Modelling and analysis of membrane-attached biofilms

Authors


Abstract

The theory of diffusion and reaction has been applied to describe mass transfer and reaction phenomena in membrane-attached biofilms (MABs) growing in extractive membrane bioreactors (EMBs), and to establish the rate-limiting mechanisms in these systems. The model formulated accounts for substrate counter-diffusion and two-limiting-substrate reaction within the biofilm. Model simulations are compared to experimental data obtained in a lab-scale EMB and a simple case study is considered to show how MABs affect performance of EMBs. It is found that the organic substrate flux across the membrane is strongly affected by MABs, which constitute an additional resistance to mass transfer and in most cases reduce the flux across the membrane. As a result of the investigation, it is concluded that the decrease of flux in the presence of MABs, observed experimentally and predicted theoretically, is dominated by the resistance to organic substrate transfer caused by the biofilm.

Abstract

On a appliqué la théorie de la diffusion et de la réaction pour décrire les phénomènes du transfert de matière et de la réaction dans des biofilms à membranes (MAB) croissant dans des bioréacteurs à membranes extractives (EMB), et pour établir les mécanismes de limitation de vitesse dans ces systèmes. Le modèle formulé tient compte de la contre-diffusion du substrat et de la réaction à deux substrats limitants à l'intérieur du biofilm. Des simulations de modèles sont comparées à des données expérimentales obtenues dans un EMB à l'échelle de laboratoire, et à l'aide d'une étude de cas simple on tente de montrer comment les MAB influent sur la performance des EMB. On a trouvé que le flux de substrat organique dans la membrane était fortement affecté par les MAB, ce qui constitue une résistance addtionnelle au transfert de matière et dans la plupart des cas réduit le flux dans la membrane. De cette recherche, on a conclu que la réduction du flux en présence des MAB, qui a été observée de façon expérimentale et prédite de façon théorique, était dominée par la résistance au transfert du substrat organique causée par le biofilm.

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