Renewable energy from wastewater grown microalgae - a concept for nutrient recycling and sustainable energy recovery

Abstract

Wastewater is an excellent source of nutrients and energy. By treating the wastewater in a clever way, it is possible to both recycle nutrients and recover energy, and thereby create opportunities for a sustainable system. In conventional wastewater treatment where the activated sludge process is used, aeration is needed and a lot of biomass is produced. In regions with warmer climate, or if low-valuable heat is available for heating this technique could be replaced with an anaerobic one. With anaerobic techniques, less sludge is produced, the need for aeration is decreased and potentially more energy can be recovered.
An increased interest in renewable energy sources has put demand on finding suitable substrates for production of biobased fuels. For this purpose, algal biomass presents interesting characteristics. Algae use sunlight, carbon dioxide and nutrients for growth. One of the hurdles with production of algal biomass is nutrient supply but this can be solved by growing algae in wastewater. In this way two problems are solved: the algae are supplied with nutrients at the same time as nutrient reduction in the wastewater is accomplished.
In this study, the feasibility of integrating an algal step in a wastewater treatment system was evaluated based on a series of laboratory experiments. Further, a concept for wastewater treatment including an Anaerobic Moving Bed Biofilm Reactor (AnMBBR) and algal cultivation was compared to an existing wastewater treatment plant (WWTP).
Nutrient reduction over the algal cultivation showed more than 97% reduction of phosphate and more than 84% reduction of ammonium. Algal harvesting experiments showed that it was possible to efficiently separate algal biomass and treated water by sedimentation for 30 minutes after flocculation by addition of ferric chloride and cationic polymer. These experiments also showed that it was possible to meet the discharge limits for P-tot (0.3 mg/L), N-tot (10 mg/L) and COD (70 mg/L). Harvesting efficiency of up to 96% was achieved.
Methane potential from primary sludge was found to be 295 NmL/gCOD and for untreated microalgae, dominated by Scenedesmus sp., 95-108 NmL/gCOD. In batch tests, no synergistic effects could be seen for co-digestion of algae and primary sludge. The methane yield for algal biomass was increased by 46% when pretreated at 120°C for 30 minutes and by 74% when pretreated at 170°C for 30 minutes.
Evaluation of the proposed concept showed that the ratio between primary sludge and algae would be 32:68 on volatile suspended solids basis, if algae are grown 12 months per year. Compared to a conventional WWTP which uses the activated sludge process, the yield of methane was 35% higher without pretreatment, and up to 75% higher if pretreatment is applied. Finally, it was found that microalgae have a great potential for biogas production compared to some energy crops. The energy potential of algae was found to be 60-160 MWh/(ha year) depending on pretreatment and cultivation period (8-12 months/year).

Popular Abstract (Swedish)

I dagens samhälle används stora mängder vatten som måste renas innan det släpps tillbaka ut i naturen. Rening av vattnet sker i avloppsreningsverk som ska minska mängden organiskt material och mängden näringsämnen i vattnet innan det släpps ut. Om vattnet inte renas finns det en risk för negativ påverkan på sjöar och vattendrag, t.ex. övergödning.

Fosfor är ett av de näringsämnen som finns i avloppsvatten och som ofta behöver tillsättas som gödsel i jordbruk. Genom att återvinna fosforn som finns i avloppsvatten minskar belastningen på jordklotets ändliga fosforreserver. En annan vinst med att återvinna näringsämnen från avloppsvatten är att energiförbrukningen kan minska. Vanligtvis fixeras kväve från luften, i en energikrävande process, för att användas som gödningsmedel. Om kvävet i avloppsvattnet istället används minskar energiförbrukningen.

Eftersom efterfrågan på förnybara energikällor ökar, krävs det nya system för att möta efterfrågan. Genom att betrakta avloppsvatten som en resurs finns det positiva vinster att göra. Det organiska materialet i avloppsvattnet kan omvandlas till biogas genom att det behandlas i syrefri miljö. Biogasen kan användas för att generera el och värme eller som fordonsbränsle. I konventionell avloppsvattenrening används ofta ett luftat steg där mycket av energin går förlorad. Genom att byta ut detta steg mot ett syrefritt kan mer av energin tas tillvara. Detta är möjligt i lite varmare klimat, eller om spillvärme finns tillgänglig för uppvärmning.

Vidare har det även föreslagits att biobaserade bränslen, t.ex. biogas kan produceras från mikroalger. Mikroalger är mikroskopiskt små organismer som på samma sätt som växter utnyttjar fotosyntesen. Det betyder att de med hjälp av solljus kan omvandla koldioxid och vatten till kolhydrater. Förutom koldioxid och solljus behöver algerna näringsämnen såsom kväve och fosfor. Ett problem har varit att på ett hållbart sätt förse algerna med tillräckliga mängder näringsämnen. Därför har det föreslagits att alger kan odlas i avloppsvatten. På detta sätt uppnås två mål samtidigt; vattnet renas och algerna förses med den näring de behöver. När algerna tagit upp näringsämnena från avloppsvattnet, separeras algbiomassan och används för biogasproduktion. Vattnet har blivit renat och kan släppas ut utan att påverka den omgivande naturen negativt.

Biogasprocessen kallas även rötning. Det som blir kvar efter att det organiska materialet omvandlats till biogas kallas rötrest. Rötresten innehåller de näringsämnen som fanns i materialet från början. Detta betyder att det går att skapa ett kretslopp om alger används för näringsreduktion i avloppsvattenrening. Algerna tar upp näringen från vattnet när de växer. När algerna sedan rötas omvandlas den organiska delen av algerna till biogas och näringsämnena stannar kvar i rötresten. Rötresten kan användas som gödningsmedel och biogasen kan användas till el- och värmeproduktion eller som fordonsbränsle. När biogasen förbränns avges koldioxid men eftersom algerna tar upp koldioxid när de växer, fås även ett kretslopp för kol. För att öka tillväxten hos algerna kan extra koldioxid tillsättas i odlingen.

Syftet med detta examensarbete var att undersöka om det går att rena avloppsvatten med hjälp av mikroalger och sedan använda mikroalgerna för produktion av biogas. Den experimentella delen av arbetet fokuserade på hur algerna kan separeras från vattnet, hur mycket biogas som kan produceras och hur värmebehandling av algerna påverkar hur mycket biogas som bildas. Resultaten ledde fram till en jämförelse mellan ett befintligt avloppsreningsverk och en möjlig ny design. Resultaten visade att tillräckligt hög reningsgrad gick att uppnå med hjälp av alger och att den totala mängden biogas som kunde utvinnas var högre än vid det befintliga verket som användes vid jämförelsen. Det visade sig också att det gick att utvinna mer biogas genom att värmebehandla algerna. Även om vidare utredningar behövs så verkar avloppsvattenrening med hjälp av mikroalger och biogasproduktion från algerna vara ett mycket lovande koncept.

• author: Lidén, Stina
• supervisor: Åsa Davidsson; Martina Uldal
• organization: Chemical Engineering (M.Sc.Eng.)
• course: VVA820 20151
• year: 2015
• type: H2 - Master's Degree (Two Years)
• subject: Technology and Engineering
• keywords: sustainable wastewater treatment, vattenförsörjningsteknik, avloppsteknik, renewable energy, nutrient reduction, nutrient recycling, microalgae, AnMBBR, biogas
• language: English
• id: 5472626
• date added to LUP: 2015-06-16 09:17:26
• date last changed: 2015-06-18 14:04:26