By rethinking wastewater treatment plants (WWTPs) as resource recovery facilities, it is possible to de- velop the next generation of WWTPs. Moreover, it allows to accomplish environmental goals, such as reducing the CO2 footprint, and comply with increasing effluent standards regarding the concentration of nitrogen in a more sustainable way. This research study aims to analyse the possibility of recirculating carbon within WWTPs in form of volatile fatty acids (VFAs) produced by co-fermentation of primary sludge and food waste. The obtained fermentation liquid is utilised as carbon source to enhance the denitrification process in a post-anoxic denitrification plant setup. Two pilot scale fermentation reactors were semi-continuously operated, systematically varying only in pH. By controlling one reactor to pH 10, while the second reactor was operated without pH control, it was possible to assess the influence of the pH on the carbon recovery process. Despite the pH not being controlled in the second fermentation reactor, it adjusted itself to a stable pH around 5.4. The co-fer- mentation process was monitored by weekly analysis of the SCOD and total amount of VFAs (TVFA). While the alkaline conditions in the reactor operated at pH 10 allowed a higher hydrolysis of the sub- strate, the second reactor, operated without pH control, achieved a more distinct acidification, due to the lower pH. Consequently, the SCOD in the reactor operated without pH control contains a higher percentage of TVFA amounting to 64 % in comparison to the reactor operated at pH 10 with 40 % TVFA. Furthermore, the achieved degree of fermentation was assessed by calculating the net increase of TVFA per gram of VS, respectively VSS. A higher degree of fermentation was achieved without pH control, resulting in a higher VFA yield compared to the fermentation reactor operated at pH 10. Moreover, anal- ysis of the individual VFAs by gas chromatography showed distinct differences in the composition of the fermentation liquids. According to the findings, the reactor operated at pH 10 produced mainly acetic acid (61 %), followed by propionic acid (18 %) and n-butyric acid (14 %). In contrast, the fermentation reactor operated without pH control produced mainly n-caproic acid (47 %), followed by acetic acid (25 %) and n-butyric acid (16 %). Despite the similar fermentation substrate supplied to both reactors, the acidic conditions in the reactor operated without pH control allowed carboxylic acid chain elongation from acetic acid to n-caproic acid, resulting in the main difference of the fermentation liquids. The fermentation liquid of the two reactors was filtered, diluted to a concentration of 5 g COD/L and supplied as additional carbon source to enhance denitrification in two continuously operated pilot scale moving bed biofilm reactors (MBBR), applying a carbon-to-nitrogen ratio of 4.5. One of the denitrifica- tion MBBRs received the carbon recovered by fermentation at pH 10 as external carbon source, whereby the carbon source produced by fermentation without pH control was supplied to the other MBBR. The maximal achieved denitrification rate was quite similar for both MBBRs amounting to 3.25 g NO3- Neq/(m2·d) for the MBBR receiving the carbon source recovered by co-fermentation at pH 10 and 3.38 g NO3-Neq/(m2·d) for the MBBR receiving the VFA-mix obtained by co-fermentation without pH control. However, the MBBR provided with the carbon source recovered by co-fermentation under acidic conditions achieved a higher average denitrification rate of 2.5 g NO3-Neq/(m2·d), compared with the MBBR receiving carbon produced by co-fermentation at pH 10 (1.8 g NO3-Neq/(m2·d)). The lower efficiency of the MBBR supplied with additional carbon recovered by fermentation at pH 10 is caused by an accumulation of NO2-N during the denitrification process. This accumulation of NO2-N indicates suboptimal conditions, both due to the composition of the supplied carbon source and an overall higher pH during the denitrification process, which might supress facultative anaerobes, such as denitrifiers. Nevertheless, this study shows that both VFA-rich carbon sources obtained by co-fermentation of pri- mary sludge and food waste are suitable to enhance denitrification of municipal wastewater, with the carbon source recovered by fermentation without pH control achieving a higher denitrification effi- ciency. / Eine Neuinterpretation kommunaler Klärwerke als Rohstoff-Rückgewinnungsanlagen ermöglicht die Entwicklung der Kläranlagen der Zukunft. Umweltziele, wie die Reduktion des CO2-Fußabdrucks und die Einhaltung steigender Abwasserstandards im Hinblick auf die Stickstoffkonzentration können somit nachhaltiger erreicht werden. Diese Forschungsstudie zielt darauf ab, die Möglichkeit der Rückführung von Kohlenstoff in Kläranlagen in Form leichtflüchtiger Fettsäuren (engl. volatile fatty acids, VFAs) zu untersuchen. Diese VFAs werden durch Co-Fermentation von Primärschlamm und Lebensmittelabfäl- len erzeugt und als zusätzliche Kohlenstoffquelle einer nachgeschalteten Denitrifikation zugeführt, um die Prozesseffizienz zu steigern. Zur Erzeugung der VFAs wurden zwei Fermentationsreaktoren halbkontinuierlich im Pilotmaßstab be- trieben, welche systematisch im pH-Wert variierten. Der Einfluss des pH-Wertes auf den Kohlenstoff- rückgewinnungsprozess konnte beurteilt werden, indem ein Reaktor auf pH 10 geregelt wurde, während dieser im zweiten Reaktor nicht beeinflusst wurde. In diesem stellte sich aufgrund ablaufender Reakti- onen ein stabiler pH-Wert um 5,4 ein. Der Co-Fermentationsprozess wurde durch wöchentliche Analyse des gelösten chemischen Sauerstoffbedarfs (engl. soluble chemical oxygen demand, SCOD) und der Ge- samtmenge an VFAs (TVFA) überwacht. Während die alkalischen Bedingungen in dem bei pH 10 be- triebenen Reaktor eine höhere Hydrolyse des Substrats ermöglichten, erreichte der zweite Reaktor auf- grund des niedrigeren pH-Werts eine stärkere Versäuerung. Folglich enthält der SCOD in dem Reaktor, der ohne pH-Regelung betrieben wurde, mit 64 % einen höheren Anteil an TVFA im Vergleich zu dem bei pH 10 betriebenen Reaktor mit 40 % TVFA. Außerdem wurde der erreichte Fermentationsgrad durch Berechnung der Nettozunahme der TVFA pro Gramm flüchtige Feststoffe (VS) bzw. flüchtige suspendierte Feststoffe (VSS) erfasst. Ein höherer Fer- mentationsgrad konnte ohne pH-Regelung erzielt werden, welche eine höhere VFA-Ausbeute im Ver- gleich zur Fermentation bei pH 10 zeigt. Deutliche Unterschiede in der Zusammensetzung der gewon- nenen VFAs konnten durch Analyse mittels Gaschromatographie erfasst werden. Demzufolge entstand bei der Fermentation bei pH 10 hauptsächlich Essigsäure (61 %), gefolgt von Propionsäure (18 %) und n-Buttersäure (14 %). Im Gegensatz dazu, produzierte der Fermentationsreaktor ohne pH-Regelung überwiegend n-Capronsäure (47 %), gefolgt von Essigsäure (25 %) und n-Buttersäure (16 %). Trotz des gleichen Fermentationssubstrates, welches beiden Reaktoren zugeführt wurde, ermöglichen die sauren Bedingungen in dem Fermentationsreaktor ohne pH-Regelung, eine Verlängerung der Carbonsäureket- ten von Essigsäure zu n-Capronsäure. Nach Filtration der in verschiedenen Milieus gewonnenen Fermentationssubstrate und Verdünnung auf eine Konzentration von 5 g COD/L, wurden diese zwei im Pilotmaßstab kontinuierlich betriebenen Fließbett-Biofilmreaktoren (engl. Moving bed biofilm reactor, MBBR) als zusätzliche Kohlenstoffquelle zur Denitrifikation zugeführt. Über die gesamte Versuchsdauer wurden ein MBBR mit dem alkalisch gewonnenen und der Andere mit dem im sauren Milieu erzeugten VFA-Mix betrieben. Das Kohlenstoff- Stickstoff-Verhältnis (C/N Ratio) lag dabei bei 4,5. Beide MBBRs wiesen eine vergleichbare maximale Denitrifikationsrate von 3,25 g NO3-Neq/(m2·d) (VFAs pH 10) und 3,38 g NO3-Neq/(m2·d) (VFAs pH un- geregelt) auf. Der MBBR, welcher die im sauren Milieu rückgewonnene Kohlenstoffquelle erhielt, er- reichte im Durchschnitt eine höhere Denitrifikationsrate von 2,5 g NO3-Neq/(m2·d) als der MBBR, der den bei pH 10 gewonnenen VFA-Mix erhielt (1,8 g NO3-Neq/(m2·d)). Die im Vergleich geringere Effizi- enz der alkalisch rückgewonnenen Kohlenstoffquelle wird durch eine NO2-N-Anreicherung während der Denitrifikation verursacht, welche suboptimale Bedingungen während des Prozesses indiziert. Dies ist sowohl auf die Zusammensetzung der zugeführten Kohlenstoffquelle, als auch auf einen insgesamt hö- heren pH-Wert während des Reduktionsprozesses zurückzuführen, der fakultative Anaerobier, wie bspw. Denitrifikanten, unterdrücken kann. Dessen ungeachtet zeigt diese Studie, dass beide durch Co- Fermentation von Primärschlamm und Lebensmittelabfällen gewonnenen VFA-reichen Kohlenstoff- quellen zur Verbesserung der Denitrifikation kommunalen Abwassers geeignet sind, wobei die durch Fermentation ohne pH-Regelung erzeugte Kohlenstoffquelle eine höhere Effizienz aufweist. / Det är möjligt att utveckla den nya generationen av avloppsreningsverk genom att ompröva avloppsreningsverk som resursanläggning. Därtill möjliggör det att uppnå miljömål som att minska koldioxidavtrycket och följa ökande utsläppskrav, t.ex. för kvävekoncentration, på ett mer hållbart sätt. Denna forskningsstudie syftar till att analysera möjligheten att återcirkulera kol inom reningsverket i form av lättflyktiga fettsyror (engl. volatile fatty acids, VFAs), producerades genom samfermentering av primärslam och matavfall. Det erhållna fermenteringssubstratet används som extern kolkälla för att förbättra processeffektiviteten i en efterdenitrifikationsanläggning. Två pilotskaliga fermenteringsreaktorer drevs i semikontinuerligt driftläge med endast en skillnad i pH. Det var möjligt att utvärdera pH-påverkan på kolåtervinningsprocessen genom att kontrollera pH- värdet i en reaktor till pH 10, medan den andra reaktorn drevs utan pH-kontroll. På grund av reaktionerna som fortlöpte, justerade sig den icke-kontrollerade reaktorn själv till ett stabilt pH runt 5,4. Samfermenteringsprocessen övervakades genom veckoanalys av kemisk syreförbrukning i filtrerade prover (engl. soluble chemical oxygen demand, SCOD) och total mängd av VFAs (TVFA). Medan den alkaliska miljö i den första reaktorn gynnade en högre hydrolys av substratet, uppnådde den andra reaktorn en mer tydlig surgöring på grund av det lägre pH-värdet. Följaktligen innehåller SCOD i reaktorn som drivs utan pH-kontroll en större andel TVFA – 64 % av SCOD - jämfört med reaktorn som drivs vid pH 10, där TVFA utgör 40 % av SCOD. Vidare analyserades den uppnådda fermenteringsgraden genom att beräkna nettoökningen av TVFA per gram VS, respektive VSS. En högre jäsningsgrad uppnåddes i sur miljö, vilket resulterade i en högre VFA-produktion jämfört med fermenteringsreaktorn som drevs vid pH 10. Därtill visade analys med gaskromtografi av de individuella VFA tydliga skillnader i sammansättning av substraten. Enligt rönen producerade reaktorn vid pH 10 mestadels ättiksyra (61 %) följt av propionsyra (18 %) och n-smörsyra (14 %). Däremot producerade fermenteringsreaktorn utan pH-kontroll mestadels n-kapronsyra (47 %) följt av ättiksyra (25 %) och n-smörsyra (16 %). Detta visar att trots att samma fermentationssubstrat användes för båda reaktorerna möjliggör den sura miljön i reaktorn utan pH-kontroll karboxylkedjeförlängningen från ättiksyra till n-kapronsyra. Fermentationssubstraten av de två reaktorerna filtrerades, utspäddes till en koncentration av 5 g COD/L och tillfördes som extern kolkälla, med ett kol/kväve-förhållande på 4,5, för att förbättra denitrifikationen i två kontinuerliga drivna biofilmreaktorer med rörliga bärare (engl. moving bed biofilm reactor, MBBR). En MBBR erhöll under hela experimentets gång den kolkälla som bildats under alkaliska förhållanden och den andra MBBR:en erhöll motsvarande kolkälla som bildats i den sura miljön i fermenteringsreaktorn utan pH-kontroll. Den maximala uppnådda denitrifikationskapaciteten var ganska likartad för båda MBBR: 3,25 g NO3-Neq/(m2·d) för den MBBR som opererades med den alkaliska erhållen kolkällan och 3,38 g NO3-Neq/(m2·d) för MBBR som erhöll den utspädda fermenteringsvätskan bildad utan pH-kontroll. Emellertid uppnådde den MBBR som erhöll kolkällan bildad i sura miljön en högre genomsnittlig denitrifikationskapacitet på 2.5 g NO3-Neq/(m2·d) jämfört med MBBR som fick kolkällan producerad genom fermentering vid pH 10 (1.8 g NO3-Neq/(m2·d)). Den lägre effektiviteten i den MBBR som fick den alkaliskt erhållna kolkällan orsakas av en ansamling av NO2-N under denitrifikationsprocessen, vilket indikerar suboptimala förhållanden. Detta beror både på sammansättningen av den tillförda kolkällan och ett högre totalt pH-värde under reduktionsprocessen, vilket kan hämma fakultativa anaerober såsom denitrifierare. Trots det visar denna forskningsstudie att båda de VFA-rika kolkällorna erhållna genom samfermentering av primärslam och matavfall är lämpliga för att förbättra denitrifikationen av kommunalt avloppsvatten, varvid kolkällan som produceras genom fermentering utan pH-kontroll uppnår en högre denitrifikationseffektivitet.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:UPSALLA1/oai:DiVA.org:kth-281937 |
| Date | January 2020 |
| Creators | Döhler, Cora Michelle |
| Publisher | KTH, Hållbar utveckling, miljövetenskap och teknik |
| Source Sets | DiVA Archive at Upsalla University |
| Language | English |
| Detected Language | English |
| Type | Student thesis, info:eu-repo/semantics/bachelorThesis, text |
| Format | application/pdf |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
| Relation | TRITA-ABE-MBT ; 2034 |
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