1/11/2013

Membrane Bioreactor Phosphorus  Removal Demonstration Study

Steve Berggruen, P.E. – Regional ManagerMilwaukee, Wisconsin

1/11/2013

Background

• Testing conducted at the Ridgewood Estates WWTP – Milford, Michigan

• Test Period: Nine months (October – June)

•

Testing Program: Physical/Chemical Phosphorus Removal through a

Membrane Bioreactor (MBR) System. Reduction of nitrogen compounds and 

Bio‐P (attempted)

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Pilot Plant Objectives

• Show capability of MBR system to reduced effluent TP to < 0.03 mg/l

•

Demonstrate ability of system to removed conventional pollutants including  

nitrogen species

• Demonstrate long‐term system operation with little or no maintenance

•

Produce design information regarding sustainable flux at varying MLSS 

concentrations and waste temperatures

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Membrane Bioreactor (MBR)

•High Quality Effluent

• Small Footprint

• Simple to Operate

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Membrane Bioreactors

Modification of the traditional activated sludge processCombine aeration, clarification and filtration into a

single step (reduced footprint)

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Process and System Overview

•Automatic 3‐mm fine screen

•Anoxic (AX) Basin

•Pre‐Aeration (PA) Basin 

•Membrane Bioreactor (MBR) Basin

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Pilot Study Process Configuration

AX Zone PA Zone MBR

Recycle

P1Feed

Permeate

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Pilot Study Process Configuration

(Alternate – Phase 2)

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MBR System

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Anoxic (AX) Basin

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Pre‐Aeration Basin 

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MBR with Submerged Membrane Unit

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Flat‐Plate Membrane Structure

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The Submerged Membrane Unit (SMU)

ManifoldMembrane case

Membrane cartridge

Diffuser case

Diffuser

Permeate Tube

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CIP Cartridge Distribution

•

Cleaning takes approximately 2‐4 hour / MBR basin, using a dilute solution of 0.5% Sodium 

Hypochlorite or Citric Acid

•

In‐situ cleaning of membranes without draining MLSS•

Chlorine dosage less than that typically used for filamentous microorganism control•

No tank liners required

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Wastewater Characteristics

Parameter Average Minimum Maximum Unit

CBOD5 392.6 180.0 1095.0 mg/l

NH3 26.1 15.5 52.8 mg/l

T‐P 5.6 3.2 8.2 mg/l

TSS 626.5 147.5 1970.0 mg/l

Note: Flow to pilot plant set at 1.5 gpm (2,160 gpd)

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Testing Program ‐

Phosphorus

• Data collected over a four month period

• Two alum dosing rates tested (1 gpd / 2 gpd)

• Effluent TP rise at 1 gpd alum

• Average effluent TP < 0.03 mg/l

• 43 effluent samples

• TP less than detectable in 28% of samples

• No SA conducted on optimal dose or point

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Impact of Chemical Addition  Location on Phosphorus Removal

0.01.02.03.04.05.06.07.08.0

0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0

PO

4-P

Con

cen

trat

ion

Al/P molar ratio

Example of applied Al/P molar ratiofor effluent P conc.

Anoxic

INTERNAL RECYCLE

M

AerobicAerobic

Anaerobic

0.01.02.03.04.05.06.07.08.0

0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0

PO

4-P

Con

cen

trat

ion

Al/P molar ratio

Example of applied Al/P molar ratiofor effluent P conc.

Anoxic

INTERNAL RECYCLE

M

AerobicAerobic

Anaerobic

Chemical addition point affects Al/P ratio

(Stensel, 2003)

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Pilot Operating Conditions & Results

•MLSS

•Temperature

•Effluent BOD

•Effluent Nitrogen 

•Effluent Phosphorus

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Operational Overview

•MLSS:

6,940 –

26,180 mg/l

•Temperature:

6.2 – 15.8 degrees C

•HRT:

21 hours

•SRT:

57 days

•F:M

0.03 1/day or less

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Effluent Overview

• Effluent TSS:

2.5 mg/l (ave)

• Effluent BOD:

16.8 mg/l (Phase 1), 5.4 mg/l (Phase 2)*

• Effluent N:

11.4 mg/l NH3‐N (Phase 1), 0.3 mg/l NH3‐N (Phase 2)*

13.6 mg/l TIN (Phase 1), 2.6 mg/l TIN (Phase 2)*

• Effluent P:

0.05 mg/l (all data points)

0.03 mg/l (at optimal dosage)

*Phase 2 included increased blower speed for full nitrification and increased recycle of nitrates back to AX 

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MBR MLSS Concentration Profile

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Recorded Water (Sludge) Temperatures

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

11/8 11/22 12/6 12/20 1/3 1/17 1/31 2/14 2/28 3/14 3/28

Date

Tem

pera

ture

(deg

C)

Design Temperature

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Permeate BOD Profile

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Permeate Nitrogen Profile

Phase 2

Phase 2→

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Phosphorus Trending

0

1

2

3

4

5

6

7

10/14 10/28 11/11 11/25 12/9 12/23 1/6 1/20 2/3 2/17 3/3 3/17 3/31

Date

Con

cent

ratio

n (m

g/l)

INF P

EFF PAlum Dosing

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Membrane Performance

• Sustained Flux:

10 gfd•

Excellent results despite variable MLSS and low T• Transmembrane Pressure (TMP): 

•

0.4 – 0.6 psi (ave) •

1.6. – 1.8 psi (peak)

• Permeability: 

42 gfd/psi (ave) during both phases• Membrane Maintenance:

•

No irreversible or permanent fouling detected•

Only one clean‐in‐place (CIP) procedure in 9 months•

3‐hour cleaning period using 0.5% bleach solution

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Conclusions

•Show capability of MBR system to reduced effluent TP to < 0.03 mg/l. YES

•Demonstrate ability of system to removed conventional pollutants

including nitrogen 

species. YES (somewhat)

•Demonstrate long‐term system operation with little or no maintenance YES

•Produce design information regarding sustainable flux at varying

MLSS concentrations 

and waste temperatures YES

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Thank You