Kokonaistypen poiston tehostaminen yhdyskuntajätevedenpuhdistamolla : Glyserolin käyttö lisähiilen lähteenä

Abstract

Kokonaistypen poiston tarkoituksena on poistaa jätevedenpuhdistamolle johdetusta jätevedestä typpeä, sillä typen haitalliset vaikutukset vastaanottavissa vesistöissä ja niiden eliöyhteisöissä ovat merkittäviä. Kokonaistypen poisto tapahtuu pääosin biologisesti aktiivilieteprosessissa. Mikro-organismien aineenvaihdunnan ansiosta jäteveden ammoniumtyppi ja orgaanisten yhdisteiden sisältämä typpi hapettuu ensin nitraatiksi aktiivilieteprosessin nitrifikaatiovaiheessa ja tämän jälkeen nitraatti pelkistyy vaiheittain ilmakehään vapautuvaksi typpikaasuksi denitrifikaatiovaiheessa.

Tavoiteltuihin ja lainsäädännön velvoittamiin puhdistustuloksiin kokonaistypen osalta ei aina päästä. Tämän diplomityön teoriaosuuden tavoitteena oli selvittää kokonaistypen poistoon vaikuttavia tekijöitä ja perehtyä denitrifikaation eri lisähiilen lähteisiin. Työn teoriaosuuden tavoitteena oli tarkastella myös lainsäädännön vaikutuksia keskisuurten jätevedenpuhdistamoiden tulevaisuudennäkymiin. Työn kokeellisen osuuden tavoitteena oli tehostaa kokonaistypen poistoa täydenmittakaavan jätevedenpuhdistamolla ympäristöluvan vaatimalle tasolle koeajamalla ulkoiseksi hiilen lähteeksi valikoitunutta glyseroliseosta esiselkeytetyn jäteveden joukkoon.

Kokonaistypen poistoon ja sen haasteisiin vaikuttavia tekijöitä ovat ilmasto-olosuhteet, tulevan jäteveden koostumus ja typen tulokuormituksen kasvu sekä muut puhdistamon toiminta-alueen ominaispiirteet, laitoksen kapasiteetti ja prosessiparametrit. Kokonaistypen poiston tehostamisen merkitys kasvanee tulevaisuudessa EU:n uusitun yhdyskuntajätevesidirektiivin astuessa voimaan ja sen myötä myös kansallisen lainsäädännön kiristyessä. Tällöin uusia jätevedenkäsittelyä koskevia velvoitteita kohdistetaan erisuuruisiin taajamiin ja niiden jätevesiä käsitteleviin puhdistamoihin ja tehostettuja tai kokonaan uusia tekniikoita otetaan siirtymäaikojen jälkeen käyttöön näillä puhdistamoilla. Myös olemassa olevat kokonaistypen poistoa koskevat lupaehdot saattavat monilla puhdistamoilla tiukentua.

Kokonaistypen poiston tehostamiseksi denitrifikaatioon johdettavassa jätevedessä tulee olla riittävässä suhteessa orgaanista hiiltä heterotrofisten bakteerien energian lähteeksi. Hiilen lähde voi olla prosessin sisäinen tai ulkoinen. Sisäisiä hiilen lähteitä ovat jäteveden valmiiksi sisältämä hiili ja prosessissa syntyvä liete. Ulkoisia hiilen lähteitä ovat esimerkiksi lyhytketjuiset alkoholit, hiilihydraatit ja rasvahapot tai näitä aineita sisältävät teollisuuden sivuvirrat. Tämän työn koeajossa käytetyn glyseroliseoksen vaikutusta ja prosessiolosuhteita seurattiin eri prosessin osista otettujen näytteiden ja online-mittausten avulla. Työn kohdepuhdistamolla oli neljä samanlaista aktiivilieteprosessin sisältävää linjaa, joista kaksi toimivat testilinjoina, joihin glyserolia koeajon aikana syötettiin ja toiset kaksi verrokkilinjoina, joihin ei syötetty glyserolia.

Yhteensä noin 6 l/h osoittautui koeajon perusteella kesäaikaan sopivaksi syöttömääräksi testilinjoille, joihin glyserolia syötettiin. Tällöin lähtevän veden kokonaistyppipitoisuus saatiin pidettyä jopa alle tavoitearvon 15 mg/l, ympäristöluvan lupaehdon ollessa 20 mg/l. Koeajon aikana kokonaistypen poisto tehostui glyserolin ansiosta ja lähtevän veden kokonaistyppipitoisuus väheni keskimäärin 39 % toisella testilinjoista, kun samaan aikaan toisen verrokkilinjan lähtevän veden kokonaistyppipitoisuus kasvoi keskimäärin 21 %. Poistoteho nousi parhaimmillaan testilinjalla yli 80 %:iin ja koeajon aikana se oli keskimäärin 73 %. Verrokkilinjalla poistoteho oli keskimäärin 65 %. Esiselkeytetyn jäteveden hiili-typpi-suhdetta saatiin nostettua laskennallisesti arvosta 1,8 arvoon 2,9. Koeajon tulosten perusteella teollisuudesta sivutuotteena saatava glyseroli siis tehostaa kokonaistypen poistoa ja sen avulla voidaan saavuttaa helpommin lainsäädännön ja ympäristöluvan kokonaistypen poistoa koskevat ehdot. Glyseroliseoksen käyttö denitrifikaatiossa voi tulla kyseeseen typen poistovaatimusten kiristyessä etenkin, jos sitä on helposti saatavilla.

The purpose of total nitrogen removal is to remove nitrogen from the influent of a wastewater treatment plant, because of its significant harmful effects in receiving waters and their biotic communities. The removal of total nitrogen is mainly carried out biologically in an activated sludge process. Due to the metabolism of microorganisms, the ammonium nitrogen and nitrogen contained in organic compounds in the influent is first oxidized to nitrate in the nitrification step of the activated sludge process and then nitrate is gradually reduced to nitrogen gas released into the atmosphere in the denitrification step.

The desired nitrogen removal results and results required by the legislation for total nitrogen removal are not always achieved. The aim of the theoretical part of this thesis was to find out the factors influencing the removal of total nitrogen and to familiarize the different sources of additional carbon for denitrification. The theoretical part of the thesis also aimed to examine impact of legislation on the future prospects of medium-sized treatment plants. The aim of the experimental part of the work was to improve the removal of total nitrogen in a full-scale treatment plant to the level required by the environmental permit. This was done by performing a test run with a glycerol mixture, selected as an external carbon source, into the primary-clarified wastewater.

Factors influencing the removal of total nitrogen and its challenges include climatic conditions, the composition of the influent and increasing nitrogen input loads, as well as other characteristics of the treatment plant's operating area, plant capacity and process parameters. The importance of improving the removal of total nitrogen will also increase in the future when the recast EU Urban Wastewater Treatment Directive enters into force and with it the consequent tightening of national legislation. Then new wastewater treatment obligations will be imposed on agglomerations of different sizes and the treatment plants treating their wastewater and improved or completely new technologies will be introduced after transitional periods at these treatment plants. Existing permit conditions for total nitrogen removal may also be tightened in many treatment plants.

To improve the removal of total nitrogen, the wastewater to denitrification should contain sufficient amount of organic carbon, which is a source of energy for heterotrophic bacteria. The carbon source can be internal or external to the process. Internal carbon sources are the carbon already contained in the influent and the sludge produced in the process. External carbon sources are, for example, short-chain alcohols, carbohydrates and fatty acids. The effect of the glycerol mixture used in the test run of this work and the process conditions were observed by sampling and online measurements from different parts of the process. The target treatment plant had four identical activated sludge process lines, two of which served as test lines with glycerol applied during the test run and the other two as reference lines without glycerol.

6 l/h proved to be a suitable total feed rate for the test lines fed with glycerol in the summer period. With this dosage the total nitrogen content of the effluent could even be kept below the target value of 15 mg/l, when permit condition is 20 mg/l. During the test run, total nitrogen removal was enhanced by glycerol and the total nitrogen content of the effluent decreased by an average of 39 % in test line, while the total nitrogen content of the effluent in the reference line increased by an average of 21 %. The removal efficiency peaked at over 80 % on the test line and averaged 73 % during the test run. On the reference line, the average removal efficiency was 65 %. The carbon-nitrogen ratio of the primary-clarified wastewater was calculated to increase from 1.8 to 2.9. Based on the results of the test run, the glycerol obtained as a by-product from industry therefore enhances the removal of total nitrogen and it can be used to more easily meet the total nitrogen removal requirements of legislation and environmental permits. The use of a glycerol mixture for denitrification may become an option as nitrogen removal requirements become more stringent, especially if glycerol is readily available.