Towards the wastewater treatment plant of the future : integration of carbon redirection and nitrogen recovery technologies

Abstract

Most of the urban wastewater treatment plants (WWTP), based on conventional activated sludge (CAS) systems, cannot be considered sustainable since the concept of resources (energy and nutrients) recovery is not taken into account. Notwithstanding, this paradigm can be changed by applying a new treatment concept. New technologies (or a combination of existing ones) are appearing on the scene in the recent years offering both a higher energy production and a recovery of essential nutrients present on water, such as nitrogen and phosphorus. This work is devoted to studying and validating of a new concept of WWTP, based on the enhancement of resources recovery from wastewater at lower cost and in a sustainable way. In a pilot plant installed in a WWTP in Spai, it was studied the integration of a pre­ concentration stage to redirect carbon through sludge to its valorisation as biogas (based on bio-sorption) and an ion-exchange unit with the purpose of recovering the inorganic nitrogen forms (e.g. ammonium) to produce fertilisers. The technical and economic assessment of the proposed scheme and its comparison with conventional configuration confirms the relevant role of new configurations to operate more sustainable and self-efficient plants. Today, the final justification for this change of concept needs to be found in performance and environmental issues as sorne improvements in the costs are still required in sorne technologies. Nonetheless, this thesis demonstrates that the economic viability for this new configuration is expected at short-term

Moltes de les plantes de tractament d'aigües residuals (EDAR), basades en sistemes convencionals de fangs activats (CAS), no es poden considerar sostenibles ja que la recuperació de recursos (energía i nutrients) no es té en consideració. No obstant això, aquest paradigma es pot canviar aplicant un nou concepte de tractament. Noves tecnologies (o una combinació de les existents) han aparegut en els darrers anys oferint una major producció d'energia i una major recuperació deis nutrients essencials presents a l'aigua, com el nitrogen i el fòsfor. Aquest treball esta dedicat a estudiar i validar un nou concepte d'EDAR basat en la millora de la recuperació de recursos de les aigües residuals a un cost més baix i de manera sostenible . En una planta pilot instal·lada en una EDAR a Espanya, s'ha estudiat la integració d'una etapa de pre-concentració per redirigir el carboni cap als fangs per a la seva posterior valorització com a biogàs (basada en la bio-sorció) i una unitat d'intercanvi iònic per recuperar el nitrogen inorgànic (ex: amoni) i produir fertilitzants. L'avaluació tècnica í econòmica del pla proposat i la seva comparació amb l'escenari convencional confirma el paper rellevant de les noves configuracions per operar plantes més sostenibles i autosuficients. Avui en dia, la justificació final d'aquest canvi de concepte s'ha de trobar en els aspectes de rendiment i medi ambient, ja que algunes de les millores en els costos segueixen sent requerides en algunes tecnologies. No obstant això, aquesta tesi demostra que la viabilitat econòmica d'aquesta nova configuració s'espera a curt termini