Operation and control of high rate activated sludge process in urban wastewater treatment plants

Abstract

This doctoral thesis focuses on the High Rate Activated Sludge (HRAS) process, which emerges as an alternative to the primary clarifier in activated sludge systems (CAS) to reduce energy consumption, analysing its effects on the removal of organic matter and nutrients compared to CAS. A pilot plant was used for research, operating with low residence times and dissolved oxygen. The results show that HRAS is efficient and stable, with high contaminant removal and low energy demand. The oxidation of organic matter and the removal of nitrogen and phosphorus are analysed, highlighting the importance of settling and process stability. Oxygen control based on influent organic matter concentration is recommended.

The HRAS process demonstrates better removal of various contaminants compared to the primary clarifier, with removal rates correlated to nutrient concentrations at the inlet. It is highlighted that the removal of nitrogen and phosphorus shows positive correlations with total chemical oxygen demand (COD) and the particulate fraction, indicating the importance of adsorption processes, regardless of COD oxidation. The surplus removal of soluble COD suggests possible intracellular storage or high nitrogen content in HRAS biomass.

HRAS shows low specific oxygen consumption (SOC) for various parameters such as total COD, soluble COD, and 5-day biochemical oxygen demand (BOD5), indicating high energy efficiency. This SOC is influenced by both influent concentration and its biodegradability. High oxidation of COD has been noted during periods of high soluble COD concentrations in the influent, suggesting that oxygen control strategies based on influent soluble COD concentration can be useful in regulating COD oxidation. Simulation conducted using SUMO software provided good fitting for SOC values, except for very low values of soluble COD in the influent.

In a long-term analysis, it is indicated that the optimal pathway for nitrogen removal in the subsequent treatment stage involves the presence of nitrification/denitrification processes, supplemented with ANAMMOX in the return line. Additionally, it is observed that HRAS exhibits higher energy efficiency at elevated influent concentrations, with specific oxygen consumption influenced by influent concentration and its biodegradability

Aquesta tesi doctoral tracta sobre el procés High Rate Activated Sludge (HRAS) que emergeix com a alternativa al decantador primari dels sistemes de fangs activats (CAS) per reduir el consum d'energia, analitzant els seus efectes en la eliminació de matèria orgànica i nutrients en comparació amb el CAS. Es va utilitzar una planta pilot per a la recerca, operant amb baixos temps de residència i oxigen dissolt. Els resultats mostren que l'HRAS és eficient i estable, amb una alta eliminació de contaminants i una baixa demanda energètica. S'analitza l'oxidació de matèria orgànica i la eliminació de nitrogen i fòsfor, destacant la importància de la decantació i la estabilitat del procés.

El procés HRAS demostra una millor eliminació de diversos contaminants respecte al decantador primari, amb taxes d'eliminació que estan relacionades amb les concentracions de nutrients a l'entrada. Es destaca que l'eliminació de nitrogen i fòsfor mostra correlacions positives amb la demanda química d'oxigen (DQO) total i la fracció particulada, indicant la importància dels processos d'adsorció, independentment de l'oxidació de la DQO. El fet que hi hagi un superàvit d'eliminació de DQO soluble suggereix un possible emmagatzematge intracel·lular o un alt contingut de nitrogen en la biomassa de l'HRAS.

l'HRAS demostra un baix consum específic d'oxigen (SOC) per a diversos paràmetres com la DQO total, soluble i la demanda bioquímica d'oxigen en 5 dies (DBO5), indicant una elevada eficiència energètica. Aquest SOC està influït tant per la concentració de l'influent com per la seva biodegradabilitat. S'ha notat una alta oxidació de la DQO durant períodes amb altes concentracions de DQO soluble a l'influent, suggerint que estratègies de control de l'oxigen basades en la concentració de DQO soluble a l'influent poden ser útils per regular l'oxidació de la DQO. La simulació realitzada amb el software SUMO va proporcionar un bon ajust pels valors de SOC, excepte quan es tracta de valors molt baixos de DQO soluble a l'influent.

En un anàlisi a llarg termini, s'indica que la millor via per a l'eliminació de nitrogen en la següent etapa de tractament és la presència d'un procés de nitrificació/desnitrificació, complementat amb ANAMMOX a la línia de retorn. A més, s'observa que l'HRAS té una eficiència energètica més alta a concentracions d'influent elevades, amb un consum d'oxigen específic influenciat per la concentració de l'influent i la seva biodegradabilitat