Petr Dolejš

Vedoucí/Supervisor

doc. Jan Bratáček, Ph.D.

Jazyk/Language

English

Abstract

The energy stored in the chemical bonds of the organic compounds contained in municipal wastewater is increasingly recognized as a valuable energy source that should be harvested at wastewater treatment plants (WWTP). However, the energetically inefficient activated sludge process, which uselessly burns this chemical energy to low potential heat and CO2, has been used for municipal wastewater treatment for over 100 years worldwide. The organic matter remaining in sewage sludge is then anaerobically transformed into methane and further into electricity and/or heat, which can cover a considerable portion of WWTP’s energy consumption. Since the energy potential of municipal wastewater is nearly 5 times higher than is needed for the treatment process, there is generous room for developing new, energy positive, treatment processes.
Two scenarios for the maximization of energy capture and recovery from municipal wastewater were investigated in this thesis:
1) Direct (i.e. mainstream) anaerobic treatment of municipal wastewater in an Up-flow Anaerobic Sludge Blanket (UASB) reactor and Anaerobic Membrane Bioreactor (AnMBR), and
2) Bioflocculation as an up-concentration step that captures organics in the primary sludge that is subsequently subjected to anaerobic digestion in the side stream.
The anaerobic biodegradability of municipal wastewater at low temperatures was determined in batch experiments and described by a mathematical model. Subsequently, the overall COD balance of both UASB and AnMBR was calculated based on the long-term (over two years) operation of lab-scale reactors.
For bioflocculation, several lab-scale experiments were carried out prior to the pilot-scale operation to determine the optimal technological parameters such as hydraulic retention time, sludge age, and the concentration of dissolved oxygen in the regeneration phase. Moreover, the role of extracellular polymeric substances was studied, and the settling properties and anaerobic biodegradability of the primary sludge were evaluated. Finally, the denitrification potential of the bioflocculation effluent was also determined.
The energy recovery potential was significantly higher in the case of bioflocculation (up to 0.37 g CODCH4 g-1 CODinfluent) compared to direct anaerobic treatment at low temperature (0.05 g CODCH4 g-1 CODinfluent on average). Based on the data from a bioflocculation pilot treating real municipal wastewater, up to 124% of the energy needed for wastewater treatment can be recovered from municipal wastewater. This shows the great potential of bioflocculation to serve as energetically positive pretreatment for subsequent secondary treatment based on e.g. autotrophic nitrogen removal.

Abstrakt

Energie v městské odpadní vodě, ukotvena v chemických vazbách organického znečištění, je na čistírnách odpadních vod (ČOV) v současnosti vnímána jako hodnotný energetický zdroj. Zároveň je ale stále celosvětově nejrozšířenější technologií na ČOV energeticky velmi náročný aktivační proces, který tuto energii nákladně a bez užitku přeměňuje na nízkopotenciální reakční teplo, oxid uhličitý a přebytečný kal již po více než 100 let. Zbylé organické látky v přebytečném kalu jsou poté částečně transformovány v anaerobním stupni na methan, resp. na elektřinu anebo teplo, kdy tato recyklovaná energie pokrývá část vlastní energetické spotřeby ČOV. Teoreticky je však chemické energie v odpadní vodě téměř 5 krát více než je její potřeba na vlastní proces čištění, což představuje značný potenciál pro dosažení energeticky soběstačného a dokonce energeticky pozitivního provozu ČOV.
V této práci byly studovány dva scénáře technologických procesů pro maximalizaci recyklace energie z odpadní vody:
1) Anaerobní čištění městské odpadní vody v hlavní lince ČOV ve zdola protékaném anaerobním reaktoru (UASB) a v anerobním membránovém reaktoru (AnMBR) a
2) Bioflokulace k maximálnímu zachycení organických látek do primárního kalu a jeho následná energetická valorizace v odděleném anaerobním stupni ČOV.
Anaerobní rozložitelnost městské odpadní vody za nízkých teplot byla stanovena sériemi jednorázových testů a vyhodnocena matematickým modelem. Účinnost a provozní parametry anaerobního stupně včetně látkové bilance byly studovány na základě 2-letého provozu labortorních modelů UASB a AnMBR s reálnou městskou odpadní vodou.
Bioflokulace byla vyvíjena nejdříve v několika modifikacích laboratorního uspořádání a zjištěné návrhové provozní parametry, jako je hydraulická doba zdržení, stáří kalu a koncentrace rozpuštěného kyslíku v regeneraci, byly ověřeny a optimalizovány v poloprovozním měřítku na reálné městské ČOV. Současně byl popsán vliv extracelulárních polymerů na účinnost procesu, sedimentační vlastnosti a zejména anarobní rozložitelnost kalu, stejně jako vliv bioflokulace na kvalitu odtoku z primárního stupně ČOV a denitrifikační potenciál odtoku.
S bioflokulací bylo dosaženo výrazně vyššího stupně konverze chemické energie z odpadní vody do methanu (až 0,37 g ChSKCH4 g-1 ChSKpřítok) v porovnání s přímým anaerobním čištěním odpadní vody za nízkých teplot (průměrně 0,05 g ChSKCH4 g-1 ChSKpřítok).
Na základě poloprovozního ověření bioflokulace s reálnou městskou odpadní vodou je možné dosáhnout až 124% energetické soběstačnosti ČOV, což představuje energeticky pozitivní provoz ČOV, vhodný zejména pro další zefektivnění například pomocí autotrofního odstraňování dusíku.