Operation and Model Description of Advanced Biological Nitrogen Removal Treatments of Highly Ammonium Loaded Wastewaters

Abstract

The conventional Biological Nitrogen Removal (BNR) process consists on the oxidation of ammonia to nitrate (nitrification) and the subsequent reduction of nitrate to nitrogen gas (denitrification) using biodegradable COD as electron donor. If this BNR process is carried out over nitrite, it is obtained a saving of 25% of the aeration costs, the 40% of the external COD to denitrify and the 30% of sludge produced. Another feasible treatment is the combination of partial nitrification (oxidation of the 50% of NH4+-N to NO2--N) with Anammox (denitrification of NO2--N to N2 using NH4+-N as electron donor). When compared with conventional BNR, this process avoids the requirement of COD to denitrify, leads to a saving of 65% of the oxygen supply and produces little sludge.<br/><br/>In this thesis, several BNR processes have been tested to remove the nitrogen present in three wastewaters widely generated in Catalonia: supernatant from Anaerobic Digestion (AD) of municipal sewage sludge, supernatant from AD of the organic fraction of municipal solid waste and supernatant from AD of pig slurry.<br/><br/>For these three wastewaters, the Sequencing Batch Reactor (SBR) technology was tested, operating with 3 cycles per day, SRT 11-12 days, temperature 30-32 ºC and using an external carbon source to denitrify. The working free ammonia concentrations and the reduced dissolved oxygen concentrations led to the inhibition of the nitrite oxidation to nitrate. Moreover, the integration of a coagulation/flocculation step inside the operating SBR cycle was studied to reduce the effluent COD. The operating nitrogen loading rates were around 0.85 kg N m-3 day-1.<br/><br/>The SBR operation was also modelled by means of an Activated Sludge Model extended to describe the BNR over nitrite. This model includes pH calculation, the inhibition of nitrification by pH, NH3 and HNO2, oxygen supply and the stripping of CO2 and NH3. A methodology based on respirometric batch tests was proposed to assess the model parameters. Once calibrated, the proposed model showed very good agreement between experimental and simulated data of the three studied SBR treatments. <br/><br/>The SHARON-Denitrification process was also studied in this work. This biological process takes place in a continuous reactor where aerobic/anoxic periods are alternated under specific HRT and temperature conditions that favours ammonium oxidizers growth and assures the total wash-out of nitrite oxidizers. An optimized performance of this process was obtained at HRT 2.1 days, 33 ºC, cycle length of 2 h and using methanol to denitrify. However, the use of supernatant of hydrolysed primary sludge as the organic carbon source to denitrify improved the process efficiency due to the alkalinity present in the primary sludge. The obtained operating nitrogen loading rate of this reactor was 0.38 kg N m-3 day-1.<br/><br/>Furthermore, two biological nitrogen removal treatments for partial nitrification of sludge reject water were operated and modelled: the SHARON process and the partial nitrification in a SBR. Both processes showed a good performance in the generation of an effluent with a NH4+-N to NO2--N on molar basis of approximately 1. In the SBR, the key factor responsible of the inhibition of nitrite oxidizers was the working free ammonia concentration. For the SHARON process the key factor was the implemented SRT at the operating temperature.<br/> <br/>Finally, an Anammox SBR was operated to treat a highly ammonium loaded synthetic wastewater, that represented the effluent obtained in the partial nitrification units. The feasibility of the Anammox process at different temperature conditions (between 18 and 30ºC) was tested. At 18 ºC, a stable operation was achieved treating 0.30 kg N (L day)-1, with a stoichiometry slightly different from that obtained under 30 ºC.

<i>EN CASTELLANO: <br/><br/>La legislación es cada vez más estricta para la reducción del contenido de nutrientes (entre los que destaca el nitrógeno) en el efluente de plantas de tratamiento de aguas residuales, lo cual estimula la investigación para mejorar este aspecto en las plantas ya existentes. La tendencia actual es aplicar tratamientos de eliminación de nutrientes sobre aquellas corrientes ricas en contaminante.<br/>En esta tesis doctoral se ha trabajado con distintas aguas residuales con alto contenido en nitrógeno amoniacal al proceder de un tratamiento de digestión anaeróbica de residuos orgánicos altamente proteicos: sobrenadante de digestión anaeróbica de fangos de Estaciones Depuradoras de Aguas Residuales (EDAR) municipales, sobrenadante de digestión anaeróbica de la Fracción Orgánica de Residuos Municipales (FORM) y sobrenadante de digestión anaeróbica de purines de cerdo. Entre las posibles alternativas de tratamiento de dichas aguas residuales, el tratamiento biológico acostumbra a ser el más recomendable, en base a la eficiencia de tratamiento y los costes de instalación y operación.<br/>Para tratar estas aguas residuales se ha llevado a cabo un estudio de operación y modelado de diferentes tratamientos avanzados de eliminación biológica de nitrógeno: En primer lugar, la utilización de un reactor discontinuo secuencial en el cual se realiza un proceso de nitrificación/desnitrificación vía nitrito, lo cual supone un ahorro, respecto a los tratamientos biológicos convencionales, del 25% de los costes de aireación y del 40% de materia orgánica externa para desnitrificar. Por otro lado, se ha experimentado el tratamiento biológico de nitrógeno en un reactor SHARON/Desnitrificación, que conduce a una reducción de costes similar a la obtenida en un reactor secuencial por cargas. Finalmente, se ha estudiado la utilización de un sistema combinado de nitrificación parcial y Anammox. Respecto al tratamiento convencional, esta tecnología evita la necesidad de usar materia orgánica para desnitrificar y conduce a un ahorro del 65% de los costes de aireación, produciendo muy poca cantidad de fangos. Sin embargo, los puntos débiles del proceso de Nitrificación parcial/Anammox son el lento crecimiento de la biomasa Anammox y su baja resistencia a inhibidores. </i>

RESUM EN CATALÀ: <br/><br/>La legislació és cada vegada més estricta per tal de reduir el contingut de nutrients (entre els que destaca el nitrogen) en l'efluent de les plantes de tractament d'aigües residuals, la qual cosa estimula la recerca per tal de millorar aquest aspecte en les plantes ja existents. La tendència actual és cercar aquelles corrents riques en contaminant per aplicar un tractament específic sobre elles. <br/>En aquesta tesi s'ha treballat amb diferents aigües residuals d'alt contingut en nitrogen amoniacal en provenir d'un tractament de digestió anaeròbica de materials fortament proteics: sobrenedant de digestió anaeròbica de fangs d'Estacions Depuradores d'Aigües Residuals (EDAR) municipals, sobrenedant de digestió anaeròbica de la Fracció Orgànica de Residus Municipals (FORM) i sobrenedant de digestió anaeròbica de purins de porc. Entre les possibles alternatives de tractament d'aquestes aigües residuals, el tractament biològic acostuma a ser el més recomanable, en base a l'eficiència del tractament i els costos d'instal·lació i operació.<br/>Per tal de tractar aquestes aigües residuals s'ha fet un estudi d'operació i modelització de diferents tractaments avançats d'eliminació biològica de nitrogen: En primer lloc, la utilització d'un reactor discontinu seqüencial en el qual es realitza un procés de nitrificació/desnitrificació via nitrit, la qual cosa suposa un estalvi, respecte els tractaments biològics convencionals, del 25% dels costos d'aireig i del 40% de matèria orgànica externa per desnitrificar. Per altra banda, s'ha experimentat el tractament biològic de nitrogen en un reactor SHARON/Desnitrificació, el qual suposa una reducció de costos similar a la obtinguda en un reactor seqüencial per càrregues. Finalment, s'ha estudiat la utilització d'un sistema combinat de nitrificació parcial i Anammox. Respecte el tractament convencional, aquesta tecnologia evita la necessitat d'emprar matèria orgànica per desnitrificar i condueix a un estalvi del 65% dels costos d'aireig, produint molt poca quantitat de fangs. Tot i així, els punts febles del procés de Nitrificació parcial/Anammox són el lent creixement dels microorganismes Anammox i la seva baixa resistència a inhibidors.