Phosphorous Precipitation in Source Separated Greywater for Direct Environmental Release.

Abstract

As our understanding of the impact humans have on the environment changes, so too do the mitigation strategies we employ to prevent it. One major source of anthropogenic pollution is wastewater effluent. A shift towards source separation of wastewater into different streams in recent years has opened a door to tailor treatment to specific types of water. The largest propor- tion of domestic wastewater is classified as greywater, accounting for 70% of the volume but containing roughly 30% of the contamination. Low influent concentrations of nutrients, like phosphorus, can result in lower effluent concentrations with similar amounts of chemical addi- tion. While biological and physical treatments are possible, chemical precipitation remains a simple way of achieving extremely low phosphorous concentrations. Chemical precipitation also has the ability to remove nonreactive phosphorous through sweep coagulation. Because of the relative novelty of source separation on a larger scale, not much literature exists on the use of phosphorous precipitation in greywater. The placement, dosing, chemicals, and limits of re- moval of total phosphorous were tested using greywater from RecoLab in Helsingborg, Swe- den. Greywater exiting the biological stage of treatment required lower doses of coagulant and was capable of reaching lower residual total phosphorous concentrations, chemical oxygen de- mand, and turbidity compared to influent greywater. Depending on treatment plant layout, pre- cipitation within the biological stage can remove or diminish the risk of precipitating too much phosphorous, which can lower the efficacy of the biological step. Of the two compounds con- sidered, the aluminum-based coagulant (PAX-XL60, Kemira) achieved better removal rates than the iron based one (PIX-111, Kemira) in the ranges of concentrations most commonly used at traditional wastewater treatment plants. Removal of phosphorous below a detection limit of 0.05 mg P/L was achieved with 15 mg Al3+ /L or 45 mg Fetot /L in biologically treated greywater while minimum concentrations of 0.16 mg P/L and 0.14 mg P/L were achieved in influent grey- water by adding 17 mg Al3+ /L and 36 mg Fetot /L, respectively.

Abstract (Swedish)

Allt eftersom vår förståelse om vår egen miljöpåverkan förändras, så förändras också begräns- ningsstrategierna vi använder för att förhindra och motverka dem. En viktig källa till antropo- gena utsläpp är avloppsvatten eftersom det innehåller patogener, näringsämnen, och mikroför- oreningar. Ett skifte mot källsorterat avloppsvatten under de senaste åren har öppnat dörren för att anpassa och fokusera reningen för vatten från olika ursprung. Gråvatten utgör den största delen av avloppsvattnet, som är 70% av volymen men innehåller bara drygt 30% av förorening- arna. Låga koncentrationer av näringsämnen, som fosfor, kan resultera i lägre utkommande koncentrations med lika mängd kemisk tillsats. Medan biologisk och mekanisk rening är möj- lig, är kemisk fällning enklare att implementera för att uppnå mycket låga fosforkoncentrat- ioner. Kemisk fällning har också förmågan att avskilja ännu mer icke reaktiv fosfor genom svepkoagulering. Eftersom storskaligt källsorterat avloppsvatten är en ganska ny företeelse, så finns det lite litteratur om fosforutfällning i gråvatten. Placering, dosering, kemikalier, och av- lägsningsgränser för total fosfor har undersökts på gråvatten från RecoLab i Helsingborg, Sve- rige. Gråvatten taget efter den biologiska reningen krävde lägre dosering av koaguleringsmedlet och uppnådde lägre total restfosforkoncentration, kemisk syreförbrukning och grumlighet än det orenade inkommande gråvattnet. Beroende på reningsverkets utformning, kan fällning inom det biologiska steget (simultanfällning) ta bort eller minska risken av att fälla ut för mycket fosfor som kan minska effektiviteten i den biologiska reningen. Av de två kemikalierna som användes, hade det aluminiumbaserade koaguleringsmedlet (PAX-XL60, Kemira) bättre av- skiljningseffektivitet än det järnbaserade koaguleringsmedlet (PIX-111, Kemira) vid de kon- centrationer som används mest frekvent i traditionella avloppsreningsverk. Fosforavlägsnande under detektionsgränsen av 0,05 mg P/L uppnåddes med 15 mg Al3+ /L eller 45 mg Fetot /L i biologisk renat gråvatten medan för inkommande gråvatten uppnåddes lägsta koncentrationer på 0.16 mg P/L och 0.14 mg P/L total restfosfor genom att tillsätta 17 mg Al3+ /L respektive 36 mg Fetot /L.

Popular Abstract

As we move to a more sustainable world, the systems we have used for many years are starting to change. A prime example of this is Helsingborg, Sweden. A new city district called Oceanhamnen has been designed with sustainability in mind by using a source separated wastewater system. Residence of the neighborhood experience life a bit differently. Food grinders have replaced the paper bag system for food waste disposal and vacuum toilets can be found in the bathrooms, although they are a far cry from their airplane counterparts. However, these changes are minor compared to those that have taken place underground and at the wastewater treatment plant. Instead of one pipe leaving the building, three do. One contains food waste from the kitchen sink, another contains water from the toilet, and the third contains all other wastewater from wash basins, showers, and laundry machines. This third water type has come to be known as greywater. It accounts for more than 70% of the volume of water while only containing around 30% of the pollution. Because of this, we can treat greywater in a way that removes the most concerning contamination, like excess nitrogen and phosphorous, to extremely low concentra- tions.
If you have ever seen a lake turned green or smelled rotting water, you know the importance of treating water correctly. Eutrophication is responsible for the coloration and smell you might encounter. When too many nutrients enter waterways, it allows for more and more algae to grow. As the algae grows, it uses up all the available oxygen and begins to die, decomposing and creating that characteristic smell. Dividing wastewater into separate streams allows us to better remove these nutrient and prevent eu- trophication.
For greywater, the treatment technology looks quite similar to traditional wastewater but different types of phosphorous present can affect which technologies are effective at removing it. The addition of spe- cial chemicals called coagulants helps to remove even more contamination. The coagulants act as glue and hold individual particles together until the group gets too heavy and falls to the bottom. Since less phosphorus reacts with these chemicals in greywater, less coagulant need to be added. While this type of treatment is used in current wastewater treatment plants, source separation means that less water needs to be treated and fewer chemicals need to be added to remove the contamination present.
This study aimed to determine the best place to add coagulants, which coagulants to add, how much of them to add, and how much phosphorous can be removed. Results showed that similar amount of coag- ulant used in traditional wastewater plants can be used to remove phosphorous to extremely low levels. To remove 80% of the contamination present, the same concentration of coagulant needs to be added as what would remove around 30% in mixed wastewater. There is more removal observed when the coag- ulant is added near the end of treatment than right at the beginning. Better removal was also achieved when an aluminum-based chemical is used compared to an iron-based one. Other measures of water quality were also looked at, like water clarity and the potential to use up available oxygen. Both of these also saw improved removal rates in the same way that phosphorus did.
Oceanhamnen and its new wastewater system seems to be a success because a similar district is planned to be built in a more suburban setting in Helsingborg, called Östra Ramlösa. The results of this study will aid in the design and operation of new and similar plants to Oceanhamnen like Östra Ramlösa as we shift towards the future of infrastructure.

Popular Abstract (Swedish)

Allt eftersom vi går mot en mer hållbar värld, förändras systemen vi använt sedan länge också. Ett bra exempel på detta är Helsingborg, Sverige. En ny stadsdel som heter Oceanhamnen har utvecklats med stort fokus på hållbarhet och ett källsorterat avloppsvattensystem. Grannskapets invånare lever lite an- norlunda där. Matkvarnar har ersatt papperspåsar för matavfall och vakuumtoaletter hittas i badrummen, men de här toaletterna är långt ifrån sina motsvarigheter som finns i flygplan. Däremot är dessa omställ- ningar mindre än de förändringar som genomförts under markytan och på avloppsreningsverket. I stället för ett rör som lämnar huset, gör tre det. Det första röret innehåller matavfall från kökets diskbänk, det andra innehåller vatten från toaletten, och det tredje innehåller resterande avloppsvatten från handfaten, duschar, och tvättmaskiner. Den tredje vattentypen har kommit att kallas gråvatten. Gråvattnet står för mer än 70% av avloppsvattnets volym men innehåller ungefär 30% av föroreningarna. På grund av detta kan vi rena gråvatten på ett sätt som avskiljer de oroande föroreningarna, såsom överskott av kväve och fosfor, mot väldigt låga koncentrationer.
Om du någonsin har sett en sjö som blivit grön eller luktat som ruttet vatten, vet du hur viktig det är att rena vatten som släpps ut i den på rätt sätt. Övergödning är ansvarig för den färg och lukt man skulle kunna uppleva. När ett överskott av näringsämnen finns i vattnet, så växer mer och mer alger. När alger växer så använder de upp allt tillgängligt syre, när de sedan dör och bryts ned uppstår den karakteristiska lukten. Att dela upp avloppsvatten i olika fraktioner tillåter oss att bättre avskilja dessa näringsämnen och förhindra övergödning.
För gråvatten är reningstekniken ganska lik processer för traditionellt avloppsvatten, men olika typer av fosfor som finns kan påverka vilka teknologi är effektiva för att släppa ut det. Tillsatsen av särskilda kemikalier som kallas koaguleringsmedel hjälper till att avskilja större andel avföroreningarna. Koagu- leringsmedlet fungerar som ett lim och håller individuella partiklar tillsammans tills partikelgruppen väger för mycket och faller mot botten. Eftersom mindre fosfor reagerar med dessa kemikalier i gråvat- ten behöver mindre koaguleringsmedel tillsättas. Källsortering skulle innebära att mindre mängder vat- ten skulle behöva renas och färre kemikalier behöver tillsättas för att avskilja föroreningarna.
Denna studie har försökt att bestämma var i reningsprocessen som koaguleringsmedlet skall tillsättas, vilka koaguleringsmedel som borde användas, hur stora mängder som bör tillsättas och hur mycket fos- for som kan avskiljas. Resultaten visade att liknande halter av koaguleringsmedel som används i tradit- ionella avloppsreningsverk kan användas för att avskilja fosfor till väldigt låga koncentrationer i gråvat- ten. För att avskilja 80% av föroreningarna i gråvatten, behöver samma koncentration av koagulerings- medel som skulle avskilja ungefär 30% i blandat avloppsvatten läggas till. Mer avskiljning observerades när koaguleringsmedlet lades till nära slutet av reningsprocessen jämfört med i början. Bättre avskiljning uppnåddes också när ett aluminium-baserat koaguleringsmedel användes jämfört med ett järn-baserat. Andra vattenkvalitetsparametrar undersöktes också, såsom vattnets klarhet och innehåll av syreförbru- kande ämnen. Dessa parametrar förbättrades på samma sätt som fosforhalten genom koaguleringen.
Oceanhamnen och dess nya avloppsreningsverk verkar vara lyckat eftersom en liknade stadsdel planeras att byggas i en förortsmiljö i Helsingborg, nämligen Östra Ramlösa. Resultatet av den här forskningen kommer att vara användbar vid utveckling och drift av nya och liknade avloppssystem/reningsverk, när vi implementerar ny infrastruktur i framtiden.

• author: Hall, Ashley
• supervisor: Åsa Davidsson
• organization: Chemical Engineering (M.Sc.Eng.)
• course: VVAM01 20221
• year: 2022
• type: H2 - Master's Degree (Two Years)
• subject: Technology and Engineering
• keywords: water, wastewater, source separation, greywater, phosphorous, precipitation, utfällning, Chemical Engineering
• language: English
• language: Swedish
• id: 9079956
• date added to LUP: 2022-06-08 14:21:55
• date last changed: 2022-06-08 14:21:55