Inhibition of Nitrification in Industrial Wastewater - Identification of Sources

Abstract

The discharge of industrial wastewaters (WWs) to wastewater treatment plants (WWTPs) can be problematic due to their sometimes elevated concentrations of toxic compounds compared to municipal wastewater. Also, industrial WWs often contain compounds that are unique to the specific production, and the receiving WWTP is not always designed to remove these compounds. Hence, there is a risk that these compounds pass through the WWTP untreated. In addition, they tend to accumulate in the sludge, decreasing its quality and suitability as fertilizer. These compounds can also disturb the biological processes utilized at the treatment plant, making the removal of nutrients as for instance nitrogen perform worse. A consequence of this can be that elevated concentrations of these nutrients are discharged from the WWTP, ultimately causing eutrophication and oxygen depletion in the receiving water body.

In this study, the inhibitory effect on the nitrification process by industrial WW from the company Nolato MediTor was investigated. Nitrification is a process commonly used at WWTPs to remove nitrogen, and it is used at the WWTP receiving WW from Nolato MediTor. Previous measurements have shown that the WW is inhibitory to the nitrification process; particularly the leaching WW have given high inhibition of nitrification. In this study, the investigation was taken one step further in an attempt to distinguish what is causing the
inhibition and the fluctuations of inhibition in different internal streams at the industry.

Laboratory tests with activated sludge were set up in order to mimic the nitrification process as carried out at WWTPs, and the inhibition among the different streams of WW were studied. In addition, solutions of single compounds were prepared and the inhibition in those were compared to the inhibition in the streams of industrial WW to estimate the individual
contribution from several chemical components used at the industry. Analyses were performed regarding composition of nitrate, nitrite, ammonium and chemical oxygen demand (COD) in the test substances. Finally, the combined and separate effects from nitrate and nitrite, which are both present in the industrial WW in comparatively high concentrations, were studied in an additivity test in order to find out if the inhibitions from these compounds can be summed in
order to estimate the total inhibition, or, alternatively, if they counteract or amplify the inhibition of one another, called antagonism and synergism, respectively. The standard test was further modified so that it applies to the non-linear dependence of inhibition on concentration of nitrate and nitrite, and the compounds were found to act additive at the low concentrations studied, while they tended towards antagonism at higher concentrations.

Abstract (Swedish)

Utsläpp av industriellt avloppsvatten till avloppsreningsverk kan medföra problem då det ofta innehåller förhöjda koncentrationer av toxiska ämnen jämfört med avloppsvatten från hushåll. Industriellt avloppsvatten innehåller även ofta kemiska ämnen som är specifika för produktionen i fråga. Det mottagande reningsverket är inte alltid utformat för att rena dessa ämnen, vilket gör att de riskerar att passera verket utan att renas. Utöver detta tenderar dessa ämnen att ackumuleras i slammet, vilket försämrar dess kvalitet och minskar dess lämplighet att användas som gödningsmedel. Dessa ämnen kan även störa de biologiska processerna som utförs på reningsverket och hämma reningen av näringsämnen som till exempel kväve. En konsekvens kan bli att förhöjda koncentrationer av näringsämnen släpps ut från reningsverket som i sin tur leder till övergödning och syrebrist i mottagande vatten.

I detta examensarbete har nitrifikationshämningen i industriellt avloppsvatten från företaget Nolato MediTor utretts. Nitrifikation är en vanlig reningsmetod för att ta bort kväve och den används på det reningsverk som tar emot avloppsvatten från Nolato MediTor. I tidigare studier har industrivattnet visat sig vara hämmande för nitrifikationsprocessen, och speciellt lakvattnet som innehåller mycket kemikalier var nitrifikationshämmande. I den här studien har
undersökningen utökats till att utreda orsaken till hämningen, hur den är kopplad till användningen av olika kemikalier samt variationen av hämning i de olika delströmmarna i fabriken.

Försök i laboratorium med aktivt slam sattes upp för att simulera nitrifikationsprocessen som den utförs på avloppsreningsverk, och hämningen i prover från de olika strömmarna med avloppsvattnen studerades. Även rena kemikalier som används i produktionen testades i hämningsförsök och hämningen av dem jämfördes sedan med den i avloppsvattnet för att uppskatta bidraget till den totala hämningen från dessa kemikalier. Analyser av nitrat, nitrit, ammonium och kemisk syreförbrukning (COD) utfördes också på testsubstanserna. Slutligen studerades den kombinerade och de separata hämningseffekterna från nitrat och nitrit, vilka båda finns i jämförbart höga koncentrationer i det industriella avloppsvattnet, i ett additivitetstest för att ta reda på om de individuella hämningarna kan summeras för att uppskatta den totala hämningen från dessa ämnen, eller alternativt, om de motverkar eller förstärker varandras hämning, känt som antagonism och synergism. Standardtestet var vidare modifierat för att passa det icke-linjära sambandet mellan hämning och koncentration av nitrat och nitrit, och ämnena visade sig vara additiva vid de låga koncentrationerna som studerades, medan de tenderade mot antagonism vid högre koncentrationer.

Popular Abstract (Swedish)

På jakt efter orsaken till hämningen av kvävereningsbakterierna

Med helikopter och förstoringsglas har vi undersökt avloppsvattnet på företaget Nolato MediTor. Reningsverkets krav är inte uppfyllt! Vad finns i vattnet?

Under 20 veckor har vi arbetat med att analysera ett kemiskt avloppsvatten från ett latexföretag. Det giftiga avloppsvattnet har orsakat problem på det kommunala reningsverket, där bakterierna inte mått så bra. Giftigheten har undersökts genom så kallad nitrifikationshämning, som betyder avloppsvattnets effekt på kvävereningen. Då vi blandat slam (bakterier) med avloppsvattnet så fungerar inte bakteriernas nitrifikationsprocess som den ska. Kväverening fungerar långsammare när nitrifikationsbakterierna utsätts för höjda koncentrationer av ämnen som på ett eller annat vis hamnat i avloppsvattnet. Till exempel utsläpp från industriföretag. Avloppsvattnets hämning varierade mycket i våra mätningar och vi har undersökt varför avloppsvattnet från företaget är hämmande. Höga koncentrationer av nitrat visade sig vara en orsak. Även nitrit var hämmande, men i lägre koncentrationer. Båda dessa komponenter återfinns i avloppsvattnet i de koncentrationer som gav hämning i våra tester.

För att bättre förstå hämning av nitrat och nitrit, de ämnen vars koncentrationer och hämning är kända, satte vi upp ett additivitetstest. Det fick goda resultat. När den totala hämningen i vattnet inte är stor, kan hämningen av nitrat och nitrit adderas med varandra och den sammanlagda hämningen kan alltså räknas ut. Vi har också utfört tester med kemikalier som används i latexproduktionen, som visade sig hämmande, men dessa vet vi inte koncentrationerna av i avloppsvattnet. Därför är det svårt att säga om de utgör en del av hämningen i avloppsvattnet.

Att använda bakterier som reningsmetod är både vanligt och smart, men då måste man se till att bakterierna mår bra. Det problem som uppstår då hämmande ämnen släpps ut till reningsverk är att verket kanske inte kan hålla sina utsläppskrav, av till exempel kväve. Många bäckar små, blir en stor å! För mycket kväve som kommer till vattendrag orsakar övergödning, algblomning och syrefria bottnar, vilket i sin tur försämrar våra ekosystem. I Sverige har vi ett miljömål som
heter Levande sjöar och vattendrag. Vi vill kunna lämna efter oss ett samhälle till nästa generation, som är hållbart och minst lika bra som när vi växte upp. Därför är det viktigt att ta miljömässigt ansvar.

Företaget behöver komma till rätta med vad som finns i avloppsvattnet för att hitta en reningsmetod att avgifta avloppsvattnet med. Då kan de med gott samvete fortsätta producera latex och de viktiga produkter de tillverkar – de är faktiskt världsledande inom medicinska andningsblåsor! Nu har de en pusselbit på plats av alla de kemikalier som orsakar toxiciteten, och det bästa vore om de la krut på att göra fler analyser för att sedan välja rätt reningsmetod. Vi har även hittat en del pusselbitar som inte alls tycks passa i pusslet; höga koncentrationer av
nitrit vi inte kan hitta källan till, och knepiga förhållanden mellan giftighet i delströmmar på fabriken; det krävs alltså mer detektivarbete.

• author: Aspelin, Vidar and Ekholm, Jennifer
• supervisor: Karin Jönsson
• organization: Chemical Engineering (M.Sc.Eng.)
• course: VVA820 20171
• year: 2017
• type: H2 - Master's Degree (Two Years)
• subject: Technology and Engineering
• keywords: nitrite, nitrate, industrial wastewater, inhibition of nitrification, additivity, nitrifikationshämning, water engineering, environmental engineering, vattenförsörjningsteknik, avloppsteknik
• report number: 2017-05
• language: English
• id: 8919869
• date added to LUP: 2017-08-18 09:34:19
• date last changed: 2017-08-18 09:34:19