The effect of flow equalization and low-rate prefermentation on the activated sludge process and biological nutrient removal

Abstract

The flow and load variations in the wastewater plant influent complicate the operation of the biological treatment process and harm the process performance. Moreover, when the biological nutrient removal (BNR) process is implemented in the plant, the plant influent is often lacking readily biodegradable organic matter. Readily biodegradable organic matter can be produced by prefermentation. In this research project, the primary clarifiers at the Pihlajaniemi WWTP in Savonlinna were modified in order to tackle the problems caused by flow variation and the lack of suitable organic matter.

This study demonstrated that diurnal flow variations were efficiently levelled out in the existing primary clarifier basin volume. Surprisingly, a significant amount of organic matter was transformed into a more accessible form for the BNR bacteria when only flow equalization was in operation, but the attempt at enhancing the VFA production by adding an internal sludge recycle was not successful. The raw sludge removal in the equalization/prefermentation basin was not compromised in the modified operation. There is no commonly accepted method for assessing the magnitude of flow variations or the efficiency of the flow equalization. This thesis introduces a coefficient of flow variation that can be used for this purpose.

The modifications in the pre-treatment were beneficial for the process performance. The main improvement in the biological process performance was observed with nitrification. The improvement could be mainly attributed to the diurnal flow equalization. Moreover, it could be demonstrated that the increased heterotrophic assimilation and also prefermentation influenced nitrification. The results on nitrification are of high importance because the effects of dynamic influent and feed water characteristics on nitrification have not been widely studied, especially not in full-scale. Moreover, the sludge settling characteristics were improved in the equalization/prefermentation process train compared with the reference process train. This, together with the more constant flow rate, enabled better hydraulic control of the secondary clarifiers.

It can be concluded that the modification of the existing primary clarifier to a multifunctional pre-treatment basin is a feasible solution for the improvement of the BNR process performance. This process modification could be widely implemented in Finland because the majority of middle-sized and large WWTPs have primary clarifiers. Nitrification is usually the limiting part of the biological wastewater treatment. Therefore, implementation of equalization/prefermentation would enable a reduction in the aerated process volume. The economic balance of the modifications is clearly positive.

Jätevedenpuhdistamoiden tulevan veden virtaama- ja kuormitusvaihtelut hankaloittavat biologisen käsittelyn ohjausta ja huonontavat prosessin puhdistustehoa. Kun biologinen ravinteiden poisto otetaan käyttöön jätevedenpuhdistamolla, ei tuleva vesi useinkaan sisällä riittävästi helposti hajoavaa orgaanista ainetta. Helposti hajoavan orgaanisen aineen määrää voidaan kasvattaa esifermennoinnin avulla. Tässä tutkimusprojektissa esiselkeytysaltaita Savonlinnan Pihlajaniemen puhdistamolla muokattiin niin, että puhdistamo voisi paremmin selviytyä virtaamavaihtelun ja sopivan orgaanisen aineen puutteen aiheuttamista ongelmista.

Tämä tutkimus osoittaa, että virtaaman vuorokausivaihtelut voidaan tasata olemassa olevassa esiselkeytystilavuudessa. Yllättäen merkitsevä osa orgaanisesta aineesta muuttui bakteereille käytettävissä olevaan muotoon, kun allasta käytettiin vain virtaaman tasaukseen. Sisäinen lietteen kierrätyksen lisääminen altaaseen orgaanisen esifermennoinnin parantamiseksi ei tehostanut hydrolyysiä altaassa. Muokattu esikäsittelyn toiminta ei vaikeuttanut raakalietteen poistamista altaasta. Koska yleisesti hyväksyttyä menetelmää virtaamavaihteluiden suuruuden tai tasausaltaan tehokkuuden arvioimiseksi ei ole, tässä tutkimuksessa kehitettiin virtaaman vaihtelukerroin, jota voidaan käyttää tähän tarkoitukseen.

Muokattu esikäsittely paransi prosessin toimintaa. Suurin parannus biologisessa prosessissa havaittiin nitrifikaation toiminnassa, joka voitiin selittää pääasiassa virtaaman vuorokausivaihtelun tasaamisella. Lisäksi osoitettiin, että kasvanut heterotrofinen assimilaatio sekä esifermentointi vaikuttivat nitrifikaation toimintaan. Nitrifikaation toimintaa selittävät tulokset ovat tärkeitä, koska tulevan veden laadun ja kuormituksen vaihtelun vaikutusta ei ole laajasti tutkittu, ei varsinkaan täyden mittakaavan kokeissa. Lisäksi todettiin, että lietteen laskeutuvuus oli parempi tasatulla ja esifermentoidulla käsittelylinjalla verrattuna vertailulinjaan. Lietteen paremmat ominaisuudet sekä tasaantunut virtaama mahdollistivat myös sen, että jälkiselkeytysaltaiden hydraulinen hallinta onnistui paremmin.

Voidaan todeta, että olemassa olevien esiselkeytysaltaiden muokkaaminen monikäyttöisiksi esikäsittelyaltaiksi on toteutuskelpoinen ratkaisu, kun halutaan parantaa biologisen ravinteiden poistoprosessin toimintaa. Tämä voitaisiin toteuttaa laajasti Suomessa, koska suurimmalla osalla keskikokoisista ja suurista puhdistamoista on esiselkeytysaltaat. Nitrifikaatio on yleensä rajoittava osa biologisen jätevedenkäsittelyn toiminnassa. Näin ollen lisäämällä tasaus ja esifermentointi puhdistusprosessiin voitaisiin pienentää ilmastettua prosessitilavuutta.