Mitigation of ammonia and methane emissions in pre-treatment of fertilizer recovery process
Loading...
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Insinööritieteiden korkeakoulu |
Master's thesis
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Author
Date
2023-05-15
Department
Major/Subject
Water and Environmental Engineering
Mcode
Degree programme
Master's Programme in Water and Environmental Engineering (WAT)
Language
en
Pages
58
Series
Abstract
Ammonia is an excellent fertilizer, but when used in excess, it causes waterbodies to become more eutrophic and acidic which endangers the biodiversity of the water. Ammonia pollution is primarily dependent on technology advancements to reduce emission. Cost, recovery efficiency, and end-product are the main factors that are considered in different recovery technologies currently available in the market. This thesis focuses on the ammonia recovery part of the NPHarvest project, an Aalto University initiative that provides a wastewater treatment solution for recycling ammonia as an ammonia salt fertilizer. In the NPHarvest recovery process, production of fertilizer uses significantly less energy with a high recovery efficiency which makes the technology economically and ecologically viable. This thesis is a follow-up to research conducted in Sweden's Öresund WWTP in 2021 that showed increased eutrophication and acidification impacts due to excessive ammonia emissions. Focus of the study examines the magnitude of emissions caused by the design and materials of the pilot. To properly examine the leading cause of ammonia and methane emissions, smaller version of the pilot was created to test the factors in a supervised laboratory condition. A comprehensive analysis of the process and its influence on the magnitude of emissions is required to decrease high emissions of NPHarvest technology while maintaining ecological viability. The testing included three factors that contributed to the amount of emissions: pH-level, wastewater type, and open surface area. Although pH and wastewater type affect the quantity of emissions, open surface area was the most emission contributing factor in the NPHarvest pilot process. Experimental results demonstrate that open surface areas of 3.1 cm2 (2 cm diameter) and 200 cm2 (16 cm diameter) release 0.0049 g-NH3/m3 of wastewater and 0.6445 g-NH3/m3 of wastewater, respectively. On a national level, if used to treat all the reject water of Finland, NPHarvest technology would emit 4.1 ton-NH3 per year and 0.735 g/(PE, year) of NH3 emissions, and 2.0 ton-CH4 per year and 0.355 g/(PE, year) of CH4 emissions. Theoretical calculations yielded similar results for Finland's national emissions, confirming the reliability of the experimental results. Our tests reveal that the ammonia emissions reported in Sweden may have been overestimated. Nonetheless, if it is necessary to extract emitted ammonia, effective ammonia recovery technologies such as acid scrubbers and bio-filtration technology solutions can be applied for further emission mitigation. Although the findings show smaller impact on eutrophication and acidification than in Sweden´s research, mitigating procedures are important to consider in full-scale operation of NPHarvest process.Ammoniakki on erinomainen lannoite, mutta liiallisena se aiheuttaa rehevöitymistä ja happamoitumista vesistöissä, mikä vaarantaa vesien luonnon monimuotoisuuden. Ammoniakkipäästöjen vähentäminen on ensisijaisesti riippuvainen teollisen tekniikan kehityksestä. Kustannukset, talteenottotehokkuus ja lopputuote ovat tärkeimmät tekijät, jotka huomioidaan markkinoilla tällä hetkellä saatavilla olevista talteenottoteknologioista. Tämä diplomityö keskittyy Aalto-yliopiston NPHarvest-projektin ammoniakin talteenottoprosessiin, joka tarjoaa jätevedenpuhdistusratkaisun ammoniakin kierrätykseen ammoniakkisuolalannoitteena. NPHarvest-talteenottoprosessissa lannoitteiden tuotanto käyttää huomattavasti vähemmän energiaa korkealla talteenottotehokkuudella, mikä tekee tekniikasta taloudellisesti ja ekologisesti kannattavan. Tämä diplomityö on jatkoa Ruotsin Öresundin jätevedenpuhdistamolla vuonna 2021 tehdylle tutkimukselle, joka osoitti liiallisten ammoniakkipäästöjen lisääntyneen rehevöitymisen ja happamoitumisen vaikutuksen. Tutkimuksen painopiste tarkasteli pilotin suunnittelussa päästöjä lisääviä tekijöitä. Ammoniakki- ja metaanipäästöjen johtavan syyn tutkimiseksi luotiin pienempi versio pilotista testaamaan päästötekijöitä valvotussa laboratorio-olosuhteissa. Kattavaa analysointia NPHarvest-prosessista ja sen päästöjen suuruudesta tarvitaan, jotta on mahdollista vähentää päästöjä ja säilyttää ekologisen elinkelpoisuuden tila. Testaukseen sisältyi kolme päästöjen määrään vaikuttavaa tekijää: pH-taso, jätevesityyppi ja avoin pinta-ala. Vaikka jäteveden pH ja jätevesityyppi vaikuttavat päästöjen määrään, avoin pinta-ala NPHarvest-pilottiprosessissa oli vaikuttavin tekijä päästöjen suuruuteen. Koetulokset osoittivat, että avoimet pinta-alat 3,1 cm2 (2 cm halkaisija) ja 200 cm2 (16 cm halkaisija) vapauttavat 0,0049 g-NH3/m3 ja 0,6445 g-NH3/m3. Laskennalliset päästöt olivat keskimäärin 4,1 tonnia-NH3 vuodessa ja 0,735 g/(PE, vuosi) NH3:a, ja 2,0 tonnia-CH4 vuodessa ja 0,355 g/(PE, vuosi) CH4:a, mikäli kaikki Suomen rejektivedet käsiteltäisiin NPHarvestilla. Teoreettiset laskelmat tuottivat samanlaisia tuloksia Suomen kansallisista päästöistä vahvistaen kokeellisten tulosten luotettavuutta. Laboratoriotutkimukset osoittavat, että Ruotsissa raportoidut ammoniakkipäästöt on saatettu yliarvioida. Jos karannutta ammoniakkia on tarpeen ottaa talteen ilmasta, voidaan päästöjen vähentämiseksi käyttää tehokkaita ammoniakin talteenottotekniikoita, kuten happopesureita ja biosuodatusteknologiaratkaisuja. Vaikka löydökset osoittivat pienempiä vaikutuksia rehevöitymiseen ja happamoitumiseen kuin Ruotsin tuloksissa, lieventäviä toimenpiteitä on tärkeää ottaa huomioon NPHarvest-prosessin täysimittaisessa toiminnassa.Description
Supervisor
Mikola, AnnaThesis advisor
Kaljunen, JuhoLarsson, Timo
Keywords
ammonia, methane, greenhouse gas, wastewater treatment plant
