Nitrification in drinking water distribution and wastewater treatment - Reasons, consequences and the effects of the organic matter

Abstract

This thesis concerns nitrification in different environments. Nitrification is a biochemical reaction of ammonium into nitrite and further nitrate. In drinking water distribution systems (DWDSs), nitrite formed in nitrification can be problematic because it is potentially harmful to humans. On the other hand, in wastewater treatment plants (WWTPs), nitrification is utilized in biological ammonium removal from wastewater. This thesis concerns the spatial and seasonal inspection of nitrite formation in full-scale DWDSs. In DWDSs, nitrite is formed by an added disinfection chemical, monochloramine, or ammonium in the raw water. Furthermore, this thesis inspects nitrification in relation to organic matter, in both WWTPs and in laboratory-scale simulated distribution systems (SDSs). The spatial analysis of water quality revealed that nitrite was forming rapidly after leaving the water treatment plant (WTP) in the DWDSs. The nitrite concentrations tended to be low in stagnating water. The normal low dose of monochloramine (0.35–0.4 mgCl2 L-1) was not high enough to prevent nitrite formation; however, it limited the maximum nitrite concentrations. Nitrite concentrations exhibited seasonal peaks either in the warm season or cold season, or there was no observable seasonal peak. The key drivers causing seasonality were water temperature and water age. The nitrite peaks in the cold season were caused by the decelerated ammonium oxidation. The dominant reaction at low water ages was ammonium oxidation into nitrite; and at high water ages, it was nitrite oxidation into nitrate. These results emphasize comprehensive and year-round nitrite monitoring in the DWDSs. In wastewater treatment, ammonium removal via nitrification was unexpectedly enhanced when the soluble organic matter concentrations were increased with pre-fermentation, retrofitted in a previously used pre-sedimentation basin. However, upon closer inspection, it was revealed that the organic load into the nitrification basin was reduced in the pre-fermentation line by the preceding denitrification and biological phosphorus removal, compared to the pre-sedimentation line. In non-disinfected conditions of tap water, decreasing the natural organic matter (NOM) in the water (TOC 1.0 mg L-1) prevented nitrite formation in SDSs, compared to unreduced NOM (TOC 1.6 mg L-1). When the results were interpreted with a pseudo first order reaction rate model, it was observed that the decreased nitrite concentrations were a result of enhanced nitrite oxidation. The maximum nitrite concentrations were strongly dependent on the ratio of the ammonium and nitrite oxidation activities. This study supports enhanced removal of NOM at the WTPs to also decrease the potentially harmful nitrite concentrations. The results the thesis provide more possibilities to control nitrification in DWDSs and at WWTPs.

Tämä väitöskirja käsittelee nitrifikaatiota erilaisissa ympäristöissä. Nitrifikaatiossa ammoniumtyppi hapettuu biokemiallisesti nitriitiksi ja edelleen nitraatiksi. Talousveden jakeluverkostoissa nitrifikaatio voi aiheuttaa terveydelle haitallisen nitriitin pitoisuuksien nousua. Toisaalta jätevedenpuhdistuksessa ammoniumtyppeä poistetaan biologisesti nitrifikaation avulla. Väitöskirjassa tutkittiin nitriitin muodostumista talousveden jakeluverkostoissa spatiaalisesti ja kausitarkastelun avulla. Nitriitti muodostuu verkostoissa joko lisätystä desinfiointikemikaali monoklooriamiinista tai raakaveden sisältämästä ammoniumista. Lisäksi väitöskirjassa selvitettiin orgaanisen aineen vaikutusta nitrifikaatioon täyden mittakaavan jätevedenpuhdistamolla sekä laboratoriossa simuloiduissa talousveden jakeluverkostoissa. Talousveden laadun paikkatietoon perustuva tarkastelu paljasti, että jakeluverkoston veden nitriittipitoisuudet nousivat jo lähellä vesilaitosta. Pitkään verkostossa viipyneessä vedessä nitriittipitoisuudet olivat enimmäkseen matalia. Talousveteen normaalisti lisättävä pieni monoklooriamiiniannos (0,35–0,4 mgCl2 L-1) ei estänyt nitriitin muodostumista, mutta rajoitti sen maksimipitoisuuksia. Nitriittipitoisuudet vaihtelivat kausittain niin, että pitoisuuksien huippu osui joko lämpimään aikaan, kylmään aikaan, tai sitä ei esiintynyt lainkaan. Tärkeimmät nitriitin kausivaihteluun vaikuttavat tekijät olivat veden lämpötila ja veden ikä. Kylmässä lämpötilassa hidastunut ammoniumin hapettuminen aiheutti kylmään aikaan osuvat nitriittihuiput. Veden iän ollessa lyhyt nitriittipitoisuuksia hallitseva reaktio oli ammoniumin hapettuminen nitriitiksi ja veden iän ollessa pitkä hallitseva reaktio oli nitriitin hapettuminen nitraatiksi. Käytännössä tämän väitöskirjan tulokset puoltavat ympärivuotista ja koko jakeluverkoston kattavaan nitriitin tarkkailua. Jäteveden puhdistuksessa ammoniumtypen poisto nitrifikaation avulla yllättäen tehostui, kun liukoisen ja helposti hajoavan orgaanisen aineen pitoisuutta lisättiin esiselkeytyksen tilalle jälkiasennetun esifermentaation avulla. Lähemmässä tarkastelussa paljastui, että nitrifikaatiota edeltävät denitrifikaatio ja biologinen fosforinpoisto itse asiassa vähensivät nitrifikaatio-osastoon tulevaa orgaanisen aineen kuormaa esifermentaatiolinjalla verrattuna esiselkeytyslinjaan. Talousveden orgaanisen aineen (NOM) vähentäminen (TOC 1,0 mg L-1) laboratoriomittakaavan simuloiduissa jakeluverkostoissa ilman desinfiointia esti nitriittipitoisuuksien nousun verrattuna siihen, että NOM-pitoisuutta ei vähennetty (TOC 1,6 mg L-1). Kun tuloksia tulkittiin ensimmäisen kertaluvun reaktionopeusmallilla, havaittiin, että nitriittipitoisuuksien väheneminen johtui tehostuneesta nitriitin hapettumisesta nitraatiksi. Teoreettiset maksiminitriittipitoisuudet riippuivat voimakkaasti ammoniumin hapettumisen ja nitriitin hapettumisen keskinäisestä suhteesta. Tulokset puoltavat NOM-pitoisuuden vähentämistä vedenkäsittelyssä myös terveydelle haitallisten nitriittipitoisuuksien vähentämiseksi. Väitöskirjan tulokset antavat lisää keinoja hallita nitrifikaatiota talousveden jakeluverkostoissa ja jätevedenpuhdistamoilla.