Pilot scale partial denitratation coupled anammox: an evaluation

Abstract (Swedish)

På avloppsreningsverk (ARV) som tillämpar kväverening är den vanligaste tekniken nitrifikation följt av denitrifikation. Denna process kräver omfattande luftning, vilket både är elintensivt och minskar mängden biogas som kan utvinnas. Anaerob ammoniumoxidation (anammox) är en alternativ reningsmetod som minskar luftningsbehovet genom att nitrit används som elektronacceptor istället för syre i oxidationen av ammonium direkt till kvävgas. Anammox har fått stort genomslag i rening av varma avloppsströmmar med hög ammoniumhalt, så som i behandlingen av rejektvattnet som uppstår efter biogasrötning. Om anammox skulle tillämpas i rening av huvudströmmen på ARV finns potential att göra hela processen energipositiv, dvs. att mer energi utvinns som biogas än som går åt i behandlingen. Detta har i praktiken visat sig vara svårt att genomföra och mycket forskning bedrivs idag på området. En lovande tillnärmning är anammox kopplat till partiell denitrifikation (PDA), dvs. att nitrit produceras till anammox genom den partiella denitrifikationen av nitrat till nitrit.

Detta examensarbete utvärderar prestationen till PDA-piloten vid Källby ARV i Lund under en 11 veckors period. Piloten består av tre MBBR reaktorer (moving bed biofilm reactor) som utför COD-rening, nitrifikation och PDA. Inflödet till piloten togs flödesproportionerligt från reningsverket efter gallring och förfiltration.

Piloten ympades med nya bärare från en befintlig rejektvattensbehandling och följdes sedan under 11 veckor. Under denna tid utfördes regelbundna aktivitetstest på bärare från piloten i labbet. En cykelstudie genomfördes även mot slutet av perioden för att undersöka aktiviteten i själva piloten samt dygnsvariationen i aktivitet. Detta gjordes genom att prover togs vid flera punkter i piloten under en dag.

En betydande anammoxaktivitet (SAA) fanns kvar i biomassan vid undersökningens slut, i labbförsök uppmätt till 0.68 ± 0.11 g N₂-N · m⁻² · d⁻¹ samt i piloten den lägre aktiviteten 0.07 g N₂-N · m⁻² · d⁻¹. Detta visar att anammoxorganismerna inte helt utkonkurrerades från biomassan av denitrifierare. Från nivåer nära noll utvecklades en denitratations- och denitritations-aktivitet fram under undersökningsperioden med slutgiltiga värden på 0.60 and 0.35 g N · m⁻² · d⁻¹, med acetat som kolkälla. Skillnaden mellan dessa värden indikerar att biomassan är förmögen att tillgodose anammox med nitrit. Kvävereningshastigheten beräknades på tre olika sätt till 85 - 34 % lägre än denitrifikaitonshastigheten vid närliggande ARV. Detta visar att piloten inte uppnådde tillräckliga reningshastigheter för att kunna implementeras i stor skala.

Labbtesten visade att biomassan var mycket nitritkänslig. Anammoxaktiviteten undersöktes vid initiala nitritkoncentrationer på 25 och 75 mg N · L⁻¹. Aktiviteten vid den högre initiala koncentrationen var 94 % mindre än vid den lägre initiala koncentrationen. Detta är en lägre inhibitionskoncentration än vad som generellt anges i litteraturen och visar på vikten att undersöka nitritinhiberingskoncentrationen hos en specifik biomassa innan anammoxaktivitet mäts.

Abstract

In wastewater treatment plants (WWTP) which implement nitrogen removal, the most common process is nitrification followed by denitrification. This requires extensive aeration which comes at a large energy cost while at the same time reducing biogas potential. Anaerobic ammonium oxidation (anammox) is an alternative treatment process that requires significantly less aeration by using nitrite as an electron acceptor in the oxidation of ammonium to diatomic nitrogen gas. It has been successfully and widely implemented in the treatment of ammonium rich sidestreams that have a high temperature, such as sludge liquor from dewatered digester sludge. Implementation of anammox in the mainstream at wastewater treatment plants has the potential to result in an energy-positive process, where more energy is recovered as biogas than is used in the wastewater treatment. Practical implementation however remains challenging and the focus of much research. One promising approach is anammox coupled to partial denitrification (PDA) where nitrite is provided to anammox through the partial denitrification of nitrate to nitrite.

This thesis evaluates the performance of a mainstream PDA pilot at Källby WWTP (Lund, Sweden) during a period of 11 weeks. The pilot consists of three moving bed biofilm reactors configured for COD removal, nitrification and PDA and was fed flow proportionately to the WWTP with mainstream wastewater taken after screening and primary filtration.

After inoculation with biofilm carriers taken from a sidestream process the anammox, denitratation and denitritation activity were followed over the course of 11 weeks using ex-situ batch activity tests. A cycle study was also conducted in which samples were taken from the pilot regularly over the course of a day in order to observe activity and activity variation in-situ.

A significant specific anammox activity remained in the biomass at the end of the experimental period with batch tests showing 0.68 ± 0.11 g N₂-N · m⁻² · d⁻¹. A low anammox activity of 0.07 g N₂-N · m⁻² · d⁻¹ was also calculated to be present in-situ during the cycle study performed towards the end of the 11 week period. This indicates that anammox bacteria were not completely outcompeted in the biomass by denitrifiers. Over the course of the experimental period ex-situ tests showed the development of denitrification activity from low levels with max denitratation and denitritation reaching 0.60 and 0.35 g N · m⁻² · d⁻¹ respectively using acetate as the carbon source. The difference in these rates indicates the biomass is capable of supplying nitrite to anammox. The in-situ nitrogen removal rates were calculated in three different ways, yielding rates 85 - 34 % lower than the denitrification rates at nearby WWTPs. These low values suggest that the pilot was not able to achieve sufficiently high removal rates to be practically implementable.

It was revealed in ex-situ tests that the pilot biofilm was very sensitive to nitrite inhibition. The anammox activity was investigated at two different initial nitrite concentrations, 25 and 75 mg N · L⁻¹ and the activity at the higher initial concentration was 94 % lower than that at the lower initial concentration. This is a lower inhibitory concentration than commonly reported in the literature and underscores the importance of investigating nitrite inhibition concentrations of a specific biomass prior to testing anammox activity.

Popular Abstract (Swedish)

Ett steg närmare framtidens reningsverk?
Värme till våra hem, bränsle till fordonen, näring till våra åkrar, levande floder och hav - framtidens reningsverk kan bli en stor tillgång i klimatomställningen. Men för att nå dit krävs nya reningstekniker som bättre tar vara på de resurser som finns i avloppsvattnet. Vägen från idé, via labbet och till full skala i reningsverken är lång och stundtals krokig. I ett spännande samarbete mellan Lunds Tekniska Högskola och forskning och utvecklingsbolaget Sweden Water Research har ett examensarbete utvärderat en sådan process - är vi ett steg närmare framtiden?

En av avloppsreningsverkens funktioner är att minimera vår miljöpåverkan. Det innebär att avlägsna ämnen som kväve, fosfor och kol från avloppsvattnet. Om dessa släpps ut i naturen kan de leda till övergödning och allvarliga miljöproblem som t.ex. algblomning och syrebrist i Östersjön. Samtidigt utgör dessa ämnen en potentiell resurs - kväve och fosfor är viktiga näringsämnen för jordbruket. Kol kan omvandlas till biogas och därmed användas till att producera fjärrvärme, el eller användas som fordonsbränsle.

Idag är det vanligt att kväve avlägsnas i två biologiska reningssteg. Kväve finns löst i avloppsvatten i form av ammonium och i första steget omvandlar mikroorganismer det till nitrat. Detta kräver syre och därför syresätts det första reningssteget genom att pumpa in luft. I andra steget omvandlar andra mikroorganismer i en syrefri miljö nitratet först till nitrit och sedan till kvävgas som släpps ut i atmosfären. Atmosfären består redan av ca. 78 % kvävgas så där gör den ingen skada. Ett problem med denna reningsteknik är att det kräver stora mängder el att pumpa in den luft som behövs. Ett annat problem är att den syrerika miljön leder till att det frodas bakterier som äter upp det mesta av kolet och omvandlar det till koldioxid. Då finns det mindre kol kvar att göra biogas av.

På 90-talet upptäcktes ett nytt sätt att omvandla ammonium till kvävgas, det fick heta anammox. Mikroorganismerna som utför anammox behöver matas med hälften ammonium och hälften nitrit och kan då i en syrefri miljö omvandla dessa till kvävgas direkt. Endast hälften av avloppsvattnet behöver då luftas och därmed går det endast åt ca. hälften så mycket el, samtidigt som mer kol blir över för att göra biogas på. Men anammox är en mycket känslig process och än så länge har det mest fått genomslag i det lilla hörn på reningsverken som behandlar det varma, ammoniumrika rejektvattnet som blir över efter biogasrötning. De stora besparingarna finns i att lyckas få till anammox i behandlingen av allt vatten på reningsverket.

Under 2021 byggde Sweden Water Research en pilotanläggning på Källby ARV i Lund för att undersöka möjligheterna till just detta. I ett examensarbete vid LTH studerade den blivande civilingenjören Tobias Ellingsen pilotanläggningen. Resultaten visade att anammox förekom i piloten och bidrog med ca. 23 % av kvävereningen. "Det är lovande att anammox organismerna överlevde i piloten" säger Tobias, men tillägger att både högre reningsgrad och högre bidrag från anammox kommer krävas innan processen kan tas i bruk i större skala. Piloten finns kvar för vidare forskning och kan ses som ett litet steg mot vad som kan komma att bli en viktig del av framtidens reningsverk.

• author: Ellingsen, Tobias
• supervisor: Per Falås; David Gustavsson
• organization: Chemical Engineering (M.Sc.Eng.)
• course: VVAM05 20212
• year: 2022
• type: H2 - Master's Degree (Two Years)
• subject: Technology and Engineering
• keywords: mainstream anammox, partial denitratation anammox, partial denitrification anammox, PDA, nitrite inhibition, anammox, water and environmental engineering
• report number: 2022-01
• language: English
• id: 9075055
• date added to LUP: 2022-02-10 09:51:05
• date last changed: 2022-02-10 09:51:05