Development of emerging technologies for a low carbon footprint wastewater treatment

Abstract

Rapid population growth, unplanned urbanization and industrialization in recent years have resulted in increasing environmental hazards. The increased wastewater production and subsequent treatment are among the major issues communities have to deal with. Wastewater management is of global concern since the discharge of untreated or poorly treated wastewater can significantly affect the quality of the natural environment and consequently impact human health. Conventional wastewater treatment technologies are high energy-consuming and in order to reduce the environmental footprint and the operating cost, more eco-efficiency approaches are required to increase the energy self-sufficiency of a WWTP by improving sustainability.In this PhD thesis, the performance of emerging wastewater treatment technologies, to achieve a low carbon footprint wastewater treatment plant, is studied. More particular, a pilot scale municipal wastewater treatment plant consisting of a chemically enhanced primary treatment (CEPT) followed by a trickling filter was evaluated, where the chemical dosage was initially optimized in jar tests, to achieve low-cost municipal wastewater treatment. Dosages of 10 mg/L PAC and 1.5 mg/L polyelectrolyte were applied and the overall removal efficiencies achieved in the CEPT-trickling filter were 89%, 93% and 96% for tCOD, BOD5 and TSS, respectively. Biofiltration, which is a low cost biological process, contributed significantly in pollutants removal. The ammonia nitrogen rich effluent can be used for restricted irrigation.A second pilot scale unit, a hollow fiber submerged membrane bioreactor (MBR), treating the low strength wastewater derived from CEPT unit, was designed and the performance was evaluated to investigate water reuse aspects of the treated wastewater. The optimization of nitrogen removal efficiency was investigated and the effect of COD/TKN ratio on denitrification performance was assessed. The microfiltration MBR unit demonstrated excellent organic carbon removal efficiencies during the experimental period. Denitrification was insufficient due to the low organic carbon availability, and addition of raw wastewater slightly improved denitrification. The use of crud glycerol as external carbon source improved denitrification, since the COD/TKN ratio was increased to 8.9 ±1.0, thus leading to an effluent NO3−-N concentration of 1.87 ± 0.90 mg/L. MBR effluent characteristics comply with the discharge limits enacted by the Greek Joint Ministerial Decree (JMD 145116/2011) for unlimited wastewater reuse.Finally, an anaerobic Continuous Stirred Tank Reactor (CSTR) treating the CEPT sludge was evaluated under HRTs of 22,18 and 15 days, in order to assess system’s efficiency regarding biogas production. The main objective was to examine the maximum energy recovery from CEPT sludge. Higher renewable energy production was observed when CEPT instead of primary sludge was digested in the anaerobic CSTR, resulting in biogas production of 0.15 ± 0.04, 0.16 ± 0.02 and 0.16 ± 0.02 L/L.d with methane content of 76 ± 3%, 75 ± 3% and 76 ± 2% at HRT values of 22, 18 and 15 days, respectively. Energy saving from CEPT operation and gain from anaerobic digestion of CEPT sludge was estimated for a WWTP serving an urban area of 50,000 population equivalent as equal to 1,314,000 kWh/yr. This gain corresponds to annual economic profit of 155,052 € considering electricity price for non-household consumers in EU-27. The thesis is organized as follows: In Chapter 1, a general introduction, including wastewater treatment issues and technologies, legislation, energy consumption and circular economy perspective, is provided. In Chapter 2, the aim and objectives of this thesis are reported. In Chapter 3, the technology of CEPT in combination with trickling filter is presented. In Chapter 4, a microfiltration MBR unit treating the low strength wastewater after CEPT unit is designed and evaluated. In Chapter 5, the anaerobic digestion of CEPT sludge is presented and the biogas production performance under different HRTs is evaluated. In Chapter 6, the analysis of carbon footprint and the reduction of energy consumption is provided, along with a case study example regarding the energy demand of a WWTP with population equivalent to 50.000 citizens. In Chapter 7, the main conclusions of the thesis are presented. In Chapter 8, the innovation of PhD thesis and recommendations for future research are provided. In Chapter 9, scientific references are presented and at the end of this PhD thesis in Chapter 10, published papers are given as Appendices.

Η αλματώδης αύξηση του πληθυσμού, η ανεξέλεγκτη αστικοποίηση και η βιομηχανοποίηση, έχουν οδηγήσει τα τελευταία χρόνια σε αυξημένους περιβαλλοντικούς κινδύνους. Η αυξημένη παραγωγή λυμάτων και η αναγκαία επεξεργασία τους, είναι από τα σημαντικότερα ζητήματα που έχει να αντιμετωπίσει η κοινωνία. Η διαχείριση των λυμάτων αποτελεί παγκόσμιο ζήτημα, καθώς η απόρριψη ανεπεξέργαστων λυμάτων είτε λυμάτων που δεν έχουν υποστεί κατάλληλη επεξεργασία μπορεί να επηρεάσει σημαντικά την ποιότητα του φυσικού περιβάλλοντος και κατά συνέπεια την ανθρώπινη υγεία. Οι συμβατικές μέθοδοι επεξεργασίας λυμάτων είναι ιδιαίτερα ενεργοβόρες και προκειμένου να μειωθεί το περιβαλλοντικό αποτύπωμα αλλά και το κόστος λειτουργίας, απαιτούνται πιο φιλικές προς το περιβάλλον μέθοδοι προκειμένου να αυξηθεί η ενεργειακή αυτάρκεια των μονάδων επεξεργασίας λυμάτων βελτιώνοντας τη βιωσιμότητά τους.Στην παρούσα διδακτορική διατριβή διερευνήθηκε η απόδοση αναδυόμενων τεχνολογιών επεξεργασίας αστικών υγρών αποβλήτων, με στόχο να επιτευχθεί μια μονάδα επεξεργασίας λυμάτων με χαμηλό αποτύπωμα του άνθρακα. Πιο συγκεκριμένα, αξιολογήθηκε η απόδοση μιας πιλοτικής μονάδας που αποτελούνταν από μια χημικά ενισχυμένη πρωτοβάθμια επεξεργασία ακολουθούμενη από ένα βιολογικό φίλτρο. Η δοσολογία των χημικών βελτιστοποιήθηκε αρχικά σε ένα πλήθος δοκιμών, προκειμένου να επιτευχθεί ένα συνολικά χαμηλό κόστος επεξεργασίας των λυμάτων. Εφαρμόστηκαν δόσεις 10 mg στο λίτρο χλωριούχου πολυαργιλίου και 1.5 mg στο λίτρο πολυηλεκτρολύτης και οι συνολικές αποδόσεις του συστήματος σε απομακρύνσεις ήταν 89, 93 και 96% για συνολικό COD, για BOD και για συνολικά στερεά αντίστοιχα. Η διήθηση στο βιολογικό φίλτρο, που αποτελεί μια βιολογική διεργασία χαμηλού κόστους, βοήθησε σημαντικά στην απομάκρυνση των ρύπων. Η εκροή από την διεργασία είναι πλούσια σε συγκέντρωση αζώτου και μπορεί να χρησιμοποιηθεί για περιορισμένη άρδευση.Σχεδιάστηκε μια δεύτερη πιλοτική μονάδα, ένας βιοαντιδραστήρας μεμβρανών κοίλων ινών, προκειμένου να επεξεργαστεί το ασθενές απόβλητο που προέρχεται από την μονάδα χημικά ενισχυμένης πρωτοβάθμιας επεξεργασίας, και αξιολογήθηκε η απόδοσή της προκειμένου να διερευνηθεί το κατά πόσο μπορεί να επαναχρησιμοποιηθεί το επεξεργασμένο απόβλητο. Διερευνήθηκε η βελτιστοποίηση της μονάδας σε απόδοση αφαίρεσης αζώτου καθώς και η επίδραση του λόγου COD προς TKN, στην απόδοση της απονιτροποίησης. Η μονάδα των μεμβρανών μικροδιήθησης παρουσίασε εξαιρετικές αποδόσεις στην αφαίρεση οργανικού άνθρακα κατά τη διάρκεια των πειραμάτων. Η απονιτροποίηση ήταν ανεπαρκής λόγω της χαμηλής διαθεσιμότητας οργανικού άνθρακα και η προσθήκη ακατέργαστου λύματος βελτίωσε ελαφρώς τη διαδικασία της απονιτροποίησης. Χρησιμοποιώντας ακατέργαστη γλυκερόλη σαν εξωτερική πηγή άνθρακα, η απονιτροποίηση βελτιώθηκε καθώς ο λόγος COD/TKN αυξήθηκε σε 8.9 ±1.0, πετυχαίνοντας εκροή με συγκέντρωση νιτρικού αζώτου 1.87 ± 0.90 mg στο λίτρο. Τα χαρακτηριστικά της εκροής της μονάδας είναι εντός των ορίων που προβλέπει η ελληνική νομοθεσία (ΚΥΑ 145116/2011) σχετικά με απεριόριστη επαναχρησιμοποίηση λυμάτων.Τέλος, ένας αναερόβιος βιοαντιδραστήρας συνεχούς ανάδευσης ο οποίος επεξεργάστηκε την παραγόμενη ιλύ από τη χημικά ενισχυμένη πρωτοβάθμια επεξεργασία, αξιολογήθηκε σε 3 διαφορετικούς υδραυλικούς χρόνους παραμονής 22, 18 και 15 ημερών, σε σχέση με την παραγωγή βιοαερίου. Ο κύριος στόχος ήταν να μελετηθεί η μέγιστη δυνατή ανάκτηση ενέργειας από τη λάσπη της χημικής κροκίδωσης. Υψηλότερη παραγωγή ανανεώσιμης ενέργειας παρατηρήθηκε κατά την επεξεργασίας ιλύος από την χημική κροκίδωση σε σχέση με την επεξεργασία πρωτογενούς ιλύος, και η παραγωγή του βιοαερίου ήταν 0,15 ± 0,04, 0,16 ± 0,02 and 0,16 ± 0,02 λίτρα βιοαερίου, ανά λίτρο αντιδραστήρα και ημέρα με ποσοστά μεθανίου 76 ± 3%, 75 ± 3% and 76 ± 2% για υδραυλικό χρόνο παραμονής 22, 18 και 15 ημέρες αντίστοιχα. Η εξοικονόμηση ενέργειας από τη λειτουργίας της χημικά ενισχυμένης πρωτοβάθμιας επεξεργασίας και το οικονομικό όφελος από την αναερόβια χώνευση της παραγόμενης ιλύος εκτιμήθηκε για μια μονάδα επεξεργασίας αστικών αποβλήτων που εξυπηρετεί μια πόλη 50.000 κατοίκων. Η εξοικονόμηση ενέργειας υπολογίστηκε σε 1.314.000 κιλοβατώρες το χρόνο και λαμβάνοντας υπόψη την τιμή της κιλοβατώρας στην Ευρωπαϊκή Ένωση το ετήσιο οικονομικό όφελος εκτιμήθηκε σε 155.052 ευρώ.Η διδακτορική διατριβή οργανώνεται ως εξής. Στο κεφάλαιο 1 υπάρχει μια γενική εισαγωγή, που περιλαμβάνει θέματα και τεχνολογίες σχετικά με την επεξεργασία των λυμάτων, τη νομοθεσία, την κατανάλωση ενέργειας και την προοπτική της κυκλικής οικονομίας. Στο κεφάλαιο 2 αναφέρονται ο σκοπός και οι στόχοι της διδακτορικής διατριβής. Στο κεφάλαιο 3 παρουσιάζεται η τεχνολογία της χημικά ενισχυμένης πρωτοβάθμιας επεξεργασίας και το βιολογικό φίλτρο. Στο κεφάλαιο 4 αναλύεται η τεχνολογία των μεμβρανών και πιο συγκεκριμένα μια μεμβράνη μικροδιήθησης που επεξεργάζεται το ασθενές απόβλητο που προέρχεται από μονάδα χημικά ενισχυμένης πρωτοβάθμιας επεξεργασίας. Στο κεφάλαιο 5 περιγράφεται η αναερόβια χώνευση, και αξιολογείται η απόδοσή της για διαφορετικούς υδραυλικούς χρόνους παραμονής. Στο κεφάλαιο 6 αναλύεται το αποτύπωμα του άνθρακα καθώς και η μείωση της κατανάλωσης της ενέργειας. Παρουσιάζεται επίσης μια συγκριτική ανάλυση για την ενεργειακή ζήτηση σε μια μονάδα επεξεργασίας αποβλήτων, για μια πόλη με 50.000 ισοδύναμους κατοίκους. Στο κεφάλαιο 7 παρουσιάζονται τα συμπεράσματα της διδακτορικής διατριβής. Στο κεφάλαιο 8 παρέχονται η καινοτομία της διατριβής και προτείνονται θέματα για μελλοντική έρευνα. Στο κεφάλαιο 9 παρατίθενται όλες οι βιβλιογραφικές αναφορές που χρησιμοποιήθηκαν στην παρούσα διατριβή, και τέλος στο κεφάλαιο 10 παρουσιάζονται οι δημοσιευμένες εργασίες σε έγκριτα επιστημονικά περιοδικά.