Nutrient and organic matter removal from wastewaters with microalgae
Tao, Ran (2019)
2019
Doctoral Programme in Advanced Biological Waste-to-Energy Technologies
Tekniikan ja luonnontieteiden tiedekunta - Faculty of Engineering and Natural Sciences
This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Väitöspäivä
2019-05-22
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-201906192108
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-201906192108
Tiivistelmä
Mikroleviä voidaan hyödyntää jätevesien käsittelyssä nykyisten käsittelyjärjestelmien yh-teydessä tai kokonaan korvaamaan nykyiset käsittelymenetelmät ravinteiden ja muiden epäpuhtauksien poistossa. Jätevedenkäsittelyn ja mikrolevien kasvatuksen yhdistämi-nen mahdollistaa typen ja fosforin talteenoton ja samanaikaisesti tuotetun mikroleväbio-massan hyödyntämisen esimerkiksi biopolttoaineiden ja/tai lannoitteiden raaka-aineena. Mikrolevien käyttö jätevedenkäsittelyssä vaatii kuitenkin vielä tutkimus- ja kehitystyötä ravinteiden poistotehokkuuden ja mikrolevien kasvun tehostamiseksi. Tämän väitöskir-jan tavoitteena oli mahdollistaa tehokas ravinteiden ja orgaanisen aineksen poisto jäte-vesistä edistäen samalla mikrolevien tehokasta kasvua.
Laboratoriomittakaavan fotobioreaktoreissa tehdyissä panoskokeissa Chlorella vulgaris ja Scenedesmus acuminatus mikrolevien todettiin kasvavan sekä kunnallisen (ADMW) että sellu- ja paperitehtaan (ADPP) jätevedenpuhdistamon ylijäämälietteen mädätyksen rejektivesissä. Kummankin levän avulla pystyttiin poistamaan yli 97% ADPP:n sisältä-mästä ammoniumista, mutta ADMW:sta ammoniumpoistotehokkuus oli vain 24 % kas-vatettaessa C. vulgaris mikrolevää ja 44 % kasvatettaessa S. acuminatus mikrolevää. Molempien mikrolevien fosforinpoistotehokkuus kummastakin rejektivedestä oli yli 96 %. Myös väriä (74-80 %) ja kemiallinen hapenkulutusta (27-39 %) saatiin vähennettyä.
Kokeissa ADPP:ssa saavutetut S. acuminatus biomassakonsentraatiot (7,8-10,8 g L-1 VSS) ovat korkeimpien joukossa, kun vertaillaan oikeita jätevesiä käytettäessä kirjalli-suudessa raportoituja mikroleväbiomassasaantoja. Vertailtaessa S. acuminatus mikro-levän kasvua eri mädätysolosuhteissa tuotetuissa ADPP rejektivesissä, suurin S. acu-minatus biomassakonsentraatio saavutettiin termofiilisen mädätyksen rejektivesissä. Il-man esikäsittelyä ennen termofiilistä mädätystä korkein biomassakonsentraatio oli 10,2 ± 2,2 g L-1 ja esikäsittelyn sisältäneen termofiilisen mädätyksen rejektivedessä 10,8 ± 1,2 g L-1. Esikäsittelyn sisältäneen mesofiilisen mädätyksen ADPP-rejektivedessä suurin S. acuminatus biomassakonsentraatio oli 7,8 ± 0,3 g L-1. Myös korkein metaanin tuotto saa-vutettiin esikäsittelyn sisältäneessä termofiilisessä mädätysprosessissa, mikä osoittaa, että tehokkain metaanin tuotto ja mikrolevien biomassatuotto saavutettiin samoissa pro-sessiolosuhteissa.
Raudan (0,1; 1,0 ja 1,9 mg L-1) ja sulfaatti- rikin (3;7; 20 ja 35,8 mg L-1) pitoisuuksien havaittiin vaikuttavan typen poistotehokkuuteen ja mikrolevien biomassakonsentraatioon enemmän typenlähteen ollessa nitraatti kuin käytettäessä ammoniumia typenlähteenä. Korkein S. acuminatus biomassakonsentraatio saavutettiin nitraattipohjaisessa kasva-tusmediassa, jossa oli 1,0 mg L-1-rautaa ja 35,8 mg L-1 rikkiä. Rautakonsentraatio vaikutti mikrolevien kasvuun ja typenpoistotehokkuuteen enemmän kuin sulfaattipitoisuus. Rau-dalla ja rikillä ei havaittu olevan yhteisvaikutusta.
Mikrolevien kasvua pyrittiin tehostamaan lisäämällä jatkuvatoimiseen membraanifoto-bioreaktoriin eri määriä zeoliiittia. Kun zeoliittia lisättiin 0,5 g L-1, keskimääräinen ammo-niumin poistotehokkuus nousi 14 %:sta 30 %:iin ja biomassakonsentraatio 0.5 g L-1:sta yli 1,0 g L-1:aan. Havaitun tehokkuuden lisääntymisen uskottiin johtuvan siitä, että zeoliitti tarjosi pinnan, jolla mikrolevien havaittiin kasvavan. Lisäksi zeoliitin on osoitettu adsor-boivan ammoniumia ympäröivästä vedestä. Reaktorin zeoliittikonsentraation nostami-nen 0.5 g L-1:sta 1g L-1:aan ja myöhemmin 5 g L-1:aan ei kuitenkaan enää kasvattanut ammoniumin poistotehokkuutta tai biomassakonsentraatiota. Tämä johtui todennäköisesti zeoliittipartikkelien hajoamisesta hienommiksi hiukkasiksi, mikä hei-kensi valon saatavuutta.
Tutkimus osoitti, että mikroleviä voidaan hyödyntää jätevedenpuhdistuksessa ravintei-den talteenottoon ja samalla kasvattaa tehokkaasti mikroleväbiomassaa. On kuitenkin tärkeää valita kullekin jätevedelle soveltuva mikrolevälaji, jotta prosessi toimisi tehokkaasti.
Laboratoriomittakaavan fotobioreaktoreissa tehdyissä panoskokeissa Chlorella vulgaris ja Scenedesmus acuminatus mikrolevien todettiin kasvavan sekä kunnallisen (ADMW) että sellu- ja paperitehtaan (ADPP) jätevedenpuhdistamon ylijäämälietteen mädätyksen rejektivesissä. Kummankin levän avulla pystyttiin poistamaan yli 97% ADPP:n sisältä-mästä ammoniumista, mutta ADMW:sta ammoniumpoistotehokkuus oli vain 24 % kas-vatettaessa C. vulgaris mikrolevää ja 44 % kasvatettaessa S. acuminatus mikrolevää. Molempien mikrolevien fosforinpoistotehokkuus kummastakin rejektivedestä oli yli 96 %. Myös väriä (74-80 %) ja kemiallinen hapenkulutusta (27-39 %) saatiin vähennettyä.
Kokeissa ADPP:ssa saavutetut S. acuminatus biomassakonsentraatiot (7,8-10,8 g L-1 VSS) ovat korkeimpien joukossa, kun vertaillaan oikeita jätevesiä käytettäessä kirjalli-suudessa raportoituja mikroleväbiomassasaantoja. Vertailtaessa S. acuminatus mikro-levän kasvua eri mädätysolosuhteissa tuotetuissa ADPP rejektivesissä, suurin S. acu-minatus biomassakonsentraatio saavutettiin termofiilisen mädätyksen rejektivesissä. Il-man esikäsittelyä ennen termofiilistä mädätystä korkein biomassakonsentraatio oli 10,2 ± 2,2 g L-1 ja esikäsittelyn sisältäneen termofiilisen mädätyksen rejektivedessä 10,8 ± 1,2 g L-1. Esikäsittelyn sisältäneen mesofiilisen mädätyksen ADPP-rejektivedessä suurin S. acuminatus biomassakonsentraatio oli 7,8 ± 0,3 g L-1. Myös korkein metaanin tuotto saa-vutettiin esikäsittelyn sisältäneessä termofiilisessä mädätysprosessissa, mikä osoittaa, että tehokkain metaanin tuotto ja mikrolevien biomassatuotto saavutettiin samoissa pro-sessiolosuhteissa.
Raudan (0,1; 1,0 ja 1,9 mg L-1) ja sulfaatti- rikin (3;7; 20 ja 35,8 mg L-1) pitoisuuksien havaittiin vaikuttavan typen poistotehokkuuteen ja mikrolevien biomassakonsentraatioon enemmän typenlähteen ollessa nitraatti kuin käytettäessä ammoniumia typenlähteenä. Korkein S. acuminatus biomassakonsentraatio saavutettiin nitraattipohjaisessa kasva-tusmediassa, jossa oli 1,0 mg L-1-rautaa ja 35,8 mg L-1 rikkiä. Rautakonsentraatio vaikutti mikrolevien kasvuun ja typenpoistotehokkuuteen enemmän kuin sulfaattipitoisuus. Rau-dalla ja rikillä ei havaittu olevan yhteisvaikutusta.
Mikrolevien kasvua pyrittiin tehostamaan lisäämällä jatkuvatoimiseen membraanifoto-bioreaktoriin eri määriä zeoliiittia. Kun zeoliittia lisättiin 0,5 g L-1, keskimääräinen ammo-niumin poistotehokkuus nousi 14 %:sta 30 %:iin ja biomassakonsentraatio 0.5 g L-1:sta yli 1,0 g L-1:aan. Havaitun tehokkuuden lisääntymisen uskottiin johtuvan siitä, että zeoliitti tarjosi pinnan, jolla mikrolevien havaittiin kasvavan. Lisäksi zeoliitin on osoitettu adsor-boivan ammoniumia ympäröivästä vedestä. Reaktorin zeoliittikonsentraation nostami-nen 0.5 g L-1:sta 1g L-1:aan ja myöhemmin 5 g L-1:aan ei kuitenkaan enää kasvattanut ammoniumin poistotehokkuutta tai biomassakonsentraatiota. Tämä johtui todennäköisesti zeoliittipartikkelien hajoamisesta hienommiksi hiukkasiksi, mikä hei-kensi valon saatavuutta.
Tutkimus osoitti, että mikroleviä voidaan hyödyntää jätevedenpuhdistuksessa ravintei-den talteenottoon ja samalla kasvattaa tehokkaasti mikroleväbiomassaa. On kuitenkin tärkeää valita kullekin jätevedelle soveltuva mikrolevälaji, jotta prosessi toimisi tehokkaasti.
Kokoelmat
- Väitöskirjat [4980]