Nitritation and denitritation in sludge liquor treatment

Abstract

Enhanced biological nitrogen removal at municipal wastewater treatment plants is a common procedure to prevent eutrophication in water bodies. Increased load, stricter effluent regulations, and demands for reduced resource and energy consumption present new challenges for the wastewater treatment plants. One option when upgrading a wastewater treatment plant is to treat the sludge liquor produced when dewatering digested sludge separately.

The aim of this thesis was to analyse and evaluate the operational aspects of two nitrite accumulated systems, nitritation and nitritation-denitritation, in a full-scale sequencing batch reactor at Sjölunda Wastewater Treatment Plant in Malmö, Sweden. Other aims were to quantify nitrogen oxides emissions in the off-gas from the SBR, as well as to evaluate the dynamics of these emissions. Finally, to get an overall view of the chosen processes and configuration, another part of the aim was to compare these to other methods for sludge liquor treatment in terms of operational, financial and environmental aspects.

High ammonium removal and removal rates are possible in a nitritation system treating sludge liquor at a constant low pH (6.8) and at high nitrite concentrations (around 800 mg NO2--N/L), i.e. in conditions with high free nitrous acid concentrations. Conversely, denitritation was much more sensitive to free nitrous acid than nitritation, making it hard to operate the denitritation process only for alkalinity production. However, the chemical costs were higher for the nitritation system. Problems retaining nitrite accumulation were not observed in either of the systems.

The nitrogen oxides emissions from the nitritation system were measured during normal operation. Emissions of nitrous oxide, nitric oxide and nitrogen dioxide were found to be 3.8%, 0.06% and 0.01% of the ammonium nitrogen load. A significant relationship was found between the length of the anoxic period and the nitrous oxide emissions. The nitric oxide emissions were dependent on the amount of ammonium oxidised. However, future studies have to reveal the responsible processes for these emissions.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Övergödningen av Östersjön är fortfarande ett problem. Förhöjda krav på

kvävereduktion för de svenska avloppsreningsverken är därför att vänta. Detta innebär

i sig ökad energi- och kemikalieförbrukning, vilket rimmar illa med ord som

energieffektivisering och resurssnålhet. Biologisk kväverening av en specifik delström

på reningsverket har dock potential att minska ytbehov och energi- och

kemikalieförbrukningen, men kan också riskera att öka reningsverkens

koldioxidfotavtryck genom släppa ut den kraftiga växthusgasen lustgas.

Alla proteiner innehåller grundämnet kväve, vilket innebär att allt organiskt material

innehåller ämnet. Detta faktum, i kombination med att kväve oftast är tillväxtbefrämjande i

marina miljöer, gör att av människan orsakade utsläpp av kväve till våra hav leder till

övergödning.

På ett reningsverk är tillsats av komprimerad luft och eventuell pumpning av avloppsvattnet

mellan de olika reningsstegen de två största posterna för förbrukning av elenergi. Vid

kväverening krävs extra mycket tillförd luft. Dessutom behövs ofta en tillsats av extern

kolkälla såsom metanol eller etanol för att kunna klara av att reducera den mängden kväve

som krävs. Denna kolkälla kunde exempelvis ha använts som bränsle inom transportsektorn

istället. Ju högre kvävekraven är, desto mer elenergi och kolkälla går det åt.

Maten vi äter innehåller mestadels organiskt material, med mer eller mindre proteinrik kost.

Det kväve som inte tas upp av kroppen ansamlas till största del i urinen i löst form och leds

till reningsverken. På reningsverken utnyttjas bakterier och andra mikroorganismer för att

bryta ned organiskt material, som också bidrar till övergödning. Denna nedbrytning, som sker

i närvaro av tillförd komprimerad luft, bidrar även till en tillväxt av bakterier, vilket innebär

att kväve återigen binds i organiskt material eftersom tillväxt kräver upptag av kväve. Detta

upptag är dock inte tillräckligt utan ett antal speciella typer av bakterier utnyttjas för att

omvandla kväve i ett antal steg till den mest miljövänliga formen, ren kvävgas. Vår luft består

till 78 procent av kvävgas. Samtliga bakteriella processer som utnyttjas på ett reningsverk

sker även helt naturligt ute i vattendragen, sjöarna och i haven. Slam produceras, reduceras och avvattnas.

Tillväxten av bakterier på ett reningsverk avskiljs och kallas slam. Slammet, som ofta används

som gödningsmedel på jordbruksmark, består till att börja med av cirka 95 procent vatten. För

att minska mängden vatten i slammet avvattnas det. Först minskas dock mängden torrsubstans

genom att det organiska materialet bryts ned, återigen av bakterier, men nu under syrefria

förhållanden och vid cirka 37 ºC. Denna process kallas rötning. Slutprodukten är, förutom

koldioxid, den energirika metangasen, även kallad biogas. Kvävet löses nu återigen ut i

vattnet. Slammet avvattnas därefter, ofta i centrifuger, till en torrsubstanshalt på 25-30

procent. Vattenfasen, som kallas rejektvatten, är en mycket ammoniumrik ström som ofta leds

tillbaka till inloppet av reningsverket. Denna ström bidrar med ca 15-20 procent av den totala

kvävebelastningen på reningsverket men enbart 1 procent av det totala flödet. Dessutom är

temperaturen högre på grund av den föregående rötningen, jämfört med normala

avloppsvattentemperaturer som varierar mellan 10-20ºC beroende på årstid. Den höga

temperaturen gör att kväveavskiljning kan ske vid höga tillväxt- och reaktionshastigheter,

vilket innebär att små bassängvolymer behövs för att rena en relativt stor andel av den totala

kvävebelastningen.

När reningsverken i Sverige byggdes ut för att inkludera kväverening på 1990-talet byggdes

normalt ingen anläggning för att rena rejektvattnet separat. En rejektvattenbehandlingsanläggning

kan dock öka reningsverkets kvävereducerande förmåga betydligt. När Sjölunda

avloppsreningsverk i Malmö byggdes ut för kvävereduktion i slutet av 1990-talet byggdes

dock även en rejektvattenbehandlingsanläggning. Kvävereningsprocesser

Kväverening vid avloppsreningsverk sker med hjälp av två olika bakteriella processer;

nitrifikation och denitrifikation. Nitrifikationen, som kräver syretillförsel omvandlar

avloppsvattnets ammonium via nitrit till nitrat. Omvandlingen sker med hjälp av två

bakteriegrupper, ammoniumoxiderare och nitritoxiderare. Efter nitrifikation krävs

denitrifikation för att nitraten ska kunna omvandlas till kvävgas. Denitrifikationsprocessen

består också av ett antal intermediära föreningar, exempelvis omvandlas nitrat först till nitrit.

Figuren nedan visar de vanligaste kväveomvandlingarna på ett reningsverk.

Vid rejektvattenbehandling krävs en extern tillsats av en organisk kolkälla som är

lättillgänglig för denitrifierarna eftersom det mesta av det lättillgängliga organiska kolet har

omvandlats till metan och koldioxid i rötkammarna. Nitrifikationsbakterierna utnyttjar istället

koldioxiden som är löst i vattnet. Genom att enbart omvandla ammoniumen till nitrit

(nitritation) och låta denitrifierarna omvandla nitriten till kvävgas (denitritation) kan

luftbehovet teoretiskt minska med upp till 25 procent och tillsatsen av kolkälla minska med

upp 40 %. Vid normala avloppsvattentemperaturer på 10-20ºC i Sverige, växer dock

nitritoxiderarna snabbare än ammoniumoxiderarna, vilket gör att man inte kan selektera bort

nitritoxiderarna genom att välja en slamuppehållstid som gör att dessa bakterier inte får

chansen att växa till. Vid varma temperaturer som i rejektvatten är förhållandena dock de

omvända, ammoniumoxiderarna växer snabbare än nitritoxiderarna. Men även andra faktorer

kan justeras för att undvika nitritoxiderarna, till exempel hög ammoniumhalt, hög nitrithalt,

låg syrehalt och utnyttjande av periodvis luftning.

När rejektvattenbehandlingsanläggningen på Sjölunda reningsverk byggdes valdes en

processlösning som enbart inkluderade nitrifikationsprocessen. Eftersom oxidationen av

ammonium är försurande, krävs tillsats av alkalinitet för att erhålla över 50 procent

ammoniumreduktion. På Sjölunda valdes 50 procentig lut som alkalinitetskälla.

Denitrifikationen avsågs att ske i huvudlinjen på Sjölunda genom att utnyttja inkommande

avloppsvatten som kolkälla. Efter ett par år kom dock idén att driva anläggningen med enbart

nitritation för att minska energiförbrukningen. Dock kunde inte en stabil ackumulering av

nitrit. Detta doktorandprojekt ledde dock till vissa modifieringar av driftstrategin genom

fullskaleförsök, som gjorde att stabil nitritation kunde erhållas.

Denitritationen är en alkalinitetshöjande process. Teoretiska beräkningar visar att användning

av lut som alkalinitetskälla för att upprätthålla hög nitritationsgrad genererar högre

kemikaliekostnader än om denitritationen skulle fungera som alkalinitetskälla. Den billigaste

kolkällan till denitritationen är metanol. I denna studie gjordes fullskaleförsök där

denitritationsprocessen introducerades. Ett mål med introduktionen var att enbart denitritera

för att erhålla den alkalinitet som behövdes. Detta innebar att det behandlade rejektvattnet

fortfarande innehöll höga halter nitrit, vilket innebar att denitritationsprocessen hämmades

med jämna mellanrum. En stabil proces kunde dock erhållas om nitrithalterna sänktes.

Rejektvattenbehandlingen på Sjölunda byggdes för att minimera utbyggnaden år 1999.

Nitrifikationskapaciteten i huvudströmmen tilläts vara begränsande på grund av att

rejektvattenbehandlingsanläggningen byggdes. Sommartid är dock kapaciteten ofta tillräcklig

på grund av lägre belastning på reningsverket. Därför stängs ofta rejekvattenbehandlingen av

sommartid för att sedan startas upp någon eller några månader senare. Denna studie tog fram

driftstrategier för uppstart av nitritation- och nitritation-denitritationprocesserna.

Uppstartstiden för nitritationen var kortare än för nitritation-denitritionen, 14 dagar respektive

24 dagar.

Sammanfattningsvis var driftkostnaderna för nitritation-denitritationen mycket lägre jämfört

med nitritationen. Dock var nitritationsprocessen enklare och mer robust i drift.

Nitritationsprocessen hade också en kortare uppstart och gav en högre

ammoniumoxidationskapacitet än nitritation-denitritationsprocessen. Dessutom krävs en

ombyggnation för att förvara den brandfarliga metanolen. De driftmässiga fördelarna med

nitritationen vägde mer än driftkostnaderna och därför kommer inte denitritation att

implementeras i rejektvattenbehandlingen på Sjölunda.

Forskare runt om i världen har påvisat att ett antal bakteriegrupper som ingår i de

kväverenande processerna på reningsverken kan producera lustgas. Lustgas bedöms vara en

cirka 300 gånger starkare växthusgas än koldioxid. Enligt en studie nyligen presenterad i

tidskriften Science konstateras också att lustgas idag är den största källan av de

ozonnedbrytande ämnena. Generellt bildas eller ackumuleras lustgas när bakterierna utsätts

för förhållanden som är suboptimala, det vill säga när tillväxtförhållanden inte är optimala

men tillräckligt bra för överlevnad och viss tillväxt. Dessa förhållanden kan lätt uppstå om

man försöker energieffektivisera genom att snåla på tillsatt luftmängd eller om inte tillräckligt

med kolkälla tillsätts. Ammoniumoxiderarna, har visat sig vara mest betydande gällande

lustgasproduktion på reningsverk.

Eftersom rejektvattenbehandlingsanläggningen på Sjölunda innehåller mestadels ammoniumoxiderare

vid drift av enbart nitritation, har det varit extra intressant att studera

lustgasutsläppen från denna anläggning. I denna studie kvantifierades utsläppen i frånluften

från anläggningen, men även dynamiken av utsläppen studerades för att försöka förstå

bakgrunden till utsläppen. Under normal drift motsvarade lustgaskväveutsläppen 3,8 procent

av det inkommande ammoniumkvävet, vilket motsvarar ca 0,05 procent av de totala

lustgasemissionerna i Sverige. Dynamiken kunde tyvärr inte helt avslöja de bakomliggande

utsläppskällorna. Dock kunde det konstateras att ju längre tid anläggningen är oluftad, desto

mer lustgas produceras. Även utsläppen av kvävemonoxid och kvävedioxid studerades.

I början av 1990-talet upptäcktes en ny bakteriegrupp kallade anaeroba ammoniumoxiderare

(anammox), som kan omvandla ammonium i närvaro av nitrit till kvävgas och en mindre del

till nitrat. Anammoxbakterierna utnyttjar också koldioxid löst i vatten som kolkälla, det vill

säga ingen extern organisk kolkälla krävs. Dock växer dessa bakterier cirka tio gånger

långsammare än nitrifikationsbakterierna. Eftersom kvävet i avloppsvattnet oftast är

ammonium, så är anammoxprocessen beroende av att partiell nitritation föregås. Cirka hälften

av ammoniumen behöver oxideras till nitrit och därmed är syrebehovet cirka hälften än i en

nitritation-denitritationsprocess Den långsamma tillväxten gör att de fullskaleanläggningar

som finns idag behandlar varma vatten som rejektvatten. Inga fullskaleförsök med nitritationanammoxprocessen,

även kallad deammonifikationsprocessen, utfördes i denna studie. Enbart

en sammanställning av driftdata- och erfarenheter från de fåtal fullskaleanläggningar världen

över som behandlar rejektvatten utfördes för att beskriva för och nackdelar med olika

konfigurationer för drift av deammonifikationsprocessen utfördes inom doktorandprojektet.

• author: Gustavsson, David
• supervisor: Jes La Cour Jansen
• opponent: Professor Siegrist, Hansruedi, Department of Process Engineering, Swiss Federal Institute of Aquatic Science and Technology (Eawag), Duebendorf, Switzerland and Institute of Environmental Engineering (IfU), ETH Zurich, Switzerland.
• organization: Division of Chemical Engineering
• publishing date: 2011
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Chemical Engineering
• keywords: nitritation, denitritation, nitrous oxide, nitric oxide, nitrogen dioxide, wastewater, sludge liquor
• pages: 52 pages
• defense location: Lecture hall B, Center of Chemistry and Chemical Engineering, Getingevägen 60, Lund University Faculty of Engineering
• defense date: 2011-04-29 13:00:00
• ISBN: 978-91-7422-268-5
• language: English
• LU publication?: yes
• id: a8e32c35-9cd9-4a57-8dbb-ee16c5478c5a (old id 1886546)
• date added to LUP: 2016-04-04 14:32:55
• date last changed: 2023-04-18 18:00:09