Biological phosphorus removal from wastewater with a moving bed biofilm reactor process

Abstract

The human population is increasing and more wastewater, rich in nutrients, is produced. Increased levels of nutrients such as phosphorus, nitrogen and organic matter in water bodies present a risk for eutrophication, toxicity to the water-living fauna and oxygen depletion. Therefore, it is important to operate the wastewater treatment plants efficiently to limit the release of nutrients to the receiving waters and decrease the energy demand and environmental impact.
Today, biological phosphorus removal (bio-P) from wastewater is achieved with activated-sludge processes. Bio-P processes with biofilm, such as moving bed biofilm reactors (MBBR) or fixed film reactors, are not yet in use in full-scale but research is ongoing. It is of interest to develop an MBBR phosphorus removal process since the process can have advantages over existing processes. MBBR processes often take less space than activated sludge processes, and less chemicals are needed compared to chemical precipitation. However, the biological phosphorus removal process requires altering of anaerobic and aerobic conditions causing challenges in the process design.
In this study, a semi-continuous moving bed biofilm reactor process for denitrifying phosphorus removal from wastewater was designed and operated. The function of the process along with the capacity of the process was evaluated in terms of aerobic phosphorus uptake rates, anaerobic phosphorus release rates, and anaerobic soluble carbon uptake rates.
No denitrifying phosphorus removal was achieved in the intended experimental setup with the existing conditions. However, after several changes in the experimental setup and in the feed composition the desired bio-P activity was achieved.
The changes that supported the development of desired bio-P activity were the following: 1) The soluble carbon was prevented from being present in the aerobic and deoxidising reactors. 2) The temperature in the reactors was decreased from 15°C to 10°C. 3) More counter ions in form of magnesium and calcium were added to the main influent.
Due to the experimental setup used when the achieved bio-P activity was obtained, no total nutrient removal could be measured. The highest achieved aerobic phosphate uptake rate was 0.13 g/(m2∙d) and it was measured after 76 days. The simultaneous anaerobic phosphate release rate was 0.2 g/(m2∙d) while the highest anaerobic phosphate release rate was 0.35 g/(m2∙d) which was achieved after 91 days. After 76 days, the anaerobic soluble carbon uptake rate was 6.4 g/(m2∙d). The microscopic study showed that some of the biomass contained polyphosphate granules at this time.
The achieved rates, except the soluble carbon uptake rate, were 6-11 times lower compared to the literature. However, the rates were still increasing at the last measurement and the process had not reached its full potential before the study was terminated. The intended process for denitrifying phosphorus removal was not tested after the temperature decrease and addition of counter ions. Therefore, more studies have to be conducted on the intended denitrifying phosphorus removal process to enable evaluation of the potential of the process, and to determine if the treatment requirements can be met.

Popular Abstract (Swedish)

Rening av avloppsvatten från fosfor med bakterier som växer på plastbitar
En ny metod för rening av avloppsvatten från fosfor har designats och utvärderats. Reningsprocessen utnyttjar en speciell bakteries strategi för överlevnad för att på ett miljövänligt sätt rena vattnet från fosfor. Det nya med processen var att dessa bakterier kan växa på små plastbitar.
I takt med att antalet människor ökar så produceras även mer avloppsvatten som är rikt på näringsämnen. De här näringsämnena, där fosfor ingår, kan orsaka bland annat övergödning och syrebrist på bottnarna när de släpps ut i våra vatten. För att vi ska kunna fortsätta njuta av svalkande bad i sjöar och hav utan algblomning under sommaren, krävs det att avloppsreningsverken körs effektivt för att säkerställa låga utsläpp av näringsämnena till våra vatten. Dessutom är det bra om energiåtgången och miljöpåverkan vid reningen kan minimeras.
Metoden som den här reningsprocessen är baserad på, har sin grund i att speciella bakterier tar upp mer fosfor från avloppsvattnet än vad de behöver. De använda bakterierna växer på plastbitar, så kallade bärare, som rör sig fritt i avloppsvattnet. Bakterierna bildar en tunn hinna på bärarna, som kallas för biofilm. Den här typen av process kallas därför biofilmsprocess med rörliga bärare. Avloppsvattnet renas genom att bakterierna äter upp fosforn och förökar sig. När bakterierna blir fler på bärarna kommer en del att lossna och de här bakterierna separeras från vattnet. Processen finns redan för andra typer av bakterier och för rening av andra näringsämnen och fungerar mycket bra.
Det kan finnas flera fördelar med metoden med bakterier på bärare för rening av fosfor jämfört med de i dagsläget använda metoderna där de speciella bakterier lever fritt i vattnet, i så kallade aktivt slam-processer, eller där kemikalier används för att rena vattnet från fosfor. Några av fördelarna är att en sådan anläggning skulle kunna ta mindre plats jämfört med aktivt slam-processer samt att mindre mängder kemikalier används jämfört med processer med kemisk fällning.
En försöksuppställning i laboratorieskala har byggts för att testa om det är möjligt att rena avloppsvatten från fosfor med hjälp av bakterier som växer på bärare. Vattenreningsmetoden utvärderades genom att mäta hur aktiva bakterierna var. I försöksuppställningen som testades först uppmättes inte den önskvärda aktiviteten som fås av den speciella typen av bakterier. Detta betydde att processen inte fungerade och att bakterierna saknade något. Därför ändrades styrningen av processen. Dessutom ändrades innehållet i det konstgjorda avloppsvattnet som användes för att testa processen för att mer likna riktigt avloppsvatten. Några dagar efter ändringarna började bakterierna bli aktiva. Ytterligare en tid senare var de ännu mer aktiva. Detta betyder att den nya sortens process för rening av avloppsvatten från fosfor med bakterier som växer på bärare, fungerar. Dessvärre var den uppmätta aktiviteten lägre, och därmed sämre, än vad som fåtts i andra liknande experiment. Men tiden tog slut och försöket avslutades innan processen utvärderats när den fungerade som bäst. Därmed är det högst troligt att högre aktivitet skulle kunna fås. Det krävs fler experiment för att kunna säga om reningsprocessen tar bort tillräckligt mycket fosfor för att det utgående renade vattnet ska klara kraven som finns.

• author: Arvidsson, Rebecca
• supervisor: Karin Jönsson
• organization: Chemical Engineering (M.Sc.Eng.)
• alternative title: Biologisk fosforavskiljning från avloppsvatten med biofilmsprocess med rörliga bärare
• course: VVA820 20151
• year: 2015
• type: H2 - Master's Degree (Two Years)
• subject: Technology and Engineering
• keywords: biological wastewater treatment, EBPR, MBBR, denitrifying phosphorus removal, vattenförsörjningsteknik, avloppsteknik, water engineering, environmental engineering
• report number: 2015-16
• language: English
• id: 7454789
• date added to LUP: 2015-06-26 15:39:07
• date last changed: 2015-06-26 15:39:07