Urine nitrification: Start-up with high strength urine

Abstract

The importance of recycling nutrients becomes more important as the finite resources starts running out, and recycling of urine nutrients is an important factor in developing a sustainable society that takes advantage of nutrients already existing in the system. Urine only represents one percent of the domestic wastewater volumetric flow, but contains 80 % of the nitrogen, 50 % of the phosphorus and 60 % of the potassium of the total wastewater.

Urine nitrification with following distillation is one of the promising methods of retrieving the nutrients from urine on a large scale. The end product is a very concentrated liquid or dry fertiliser that can be used on agricultural lands and substitute the commercial fertilisers springing from finite sources and industrial nitrogen fixation.

In this study, the aim was to develop the urine nitrification process by studying the dynamics during start-up with high strength urine. Two reactors were operated simultaneously with the only difference in influent concentrations of urine; one with 25 % urine to water and the second one with 50 % urine. The inflow was controlled with pH regulated pumps.

The reactors showed similar patterns with an initial rapid increase in nitrification rate which decreased significantly after a few days of operation, probably due to the high concentrations of nitrate, ammonium and salts in both reactors. The nitrification rates increased when the pH set-point was adjusted from 6.2 to 6.3, which influenced the availability of the substrate ammonia. During changes in pH the nitrite concentrations increased with a subsequent increase of nitrous oxide concentration. The maximum nitrification rate was 0.63 g NO3--N m-2 d-1 with a total nitrogen concentration of approximately 4,400 mgN L-1 in the reactor.

In order to incorporate a fast start-up with high strength urine it is recommended to regulate the inflow pump with a pH set-point of 6.3, possibly higher, and after a sufficient nitrification rate is reached the pH set-point should be set to lower values to keep a stable balance between ammonia and nitrite oxidising bacteria. By having low nitrite accumulation nitrogen loss in form of nitrous oxide emissions can be avoided.

Popular Abstract (Swedish)

På dagens avloppsreningsverk används i stor grad bakterier för att bli av med kväve i avloppsvattnet och på så sätt minska risken för övergödning och algblomning i våra sjöar, vattendrag och havsområden. Den biologiska reningsmetod som är vanligast idag leder dock till att en stor del av näringsämnet kväve går förlorat upp i luften i form av kvävgas tillsammans med en viss del lustgas. Lustgas är en farlig växthusgas som ger 300 gånger värre växthuseffekt än koldioxid.

Att skicka användbara näringsämnen upp i luften känns onödigt, så för att ta bättre tillvara på dem kan man stabilisera och torka urin för att sedan kunna sprida ett utmärkt gödningsmedel på våra åkrar.

I denna studie har urin omvandlats av bakterier. Nyckeln kallas nitrifikation och går ut på att bakterierna äter ammoniak och andas syre för att överleva, och lämnar efter sig ämnen som vi kan gödsla våra åkrar med. Ammoniak är en flyktig gas som finns i lagrad urin och den försvinner lätt upp i luften om obearbetad urin skulle transporteras och spridas på åkrar.

Projektet gick ut på att starta nitrifikationsprocessen med starkt koncentrerat urin. Tidigare har man startat processen genom att späda urinen med mycket vatten för att sedan öka styrkan successivt. Detta har gjorts för att vänja bakterierna vid de nya levnadsförhållandena, problemet är dock att en sådan uppstart tar lång tid. Vid ett reningsverk är det önskvärt att kunna behandla den inkommande urinen direkt, och en snabb uppstart är då av yttersta vikt. Detta är ett sätt att spara på lagringsutrymme och slippa vänta på ”morgontrötta” bakterier, och risken för ammoniakförluster skulle också minska. I studien var målet också att undersöka lustgasutsläpp då den har en betydande miljöpåverkan.

I undersökningen jobbade bakterierna på bra i början, men efter drygt en vecka sjönk de i arbetstakt. I väntan på att de skulle återhämta sig bestämde vi oss för att höja pH-värdet i reaktorerna. pH är en väldigt betydande faktor i processen och styr många samband, bland annat hur mycket mat (ammoniak) som är tillgänglig för bakterierna. Efter höjningen av pH ökade arbetstakten markant. pH-nivån visade sig också påverka mängden lustgas som producerades i processen och resultaten indikerade på att lustgasutsläpp kan minimeras om pH-nivån är stabil och hålls på relativt låg nivå.

Än är uppstart med starkt koncentrerad urin i en utvecklingsfas och i framtida forskning behöver beroendet av pH-nivån undersökas närmre. Kanske är du personen som för stafettpinnen vidare? I så fall går det bra att börja så smått hemma och allt det nödvändiga du behöver för att tillverka en egen hemmareaktor är följande: två plastdunkar, spann, elvisp, akvariepump, slangar och ett gäng plastkorkar från exempelvis PET-flaskor eller mjölkpaket som bakterierna kan växa på. Och urin såklart. Hemmareaktorn är troligtvis inte lika effektiv som reaktorn i den här studien, så förvänta dig inga snabba resultat!

• author: Olsson, Axel
• supervisor: David Gustavsson; Karin Jönsson
• organization: Chemical Engineering (M.Sc.Eng.)
• course: VVA820 20171
• year: 2017
• type: H2 - Master's Degree (Two Years)
• subject: Technology and Engineering
• keywords: high strength, start-up, stabilisation, urine, nitrification, water engineering, environmental engineering, avloppsteknik
• language: English
• id: 8919320
• date added to LUP: 2017-07-13 11:07:12
• date last changed: 2017-07-13 11:07:12