Assessment of a hybrid membrane distillation-LED-UV process: focus on fouling mitigation
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Universidade Federal de Minas Gerais
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Dissertação de mestrado
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Frederico de Araujo Kronemberger
Vera Lúcia dos Santos
Vera Lúcia dos Santos
Resumo
Este estudo teve como principal objetivo a avaliação do desempenho de um módulo hibrido de
destilação por membranas e LED ultravioleta (DM-LED-UV) com foco no controle da
incrustação. O módulo proposto possui uma placa de quartzo no compartimento da alimentação,
o que permitiu a radiação UVC atingir o concentrado e a camada de incrustação. Primeiramente,
foi avaliada a performance do módulo construído no tratamento de esgoto secundário
proveniente de tratamento anaeróbio. Verificou-se uma grande contribuição do fouling para a
redução do fluxo de permeado. O desempenho do módulo híbrido foi similar ao desempenho
da DM em termos de remoção de poluentes. Houve uma menor extensão de fouling no sistema
DM-LED-UV e a camada incrustante ficou muito menos aderida à superfície da membrana,
sendo facilmente removida mecanicamente. Isso foi atribuído ao maior caráter hidrofílico da
camada formada no sistema híbrido, resultando em uma ligação mais fraca com a membrana
hidrofóbica. Houve uma menor concentração de SMP/EPS no biofilme formado no sistema
híbrido, sugerindo uma ação de inativação de microorganismos. Em seguida, foi avaliado o
efeito do sistema híbrido na remoção de 17 α-Etinilestadiol (EE2). O módulo híbrido
novamente teve uma performance similar à DM. O fluxo de permeado na DM-LED-UV foi
maior do que na DM, apesar do maior efeito da polarização de pressão de vapor na DM-LED
UV. Não houve diferença significativa no incremento da condutividade da alimentação e do
permeado dos dois testes. As eficiências de remoção de hormônios foram de 97,7 e 97,9% para
DM e DM-LED-UV, respectivamente, e as remoções de efeito estrogênico de 99,2 e 99,0%
para DM e DM-LED-UV, respectivamente. Assim, ao aplicar o módulo híbrido para mitigar a
incrustação em DM tratando águas residuais reais e tratamento de água do mar, é improvável
que a radiação diminua o desempenho do sistema em relação à remoção de micropoluentes. Por
fim, foi realizada uma avaliação, por meio de uma extensa revisão da literatura, sobre a
formação do biofilme na DM, suas consequências e possíveis métodos de mitigação. Concluiu
se que o biofilme na DM leva a diversos prejuízos e decaimento de performance, devendo haver
esforços para mitigá-lo.
Abstract
The main objective of this study was to evaluate the performance of a hybrid module of
membrane distillation and LED-UV (MD-LED-UV) focusing on fouling control. The newly
built module has a quartz plate in the feed compartment, allowing the irradiation of the
concentrate and the fouling layer. First, the module's performance in the treatment of secondary
wastewater from anaerobic treatment was evaluated. There was an outstanding contribution of
fouling in permeate flux decrease. The hybrid system's performance was similar to the MD's.
Analysis of the membrane surfaces revealed a smaller extension of fouling in the MD-LED
UV system. The fouling layer was much less adhered to the membrane surface, being easily
removed mechanically. It was attributed to the higher hydrophilic character of the layer formed
in the hybrid system, resulting in a weaker bond with the hydrophobic membrane. A lower
concentration of SMP/EPS in the biofilm formed in the hybrid system was observed, suggesting
an inactivation action of microorganisms. Then, the effect of the hybrid system on the removal
of 17 α-Ethinylstadiol (EE2) was evaluated. The hybrid module and MD had very similar
performances. The permeate flux in MD-LED-UV was higher than in MD, although MD-LED
UV had a higher vapor pressure polarization effect. There was no significant difference between
the increment in the feed and the permeate conductivities in both tests. However, the hormone
removal efficiencies (97.7 and 97.9% for MD and MD-LED-UV, respectively) and the
estrogenic effect removals (99.2 and 99.0% for MD and MD-LED-UV, respectively) were not
impaired. Thus, when applying the MD-LED-UV module to mitigate fouling in real wastewater
and seawater treatment, radiation is unlikely to lead to performance decline regarding
micropollutants removal. Finally, a careful literature review on biofilm formation in MD, its
consequences, and possible mitigation methods was carried out. It was concluded that the
biofilm in MD leads to several damages and MD performance decay, and there should be efforts
to mitigate it.
Assunto
Engenharia sanitária, Meio ambiente, Biofilme, Esgotos - Tratamento
Palavras-chave
Destilação assistida por membranas, Led-uv, Biofilme, Incrustação, Tratamento de esgoto, 17 α-Etinilestadiol (EE2)
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