Continuous down-flow packed-bed membrane bioreactor for Azo dyes decolourisation. Preliminary studies and reactor operation

This study investigated a novel integrated technology consisting of a tubular ceramic membrane with a biological activated carbon filling for the decolourisation of azo dyes present in wastewater streams. The decolourisation occurred through reduction of the azo linkage ( – N = N – ) performed by an anaerobic mixed culture. The activated carbon acted as a support for the biofilm and as a redox mediator in order to enhance the rate of the decolourisation reaction, while the membrane ensured the immobilisation of the mediator in the system and the retention of the microbial biomass. Before the start of the continuous reactor operation, preliminary experiments were conducted. Batch adsorption studies on activated carbon were done for the azo dyes Sunset Yellow FCF (SY) and Congo Red (CR). Dye anaerobic degradability without the redox mediator was assessed by performing biochemical methane potential (BMP) tests. Permeability tests were also done to evaluate the impact of the carbon filling on the permeate flux. Finally, continuous decolourisation of Sunset Yellow FCF was performed in the membrane bioreactor. The system was run with a constant feed concentration of 100 mg/L and, after a transient phase, a constant average outlet concentration was reached, corresponding to an average decolourisation of 38% and proving the effectiveness of the proposed method. Another membrane bioreactor was operated with increasing feed concentrations starting from 10 mg/L up to 200 mg/L. This adaptation phase resulted in better performances, reaching an average SY decolourisation of over 90% for all the tested feeds. The presence of the expected decolourisation products (aromatic amines) was proved by sample analysis performed through HPLC-MS. These findings make the studied system a promising biological method for anaerobic azo dye decolourisation, to be followed by a subsequent aerobic treatment aimed at the degradation of the produced aromatic amines.

In questo studio è stata analizzata un’innovativa tecnologia integrata costituita da una membrana ceramica tubolare con un riempimento di carbone attivo biologico per la decolorazione di coloranti azoici presenti in acque reflue. In particolare, tale decolorazione è avvenuta a seguito della rottura del legame azo ( – N = N – ) da parte di una coltura batterica anaerobia. Nel sistema studiato, il carbone attivo svolge un doppio ruolo di supporto per il biofilm e mediatore redox per aumentare la velocità della reazione di decolorazione, mentre la membrana assicura l’immobilizzazione del mediatore (nonché della biomassa microbica che cresce su di esso) all’interno del sistema reattivo. Sono inoltre stati svolti diversi esperimenti preliminari alla decolorazione in continuo nel bioreattore. In primo luogo, si sono effettuati studi di adsorbimento in batch su carbone attivo per i coloranti azoici Sunset Yellow FCF (SY) e Congo Red (CR). La degradabilità anaerobia di entrambi i coloranti senza il mediatore redox è stata poi valutata eseguendo test BMP (biochemical methane potential). Si sono inoltre eseguiti test di permeabilità per valutare l’impatto del riempimento in carbone attivo sul flusso di liquido che fluisce attraverso la membrana. La decolorazione in continuo nel bioreattore è stata svolta sul colorante Sunset Yellow FCF. Il sistema è stato operato con una concentrazione di alimentazione costante e pari a 100 mg/L: a seguito di un transitorio, si è raggiunta una concentrazione media costante in uscita corrispondente a una decolorazione media del 38%, dimostrando l’efficacia del metodo proposto. Un altro bioreattore a membrana è stato invece operato con crescenti concentrazioni di alimentazione, a partire da 10 mg/L fino a 200 mg/L. Questa fase di adattamento ha permesso di ottenere prestazioni migliori, raggiungendo una decolorazione media SY di oltre il 90% per tutte le concentrazioni in ingresso. La presenza dei prodotti di decolorazione previsti (ammine aromatiche) è stata confermata dall’analisi di campioni di liquido effluente eseguita mediante HPLC-MS. Questi risultati dimostrano che il sistema studiato costituisca un promettente metodo biologico per la decolorazione anaerobia dei coloranti azoici, il quale deve essere poi seguito da un trattamento aerobio per garantire la degradazione delle ammine aromatiche prodotte.