Impact of food to microorganism ratio and alcohol ethoxylate dosage on methane production in treatment of low-strength wastewater by a submerged anaerobic membrane bioreactor

Abstract

Efficient methane recovery was obtained when the F/M ratio was below 0.357.

AE was efficiently degraded and converted into CH 4 by anaerobic microbes.

Microbe could cope with the stress of AE by producing more EPS and SMP.

F/M ratio of 1.054 decrease the methane production potential significantly.

The methane production activity of sludge was inhibited at a higher AE dosage.

The effects of food to microorganism (F/M) ratio and alcohol ethoxylate (AE) dosage on the methane production potential were investigated in treatment of low-strength wastewater by a submerged anaerobic membrane bioreactor (SAnMBR). The fate of AE and its acute and/or chronic impact on the anaerobic microbes were also analyzed. The results indicated that AE had an inhibitory effect to methane production potential (lag-time depends on the AE dosage) and the negative effect attenuated subsequently and methane production could recover at F/M ratio of 0.088–0.357. VFA measurement proved that AE was degraded into small molecular organic acids and then converted into methane at lower F/M ratio (F/M<0.158). After long-term acclimation, anaerobic microbe could cope with the stress of AE by producing more EPS (extracellular polymeric substances) and SMP (soluble microbial products) due to its self-protection behavior and then enhance its tolerance ability. However, the methane production potential was considerably decreased when AE was present in wastewater at a higher F/M ratio of 1.054. Higher AE amount and F/M ratio may destroy the cell structure of microbe, which lead to the decrease of methane production activity of sludge and methane production potential.

Graphical abstract

Keywords

Anaerobic membrane bioreactor AnMBR / F/M ratio / Surfactant / Wastewater / Methane production / Influence

References

[1] Huang Z, Ong S L, Ng H Y. Submerged anaerobic membrane bioreactor for low-strength wastewater treatment: effect of HRT and SRT on treatment performance and membrane fouling. Water Research, 2011, 45(2): 705–713

[2] Smith A L, Skerlos S J, Raskin L. Anaerobic membrane bioreactor treatment of domestic wastewater at psychrophilic temperatures ranging from 15 °C to 3 °C. Environmental Science: Water Research & Technology, 2015, 1: 56–64

[3] Chen L, Gu Y, Cao C, Zhang J, Ng J W, Tang C. Performance of a submerged anaerobic membrane bioreactor with forward osmosis membrane for low-strength wastewater treatment. Water Research, 2014, 50: 114–123

[4] Smith A L, Skerlos S J, Raskin L. Psychrophilic anaerobic membrane bioreactor treatment of domestic wastewater. Water Research, 2013, 47(4): 1655–1665

[5] Mei X J, Wang Z W, Miao Y, Wu Z C. Recover energy from domestic wastewater using anaerobic membrane bioreactor: Operating parameters optimization and energy balance analysis. Energy, 2016, 98: 146–154

[6] Pan J M, Zhang R H, El-Mashad H M, Sun H W, Ying Y B. Effect of food to microorganism ratio on biohydrogen production from food waste via anaerobic fermentation. International Journal of Hydrogen Energy, 2008, 33(23): 6968–6975

[7] Liu Y, Liu H N, Cui L, Zhang K S. The ratio of food-to-microorganism (F/M) on membrane fouling of anaerobic membrane bioreactors treating low-strength wastewater. Desalination, 2012, 297: 97–103

[8] Lobos J, Wisniewski C, Heran M, Grasmick A. Effects of starvation conditions on biomass behaviour for minimization of sludge production in membrane bioreactors. Water Science and Technology, 2005, 51(6-7): 35–44

[9] Wei C H, Harb M, Amy G, Hong P Y, Leiknes T. Sustainable organic loading rate and energy recovery potential of mesophilic anaerobic membrane bioreactor for municipal wastewater treatment. Bioresource Technology, 2014, 166: 326–334

[10] Gouveia J, Plaza F, Garralon G, Fdz-Polanco F, Peña M. A novel configuration for an anaerobic submerged membrane bioreactor (AnSMBR). Long-term treatment of municipal wastewater under psychrophilic conditions. Bioresource Technology, 2015, 198: 510–519

[11] Kunacheva C, Soh Y N A, Trzcinski A P, Stuckey D C. Soluble microbial products (SMPs) in the effluent from a submerged anaerobic membrane bioreactor (SAMBR) under different HRTs and transient loading conditions. Chemical Engineering Journal, 2017, 311: 72–81

[12] Traverso-Soto J M, Lara-Martín P A, León V M, González-Mazo E. Analysis of alcohol polyethoxylates and polyethylene glycols in marine sediments. Talanta, 2013, 110: 171–179

[13] Traverso-Soto J M, Brownawell B J, González-Mazo E, Lara-Martín P A. Partitioning of alcohol ethoxylates and polyethylene glycols in the marine environment: field samplings vs laboratory experiments. Science of the Total Environment, 2014, 490: 671–678

[14] Morrall S W, Dunphy J C, Cano M L, Evans A, McAvoy D C, Price B P, Eckhoff W S. Removal and environmental exposure of alcohol ethoxylates in US sewage treatment. Ecotoxicology and Environmental Safety, 2006, 64(1): 3–13

[15] Berna J L, Cassani G, Hager C D, Rehman N, López I, Schowanek D, Steber J, Taeger K, Wind T. Anaerobic biodegradation of surfactants—Scientific review. Tenside, Surfactants, Detergents, 2007, 44(6): 312–347

[16] Motteran F, Braga J K, Sakamoto I K, Silva E L, Varesche M B A. Degradation of high concentrations of nonionic surfactant (linear alcohol ethoxylate) in an anaerobic fluidized bed reactor. Science of the Total Environment, 2014, 481: 121–128

[17] Ferrara F, Fabietti F, Delise M, Funari E. Alkylphenols and alkylphenol ethoxylates contamination of crustaceans and fishes from the Adriatic Sea (Italy). Chemosphere, 2005, 59(8): 1145–1150

[18] Song M, Bielefeldt A R. Toxicity and inhibition of bacterial growth by series of alkylphenol polyethoxylate nonionic surfactants. Journal of Hazardous Materials, 2012, 219-220: 127–132

[19] Puyol D, Sanz J L, Rodriguez J J, Mohedano A F. Inhibition of methanogenesis by chlorophenols: a kinetic approach. New Biotechnology, 2012, 30(1): 51–61

[20] Lu X, Zhen G, Liu Y, Hojo T, Estrada A L, Li Y Y. Long-term effect of the antibiotic cefalexin on methane production during waste activated sludge anaerobic digestion. Bioresource Technology, 2014, 169: 644–651

[21] Cetecioglu Z, Ince B, Orhon D, Ince O. Acute inhibitory impact of antimicrobials on acetoclastic methanogenic activity. Bioresource Technology, 2012, 114: 109–116

[22] Motteran F, Braga J K, Sakamoto I K, Silva E L, Varesche M B A. Methanogenic potential of an anaerobic sludge in the presence of anionic and nonionic surfactants. International Biodeterioration & Biodegradation, 2014, 96: 198–204

[23] Ho J, Sung S. Methanogenic activities in anaerobic membrane bioreactors (AnMBR) treating synthetic municipal wastewater. Bioresource Technology, 2010, 101(7): 2191–2196

[24] Gouveia J, Plaza F, Garralon G, Fdz-Polanco F, Peña M. Long-term operation of a pilot scale anaerobic membrane bioreactor (AnMBR) for the treatment of municipal wastewater under psychrophilic conditions. Bioresource Technology, 2015, 185: 225–233

[25] JSWA. Japanese standard methods of the examination of wastewater. Japan sewage works association, Tokyo (Japan), 1997

[26] Ross S, Olivier J P. A new method for the determination of critical micelle concentrations of un-ionized associations colloids in aqueous or in non-aqueous solution. Journal of Chemical Physics, 1959, 63(10): 1671–1674

[27] Frølund B, Palmgren R, Keiding K, Nielsen P H. Extraction of extracellular polymers from activated sludge using a cation exchange resin. Water Research, 1996, 30(8): 1749–1758

[28] Van der Marel P, Zwijnenburg A, Kemperman A, Wessling M, Temmink H, Van der Meer W. Influence of membrane properties on fouling in submerged membrane bioreactors. Journal of Membrane Science, 2010, 348(1-2): 66–74

[29] Dreher T M, Mott H V, Lupo C D, Oswald A S, Clay S A, Stone J J. Effects of chlortetracycline amended feed on anaerobic sequencing batch reactor performance of swine manure digestion. Bioresource Technology, 2012, 125: 65–74

[30] Ma J, Quan X, Si X, Wu Y. Responses of anaerobic granule and flocculent sludge to ceria nanoparticles and toxic mechanisms. Bioresource Technology, 2013, 149: 346–352

[31] Wu W, Duan T, Song H, Li Y, Yu A, Zhang L, Li A. The effect of continuous Ni(II) exposure on the organic degradation and soluble microbial product (SMP) formation in two-phase anaerobic reactor. Journal of Environmental Sciences (China), 2015, 33: 78–87

[32] Wang Y, Qin J, Zhou S, Lin X, Ye L, Song C, Yan Y. Identification of the function of extracellular polymeric substances (EPS) in denitrifying phosphorus removal sludge in the presence of copper ion. Water Research, 2015, 73: 252–264

[33] Aquino S F, Stuckey D C. Soluble microbial products formation in anaerobic chemostats in the presence of toxic compounds. Water Research, 2004, 38(2): 255–266

[34] Mei X J, Wang Z W, Zheng X, Huang F, Ma J X, Tang J X, Wu Z C. Soluble microbial products in membrane bioreactors in the presence of ZnO nanoparticles. Journal of Membrane Science, 2014, 451: 169–176

[35] Laspidou C S, Rittmann B E. A unified theory for extracellular polymeric substances, soluble microbial products, and active and inert biomass. Water Research, 2002, 36(11): 2711–2720

[36] Garcia M T, Campos E, Sánchez-Leal J, Ribosa I. Effect of linear alkylbenzene sulphonates (LAS) on the anaerobic digestion of sewage sludge. Water Research, 2006, 40(15): 2958–2964

RIGHTS & PERMISSIONS

Higher Education Press and Springer–Verlag Berlin Heidelberg