Effects of Fermented Primary Sludge Supernatant as Carbon Source in an Enhanced Biological Phosphorous Removal Process

Abstract

Formålet med denne masteroppgaven er å undersøke og optimalisere biologisk fosforfjerning i en reaktor med biofilm bærere. Ved ulike konsentrasjoner i avløpsvannet og ulike forhold. Spesielt ved kalde temperaturer (11-14°C) og ulike oksygen konsentrasjoner. Hovedfokuset er å teste fermentert primærslam som karbonkilde. Bakgrunnen for dette er at biologisk fosforfjerning er avhengig av karbon, og avløpet er ofte veldig utvannet. Spesielt i regntunge perioder når overvann trenger inn i rørene, er det fordelaktig å ha en kostnadsbesparende og bærekraftig karbonkilde. Fermenteringen gjøres på primærslam siden dette inneholder mest organsik materie og lite næringsstoffer. Produktet fra fermenteringen brukes i jartester med bærere fra reaktoren. Målet med fermenteringen er å produsere lett nedbrytbar karbon som flyktige fettsyrer, VFA, siden dette er beste karbon for biologisk fosforfjerning.

Det er utført literatur studie og forsøk. Dagens situasjon og kunnskap er presentert for både fermentering og biologisk fosforfjerning. Prosessen som kombinerer biologisk fosforfjerning og MBBR er utviklet på Hias avløpsrenseanlegg. Det er en prosess som fjerner fosfor utover hva som er vanlig for ordinære heterotrofe bakterier. Ved å ha vekslende anaerobe og aerobe forhold dannes det en fosfor akkumulerende organisme. Denne slipper fosfor i anaerob sone når den tar opp karbon og lagrer for så å bruke energien fra dette når den igjen tar opp fosfor i aerob sone. Jartester er utført for å teste fermentert produkt og andre parametere som kan innvirke på prosessen. Fermenterings forsøk er utført på ulike måter i en oppvarmet reaktor og med ulike oppholdstider. Forsøket har blitt kjørt som en batch reaktor og en hvor 50% av reaktorens innhold har blitt byttet ut med jevne mellomrom.

Ser at fermenterings effektiviteten er høyest ved 24-29°C og så høyt som mulig innhold av tørrstøff. I forsøk nummer 4 på fermentering ble VFA-KOF innholdet målt til å være 89% av målt løst KOF på dag 4. Av dette var det 51% propionsyre og 29% eddiksyre. Forsøkene har vist at biologisk fosforfjerning har fungert vel så bra uten tilsetning av fermentert produkt. Den biologiske fosforfjerningen har i hovedsak vært best uten tilsetting av fermentert produkt, bortsett fra når avløpet var veldig tynt over en lengre periode. Da kom det fermenterte produktet til hjelp. Forsøkene viser at bakteriene i prosessen ikke er avhengige av VFA slik som antatt og at de trolig liker andre lett tilgjengelige karbonkilder bedre.

Dagens prosesser og utforminger er mulig å utvikle og forbedre. Fermentert produkt ser ut til å fungere like godt som tilsetting av acetat, men i denne prosessen klarer bakteriene seg i hovedsak uten tilsetting av noe ekstern karbon kilde. Bortsett fra i lange perioder med tynt avløp.

The purpose with this master thesis is investigation and optimization of the enhanced biological phosphorous removal (EBPR) process in a continuous moving bed biofilm reactor (CMBBR). With different wastewater compositions (diluted, semi-diluted and concentrated) and conditions. Especially in cold conditions and different dissolved oxygen (DO) levels. Main focus is to check the effect of fermented supernatant as carbon source in the pilot plant due to low concentrations of chemical oxygen demand (COD) in wastewaters. Especially in periods with diluted wastewater due to intrusion of rainwater to sewers to avoid high cost and environmental footprint by adding other carbon sources. Fermentation is done on primary sludge to find the optimal fermentation conditions. The supernatant extracted are used in kinetics jar-test with carriers from CMBBR. With a goal of producing a lot of volatile fatty acids (VFAs) since those are well known as carbon sources for EBPR.

Methodology used is literature research and experimental work. State of the art for EBPR process and fermentation is presented. Literature is first of all about activated sludge (AS) EBPR. This CMBBR is a new process developed at Hias WWTP. EBPR is a process removing phosphorous (P) as an excess amount of what is usual for ordinary heterotrophic organisms (OHOs). By exposing the carriers for fluctuating anaerobic and aerobic conditions; polyphosphate accumulating organisms (PAOs) grows and take up P by utilization of carbon storage in cell. In laboratory a lot of kinetics mimicking the pilot plant are carried out on different conditions in beakers. Fermentation reactor have been used to produce batches of fermentation supernatant for use in kinetics experiments and to see how fermentation process work. Both batch and sequence-batch reactor has been investigated for the fermentation.

The production of fermented primary sludge supernatant(FPSS) is more effective at 24- 29 °C and highest total solids(TS) in a completely mixed reactor. Hydraulic retention time (HRT) of 4 days was used in fermentation number seven and resulted in 89% VFA-COD of soluble COD(SCOD) measured at day 4. Out of this, 51% was propionic acid and 29% was acetic acid. Addition of the fermented supernatant doesn’t always give better removal of phosphorous in the kinetics batch experiments, sometimes actually worse removal. This could be because VFA is not the preferred carbon source for the larger part of Bio-P bacteria in the pilot. Most of them probably like other carbon sources better. Todays knowledge and configurations are possible to develop and improve. Fermentation as carbon source for the EBPR process seems to be as good as acetate, but in this specific process at NTNU the wastewater seems to do better without having extra addition even if the inlet SCOD is low. Except for conditions were the organisms is exposed for diluted wastewater over time and are having a rough time, addition of fermented supernatant would be useful.