Phosphorus stripping of Bio-P sludge in cold conditions

Abstract

Fosfor blir på mange renseanlegg fjernet fra avløpsvannet ettersom utslipp av for mye fosfor kan føre til eutrofiering av akvatiske systemer. Fosfor er også et veldig viktig næringsstoff, som alt liv er avhengig av. Fosfor er imidlertid en begrenset ressurs, og dagens fosfor lager tømmes. Å finne andre måter å skaffe fosfor på blir derfor stadig viktigere. Å gjenvinne fosfor fra avløpsvannet er en mulighet. Fosfor kan fjernes både med kjemisk og biologisk rensing. Å bruke kjemikalier er både kostbart og ikke veldig miljøvennlig. Gjenvinning av fosfor som er kjemisk bundet er heller ikke så lett. Biologisk rensing gjør fosfor lettere tilgjengelig for gjenvinning, samt at det er en mer bærekraftig metode. Denne masteroppgaven ser på EBPR, som er en prosess hvor mikroorganismer tar opp ekstra fosfat (luxury-P) ved å bli flyttet gjennom alternerende anaerobe og aerobe forhold. Det høye fosfor innholdet i EBPR slam har skapt problemer tilknyttet slambehandling, spesielt hvor anaerob stabilisering blir benyttet. Fosfor og magnesium blir frigjort gjennom hydrolyse og ukontrollert struvitt utfelling kan være en konsekvens. Struvitt kan tette rør og pumper, slik at drift- og vedlikeholds kostnadene på renseanlegget økes. En mulig løsning som både kan forhindre ukontrollert struvitt utfelling og legge til rette for fosfor gjenvinning, er å implementere en P-stripping enhet før slambehandling. God separering av biomassen og vannet sørger for at slammet har lavt fosfor innhold og det er dermed lavere potensial for ukontrollert struvitt utfelling. Fosfor konsentrasjonen i vannet er derimot høyt, og er dermed egnet for fosfor gjenvinning. Denne masteroppgaven har sett på potensialet for fosfor frigjøring i en P-stripping enhet, ved å bruke EBPR slam fra både en Sekvensert Batch Reaktor og Kontinuerlig MBBR. Eksperimentene har blitt gjennomført i kaldere temperaturer (11-13○C) for å se om denne metoden vil fungere under vinter forhold i kaldere regioner. Karbon kilder har blitt tilsatt for å forbedre P-strippingen. Acetat, glukose og fermentert primær slam supernatant (FPSS) har blitt testet som karbon kilder. Hovedfokuset ble å teste FPSS i eksperimentene, for å ha en mest mulig bærekraftig P-stripping. FPSS ble laget ved å blande primær slam og avløpsvann i en lukket, anaerob reaktor. Resultatene fra eksperimenter har vist at P-stripping er mulig i kaldere temperaturer. De beste resultatene viser at 30-40% av luxury-P ble frigjort fra biomassen. De beste resultatene ble oppnådd når karbonkilden ble fordelt utover eksperimentet og ikke når alt ble tilsatt på begynnelsen. FPSS gav like gode resultater eller bedre enn acetat. Glukose var den karbonkilden som gav dårligst resultat. Det ble gjennomført analyser for VFA produksjon under fermentering og VFA forbruk under P-stripping eksperimenter. Analysene viste at VFA produksjonen var høyest i de første 24 timene av fermenteringen og at eddiksyre og propionsyre stod for over 80% av all produsert VFA.

Many treatment plants are required to remove phosphorus from the wastewater, since discharge of too much phosphorus can cause eutrophication in aquatic systems. Phosphorus is also a very important nutrient, which all life depends on. However, it is a limited resource, and the world’s phosphorus storages are depleting. Finding other ways of retrieving phosphorus is increasingly important. Recovering phosphorus from wastewater is one possibility. Phosphorus can be removed by both chemical and biological treatment. Using chemicals is expensive and not that environmental. Recovering phosphorus when it is chemically bound is not that easy either. Biological treatment makes phosphorus more accessible for recovery and it is a more sustainable method. This thesis look at Enhanced Biological Phosphorus Removal (EBPR), a process where organisms take up excess phosphate (luxury-P) by moving through alternating anaerobic and aerobic conditions. The high P-content in the EBPR sludge has caused issues in sludge treatment systems, especially when anaerobic digester has been used. Phosphate and magnesium are released due to hydrolysis and uncontrolled struvite precipitation may be a consequence of this. Struvite clogs the pumps and pipes and increases the operating- and maintenance cost at the treatment plant. A possible solution that can both prevent uncontrolled struvite precipitation and facilitate P-recovery, is implementing a P-stripping unit before sludge treatment. Good separation of liquid and biomass ensures a sludge with low P-content, and hence decreases the potential for struvite precipitation. The P-concentration in the supernatant will be high and is therefore suited for P-recovery. This thesis has investigated the potential P-release in a P-stripping unit, using EBPR sludge from both a Sequence Batch Reactor and a Continuous MBBR pilot. The experiments have been conducted in colder temperatures (11-13○C), to see if this method can be used under winter conditions in colder regions. Carbon sources has been added to enhance the P-release. Acetate, glucose and fermented primary sludge supernatant (FPSS) has been tested as carbon sources. Having a sustainable P-stripping process was a goal, so most experiments were tested with FPSS as carbon source. The FPSS was made by mixing primary sludge and wastewater in a closed anaerobic reactor. The results has shown that the P-stripping unit is working in colder temperatures. The best results have been 30-40% P-release of the available luxury-P. The best results were obtained when the carbon sources were added evenly throughout the experiments and not when all was added at the beginning. Using FPSS as carbon source gave just as good results as using acetate, and sometimes even better. Glucose was the carbon source that gave the poorest results. Analyzes of VFA production during fermentation and VFA consumption during P-stripping experiments were also conducted. The analyzes showed that the VFA production was highest within the first 24 hours of the fermentation and that propionic acid and acetic acid represented over 80% of all the VFA produced.