נושא הפרוייקט
מספר פרוייקט
מחלקה
שמות סטודנטים
אימייל
שמות מנחים
ניטור תהליך האילוח הביולוגי בריאקטור ממברנלי אנאירובי בעזרת OCT
Monitoring biofouling of anaerobic membrane bioreactors with optical Coherence Tomography
תקציר בעיברית
במקום לראות במי שפכים כמקור לזיהום, גישות חדשות המתייחסות למי השפכים כמקור אנרגיה, נוטריינטים ומים נקיים צריכות להילקח בחשבון. אחד הפתרונות המבטיחים לטיפול במי שפכים הוא השימוש בביוריאקטור ממברנלי אנאירובי (AnMBR). עם זאת, היישום של טכנולוגיה זו עומד בפני אתגרים משמעותיים, כאשר אילוח ביולוגי של הממברנה מהווה מגבלה משמעותית. אילוח ביולוגי של הממברנה מוביל לירידה משמעותית בביצועים של תהליך הסינון. החומר האורגני המסיס שנוצר כתוצאה מפעילות ביולוגית של החיידקים (SMP), בנוסף לחומר הפולימרי החוץ תאי (EPS)- שמצוי בצורה המסיסה שלו או כחלק מהשכבות החיצוניות של צברי החיידקים (Flocs) המרכיבים את המוצקים המרחפים של מי השפכים (MLSS), הם גורמים מרכזיים בתהליך האילוח הביולוגי ב-anMBR. למרות שירידה בשטף או עלייה בלחץ הטרנס ממברנלי (TMP) הם אינדיקטורים טובים להתרחשות אילוח, הם לא מספקים מידע אמין מספיק הנחוץ על מנת להבין את המכניזם וטבע האילוח. טומוגרפיה אופטית קוהרנטית (OCT) הוא כלי לא-הרסני המבוסס על פיזור של גלי אור בתחום האינפרא אדום,המשמש לדימות של ביופילם ומסוגל לצלם תמונות ברזולוציית המיקרומטר. שימוש בשיטה זו מאפשר ניטור של התפתחות שכבות האילוח על גבי הממברנה לאורך זמן ללא צורך בהסרה של מודול הממברנה מהריאקטור. בנוסף, הספיחה של ה-EPS למשטח דמוי ממברנה נבדק במיקרו-איזון על גבי גבישי קוורץ עם טכנולוגיית ניטור פיזור (QCM-D). חיישנים מצופים זהב מצופים בציפוי ספין אחיד על ידי פוליאתר סולפון (PES) שימשו כדי לדמות את פני הממברנה בתוך הביוריאקטור. ניסוי הספיחה של EPS ב-QCM-D מאופיין באנרגיית הפיזור, ΔD, ושינוי התדר, ΔF, המושפעים על ידי שכבת ה-EPS הנספגת לחיישן דמוי הממברנה. השילוב של QCM-D ו- OCT מספקים מידע על מכניזם האילוח הממברנלי ב-anMBR, בדגש על תפקידו של ה-EPS בהיצמדות צברי התאים ב-MLSS לממברנה וכך נוכל להגיע לאופטימיזציה של התנאים התפעוליים על מנת לשפר את בעיית האילוח.
תקציר באנגלית
Instead of viewing wastewater as a source of pollution, novel approaches regarding wastewater as a valuable resource for energy, nutrients, and water should be considered. One of the promising solutions for the treatment of low strength wastewater is the anaerobic membrane bioreactor (AnMBR) technology. Nevertheless, the application of this technology faces significant challenges, with membrane fouling being a primary drawback. Biofouling of the membrane leads to a significant declined performance in the filtration processes. The organic dissolved fraction resulting from the biological activity, soluble microbial products (SMP) as well as extracellular polymeric substances (EPS), which are either dissolved or part of the external layers of the flocs that form the mixed liquor suspended solids (MLSS), are significant factors affecting the biofouling phenomena in AnMBRs. Although flux decline or TMP increase are good indicators of biofouling, they do not provide reliable information, necessary to comprehend the mechanism and nature of the membrane clogging material. Optical-coherence-tomography (OCT) is a non-destructive tool for biofilm imaging and is capable of capturing micrometer-resolution biofilm images from within optical scattering media. Employing this method allows monitoring of the membrane fouling layers over time without removing the membrane module from the reactor. In addition, the adsorption of EPS to a membrane mimetic surface is tested in a quartz crystal microbalance with dissipation monitoring (QCM-D) technology in order to elucidate membrane material-EPS interactions. QCM-D gold coated sensors uniformly spin-coated by polyether sulfone (PES) were used to simulate the membrane surface inside the bioreactor. The EPS adsorption experiment in the QCM-D is characterized by the dissipation energy, ΔD, and the frequency shift, ΔF, influenced by EPS adsorbed layer on the QCM-D membrane-mimetic sensor. The QCM-D & OCT combination will provide membrane fouling mechanisms in the AnMBR, focusing on the role of EPS in the MLSS’ flocs deposition and attachment to the membrane and future optimization of the AnMBR operational conditions.