Nitritation and denitritation in sludge liquor treatment
(2011)- 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... (More) - 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. (Less) - 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... (More) - 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. (Less)
Please use this url to cite or link to this publication:
https://lup.lub.lu.se/record/1886546
- author
- Gustavsson, David LU
- supervisor
- 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
- publishing date
- 2011
- type
- Thesis
- publication status
- published
- subject
- 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
@phdthesis{a8e32c35-9cd9-4a57-8dbb-ee16c5478c5a, 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. <br/><br> 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.<br/><br> 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. <br/><br> 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.}}, author = {{Gustavsson, David}}, isbn = {{978-91-7422-268-5}}, keywords = {{nitritation; denitritation; nitrous oxide; nitric oxide; nitrogen dioxide; wastewater; sludge liquor}}, language = {{eng}}, school = {{Lund University}}, title = {{Nitritation and denitritation in sludge liquor treatment}}, year = {{2011}}, }