Evaluating the suitability of carbon source from fermentation of primary filter sludge for biological nutrient removal

Abstract

Traditional biological nutrient removal (BNR) processes in wastewater treatment require access to easily biodegradable carbon in order to achieve sufficient removal. However, a lot of the carbon in the influent wastewater is not directly available for BNR bacteria but need to undergo hydrolysis first. Several studies have investigated the possibility to produce an internal carbon source from the generated sludge at wastewater treatment plants (WWTP). The novel process combination of prefiltration and acidogenic fermentation of filtered primary sludge is investigated at a pilot plant at Källby WWTP in Lund, Sweden. The sludge is fermented in two reactors with different retention times, and contains a lot of volatile fatty acids, such as acetate and propionate. The suitability of the produced fermentate for usage in BNR processes was evaluated using batch activity tests.

Nitrate uptake rate (NUR) tests were performed to determine denitrification rates and removal efficiencies with different substrates. The highest specific denitrification rates were obtained with the fermentates, in the range of 7-8.9 mg NO3--N eqv/g VSS·h, compared to 5.6 and 4.0 mg NO3--N eqv/g VSS·h observed in the tests with acetate and propionate respectively. A mixture of acetate and propionate gave rise to a similar rate as the fermentates (7.8 mg NO3--N eqv/g VSS·h), indicating that more complex carbon sources containing many different VFAs stimulates higher rates, as observed in other studies. Similar nitrate removal efficiencies were observed with all carbon sources, in the range of 83-95 % after 3.5 hours.

In the test comparing influent wastewater with filtered wastewater, the highest denitrification rate was obtained with filtered wastewater (4.6 compared with 3.5 NO3--N eqv/g VSS·h), which could indicate a slight increase in readily available COD after filtration. However, the overall removal efficiency was higher in the test with influent wastewater (83% compared to 77%), reflecting the higher content of slowly biodegradable COD in the influent.

Additionally, the removal efficiency of the filtered wastewater increased by 13% with the applied addition of fermentate (45 mg COD/L), also taking into account the reduced availability of the added carbon due to a small increase in nutrient loading. The total COD content was significantly lower in this case compared with influent wastewater, indicating a more efficient COD utilisation.

The EBPR activity was tested in anaerobic P release tests. The observed P release rates were low. The tests were inconclusive to determine the suitability of the fermentate as a carbon source for EBPR.

Overall, the fermentates showed good potential to be used as carbon sources for denitrification. More studies are needed to evaluate the applicability of the method in full-scale.

Abstract (Swedish)

Traditionell biologisk näringsavskiljning inom avloppsvattenrening, såsom denitrifikation och biologisk fosforavskiljning (EBPR), kräver tillgång på lättnedbrytbart kol för att bra reningsgrad ska uppnås. Dock är en stor andel av kolet i det inkommande avloppsvattnet partikulärt och måste hydrolyseras innan det blir tillgängligt för bakterierna i den biologiska reningen. Flera studier har studerat möjligheten att producera intern kolkälla från slam från avloppsreningsverken. En ny processkombination av förfiltrering och fermentering av filtrerat primärslam undersöks i en pilotanläggning på Källby avloppsreningsverk i Lund, Sverige. Slammet fermenteras i två reaktorer med olika uppehållstid, och innehåller stora mängder lättflyktiga fettsyror, såsom acetat och propionat. För att bedöma det producerade fermentatets lämplighet för användning i den biologiska reningen av näringsämnen har aktivitetstester i labbskala utförts.

Nitrate uptake rate (NUR) tester utfördes för att bedöma denitrifikationshastighet och avskiljningsgrad med olika kolkällor. De högsta specifika denitrifikationshastigheterna uppnåddes med fermentat: 7-8,9 mg NO3--N eqv/g VSS·h. I testerna med acetat och propionat som kolkälla observerades hastigheter på 5,6 respektive 4,0 mg NO3--N eqv/g VSS·h. En blandning av acetat och propionat uppvisade liknande hastighet (7,8 mg NO3--N eqv/g VSS·h) som fermentaten. Detta indikerar att mer komplexa kolkällor som innehåller många olika lättflyktiga fettsyror stimulerar högre hastigheter, vilket också har observerats i andra studier. Liknande avskiljningsgrad av nitrat observerades med alla kolkällor, mellan 83-93% avskiljning efter 3,5 timmar.
I jämförelsetest med inkommande och filtrerat avloppsvatten uppnåddes högre denitrifikationshastighet med filtrerat avloppsvatten (4,6 jämfört med 3,5 mg NO3--N eqv/g VSS·h). Detta skulle kunna påvisa att en liten ökning i lättillgängligt COD sker vid filtrering. Dock var den totala avskiljningsgraden högre i testet med inkommande avloppsvatten (83% jämfört med 77%), vilket troligtvis beror på det större innehållet av långsamt nedbrytbart COD i det inkommande vattnet.

Genom att tillsätta fermentat (45 mg COD/L) till det filtrerade avloppsvattnet så ökade avskilj- ningsgraden av nitrat med 13%. Hänsyn har tagits till att en liten ökning i näringsbelastning sker vid tillsättning av den interna kolkällan. Det totala COD innehållet var betydligt lägre i detta fall jämfört med inkommande avloppsvatten, vilket indikerar ett mer effektivt utnyttjande av COD.

EBPR aktiviteten testades genom anaerobiska P-släpp tester. De observerade hastigheterna av P-släpp var låga. Resultaten från testerna var inte tillräckliga för att kunna bedöma fermentates lämplighet som kolkälla för EBPR.

Överlag visade fermentaten god potential att kunna användas som kolkälla för denitrifikation. Flera tester behövs för att utvärdera metodens tillämpbarhet i fullskala.

Popular Abstract (Swedish)

Förbättra arbetsförhållandena för mikroberna i avloppsvattnet!

Som i så många andra delar i livet är det våra vänner mikroberna, de encelliga organismerna, som gör grovjobbet i de flesta av våra avloppsreningsverk. Det är de som renar vårt skitfyllda vatten från näringsämnen som kol, kväve och fosfor, och är på så sätt riktiga miljökämpar. Utan deras viktiga arbete skulle vi släppa ut alldeles för mycket näring i våra sjöar och vattendrag, och riskera övergödning och bottendöd. Men för att få en så effektiv rening som möjligt måste mikroberna ha bra arbetsförhållanden. Deras främsta krav är att det finns gott om mat, och precis som vi människor älskar de “snabbmat”!

När avloppsvatten rinner in på avloppsreningsverken är det fullt av kol och andra näringsämnen, som funkar som skitbra mat för mikroberna i den biologiska reningen. Särskilt bakterierna gör ett viktigt arbete i reningen av kväve och fosfor, och de måste ha mat i form av organiska kolfyllda ämnen för att klara av jobbet. Gärna i form av “snabbmat” som går fort att äta, som för bakteriers del består av lättflyktiga fettsyror, som exempelvis ättiksyra. Men många av partiklarna som kommer in till reningsverket är ganska stora, och skulle kräva lång tid och energi att bryta ner, vilket så klart kostar energi och pengar. Därför avskiljs en del av partiklarna tidigt, genom bland annat sedimentering eller filtrering, och på så sätt minskas arbetsbelastningen på mikroberna i nästa steg. De partiklar som tas bort innehåller mycket organiskt material, som vi kan utnyttja genom att producera biogas, men samma material hade bakterierna kunnat använda för mat och energi. Ibland blir det för lite mat kvar i vattnet och då måste mer kol tillföras för att reningen ska bli tillräckligt bra. Oftast används då etanol eller andra alkoholer, vilket som så mycket annat kräver energi och pengar för att produceras. Eftersom vattnet redan innehåller mycket kol från början, vore det självklart bättre att försöka använda det i högre grad istället.

Flera studier har gjorts på att försöka förbättra tillgången på goda kolmolekyler till våra renande bakterier, utan att för den sakens skull ge dem en för hög arbetsbelastning. Bland annat har man gjort försök på att bryta ner kolet i det slam som blir kvar efter sedimentering eller filtrering, och sen använda det som en egenproducerad kolkälla. Ett sådant försök görs i dag i pilotskala på Källby avloppsreningsverk i Lund, där avloppsvattnet filtreras och där det filtrerade slammet bryts ner av andra bakterier. Bakterierna får jobba ostört med att bryta ner det koncentrerade kolet till fettsyror i egna reaktorer, där arbetsförhållandena är extra bra anpassade för det arbetet. Det blir som en extern magsäck för de bakterier som jobbar i reningsbassängerna, som slipper det tidsödande nedbrytningsarbetet och istället får tillgång till redan nedbrutet kol. Det kan de förhoppningsvis käka upp snabbt samtidigt som de renar vattnet bra. Genom en sådan arbetsdelning kan reningen alltså bli mer effektiv!

För att undersöka om de kolpartiklar som produceras i reaktorerna i piloten faktiskt funkar bra som snabbmat så har så kallade aktivitetstester utförts i liten skala. Bakterierna fick tillgång på både kol och kväve, och genom att mäta koncentrationerna av båda ämnena över tid kunde hastigheten på reningsprocessen bestämmas. Den egna kolkällan jämfördes med syntetiskt framställda fettsyror som ättiksyra och propionsyra, och visade sig funka minst lika bra! Liknande experiment utfördes för att undersöka den biologiska fosforreningen. Försök gjordes också med avloppsvatten, både med och utan tillsatts av den egenproducerade kolkällan.

Experimenten visade att bakterierna verkar gilla den nya ”snabbmaten” de fick, vilket är lovande för pilotprojektet på Källby. Genom att utnyttja det kol som faktiskt redan finns i avloppsvattnet har reningen möjlighet att bli både smartare och mer effektiv, och våra vänner mikroberna kan få bättre arbetsförhållanden!

• author: Sahlin, Sanna
• supervisor: Michael Cimbritz; David Gustavsson; Elin Ossiansson
• organization: Chemical Engineering (M.Sc.Eng.)
• course: VVAM05 20211
• year: 2021
• type: H2 - Master's Degree (Two Years)
• subject: Technology and Engineering
• keywords: Wastewater treatment, batch activity tests, NUR tests, anaerobic P release tests, EBPR, denitrification, removal rates, internal carbon source, fermentate, water and environmental engineering
• report number: 2021-06
• language: English
• id: 9063237
• date added to LUP: 2021-09-14 08:57:59
• date last changed: 2021-09-14 08:57:59