Monitoring of denitrifying activities in moving bed biofilm reactors with an ex-situ manometric batch test

Abstract

Emissions of reactive nitrogen to the environment is of major concern, e.g. since it is known to contribute to eutrophication and dead sea floors in water bodies. The capability to remove nitrogen from wastewater has therefore become a critical means of preserving and protecting the environment. Conventional nitrogen removal from municipal wastewaters usually includes nitrification together with denitrification. Due to more stringent legislation regarding effluent standards as well as higher loads, many wastewater treatment plants (WWTPS) in Sweden will have to be upgraded for increasing their degree of nitrogen removal. It is therefore important not only to be able to evaluate the efficacy of the existing facilities, but also to consider the implementation of new processes.

The aim of this Master’s thesis was to adapt an ex-situ manometric batch test, developed for measuring anammox activity, to be used to measure denitrifying activity. The adapted test was used in order to study the activity on K1 carriers from the post-denitrification moving bed biofilm reactors at Sjölunda WWTP. Carriers from four different lines in the post-denitrification plant were analyzed.

Experiments were conducted with initial nitrate concentrations in the interval 25-150 mg N/L. The specific denitrifying activity turned out to be independent of initial nitrate concentrations in range 35-150 mg N/L and dependent on nitrate concentrations below 35 mg N/L. It was also revealed that COD/N ratios of 5.3-133.3 had no effect on the denitrifying activity, given that nitrate was not limiting. A small denitrifying activity was detected when no carbon source was added to the reactor, which indicated that the bacteria could use intracellular carbon as electron donor.

Experiments performed on the different lines showed varying specific denitrifying activities. However, operational results assessed over a period of four months, showed that all the lines in the post-denitrification plant had equal nitrate reduction efficacy. The operational data did not give any further information on how the capacity in the first zones differed from the capacity in the second zones. However, it was concluded by experimental assessment that the first zones had 3-4 times higher denitrifying activity than that of the second zones.

Abstract (Swedish)

Utsläpp av kväve i naturen är ett stort problem eftersom det till exempel kan bidra till övergödning och så kallade döda bottnar i sjöar i akvatiska och marina miljöer. Förmågan att kunna avlägsna kväve från avloppsvatten har därför blivit ett viktigt medel för att bevara och skydda miljön. Kväveavskiljning från kommunala avloppsvatten sker vanligtvis med hjälp av nitrifikation och denitrifikation. Till följd av allt strängare lagstiftning gällande utsläppskrav samt högre belastningar, gör att många avloppsreningsverk i Sverige kommer att behöva utöka sin kväveavskiljande kapacitet. Det är därför viktigt att kunna utvärdera effektiviteten på befintliga anläggningar samt att överlägga införandet av nya processer.

Målet med detta examensarbete var att anpassa ett manometriskt labbtest, som tidigare utvecklats för att mäta anammoxaktivitet, för att kunna mäta denitrifikationsaktivitet. Den anpassade metoden användes sedan för att studera aktiviteten på K1-bärare från efterdenitrifikationsanläggningen på Sjölunda avloppsreningsverk. Aktiviteten på bärare från fyra olika linjer i denitrifikationsanläggningen analyserades.

Experiment utfördes med initiala nitratkoncentrationer i intervallet 25-150 mg N/L. Den specifika denitrifikationsaktiviteten visade sig vara oberoende av initiala nitratkoncentrationer i intervallet 35-150 mg N/L men beroende av startkoncentrationer under 35 mg N/L. Det visade sig också att COD/N kvoter mellan 5.3-133.3 inte hade någon effekt på denitrifikationsaktiviteten under förutsättning att nitrat inte var begränsande. En låg denitrifikationsaktivitet kunde detekteras utan tillsatt kolkälla, vilket antydde att bakterierna kunde använda intracellulärt lagrat kol som elektrondonator.

Experimenten utförda med bärare från de olika linjerna visade varierande denitrifikationsaktiviteter. Driftdatan som studerades under en fyramånadersperiod visade dock att alla linjer hade likvärdiga nitratreduktionseffektiviteter. Driftdatan gav ingen information om hur kapaciteten skiljde sig mellan de första och de andra zonerna. Det var dock påvisat genom experimentella försök att aktiviteten i de första zonerna var 3-4 gånger högre än aktiviteten i de andra zonerna.

Popular Abstract (Swedish)

Övergödning av sjöar och hav sker till följd av för höga halter av näringsämnen som kväve och fosfor i naturen. Ökat utsläpp av dessa näringsämnen bidrar till en ökad tillväxt av alger som orsakar syrebrist på sjöbotten och därmed förhindrar överlevnad av andra vattenlevande organismer. Förmågan att kunna avskilja kväve och fosfor från avloppsvatten är därför ett viktigt medel för att kunna bevara och skydda miljön, vilket är avgörande för en hållbar samhällsutveckling.

För att kunna uppfylla sina åtaganden till Helsingforskommissionen måste flera svenska avloppsreningsverk uppgradera och utvärdera sina kvävebortföringsanläggningar de kommande åren. I vanliga fall renas avloppsvattnet med hjälp av biologiska processer, som nitrifikation och denitrifikation, där kvävet omvandlas till kvävgas som sedan kan släppas ut i atmosfären. Nackdelen med dessa processer är att det krävs externa kolkällor som till exempel metanol, för att uppnå denitrifikationsaktivitet samt att den nitrifierande kapaciteten är oftast begränsande till följd av långsam bakterietillväxt. På Sjölunda avloppsreningsverk i Malmö utvärderas möjligheten att införa nya kvävereningsprocesser som inte kräver externa kolkällor, som alternativ till den befintliga anläggningen. Samtidigt som nya alternativ evalueras är det även viktigt att studera kapaciteten för den befintliga anläggningen. Genom att utvärdera aktiviteten hos de kväveomvandlande bakterierna kan processernas effektivitet undersökas närmare.

På Sjölunda avloppsreningsverk består denitrifikationsanläggningen av sex linjer av bioreaktorer med rörligt bärarmaterial med två zoner i varje linje. Avloppsvattnet inträder i den första zonen i varje linje och det är även där metanolen tillsätts. Denna studie ämnade att undersöka aktiviteten i denitrifikationsanläggningen med hjälp av ett manometriskt labbtest som mäter tryckökningen, vilken är proportionell mot producerad mängd kvävgas.

Initiala koncentrationsmätningar med nitrat påvisade att aktiviteten var koncentrationsberoende för koncentrationer under 35 mg N/L. För initiala nitratkoncentrationer över 35 mg N/L var aktiviteten konstant. När en konstant aktivitet uppnås har biofilmen blivit fullständigt penetrerad med substrat. Experiment utan tillsatt kolkälla visade en låg denitrifikationsaktivitet vilket påvisade att denitrifierande bakterier kan lagra kol intracellulärt som kan användas vid kolbrist. Experiment utförda utan tillsatt nitrat visade försumbar denitrifikationsaktivitet.

Denitrifikationsaktiviteten mättes på bärare i fyra av anläggningens sex linjer. Aktiviteten visade sig variera mellan de olika linjerna. Vid jämförelse av de olika zonerna upptäcktes det att de första zonerna hade cirka 3-4 gånger högre aktivitet än de andra zonerna. Anledningen till detta antogs vara att de första zonerna har mer tillgång på näringsämnen då avloppsvattnet kommer in den vägen och även att det där som metanol tillsätts.

När driftdatan från verket analyserades under en fyramånadersperiod visade det sig, till skillnad från de experimentella resultaten, att alla linjer hade likvärdiga nitratreduktionseffektiviteter. Slutsatsen var då att variationerna jämnade ut sig då ett längre tidsperspektiv betraktades. Det intressanta med de experimentella resultaten var att skillnader mellan de olika zonerna kunde undersökas närmare då driftdatan endast betraktade varje linje i sin helhet.

• author: Bårdskär, Sofia
• supervisor: Åsa Davidsson
• organization: Chemical Engineering (M.Sc.Eng.)
• course: VVA820 20161
• year: 2016
• type: H2 - Master's Degree (Two Years)
• subject: Technology and Engineering
• keywords: water engineering, environmental engineering, vattenförsörjningsteknik, avloppsteknik
• language: English
• id: 8882798
• date added to LUP: 2016-06-21 15:51:42
• date last changed: 2016-06-21 15:51:42