Limiting Factors in Biological Nutrient Removal from Wastewater

Abstract

Some of the main factors affecting the biological removal of nutrients in wastewater treatment plants have been investigated. The influence of low concentrations of dissolved oxygen and the redox potential on the denitrification, activity of activated sludge was studied in batchwise experiments. Oxygen was found to have a negative effect on denitrification even when present at concentrations lower than could be measured with conventional oxygen probes. A linear relationship was found between the denitrification activity and the redox potential. Furthermore, denitrification with ethanol and methanol as carbon sources was studied in two parallel chemostats, as well as in batch cultivations of pure denitrifying strains. The growth rate with ethanol as carbon source was found to be 2-3 times higher than with methanol, and considerably more stable denitrification was obtained with ethanol. A simple method to determine the volatile fatty acid (VFA) potential, a measure of the readily fermentable organic fraction in domestic wastewater, was developed. This fraction is considered to be of crucial importance for the performance of enhanced biological phosphorus removal (EBPR). The VFA-potential was then measured in different municipal wastewaters, showing typical values for municipal wastewater to be between 50 and 100 mg COD/l. However, large deviations from this range were found to occur in wastewater with a large proportion of industrial effluent. The possibility of increasing the VFA-potential and improving EBPR through enhanced hydrolysis and fermentation of primary sludge in the primary clarifiers was studied in a full-scale treatment plant. An increase in the VFA-potential of 5-10 mg COD/l was observed in the clarifiers operated with enhanced hydrolysis and fermentation, and laboratory-scale fermentation of primary sludge showed that another 15-20 mg/l of VFA-COD could be extracted if the hydrolysis and fermentation processes were to be prolonged and optimized. VFA-potential determinations, in addition to measurements of poly-b-hydroxyalcanoic acids (PHA) and phosphorus, were used in studies of carbon and phosphorus transformations in the same full-scale treatment plant as mentioned above. The results indicated that approximately 20 mg VFA-COD were required to remove 1 mg of phosphorus. In the anaerobic stage of the treatment plant, 1.5 mg of PHA-COD were produced per mg of VFA-COD taken up, and a release of 0.31 mg of phosphate-P per mg of PHA-COD formed was observed.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Övergödning av hav, sjöar och vattendrag beror på att näringsämnen som bl.a. kväve och fosfor tillförs i sådana mängder att ekosystemen kommer i obalans. Tillförseln gynnar en riklig tillväxt av cyanobakterier, tång och sjögräs som sedan vid sin död bryts ner av mikroorganismer som konsumerar syret som finns i vattnet. När syrefria förhållanden har uppstått gynnas andra sorters mikroorganismer t. ex. bakterier som producerar giftigt svavelväte. Förloppet har till följd att döda sjö- och havsbottnar uppkommer. En källa till kväve- och fosforutsläpp är avloppsvatten och därför renas vattnet i reningsverk innan det släpps ut i det mottagande vattendraget. Kraven på hur mycket som får släppas ut har höjts på senare tid. Biologisk rening sker genom att bakterier "äter upp" de organiska substanserna plus en del kväve och fosfor. Av detta bildar de slam som sedan avskiljs från det renade vattnet. För att rena vattnet ytterligare från fosfor används fällningskemikalier som fäller ut fosforn från vattnet. Fällningen separeras också bort. Kvävet kan biologiskt tas bort i högre grad från reningsverken genom att slammet i ett första steg luftas så att vissa sorters mikroorganismerna kan omvandla ammonium i det ingående vattnet till nitrat (nitrifikation). I det följande steget, utan syretillförsel, tar andra bakterier hand om omvandling från nitrat till kvävgas, som sedan avgår till luften (denitrifikation). Fosfor kan också tas bort biologiskt genom att vissa mikroorganismer (bio-P bakterier) under förhållanden som omväxlande är syrefria/syrehaltiga gör ett "lyx-upptag" av fosfor dvs. tar upp mer fosfor än som behövs för den normala ämnesomsättningen och lagrar den extra fosforn i form av långa kedjor av fosfat s.k. polyfosfat. En fungerande biologisk fosforrening är oftast ekonomiskt fördelaktig då utgifter för fällningskemikalier kan sparas in och slammängderna som måste hanteras blir mindre. Biologisk kväve- och fosforrening kombineras ofta i gemensamma processer. Många faktorer och parametrar har betydelse för hur bra kväve och fosfor avskiljs i processen. En viktig faktor i både kväve- och fosforsammanhang är avloppsvattnets halt av organiskt material dvs. det som kommer att ugöra kolkällan för mikroorganismerna senare i reningsprocessen. I kväverening, där denitrifikationen sker efter nitrifikationen behövs oftast en extra kolkälletillsats och metanol är den vanligaste tillsatta kolkällan p.g.a. att den är billig. I labsystem har etanol jämförts med metanol och slutsatsen blev att även etanol är effektiv som kolkälla vid denitrifikation. Den är mer lättillgänglig för bakterierna än metanol och tillväxthastigheten är snabbare för denitrifierarna på etanol än på metanol. I anoxsteget, där denitrifikationen sker, är det viktigt att syrehalten är så låg som möjligt. Syre i mycket små mängder, även så små att det inte går att mäta med traditionella syremätare, kan inverka negativt på denitrifikationen. Vid låga syrehalter kan en parameter som kallas redoxpotentialen vara ett hjälpmedel för att uppskatta syrehalten. Den mäter aktiviteten av en lösnings förmåga att donera eller ta upp elektroner och när referenselektroden i ett mätsystem består av platina så har syre en stark påverkan på potentialen. Denitrifikationsaktiviteten har mätts i ett system där redoxpotentialen har hållits konstant på olika nivåer genom tillsats av luft och ett rätlinjigt samband mellan denitrifikationshastighet och redoxpotential, för ett antal olika slam, kunde ses. I biologiska fosforreningssammanhang är mängden av en viss typ av kolkälla viktig. Bio-P bakterierna gynnas om det finns lättflyktiga syror, t. ex. ättiksyra, propionsyra och smörsyra, i inkommande vatten. Dessa syror bildas när vissa bakterier, förmodligen andra än bio-P bakterierna, bryter ner komplexa föreningar under syrefria och nitratfria förhållanden. Nedbrytningen av de komplexa föreningarna sker främst i den första zonen i bio-P processen, som just skall vara syre- och nitratfri (anaerob). En metod har tagits fram för att kunna mäta ett avloppsvattens potential (VFA-potentialen) för bildning av lättflyktiga syror. Under ett år har olika mätningar gjorts i Helsingborgs reningsverk, Öresundsverket, och ett samband mellan borttagen fosfor ur systemet och VFA-potentialen kunde ses. Mätningar av VFA-potentialen på inkommande vatten till några andra reningsverk som också har biologisk fosforrening har också gjorts. Något klart samband mellan kvoten VFA-potential/inkommande fosforhalt och biologiskt borttagen fosfor kunde där inte ses.

• author: Lie, Ewa
• supervisor: [unknown] [unknown]
• opponent: la Cour Jansen, Jes, Trudeslund 1, DK 3460 Birkeröd, Denmark
• publishing date: 1996
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Industrial Biotechnology
• keywords: VFA-potential, Enhanced biological phosphorus removal, Denitrification, Redox potential, Biological wastewater treatment, Activated sludge, Primary sludge, Biotechnology, Bioteknik
• pages: 62 pages
• defense location: Chemical Center, K:B
• defense date: 1996-05-15 13:15:00
• external identifiers: other:ISRN: LUTKDH/TKBT-96/1028-SE
• language: English
• LU publication?: no
• id: 71fa2af5-a06e-43fa-a082-9f2e715f5bda (old id 28430)
• date added to LUP: 2016-04-04 11:42:26
• date last changed: 2018-11-21 21:06:39