The treatment and disposal of waste biosolids from activated sludge wastewater treatment plants can contribute a large portion of the total operation costs. Many technologies are being explored to address this issue, and ozonation of return activated sludge (RAS) has been shown to economically reduce waste biosolids production in Europe. However, as European winter temperatures rarely fall below 12 °C, little research has been done on biosolids reduction by ozonation at cold temperatures like during Canadian winters. A previously performed global sensitivity of a model describing ozone transformations suggested that, below 12 °C, the nitrification and other processes in a treatment plant could be less stable in the plant with RAS ozonation than without. Thus, the objective of this research was to experimentally determine the behaviour at cold temperatures of RAS ozonation for the reduction of biosolids production, and the effects of the process on treatment performances. Four 2-L sequencing batch reactors (SBRs) were designed and built, and the operation was optimized. The SBRs were fed a synthetic municipal wastewater, and operated at 0.5-day hydraulic retention times (HRTs) and 15-day solids retention times (SRTs). One SBR pair was maintained at 8 °C while the other pair was kept at room temperature (~20 °C). Within each pair, one reactor was operated as a non-ozonated control, while a portion of the suspended solids of the other was periodically ozonated such as to reach a biosolids reduction target of 40%. Analyses of chemical oxygen demand (COD), suspended solids, and ammonium concentrations were performed and tracked over a 6-month period. It was found that after an initial adaptation phase, biosolids inventory in the ozonated reactor remained similar to the control and maintained an acceptable COD conversion at both temperatures. The ammonium removal in the cold ozonated reactor did not recover once ozonation began, as it did in the warm reactor, and full nitrification was lost in both cold reactors when the nitrogen concentration was increased. A preliminary computer model of the cold SBRs was developed. The calibrated model satisfactorily predicted the solids inventory and effluent soluble COD. Therefore, while biosolids and COD conversion with ozonation can be maintained at a temperature of 8 °C, reactor nitrification performance was found to be unstable so far at that temperature, but further research is needed to fully understand this unexpected result. / Le traitement et l'élimination des biosolides produits aux usines d'épuration par boues activées peuvent contribuer à une grande partie des frais de fonctionnement. À travers le monde, de nombreuses technologies sont examinées pour résoudre ce problème. En Europe, l'ozonation des boues activées recirculées (return activated sludge [RAS] en anglais) peut réduire économiquement la production de biosolides. Cependant, les températures hivernales d'Europe tombent rarement en dessous de 12 °C, donc peu de recherches ont exploré la réduction des biosolides par ozonation à des températures froides, comme celles des hivers canadiens. Une analyse de sensibilité globale réalisée précédemment sur un modèle décrivant les transformations de l'ozone a suggéré qu'en dessous de 12 °C la nitrification et d'autres processus d'une usine d'épuration pourraient être moins stable si un système d'ozonation des RAS est installé. Ainsi, l'objectif de cette recherche était de déterminer expérimentalement le comportement à des températures froides de l'ozonation des RAS sur la réduction de production de biosolides, ainsi que l'effet de ce processus sur les performances du traitement biologique. Quatre réacteurs biologiques séquentiels (RBS) de 2 L ont été conçus et construits, et l'opération a été optimisée. Les RBS ont été alimenté par de l'eau usée municipale synthétique. Ils étaient opérés avec un temps de rétention hydraulique de 0,5 jour et un temps de rétention des solides de 15 jours. Une des paires de RBS fut maintenue à 8 °C tandis que l'autre paire fut opérée à température ambiante (~20 °C). Dans chaque paire, un des réacteurs était le réacteur contrôle (c'est-à-dire non traité à l'ozone), tandis qu'une partie des matières en suspension (MES) de l'autre réacteur était périodiquement exposée à l'ozone pour atteindre un objectif de réduction de la production de biosolides de 40%. Les analyses de la demande chimique en oxygène (DCO), des matières en suspension et des concentrations d'ammonium ont été effectuées et suivies sur une période de 6 mois. Après la phase initiale d'adaptation, l'inventaire des biosolides dans le réacteur ozoné était comparable à celui du réacteur contrôle. De plus, l'enlèvement de la DCO fut maintenue à des niveaux acceptables aux deux températures d'opération pour tous les réacteurs. Une fois que l'ozonation a commencé, l'enlèvement de l'ammonium dans le réacteur ozoné à température froide ne s'est pas rétabli à un niveau similaire à celui avant l'ozonation malgré que le réacteur à température ambiante ait bien réussi le rétablissement. Cependant, la nitrification complète a été perdue dans les deux réacteurs à température froide lorsque la concentration d'azote a augmenté. Un modèle informatique préliminaire des RBS à température froide a été calibré. Le modèle calibré a pu prédire la quantité de matières solides et la concentration de DCO soluble dans l'effluent, avec une marge d'erreur acceptable. Par conséquent, tandis que l'inventaire des biosolides et la conversion de DCO avec l'ozonation peuvent être maintenus à une température de 8 °C, les performances de nitrification du réacteur étaient instables à cette température. Des recherches supplémentaires sont nécessaires pour comprendre pleinement ce résultat inattendu.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:LACETR/oai:collectionscanada.gc.ca:QMM.121265 |
| Date | January 2014 |
| Creators | Luby, Theresa |
| Contributors | Dominic Frigon (Internal/Supervisor) |
| Publisher | McGill University |
| Source Sets | Library and Archives Canada ETDs Repository / Centre d'archives des thèses électroniques de Bibliothèque et Archives Canada |
| Language | English |
| Detected Language | French |
| Type | Electronic Thesis or Dissertation |
| Format | application/pdf |
| Coverage | Master of Engineering (Department of Civil Engineering & Applied Mechanics) |
| Rights | All items in eScholarship@McGill are protected by copyright with all rights reserved unless otherwise indicated. |
| Relation | Electronically-submitted theses |
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