Waste nutrients harvested: Design and evaluation of nitrogen and phosphorus recovery processes utilizing membrane contactor and adsorption techniques

Loading...
Thumbnail Image
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Engineering | Doctoral thesis (article-based)
Date
2023
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
42 + app. 98
Series
Aalto University publication series DOCTORAL THESES, 14/2023
Abstract
Global food production relies on industrial fertilizers. The explosive growth of the human population would not have been possible without processes that bind nitrogen from the atmosphere to ammonia and mined phosphate rock to easily soluble products. However, the linear consumption pattern (as opposed to circular) has backfired on us. As a result, the nutrient systems we rely on consume significant amounts of energy and create an array of environmental problems. This dissertation focuses on the question: 'How can we close the nutrient loop?' Furthermore, special attention is paid to managing nutrient recycling in an environmentally and economically sustainable way. There is a vast quantity of nutrients available in different concentrated waste streams. However, these nutrients are not recycled efficiently because it is economically unfeasible or there are concerns about pollutants. These concerns apply to both liquid and solid waste streams. This dissertation is built around NPHarvest, a nutrient recovery technology developed at Aalto University. NPHarvest recovers both nitrogen and phosphorus from liquid waste streams with high efficiency. The end products are clean ammonia salt and solid material that contains phosphorus, calcium and carbon. The dissertation found that NPHarvest as a technology is economically competitive. The recovery process's novelty is how well it is designed to tolerate suspended solids in a wastewater environment and operate with low energy consumption, which decreases operational costs. Upon studying the life cycle assessment of the process, NPHarvest environmental performance was found to be positive or neutral in most impact categories. The process has the potential to be climate-positive (carbon-negative) with further optimization. Additionally, this dissertation examines P recovery from chemically precipitated sludge. It is technically possible, but not feasible enough, to be implemented on a large scale with currently available technologies. Waste-based biosolid materials proved to be a suitable pathway to capture phosphorus after acidleaching. The phosphorus-loaded biosolid can function as organic fertilizers. Finally, the dissertation reflects on the implications of systemwide nutrient recovery. Nutrient recovery is a shift towards transforming treatment plants to resource recovery plants, in addition to enabling the facilities to reach better cost-effectiveness. Furthermore, nutrient recovery enables decentralized treatment systems should they be desired. To finish the discussion, the true meaning of sustainable technology is discussed.

Maailmaanlaajuinen ruoantuotanto nojaa teollisiin lannoitteisiin. Ihmiskunnan räjähdysmäinen kasvu ei olisi ollut mahdollista ilman prosesseja, jotka sitovat typpeä ilmakehästä ammoniakiksi ja maaperästä louhittua fosforikiveä helposti kasveille saatavaan muotoon. Mutta ihmisten lineaariset (kiertävän vastakohta) kulutustottumukset ovat kostautuneet meille. Tuloksena ravinnejärjestelmät, joihin turvaudumme, käyttävät merkittävän määrän energiaa ja luovat joukon ympäristöongelmia. Tämä väitöskirja pyrkii vastaamaan kysymykseen "kuinka voimme sulkea ravinnekierron?". Erillistä huomiota on kiinnitetty siihen, kuinka ravinteiden kiertoa voi hallita kestävästi sekä ympäristön että talouden kannalta. Erilaisissa jätevirroissa on huomattava määrä ravinteita, joita on mahdollista hyödyntää. Naita ravinteita ei kuitenkaan hyödynnetä tehokkaasti, koska se ei ole taloudellisesti kannattavaa tai kiertolannoitteiden (sekä nesteiden että kiinteiden jakeiden) haitta-ainepitoisuudet ovat liian korkeat. Tämä väitöskirja on tehty NPHarvestin ympärille. NPHarvest on ravinteiden talteenottoteknologia, joka on kehitetty Aalto-yliopistossa. NPHarvest ottaa talteen sekä typen että fosforin nestemaisista jätevirroista. Lopputuotteet ovat puhdas ammoniumsuola sekä kiinteä materiaali, jossa on fosforia, kalkkia ja hiiltä. Tuloksien pohjalta on selvää, että NPHarvest on taloudellisesti kilpailukykyinen teknologia. Talteenottoprosessin uutuus on siinä, että se on suunniteltu sietämään jätevesien korkeaa kiintoainepitoisuutta kuluttamatta suurta määrää energiaa. Tämä pitää prosessin operaatiokulut matalina. NPHarvestin elinkaarianalyysin mukaan prosessi on ympäristön tilaa parantava tai neutraali useimmissa vaikutuskategorioissa. Ilmastonmuutoksen suhteen NPHarvestilla on potentiaali olla positiivinen (hiilinegatiivinen). Lisaksi tämä väitöskirja tarkastelee fosforin talteenottoa kemiallisesti saostetusta lietteestä. Talteenotto siitä materiaalista on tekniseltä kannalta mahdollista, mutta tällä hetkellä se ei ole tarpeeksi kannattavaa suuren mittakaavan sovellusta varten. Jätepohjaiset biomateriaalit osoittautuivat sopivaksi keinoksi ottaa fosfori talteen sen jälkeen, kun se oli liuotettu hapolla irti liitteestä. Fosforilla ladattu biomateriaali voi toimia orgaanisena lannoitteena. Lopuksi tämä väitöskirja pohdiskelee ravinteiden talteenoton vaikutuksia laajempaan kokonaisuuteen. Ravinteiden talteenotto edustaa siirtymää kohti resurssien talteenottolaitoksia, en lisäksi että se mahdollistaa naiden laitosten toiminnan kustannustehokkaammin. Lisäksi ravinteiden talteenotto mahdollistaa hajautetut käsittelyratkaisut, mikäli siihen suuntaan on tarpeellista mennä. Pohdiskelun lopuksi mietin, mitä tarkoittaa kestävä teknologia.
Description
Supervising professor
Mikola, Anna, Asst. Prof., Department of Built Environment, Aalto University
Thesis advisor
Al-Juboori, Raed A., Dr., New York University Abu Dhabi Campus, United Arab Emirates
Keywords
wastewater treatment, nutrient recovery, circular economy, NPHarvest, jäteveden kasittely, ravinteiden talteenotto, kiertotalous
Other note
Parts
  • [Publication 1]: Uzkurt Kaljunen, J., Al-Juboori, R.A., Mikola, A., Righetto, I., Konola, I., 2021. Newly developed membrane contactor-based N and P recovery process: Pilot-scale field experiments and cost analysis. Journal of Cleaner Production 281, 125288.
    DOI: 10.1016/j.jclepro.2020.125288 View at publisher
  • [Publication 2]: Al-Juboori, R.A., Uzkurt Kaljunen, J., Righetto, I., Mikola, A., 2022. Membrane contactor onsite piloting for nutrient recovery from mesophilic digester reject water: The effect of process conditions and pre-treatment options. Separation and Purification Technology 303, 122250.
    DOI: 10.1016/j.seppur.2022.122250 View at publisher
  • [Publication 3]: Uzkurt Kaljunen, J., Al-Juboori, R.A., Mikola, A., Khunjar, W., Wells, G., 2023. Phosphorus recovery alternatives for sludge from chemical phosphorus removal processes – Technology comparison and system limitations. Sustainable Materials and Technologies 34 (2022) e00514.
    DOI: 10.1016/j.susmat.2022.e00514 View at publisher
  • [Publication 4]: Uzkurt Kaljunen, J., Yazdani, R., Al-Juboori, R.A., Zborowski, C., Meinander, K., Mikola, A., 2022. Adsorptive behavior of phosphorus onto recycled waste biosolids after being acid leached from wastewater sludge. Chemical Engineering Journal Advances 11, 100329.
    DOI: 10.1016/j.ceja.2022.100329 View at publisher
  • [Publication 5]: Högstrand, S., Uzkurt Kaljunen, J., Al-Juboori, R.A., Jönsson, K., Kjerstadius, H., Mikola, A., Peters, G., Svanström, M., 2023. Life cycle assessment of nutrient recovery from reject water using a novel pilot-scale membrane-based technology. Submitted to Journal of Cleaner Production on October 14, 2022
Citation