die abfließenden NH4-N Konzentration niedriger als 2 mg∙L-1 mit etwa 97 % Chance erreichen könnte. Das Lösungs-Diffusions-Film Modell (SDFM) wurde basierend auf dem Lösung-Diffusion Modell (SDM) und der Filmtheorie für den MBR entwickelt. Damit konnte der Rückhalt der Elektrolytmischungen, die aus dominanten Ionen (Na+ und Cl-) und mehrere Spurenionen (Ca2+, K+, Mg2+ und SO42-) bestanden, durch das MBR-System beschrieben werden. Die Ionen-Permeabilitätskoeffizienten (B) und die Stoffübertragungskoeffizienten (K) im SDFM wurden mit der „universal global optimization method“ bestimmt. Dann wurde die Membranleistung anhand der geschätzten Parameter ausgewertet. Es zeigte sich dass für die dominanten Ionen die Simulationsergebnisse mit den experimentellen Ergebnissen korrelierten. Außerdem wurde ein Energieanalysemodell unter Berücksichtigung der thermodynamischen Beschränkung vorgeschlagen um den spezifischen Energieverbrauch des Pilot-RO-System in verschiedenen Szenarien vorherzusagen. Die Ergebnisse zeigten, dass der spezifische Energieverbrauch der Stufen 1 und 2 in Phase 1 jeweilige 0,204 und 0,180 kWh∙m-3 bei einer Wiedergewinnung von 70 % beträgt.
URI: http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/6364
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-5914
Exam Date: 29-Sep-2016
Issue Date: 2017
Date Available: 20-May-2017
DDC Class: DDC 628: Sanitär- und Kommunaltechnik; Umwelttechnik
Subject(s): PVC production wastewater
membrane bioreactor
reverse osmosis
activated sludge model No.1
solution-diffusion-film model
Polyvinyl-Chlorid-Abwasseranlage
Membran-Bioreaktor
Umkehrosmose
Lösungs-Diffusions-Film-Modell
Sponsor/Funder: EC/FP7/280756/EU/Economically and Ecologically Efficient Water Management in the European Chemical Industry
Creative Commons License: https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
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