Nitrogen Recovery from Digested Sewage Sludge Reject Waters Using (Bio)Electroconcentration

Abstract

Typpi on yksi tärkeistä makroravinteista, jota käytetään laajasti lannoitteena maataloudessa sen reaktiivisissa muodoissa, kuten ammoniumtyppenä (NH<SUB>4</SUB>-N). Reaktiivisen typen tuottamiseen liittyy kuitenkin vakavia ympäristöongelmia, kuten kaasumaisia päästöjä ja vesistöjen rehevöitymistä reaktiivisen typen kertyessä ympäristöön. Näiden ympäristöongelmien lieventämiseksi jo olemassa olevaa reaktiivista typpeä tulisi kierrättää ja käyttää uudelleen entistä tehokkaammin.

Jopa 30% lannoitteena käytetystä typestä päätyy lopulta yhdyskuntien jätevesiin. Keskitetyillä jätevedenpuhdistamoilla kaikista typpirikkaimpia virtoja ovat rejektivedet, jotka syntyvät mädätetyn jätevesilietteen kuivausprosessissa. Tämä väitöstyö tutki typen talteenottoa näistä rejektivesistä konsentroituun ravinnetuotteeseen sekä biologisesti katalysoidun että puhtaasti elektrokemiallisen elektrokonsentraation avulla. Laboratoriomittakaavan laitteistojen toimintaparametreja optimoitiin typen talteenoton maksimoimiseksi, mikä johti parhaimmillaan 88% talteenottotehoon.

Ammoniumtypen tehokkaan talteenoton lisäksi elektrokonsentraatiosysteemi onnistui estämään erilaisten orgaanisten epäpuhtauksien, tarkemmin sanottuna valittujen lääkeaineiden ja perfluorattujen alkyyliyhdisteiden, päätymisen ravinnetuotteeseen. Samanaikaisesti elektrokemialliset hapetusprosessit hajottivat suurimman osan näistä epäpuhtauksista.

Rejektivedestä tapahtuvan typen talteenoton vaikutuksia koko jätevedenpuhdistamon toimintaan arvioitiin mallinnuksen kautta. Mallinnuksen yhteydessä suoritettu taloudellinen tarkastelu paljasti, että (bio)elektrokonsentraation vielä toistaiseksi korkea sähkönkulutus tekee siitä pääsääntöisesti taloudellisesti kannattamatonta suuren mittaluokan sovelluksissa. Teknologian optimoinnin lisäksi typpilannoitteiden odotettavissa oleva hinnannousu sekä jätevedenpuhdistamoiden päästörajoitusten jatkuva kiristyminen todennäköisesti vaikuttavat merkittävästi siihen, kuinka nopeasti tutkittu typen talteenottomenetelmä saadaan taloudellisesti kannattavaksi. Ravinnetuotteen typpipitoisuus ja simulointien perusteella arvioidut jätevedenpuhdistamon mittakaavassa realistiset saannot osoittavat, että potentiaalinen markkina tuotteelle voisi löytyä ei-syötävien kasvien kotiviljelyyn tarkoitetuista nestemäisistä lannoitteista.

Nitrogen is one of the key macronutrients vastly used as a fertiliser in agriculture in its reactive forms, such as ammonium nitrogen (NH<SUB>4</SUB>-N). Reactive nitrogen production, however, is associated with serious environmental issues, including gaseous emissions and eutrophication of water ecosystems due to reactive nitrogen accumulation in the environment. The key in mitigating these environmental issues is to recover and recycle the already existing reactive nitrogen more efficiently.

Up to 30% of the nitrogen used in fertilisers ends up at municipal wastewater treatment plants (WWTPs), where reject waters originating from the dewatering of the anaerobically digested sewage sludge are the most nitrogen-rich streams. This doctoral thesis studied the recovery of NH<SUB>4</SUB>-N from these reject waters into a concentrated nutrient product using both biologically catalysed and purely electrochemical electroconcentration applications. The operational parameters were optimised in laboratory experiments to maximise the NH<SUB>4</SUB>-N recovery efficiency, which peaked at 88% with the electrochemical approach.

In addition to efficiently recovering the NH<SUB>4</SUB>-N in a reusable form, the electroconcentration system was also found to effectively prevent contaminants of emerging concern (CECs), namely selected pharmaceuticals and perfluoroalkyl substances, from concentrating into the nutrient product. At the same time, electrochemical advanced oxidation processes facilitated the disintegration of the majority of the CECs.

The effects of NH<SUB>4</SUB>-N recovery from reject water on the operation of a full WWTP were assessed through modelling. The accompanying economic analysis revealed that the still high electricity consumption of the (bio)electroconcentration system is the bottleneck in making its larger-scale implementation economically viable. In addition to technical improvements, the anticipated increases in nitrogen fertiliser prices and tightening of WWTP effluent limits for both nitrogen and CECs can help in making the proposed NH<SUB>4</SUB>-N recovery method feasible in the upcoming years. The NH<SUB>4</SUB>-N content of the product (ca. 1–2 w/v-%) generated in laboratory-scale and its simulated production rates at a full WWTP scale suggest a potential market could be found in the liquid fertilisers for non-edible plant cultivation in households.