Precipitation with hydrolysis of primary sludge for carbon source production to denitrification

Att rena vatten är kostsamt, från både en ekonomisk och miljömässig synpunkt, då behovet av fällningskemikalier, kolkällor och energi är stort. Det är därför önskvärt att titta på alternativa lösningar som möjliggör reningsverk att bli mer självförsörjande och kretsloppsanpassande. Hammarby Sjöstadverket är en pilotanläggning för avloppsvattenrening belägen i Stockholms sydöstra stadsdel i Henriksdal och ägs av IVL, Svenska Miljöinstitutet samt KTH. Sedan pilotanläggning byggdes år 2002, har flera olika reningstekniker utvärderats där fokus ligger på att sträva efter miljövänliga och kretsloppsanpassade system. Bland annat har en förfällningsteknik, så kallad trepunktsfällning utvärderats. Trepunktsfällningen innebär att ett metallsalt följt av två olika polymer tillsätts i flockningskammaren i inbördes ordning för att på så sätt kunna reducera en högre halt av det organiska materialet. Tidigare fällningsförsök på Hammarby Sjöstadsverket, har visat på att trepunktsfällningen kan avskilja det organiska materialet med upp till 90 %, vilket kan jämföras med en avskiljning på endast 75 % med vanlig förfällning. Detta examensarbete syftar till att validera redan framtagna resultat inom trepunktsfällning samt att genom biologisk hydrolys av primärslam, utvinna en kolkälla till efterdenitrifikationen innehållande så höga halter flyktiga fettsyror, Volatile Fatty Acids, (VFA) som möjligt samt undersöka kostnaderna för ett avloppsreningsverk med trepunktsfällning, biogasutvinning och uttag av intern kolkälla från primärslammet vid en uppskalning motsvarande 100 000 personekvivalenter. Fällningsförsöken utfördes i pilotskala med fällningskemikalien PAX XL-36 kombinerat med en lågmolekylär organisk polymer, Purfix-120, följt av en högmolekylär oorganisk polymer Superflock C-494. Syftet med trepunktsfällningen var att validera redan framtagna resultat inom trepunktsfällning och på så sätt avskilja så stora mänger organiskt material som möjligt i förfällningen så att ett primärslam innehållande en hög halt Chemical Oxygen Demand (COD) erhålls. Två olika doseringar med PAX XL-36 testades, 145 respektive 193,5 g/m3. Bäst reduktion av COD och fosfor erhölls då 193 g/m3 PAX XL-36 kombinerades med 60 g/m3 Purfix-120 samt 0,025 g/m3 Superflock C-494. Då erhölls en COD-reduktion på 75 % samt en totalfosforreduktion på 83 %. Genom hydrolys av primärslam i laboratorieskala undersöktes torrsubstanshalter (TS-halter) på 1, 2 respektive 3 % och uppehållstider på upptill åtta dagar. Syftet med hydrolysen var i detta fall att undersöka vilken torrsubstanshalt samt vilken uppehållstid som gav högst produktion av VFA. Försöken visade att en TS-halt på 3 % producerade högst andel VFA och att produktionen av VFA för samtliga TS-halter var som störst under dygn två. VFA- och COD-produktionen ökade linjärt för samtliga TS-halter fram till och med dygn fem. Efter dygn fem började produktionen av VFA och COD för TS-halterna 1 och 2 % avta något. TS 3 % visade dock inte samma avtagande trend för VFA. Även den dagliga ammoniumhalten och pH undersöktes. Ammoniumhalten ökade i takt med att VFA-halten ökade. pH hade generellt sett en avtagande trend. Fyra olika denitrifikationsförsök genomfördes i laboratorieskala med det uttagna hydrolysatet där den tillsatta COD-halten antingen var 3,3 eller 4 gånger den initiala nitratkvävekoncentrationen. Syftet med denitrifikationsförsöken var att utvärdera det framtagna hydrolysatets funktion som en kolkälla. Denitrifikationsförsöken uppvisade denitrifikationshastigheter mellan 4,3 och 7 mg NO3-N/g volatile suspended solids*h med kol-kvävekvoter (C/N-kvoter) mellan 3,9 och 12,3 mg COD/mg NO3-N. Lägst C/N-kvot erhöll lägst denitrifikationshastighet. Dock kunde inte slutsatsen dras att högst C/N-kvot gav högst denitrifikatioshastighet. Även de ekonomiska aspekterna undersöktes i syfte att utreda kostnaderna för ett avloppsreningsverk med trepunktsfällning, biogasutvinning och uttag av intern kolkälla från primärslammet vid en uppskalning motsvarande 100 000 personekvivalenter. Uttaget av en intern kolkälla skulle trots förlust i biogasutvinning vara ekonomiskt gynnsamt. Vinsten, i form av att ej behöva inhandla en extern kolkälla, i detta fall etanol, motsvarar biogasförlustens belopp. Trepunktsfällningens fällningskemikaliekostnader var den största posten och uppgick till 8 060 000 kr. Denna kostnad kontra mindre energiförbrukning i biosteget undersöktes också. Här uppgick besparingarna i biosteget till ca 1/8 av fällningskemikaliekostnaderna. Då trepunktsfällningen endast kunde ge en 75-procentig COD-reduktion, vilket motsvarar en vanlig förfällning, anses trepunktsfällningen vara ekonomisk ogynnsam då den medför extra kostnader av polymerer. Istället borde trepunktsfällningen ersättas med en förfällning. Sammanfattningsvis kan det konstateras att en intern kolkälla i form av hydrolyserat primärslam skulle kunna ersätta en extern kolkälla rent funktionsmässigt. Dock måste åtgärder göras för att minimera produktionen av ammonium under slamhydrolysen. Ur ett ekonomiskt perspektiv skulle utvinningen av en intern kolkälla endast vara ekonomisk gynnsam då trepunktsfällningen ersätts med förfällning.Water treatment is costly, from both an economic and environmental point of view, since the need for precipitation chemicals, carbon sources and energy is high. It is therefore desirable to look for alternative solutions that enable plants to be more self-sustaining. Hammarby Sjöstadsverket is a pilot plant for wastewater treatment located in Henriksdal, a southeastern neighborhood of Stockholm. The plant is owned by IVL, Svenska Miljöinstitutet and Kungliga Tekniska Högskolan (KTH). Since the pilot plant was built in 2002, several different cleaning techniques have been evaluated with focus on striving for eco-friendly and eco-adapted systems. For instance, a pre-precipitation technique, so-called three step precipitation have been evaluated. The three step precipitation implicates that a metal salt followed by two different polymers are added in the flocculation chamber in the particular order to thereby enable to reduce a higher content of the organic material. In previous precipitation tests at Hammarby Sjöstadsverket, one managed to remove up to 90 % of the organic material using the three step precipitation (IVL, Hammarby Sjöstadsverket, 2011). This can be compared to a removal of only 75 % with ordinary pre-precipitation. This thesis aims to validate already obtained results within three step precipitation and with biological hydrolysis of primary sludge, extract a carbon source for post-denitrification containing as high concentrations of Volatile Fatty Acids (VFA) as possible and to investigate the cost of a wastewater treatment plant with three step precipitation, biogas generation and collection of internal carbon source from primary sludge at an upscaling corresponding to 100,000 person equivalents. Precipitation experiments were carried out in pilot scale with the precipitation chemicals, PAX-XL 36, combined with a low molecular weight organic polymer, Purfix-120, followed by a high molecular weight inorganic polymer, Super Flock C-494. The purpose of the three step precipitation was to validate the already produced results within three step precipitation and thus separate as large amounts of organic material as possible in the precipitation so that a primary sludge containing a high chemical oxygen demand (COD) can be obtained.Two different dosages of Purfix-120 were tested: 45 and 60 g/m3. The best reduction of COD and phosphorus were obtained when 193 g/m3 PAX XL-36 was combined with 60 g/m3 Purfix-120 and 0.025 g/m3 Super Flock C-494. Hereby a COD reduction of 75 % and a total phosphorus removal of 83 % were obtained. By hydrolysis of primary sludge in batch experiments Total Solid (TS) concentrations of 1, 2 and 3 % and residence times of up to eight days were examined. The purpose of the hydrolysis in this case was to investigate which TS concentration and residence time that gave the highest production of VFA. The experiments showed that a TS concentration of 3 % produced the highest amount of VFA and that the VFA production of the three different TS concentrations peaked at the second day. The VFA and COD production increased linearly for the three TS concentrations up until day five. After day five the COD and VFA production, for the TS concentrations of 1 and 2 %, started to decrease slightly. However TS 3 % did not show the same declining trend for VFA. Furthermore the daily ammonium and pH were investigated. As the VFA and COD concentration increased the ammonium concentration increased as well. pH had overall a decreasing trend. Four different denitrification tests were performed in batch experiments with the extracted hydrolyzate. The added COD content from the hydolyzate was either 3.3 or 4 times the initial nitrate concentration. The denitrification tests showed denitrification rates between 4.3 and 7 mg NO3-N / g volatile suspended solids * h with carbon-nitrogen ratios (C/N ratio) between 3.9 and 12.3 mg COD/mg NO3-N. The lowest C/N ratio received the lowest denitrification rate. However, it could not be concluded that the maximum C/N ratio had the highest denitrification rate. Futhermore the financial aspects were examined in order to investigate the cost of a wastewater treatment plant with three step precipitation, biogas generation and collection of internal carbon source from primary sludge at an upscaling corresponding to 100,000 person equivalents. The extraction of an internal carbon source would, despite loss of biogas production, be economically beneficial. Gain, in terms of not having to purchase an external carbon source, in this case ethanol, amounts to the amount of the biogas loss. The three step precipitation chemical costs were the largest item, amounting to 8,060,000 SEK. This cost versus less energy utilization in the biological step was also examined. In this case the savings in the biological step amounted to about 1/8 of precipitation chemical cost. Since the three step precipitation only managed to remove 75 % of the COD, a removal which corresponds to an ordinary pre-precipitation, the three step precipitation is considered to be economically unfavorable as it involves additional costs of polymers. Instead the three step precipitation should be replaced with a pre-precipitation. In summary it can be stated that an internal carbon source in the form of hydrolyzed primary sludge could replace an external carbon source in a functional way. However, steps must be taken to minimize the production of ammonium during sludge hydrolysis. From an economic perspective, the extraction of an internal carbon source would only be economical favorable if the three step precipitation is replaced with pre-precipitation.