Monivaiheinen jätevedenpuhdistusprosessi vastasuuntaisella biomassankierrätyksellä
Salo, Janne (2019)
2019
Ympäristö- ja energiatekniikka
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.
Hyväksymispäivämäärä
2019-03-27
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tty-201903251326
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tty-201903251326
Tiivistelmä
This master’s thesis analyses COD reduction data from three multi-staged bioreactors with biomass circulation and a conventional bioreactor simulating a complete-mix active sludge process. All reactors were fed with same synthetic wastewater with different levels of organic loading rates (OLR). COD and MLVSS values from the synthetic influent, individual process compartments and treated water were measured to determine the COD reductions, OLRs and F/M-ratios of the reactors and process compartments.
The multi-staged bioreactors were divided into three or four aerated process compartments separated by clarifiers. Biomass was circulated periodically between the compartments to introduce the biomass to different substrate concentrations, i.e. to expose the bacteria to feast-famine-cycle. The data from multi-staged bioreactors was compared to data from the single-stage reference bioreactor.
The multi-staged bioreactors had higher average COD-reductions than the singlestaged bioreactor, even though the multi-staged bioreactors were exposed to multiple times higher OLRs and F/M-ratios. Also, when compared to the values of aerobic waste water treatment processes from the literature, the multi-staged reactors were operated typically with multiple times higher loadings.
The multi-staged system and counterflow biomass circulation were demonstrated to have enhancing effect on COD-reductions, especially with high OLRs (3 – 15 kgCOD/m3*d) and F/M-ratios (0,8 – 2,0 gCOD/gMLVSS*d). High COD-reductions (typically 90 – 95 %) with comparatively high organic loading are potentially due to favouring systematically bacterial populations with intracellular storage capabilities and non-genetic memory responses. The bulk of COD reduction (on average 83 %) in multi-staged reactors was observed to take place in the first process compartment. The large difference in OLR between the first and second compartments was observed to have positive effect on the intracellular storage ability, as the COD-reductions got higher when the COD of the synthetic influent (and OLR) was increased.
The results from this study indicate that the multi-staged process with counterflow biomass circulation can enhance the performance of biological processes, especially with high loading rates. Potential uses for this technology are new plants and augmenting existing processes by retrofitting. Tässä työssä tutkittiin kolmen monivaiheisen lietteenkierrätyksellisen biologisen reaktorin ja yhden perinteisen biologisen reaktorin COD-reduktioita erilaisilla orgaanisilla kuormituksilla (OLR:llä). Reaktoreita syötettiin samanlaisella synteettisellä jätevedellä. Synteettisestä syötteestä, jokaisesta prosessiosastosta ja käsitellystä vedestä analysoitiin COD:t ja MLVSS:t, jolloin saatiin reaktori- ja prosessiosastokohtaiset arvot COD-reduktiolle, OLR:lle ja F/M-suhteille.
Monivaiheisissa reaktoreissa biologinen prosessi oli jaettu kolmeen tai neljään selkeyttimien erottamaan ilmastettuun prosessiosastoon, joiden välillä säännöllisesti kierrätettiin biomassaa. Kierrätyksen tarkoituksena oli säännöllisesti vaihdella biomassan kohtaamia substraattipitoisuuksia rikkaiden ja köyhien olosuhteiden välillä, eli altistaa bakteerit niin sanotulle feast-famine-kierrolle. Monivaiheisia reaktoreita verrattiin yksivaiheiseen referenssireaktoriin, jolla simuloitiin täyssekoitteista aktiivilieteprosessia.
Monivaiheisten reaktorien keskimääräiset COD-reduktiot olivat korkeampia kuin yksivaiheisen referenssireaktorin, vaikka monivaiheisten reaktorien OLR:t ja F/M-suhteet olivat moninkertaisia verrattuna referenssireaktoriin. Monivaiheisten reaktoreiden OLR:t ja F/M-suhteet olivat myös kirjallisuuden arvoihin verrattuna monikertaisia.
Reaktoreiden monivaiheisuuden ja biomassan vastasuuntaisen kierrätyksen osoitettiin parantavan COD-reduktiota etenkin korkeilla OLR:llä (3 – 15 kgCOD/m3 *d) ja F/M-suhteilla (0,8 – 2,0 gCOD/gMLVSS*d). Potentiaalinen syy korkeille COD-reduktioille (tyypillisesti 90 – 95%) verrattain korkeilla orgaanisilla kuormituksilla on solunsisäisen varastoinnin ja ei-geneettisen muistivasteiden suosiminen bakteeripopulaatiossa systemaattisesti. Suurin osa (keskimäärin 83 %) monivaiheisten reaktoreiden CODreduktiosta tapahtui ensimmäisessä prosessiosastossa. Ensimmäisen ja toisen prosessiosaston välillä olevalla suurella OLR-erolla havaittiin olevan positiivinen vaikutus solunsisäiseen varastointikapasiteettiin, koska COD-reduktiot nousivat, kun synteettisen syötteen COD-pitoisuutta (ja OLR:ää) nostettiin.
Tämän työn tulosten perusteella monivaiheinen prosessi vastasuuntaisella biomassankierrätyksellä voi tehostaa biologista jätevedenpuhdistusta etenkin korkeilla kuormituksilla. Prosessia on mahdollista hyödyntää uusilla puhdistamoilla, sekä jälkiasennuksissa parantamaan jo olemassa olevia biologisia prosesseja.
The multi-staged bioreactors were divided into three or four aerated process compartments separated by clarifiers. Biomass was circulated periodically between the compartments to introduce the biomass to different substrate concentrations, i.e. to expose the bacteria to feast-famine-cycle. The data from multi-staged bioreactors was compared to data from the single-stage reference bioreactor.
The multi-staged bioreactors had higher average COD-reductions than the singlestaged bioreactor, even though the multi-staged bioreactors were exposed to multiple times higher OLRs and F/M-ratios. Also, when compared to the values of aerobic waste water treatment processes from the literature, the multi-staged reactors were operated typically with multiple times higher loadings.
The multi-staged system and counterflow biomass circulation were demonstrated to have enhancing effect on COD-reductions, especially with high OLRs (3 – 15 kgCOD/m3*d) and F/M-ratios (0,8 – 2,0 gCOD/gMLVSS*d). High COD-reductions (typically 90 – 95 %) with comparatively high organic loading are potentially due to favouring systematically bacterial populations with intracellular storage capabilities and non-genetic memory responses. The bulk of COD reduction (on average 83 %) in multi-staged reactors was observed to take place in the first process compartment. The large difference in OLR between the first and second compartments was observed to have positive effect on the intracellular storage ability, as the COD-reductions got higher when the COD of the synthetic influent (and OLR) was increased.
The results from this study indicate that the multi-staged process with counterflow biomass circulation can enhance the performance of biological processes, especially with high loading rates. Potential uses for this technology are new plants and augmenting existing processes by retrofitting.
Monivaiheisissa reaktoreissa biologinen prosessi oli jaettu kolmeen tai neljään selkeyttimien erottamaan ilmastettuun prosessiosastoon, joiden välillä säännöllisesti kierrätettiin biomassaa. Kierrätyksen tarkoituksena oli säännöllisesti vaihdella biomassan kohtaamia substraattipitoisuuksia rikkaiden ja köyhien olosuhteiden välillä, eli altistaa bakteerit niin sanotulle feast-famine-kierrolle. Monivaiheisia reaktoreita verrattiin yksivaiheiseen referenssireaktoriin, jolla simuloitiin täyssekoitteista aktiivilieteprosessia.
Monivaiheisten reaktorien keskimääräiset COD-reduktiot olivat korkeampia kuin yksivaiheisen referenssireaktorin, vaikka monivaiheisten reaktorien OLR:t ja F/M-suhteet olivat moninkertaisia verrattuna referenssireaktoriin. Monivaiheisten reaktoreiden OLR:t ja F/M-suhteet olivat myös kirjallisuuden arvoihin verrattuna monikertaisia.
Reaktoreiden monivaiheisuuden ja biomassan vastasuuntaisen kierrätyksen osoitettiin parantavan COD-reduktiota etenkin korkeilla OLR:llä (3 – 15 kgCOD/m3 *d) ja F/M-suhteilla (0,8 – 2,0 gCOD/gMLVSS*d). Potentiaalinen syy korkeille COD-reduktioille (tyypillisesti 90 – 95%) verrattain korkeilla orgaanisilla kuormituksilla on solunsisäisen varastoinnin ja ei-geneettisen muistivasteiden suosiminen bakteeripopulaatiossa systemaattisesti. Suurin osa (keskimäärin 83 %) monivaiheisten reaktoreiden CODreduktiosta tapahtui ensimmäisessä prosessiosastossa. Ensimmäisen ja toisen prosessiosaston välillä olevalla suurella OLR-erolla havaittiin olevan positiivinen vaikutus solunsisäiseen varastointikapasiteettiin, koska COD-reduktiot nousivat, kun synteettisen syötteen COD-pitoisuutta (ja OLR:ää) nostettiin.
Tämän työn tulosten perusteella monivaiheinen prosessi vastasuuntaisella biomassankierrätyksellä voi tehostaa biologista jätevedenpuhdistusta etenkin korkeilla kuormituksilla. Prosessia on mahdollista hyödyntää uusilla puhdistamoilla, sekä jälkiasennuksissa parantamaan jo olemassa olevia biologisia prosesseja.