Enhancing wastewater nitrogen removal in activated sludge process by using natural zeolites

Abstract

Natural zeolites are porous minerals possessing high cation adsorption capacity. Clinoptilolite and analcime are selective for ammonium ions. In earlier studies the addition of clinoptilolite powder in activated sludge process has been found to improve ammonium removal and nitrification, sludge settling and in some cases also organics and phosphorus removal Hence, it could enable enhanced ammonium and total nitrogen removal, for example, at low wastewater temperatures when nitrification usually is deteriorated due to slow microbial metabolism. This possibility was studied in the experimental part of this work. Attention was focused on nitrification and ammonium removal. Experiments were conducted in a semi-continuous laboratory-scale pilot process in which c1inoptilolite was added. Analcime and c1inoptilolite were compared in adsorption tests.

At a zeolite concentration of 2 g/l in the reactor the maximal volumetric nitrification rate (as mg NO2+NO3-N/l/h) in the zeolite reactor was improved by 20 % over the control reactor at an initial ammonium concentration of 34 mg/l N in the reactor. Also 6 mg/l N of ammonium was adsorbed onto the zeolite instantly after the addition of ammonium. At a lower initial ammonium concentration these two effects were lesser. As a conclusion the effect of the zeolite was more notable with high ammonium concentrations. The daily addition of zeolite was found to have no effect on nitrification. The zeolite seemed to be continuously regenerated in the process. Thus the effective ammonium removing zeolite was the total mass of zeolite within the sludge and not the daily addition. Zeolite also seemed to enhance sludge settling. At a zeolite concentration of 0.2 g/l in the reactor there was no remarkable difference between the reactors.

The zeolite in the reactor contributed to a higher biomass yield (expressed as VSS). At the higher zeolite concentration VSS in the zeolite reactor was increased by 25 % over the control. The zeolite addition turned the process to a hybrid, which possessed properties of a biofilm process too. Ammonium adsorption on the zeolites was significantly inhibited in the synthetic wastewater due to competing cations. However, at least 40 % of the ammonium adsorption capacity of c1inoptilolite was utilised in the process. The higher the ammonium concentration in the solution, the more ammonium the zeolites adsorbed.

In conclusion, clinoptilolite seemed to have potential to enhance ammonium removal in activated sludge process. Further studies on the subject seem worthwhile. The ammonium adsorption capacity and the physical properties of analcime were found similar to those of clinoptilolite. Hence the use of analcime was considered promising as well.

Luonnon zeoliitit ovat huokoisia mineraaleja, jotka adsorboivat kationeja. Klinoptiloliitti ja analsiimi adsorboivat erityisesti ammoniumioneja. Aiemmissa tutkimuksissa klinoptiloliittijauheen lisäämisen aktiivilieteprosessiin on todettu parantavan ammoniumin poistoa ja nitrifikaatiota sekä lietteen laskeutuvuutta ja joissain tapauksissa myös orgaanisen aineen ja fosforin poistoa. Siten klinoptiloliitin lisääminen voisi parantaa ammoniumin ja kokonaistypen poistoa esimerkiksi matalissa lämpötiloissa, jolloin nitrifikaatio yleensä heikentyy mikrobiologisen toiminnan hidastuessa. Tätä mahdollisuutta tutkittiin tämän työn kokeellisessa osassa, jossa keskityttiin erityisesti nitrifikaatioon ja ammoniumin poistoon. Kokeet suoritettiin puolijatkuvatoimisessa laboratoriomittakaavan pilot-prosessissa, jossa käytettiin klinoptiloliittia. Analsiimia ja klinoptiloliittia vertailtiin erillisissä adsorptiokokeissa.

Reaktorin zeoliittipitoisuuden ollessa 2 g/l maksimaalinen volumetrinen nitrifikaationopeus (mg NO2+NO3-N/l/h) zeoliittireaktorissa oli 20 % suurempi kuin vertailureaktorissa, kun ammoniumpitoisuus reaktorissa kokeen alussa oli 34 mg/l N. Lisäksi zeoliitti adsorboi heti ammoniumlisäyksen jälkeen 6 mg/l N ammoniumia. Alemmilla ammoniumpitoisuuksilla nopeusero ja adsorboitunut ammoniummäärä olivat pienempiä. Näin ollen zeoliitin vaikutus oli suurempi korkeilla ammoniumpitoisuuksilla. Päivittäinen zeoliittilisäys ei vaikuttanut nitrifikaatioon. Zeoliitti vaikutti regeneroituvan prosessissa jatkuvasti. Täten suurin osa ammoniumista adsorboitui lietteessä olevaan zeoliittiin eikä päivittäiseen zeoliittilisäykseen. Zeoliitti näytti parantavan myös lietteen laskeutuvuutta. Reaktoreiden toiminnassa ei ollut selviä eroja zeoliittipitoisuuden ollessa 0,2 g/l.

Zeoliittilisäys kasvatti biomassan (VSS) määrää lietteessä. Korkeammalla zeoliittipitoisuudella zeoliittireaktorin VSS oli 25 % vertailureaktoria korkeampi. Zeoliittilisäys muutti aktiivilieteprosessin hybridiksi, joka muistutti myös biofilmiprosessia. Kilpailevat kationit heikensivät selvästi zeoliittien ammoniumadsorptiokapasiteettia synteettisessä jätevedessä. Vähintään 40 % klinoptiloliitin kapasiteetista oli käytössä prosessissa. Mitä korkeampi ammoniumpitoisuus oli, sitä enemmän ammoniumioneja adsorboitui zeoliitteihin.

Näyttää siis olevan mahdollista tehostaa aktiivilieteprosessin ammoniumin poistoa klinoptiloliittilisäyksen avulla. Tutkimusta aiheesta kannattaa siten jatkaa. Analsiimin ja klinoptiloliitin ammoniumadsorptiokapasiteetti ja fysikaaliset ominaisuudet olivat samankaltaisia, joten myös analsiimin käyttö todettiin lupaavaksi.