Nutrient recovery from wastewater by crystallization - Improving the process efficiency, economics and product quality

Abstract

The long-term strategic design of wastewater treatment plants requires measures to address a range of sustainability challenges, including the rapid population growth, climate change, urbanization and stressful position for some natural resources. The resource recovery from wastewater have been extensively elaborated in scientific publications as well as rapid development of nutrient recovery technologies in the market. However, due to various technical and non-technical reasons (economic, environmental and societal) the implementation in municipal wastewater treatment plants is still poor. In this context, this work investigates the nutrient recovery from nutrient-rich wastewater streams. Based on the performed review of nutrient recovery technologies three main areas for improvement have been identified including recovery efficiency, product quality and financial sustainability. Further, an alternative process configuration for phosphorus recovery in the plants using enhanced biological phosphorus removal (EBPR) is presented to mitigate the operational challenges, enhance the recovery efficiency and reduce the recovery costs. The recovery efficiency and product properties of calcium phosphates were compared to struvite both by thermodynamic modeling and by experimental studies. The detailed investigation of the effect of supersaturation regulators on product properties and phosphorus recovery is presented, which can contribute in the integrated improvement of recovery efficiency and product quality. Application of seawater as a low-cost alternative magnesium source for struvite production was investigated and compared to a conventional magnesium source (i.e., MgCl2). The challenges associated with using seawater and the mitigation measures for them were studied. Further, the reaction kinetics and crystal growth studies were presented for struvite crystallization by both seawater and MgCl2. The impact of the important supersaturation regulators on struvite crystallization kinetics were studied. The findings in this study may improve the understanding of the nutrient recovery from nutrient-rich streams at wastewater treatment plants. Further, it can contribute to reduce the operational costs and operational challenges as well as improving the recovery efficiency and producing product with improved properties. Products with higher quality and lower production costs will have a higher chance for market penetration and implementation in full-scale.

Sammendrag En langsiktig og strategisk utforming av avløpsrenseanlegg krever løsninger for å møte en rekke bærekraftsutfordringer, slik som befolkningsvekst, klimaendringer, urbanisering og økt press på naturressurser. Forskning på ressursgjenvinning fra avløpsvann er allerede omtalt i utstrakt grad i vitenskapelige publikasjoner, og det skjer en rask utvikling innen teknologi for utvinning av næringsstoffer. Av ulike grunner (tekniske, økonomiske, miljømessige og samfunnsmessige) går implementeringen av nye løsninger i kommunale avløpsanlegg langsomt. I lys av dette er det i denne studien gjort undersøkelser av utvinning av næringsstoffer fra næringsrike avløpsstrømmer. Basert på en gjennomgang av tilgjengelige løsninger for gjenvinning av næringsstoffer er det identifisert tre hovedområder for forbedring; gjenvinningsgrad, produktkvalitet og økonomisk bærekraft. Videre presenteres en alternativ prosesskonfigurasjon for fosforgjenvinning i renseanleggene som har biologisk fosforfjerning (EBPR). Dette har til hensikt å dempe de driftsmessige utfordringene, forbedre gjenvinningsgraden og redusere utvinningskostnadene for fosfor. Gjenvinningsgraden og produktegenskapene til kalsiumfosfater ble sammenlignet med struvitt både ved termodynamisk modellering og eksperimentelle studier. Det presenteres her en detaljert undersøkelse av effekten av overmetningsregulatorer på produktegenskaper og fosforgjenvinning, noe som kan bidra til forbedring av utvinningseffektivitet og produktkvalitet. Anvendelse av sjøvann som et rimelig alternativ til magnesiumkilde for struvittproduksjon ble undersøkt og sammenlignet med en konvensjonell magnesiumkilde (dvs. MgCl2). Utfordringene knyttet til bruk av sjøvann og avbøtende tiltak med hensyn til disse ble studert. Videre er reaksjonskinetikken og krystallvekststudiene for struvittkrystallisering med både sjøvann og MgCl2 presentert. Effekten av de viktige overmetningsregulatorene på reaksjonskinetikken ved struvittkrystallisering ble studert. Funnene i denne studien kan forbedre forståelsen av ressursgjenvinning fra næringsrike strømmer ved renseanlegg. Videre kan det bidra til å redusere driftskostnader og driftsutfordringer, samt forbedre utvinningseffektiviteten og produktegenskapene. Produkter med høyere kvalitet og lavere produksjonskostnader vil øke sannsynligheten for markedsinntrengning og implementering i full skala.