Mainstream deammonification – Pre-design for piloting at Viikinmäki wastewater treatment plant

Abstract

Nitrogen removal from municipal wastewater is essential to prevent eutrophication. Conventional nitrogen removal is based on nitrification-denitrification, which consumes organic carbon. Mainstream deammonification (MD) is an emerging technology for total nitrogen removal, which is more sustainable from energy and resource perspective. With MD, the energy content of wastewater can be fully utilised by anaerobic digestion, and more biogas can thus be produced.

In this Master’s thesis, the aim was to evaluate the feasibility of MD at Viikinmäki wastewater treatment plant (WWTP). A comprehensive literature study was carried out to determine the current status of MD research and application. The review revealed challenges in implementing MD, especially at low temperatures (<15 °C). However, MD technology is steadily improving, resulting in better nitrogen removal results.

Based on literature, the most suitable MD technology for Viikinmäki WWTP was chosen, and the nitrogen balance of the process was calculated. Chemical carbon removal was selected as primary treatment before MD. To estimate the effects of the process, the solids balance and use of resources were calculated for the selected process. Plant monitoring data from 2016 and predicted flow conditions for 2030 were used in evaluating the effects of MD. Four scenarios were applied to compare conventional nitrogen removal and mainstream deammonification.

The results demonstrated that the operational expenses of chemical carbon removal are so high that the selected process configuration is unfeasible at Viikinmäki WWTP. High chemical costs cancel out the advantages of MD. Based on assumptions made, the advantages would be 10 % higher biogas production and 18 % lower methanol consumption. The risk of the process was estimated to be high, because MD performance at low temperatures has not been sufficiently demonstrated.

Before mainstream deammonification can be implemented at Viikinmäki WWTP, piloting is needed to determine the practicability of the process. In this thesis, a preliminary design for piloting MD at the plant was devised. The pilot was designed to represent Viikinmäki with the reactor size 3 m3. The main outputs of piloting would be proof of principle for the process at Finnish temperatures, and a control strategy to manage the complex microbial activities involved in mainstream deammonification.

Typenpoisto yhdyskuntien jätevesistä on olennainen osa rehevöitymisen estämistä. Perinteisesti typenpoisto toteutetaan nitrifikaatio–denitrifikaatio-prosessilla, joka kuluttaa jäteveden sisältämän orgaanisen hiilen. Pääprosessin deammonifikaatio (mainstream deammonification, MD) on uusi teknologia, jolla jäteveden kokonaistyppi saadaan poistettua kestävämmällä tavalla. MD kuluttaa vähemmän resursseja, ja mahdollistaa jäteveden energiasisällön hyödyntämisen mädätyksellä. Näin saadaan tuotettua enemmän biokaasua.

Tässä diplomityössä arvioitiin MD:n toteuttamiskelpoisuutta Viikinmäen jätevedenpuhdistamolla. Kattava kirjallisuustutkimus toteutettiin, jotta teknologiasta saatuja kokemuksia voitaisiin arvioida. Kirjallisuuden perusteella MD:n ongelmana on erityisesti toteutettavuus kylmissä jätevesissä (<15 °C). MD-prosessilla saadut typenpoistotulokset kuitenkin parantuvat jatkuvasti teknologian kehittyessä.

Diplomityössä valittiin paras teknologia MD:n toteuttamiselle Viikinmäen puhdistamolla, ja laskettiin typpitase MD-prosessille. Kemiallinen suorasaostus valittiin esikäsittelymenetelmäksi. Prosessin vaikutukset laitoksen käyttökustannuksiin ja puhdistustulokseen arvioitiin laskemalla kiintoainetase ja resurssien käyttö. Materiaalina käytettiin laitoksen tarkkailudataa vuodelta 2016, ja vuodelle 2030 tehtyjä kuormitusennusteita. Neljää skenaariota käytettiin vertaamaan perinteistä typenpoistoa ja MD:tä.

Tulokset osoittivat, että kemiallisen suorasaostuksen käyttökulut ovat niin suuret, että valittu MD-prosessi ei ole toteuttamiskelpoinen Viikinmäen puhdistamolla. Kemikaalikustannukset ovat suorasaostuksessa niin suuret, että MD:n muut edut kumoutuvat. Tehdyillä oletuksilla MD johtaisi 10 % korkeampaan biokaasun tuottoon ja 18 % pienempään metanolin kulutukseen. Prosessin riski arvioitiin suureksi, koska MD:n toimivuutta alhaisissa lämpötiloissa ei ole riittävästi todistettu.

Ennen kuin pääprosessin deammonifikaatio voitaisiin toteuttaa Viikinmäen puhdistamolla, pilotointia tarvitaan testaamaan teknologian toimivuus laitoksen olosuhteissa. Diplomityössä laadittiin alustava suunnitelma MD:n pilotoinnille Viikinmäellä. Pilotti suunniteltiin edustamaan puhdistamoa 3 m3 reaktorikoolla. Pilotoinnilla kyettäisiin todistamaan MD-prosessin käyttökelpoisuus laitoksella, ja laatimaan suunnitelma MD-biomassan monimutkaisten mikrobitoimintojen tehokkaaseen hallintaan.