Thesis (MSc)--Stellenbosch University, 2015. / ENGLISH ABSTRACT: Acid mine drainage (AMD) is wastewater generated by mine and industrial activity with typically high heavy metal and sulphur content potentially resulting in toxic wastewater upon exposure to dissolved oxygen, water and micro-organisms. Due to the hazardous consequences of untreated AMD, treatment methods such as semi-passive biotic treatments, including constructive wetlands and microbial bioreactors were developed. Microbial bioreactors rely on suitable carbon sources such as ethanol, grasses and manure and the creation of anaerobic conditions for the reduction of sulphate, chemical oxidizable organic matter (COD) and to neutralise pH. Domestic wastewater sludge has also been identified as an economical and readily available carbon source that allows the treatment of both AMD and domestic wastewater. A synthetic medium simulating the COD and the biological degradable organic matter (BOD) of domestic wastewater sludge was formulated to exclude variations in the evaluation of domestic wastewater sludge as carbon source in the treatment of AMD. Firstly the BOD and COD of anaerobic domestic wastewater sludge was determined and used as parameters in the formulation of the synthetic medium. A ratio of 1:1 AMD: synthetic domestic wastewater sludge (SDWWS) was the optimum ratio in terms of sulphate and COD removal. Secondly, medical drip bags were used as anaerobic bioreactors to determine the microbial diversity in AMD treated with SDWWS using different variables. Data analyses from next generation sequencing showed that Chlorobium spp. dominated the 90 d pioneer trials at relative percentages of 68 % and 76 %. Transmission electron microscopy (TEM) images and the bright green colour of the liquid contents confirmed the data analyses. Sulphates and COD were removed at > 98 % and > 85 %, respectively. A shorter incubation time was investigated in the 30 d pioneer trial. Chlorobium spp. was dominant, followed by Magnetospirillum spp. and Ornithobacterium spp. The liquid content changed to a dark brown colour. COD and sulphate concentrations were reduced by 60.8 % and 96 %, respectively, within 26 d, after which a plateau was reached. The effect of an established biofilm in the bioreactors showed that Chlorobium spp. also dominated approximately 62 %, in comparison to the 36 % in the 30 d pioneer trial. A sulphate and COD reduction of 96 % and 58 %, respectively, was obtained within 26 d and the liquid content was the same colour as in the 30 d pioneer trial. It is possible that brown Green sulphur bacteria were present. Therefore, although Chlorobium spp. was present at a higher percentage as in the 30 d pioneer trial, the removal of COD and sulphate was similar. During the 30 d trials a white precipitant formed at the top of the bioreactors, consisting primarily of sulphate and carbon that was also indicative of the presence of Chlorobium spp. Incubation at reduced temperature reduced sulphates by only 10 % and COD by 12 % after 17 d, followed by a plateau. Ornithobacterium spp. dominated in the first trial and Magnetospirillum spp. in the second trial. / AFRIKAANSE OPSOMMING: Suur mynwater (SMW) is afvalwater wat deur die myn- en industriële bedryf gegenereer word en bevat kenmerklik hoë konsentrasies swaar metale en swawel wat potensieel in toksiese afvalwater omskep kan word indien blootgestel aan opgelosde suurstof, water en mikro-organismes. Die skadelike gevolge wat blootstelling aan onbehandelde SMW mag hê, het gelei tot semi-passiewe behandelinge wat vleilande en mikrobiese bioreaktors insluit. Mikrobiese bioreaktore maak staat op n geskikte koolstofbron soos etanol, grasse en bemesting en die skep van ‘n anaerobiese omgewing vir die verwydering van sulfate en chemies oksideerbare organiese material (CSB), asook die neutralisering van pH. Huishoudelike afvalwaterslyk is ook uitgewys as ‘n ekonomies geskikte en algemeen beskikbare koolstofbron wat die behandeling van beide SMW en huishoudelike afvalwater toelaat. ‘n Sintetiese medium wat die CSB en biologies afbreekbare organiese materiaal (BSB) van huishoudelike afvalwater slyk naboots is geformuleer om die variasies in die evaluasie van huishoudelike afvalwater slyk as koolstofbron vir die behandeling van SMW, uit te sluit. Eerstens is die BSB en die CSB van huishoudelike afvalwater slyk bepaal en gebruik as n maatstaf vir die formulering van die sintetiese medium. ‘n Verhouding van 1:1 sintetiese huishoudelike afvalwater slyk (SDWWS) en SMW is optimaal ratio i.t.v. die verwydering van sulfate en CSB. Tweedens is mediese dripsakkies as anaerobiese bioreaktore gebruik om die mikrobiese diversiteit in SMW, wat met SDWWS behandel is, te bepaal deur verskeie veranderlikes te gebruik. Tweede generasie DNA-volgorde bepalingstegnieke is gebruik en data analises het gewys dat Chlorobium spp. die 90 d pionier toetslopie domineer met relatiewe persentasies van 68 % en 76 %. Transmissie elektron mikroskopie fotos en die helder groen kleur van die dripsakkies se vloeistof inhoud het die data analises bevestig. Die sulfate en CSB inhoud is onderskeidelik met > 98 % en > 85 % verminder. ‘n Korter behandelingstydperk is ondersoek met n 30 d pionier toetslopie. Chlorobium spp. was dominant, gevolg deur Magnetospirillum spp. en Ornithobacterium spp. Die vloeistof inhoud het na ‘n donker bruin kleur verander. Die CSB en sulfaat konsentrasies is met 60.8 % en 96 % onderskeidelik verminder na 26 dae waarna ‘n plato bereik is. Die effek van ‘n reeds bestaande biofilm in die bioreaktore het gewys dat Chlorobium spp. ook gedomineer het teen ‘n relatiewe persentasie van 62 % in vergelyking met die 36 % in die 30 d pionier toetslopie. ‘n Vermindering in sulfate en CSB van 96 % en 58 % is onderskeidelik is bereik binne 26 d en die vloeistofinhoud was dieselfde kleur as die bioreaktore in die 30 d pionier toetslopie. Dit is moontlik dat die bruin Groen swawel bakterieë teenwoordig was. Daarom, ondanks ‘n groter teenwoordigheid van die Chlorobium spp. teen ‘n relatiewe persentasie in vergelying met die 30 d pionier toetslopie, was die verwydering van CSB en sulfate soortgelyk. Tydens die 30 d toetslopies het ‘n wit neerslag aan die bokant van die bioreaktore gevorm wat hoofsaaklik uit sulfaat en koolstof bestaan het wat ook ‘n aanduiding van die teenwoordigheid van Chlorobium spp. is. ‘n Toetslopie wat by laer temperature uitgevoer is kon die sulfate en CSB met slegs 10 % en 12 % onderskeidelik verminder nadat ‘n plato na 17 d bereik is. Ornithobacterium spp. het die eerste toetslopie gedomineer waar Magnetospirillum spp. die tweede toetslopie gedomineer het.

<p>Hammarby Sjöstad is a new district in southern Stockholm. A main objective with the Sjöstad project was to halve the environmental impact compared to other construction work. The environmental goals involve a halved water consumption rate, a local treatment of storm water and trials aiming to extract nutrients from the waste water. Sjöstadsverket is an experimental treatment plant used for testing new treatment processes for domestic waste water from Hammarby Sjöstad. The results are to be compared with the conventional process used at Henrikdals treatment plant today. Two aerobic and two anaerobic main treatment processes are to be tested before decision of full scale is taken in 2005.</p><p>Anaerobic treatment without heating, as a way to reduce the content of organic material in the waste water, consumes less energy than conventional methods. Anaerobic reactors are usually operated at 37°C. It is possible to attain a high COD-reduction at lower temperatures, assumed a longer contact time between biomass and waste water. In an Upflow Anaerobic Sludge Blanket (UASB) - reactor the microorganisms form granules with excellent sedimentation properties. The granules are floating with the waste water flowing upwards through the reactor. This makes it possible to reduce the COD-content despite a short hydraulic retention time in the reactor.</p><p>The two UASB-reactors examined in this thesis is a part of the pilot plant. The thesis shows how the startup of the reactors has functioned and evaluates the possibility to reduce the contence of different COD-fractions with this technique.The domestic waste water temperature has during the experiment period dropped from 23°C to 18°C. The total COD-content of the untreated waste water is 567 mg/l. Before the anaerobic step the water is pre-treated by adding of flocculation chemicals and sedimentation. The total amount of suspended material is reduced by 50 % in the pre-treatment and the load on the UASB-reactors is 100 mg/l. With a hydrologic retention time of 2,4 h the pre-treatment and the two-step anaerobic reactor has reduced 64 % of the total COD-content. Over the anaerobic treatment step the COD-reduction was 49 %. The reduction of dissolved COD (<0, 45 μm) was 59 %. When operated in series the main part of the soluble CODreduction has taken place in the first reactor. After more than six months operation there is still a granulated sludge in the reactors and tests show a high metanogenic activity. Gas production from the reactors has been observed but not measured quantitatively.</p><p>The results from this thesis show that anaerobic treatment with a UASB-process functions without heating for the household waste water from Hammarby Sjöstad. The anaerobic process should be combined with pre-treatment and supplementary treatment to reduce the remaining COD and the nitrogen and phosphorus content.</p> / <p>Hammarby Sjöstad i södra Stockholm är en stadsdel under framväxt. Tanken bakom Sjöstadsprojektet var att halvera miljöpåverkan jämfört med annan nybyggnation. Bland annat anges i miljömålen halverad vattenförbrukning, lokal hantering av dagvatten och försök med utvinning av växtnäringsämnen ur avloppsvattnet. Sjöstadsverket är en del av detta projekt; en försöksanläggning för reningen av avloppsvattnet från hushållen i Hammarby Sjöstad. Två aeroba och två anaeroba linjer ska utvärderas innan beslut om full skala tas år 2005.</p><p>Anaerob rening utan uppvärmning är ett resurssnålt sätt att minska innehållet av organiskt material i avloppsvattnet. Anaeroba reaktorer drivs vanligen vid ca 37°C. Det är möjligt att nå en hög reduktion av organiskt material även vid lägre temperaturer, förutsatt en längre kontakttid mellan biomassa och avloppsvatten. I en Upflow Anaerobic Sludge Blanket (UASB)-reaktor utnyttjas mikroorganismernas förmåga att bilda granuler, vilka svävar med avloppsvattnet som flödar uppåt genom reaktorn. Det gör det möjligt att reducera vattnets innehåll av organiskt material trots en kort hydraulisk uppehållstid i reaktorn. I detta examensarbete studeras de två UASB-reaktorer som ingår som en del i pilotanläggningen vid Sjöstadsverket. Examensarbetet visar hur uppstarten av reaktorerna fungerat och utvärderar möjligheten att reducera avloppsvattnets olika fraktioner av COD med denna teknik.</p><p>Temperaturen på vattnet från hushållen har under försöksperioden sjunkit från 23°C till 18°C. Det obehandlade avloppsvattnet har en total COD-halt kring 567 mg/l. Innan det anaeroba reningssteget förbehandlas vattnet genom sedimentering och inblandning av flockningskemikalier. Den totala mängden suspenderat material halveras i förbehandlingen och belastningen på UASB-reaktorerna är kring 100 mg /l. Efter förbehandling är vattnets COD-koncentration ca 400 mg/l. Med en hydraulisk uppehållstid på 2,4 timmar har en COD-reduktion på 64 % uppnåtts i hela systemet, dvs. försedimentering och två-stegs UASB-reaktor. Över det anaeroba reningssteget var reduktionen av COD 49 %. Reduktionen av löst COD (<0, 45 μm) i UASB-reaktorerna var 59 %. Vid seriell drift har merparten av lösligt COD reducerats i den första reaktorn. Efter nio månaders drift finns fortfarande ett granulärt slam i båda reaktorerna. Tester visar på en hög metanogen aktivitet. Gasproduktion har observerats i reaktorerna men inte kunnat mätas kvantitativt.</p><p>Resultaten från detta examensarbete indikerar att anaerob rening med en UASB-process fungerar utan uppvärmning för avloppsvattnet från hushållen i Hammarby Sjöstad. Den anaeroba behandlingen bör kompletteras med förbehandling samt en kompletterande behandling för att minska kvarvarande COD och reducera kväve och fosfor.</p>

Hammarby Sjöstad is a new district in southern Stockholm. A main objective with the Sjöstad project was to halve the environmental impact compared to other construction work. The environmental goals involve a halved water consumption rate, a local treatment of storm water and trials aiming to extract nutrients from the waste water. Sjöstadsverket is an experimental treatment plant used for testing new treatment processes for domestic waste water from Hammarby Sjöstad. The results are to be compared with the conventional process used at Henrikdals treatment plant today. Two aerobic and two anaerobic main treatment processes are to be tested before decision of full scale is taken in 2005. Anaerobic treatment without heating, as a way to reduce the content of organic material in the waste water, consumes less energy than conventional methods. Anaerobic reactors are usually operated at 37°C. It is possible to attain a high COD-reduction at lower temperatures, assumed a longer contact time between biomass and waste water. In an Upflow Anaerobic Sludge Blanket (UASB) - reactor the microorganisms form granules with excellent sedimentation properties. The granules are floating with the waste water flowing upwards through the reactor. This makes it possible to reduce the COD-content despite a short hydraulic retention time in the reactor. The two UASB-reactors examined in this thesis is a part of the pilot plant. The thesis shows how the startup of the reactors has functioned and evaluates the possibility to reduce the contence of different COD-fractions with this technique.The domestic waste water temperature has during the experiment period dropped from 23°C to 18°C. The total COD-content of the untreated waste water is 567 mg/l. Before the anaerobic step the water is pre-treated by adding of flocculation chemicals and sedimentation. The total amount of suspended material is reduced by 50 % in the pre-treatment and the load on the UASB-reactors is 100 mg/l. With a hydrologic retention time of 2,4 h the pre-treatment and the two-step anaerobic reactor has reduced 64 % of the total COD-content. Over the anaerobic treatment step the COD-reduction was 49 %. The reduction of dissolved COD (&lt;0, 45 μm) was 59 %. When operated in series the main part of the soluble CODreduction has taken place in the first reactor. After more than six months operation there is still a granulated sludge in the reactors and tests show a high metanogenic activity. Gas production from the reactors has been observed but not measured quantitatively. The results from this thesis show that anaerobic treatment with a UASB-process functions without heating for the household waste water from Hammarby Sjöstad. The anaerobic process should be combined with pre-treatment and supplementary treatment to reduce the remaining COD and the nitrogen and phosphorus content. / Hammarby Sjöstad i södra Stockholm är en stadsdel under framväxt. Tanken bakom Sjöstadsprojektet var att halvera miljöpåverkan jämfört med annan nybyggnation. Bland annat anges i miljömålen halverad vattenförbrukning, lokal hantering av dagvatten och försök med utvinning av växtnäringsämnen ur avloppsvattnet. Sjöstadsverket är en del av detta projekt; en försöksanläggning för reningen av avloppsvattnet från hushållen i Hammarby Sjöstad. Två aeroba och två anaeroba linjer ska utvärderas innan beslut om full skala tas år 2005. Anaerob rening utan uppvärmning är ett resurssnålt sätt att minska innehållet av organiskt material i avloppsvattnet. Anaeroba reaktorer drivs vanligen vid ca 37°C. Det är möjligt att nå en hög reduktion av organiskt material även vid lägre temperaturer, förutsatt en längre kontakttid mellan biomassa och avloppsvatten. I en Upflow Anaerobic Sludge Blanket (UASB)-reaktor utnyttjas mikroorganismernas förmåga att bilda granuler, vilka svävar med avloppsvattnet som flödar uppåt genom reaktorn. Det gör det möjligt att reducera vattnets innehåll av organiskt material trots en kort hydraulisk uppehållstid i reaktorn. I detta examensarbete studeras de två UASB-reaktorer som ingår som en del i pilotanläggningen vid Sjöstadsverket. Examensarbetet visar hur uppstarten av reaktorerna fungerat och utvärderar möjligheten att reducera avloppsvattnets olika fraktioner av COD med denna teknik. Temperaturen på vattnet från hushållen har under försöksperioden sjunkit från 23°C till 18°C. Det obehandlade avloppsvattnet har en total COD-halt kring 567 mg/l. Innan det anaeroba reningssteget förbehandlas vattnet genom sedimentering och inblandning av flockningskemikalier. Den totala mängden suspenderat material halveras i förbehandlingen och belastningen på UASB-reaktorerna är kring 100 mg /l. Efter förbehandling är vattnets COD-koncentration ca 400 mg/l. Med en hydraulisk uppehållstid på 2,4 timmar har en COD-reduktion på 64 % uppnåtts i hela systemet, dvs. försedimentering och två-stegs UASB-reaktor. Över det anaeroba reningssteget var reduktionen av COD 49 %. Reduktionen av löst COD (&lt;0, 45 μm) i UASB-reaktorerna var 59 %. Vid seriell drift har merparten av lösligt COD reducerats i den första reaktorn. Efter nio månaders drift finns fortfarande ett granulärt slam i båda reaktorerna. Tester visar på en hög metanogen aktivitet. Gasproduktion har observerats i reaktorerna men inte kunnat mätas kvantitativt. Resultaten från detta examensarbete indikerar att anaerob rening med en UASB-process fungerar utan uppvärmning för avloppsvattnet från hushållen i Hammarby Sjöstad. Den anaeroba behandlingen bör kompletteras med förbehandling samt en kompletterande behandling för att minska kvarvarande COD och reducera kväve och fosfor.