Vis enkel innførsel

dc.contributor.advisorHeistad, Arve
dc.contributor.advisorTodt, Daniel
dc.contributor.advisorSeidu, Razak
dc.contributor.authorMoges, Melesse Eshetu
dc.date.accessioned2021-10-20T09:55:31Z
dc.date.available2021-10-20T09:55:31Z
dc.date.issued2019
dc.identifier.isbn978-82-575-1572-0
dc.identifier.issn1894-6402
dc.identifier.urihttps://hdl.handle.net/11250/2824060
dc.description.abstractThe world's water specialists agree to work on increased resource recovery from wastewater and reduced emissions to the environment. Source-separated wastewater treatment systems, which provide opportunities for local recycling and utilization of resources, are appropriate alternatives to conventional treatment of mixed wastewater in centralized treatment systems. This work includes the development of technical solutions for the treatment of source-separated blackwater, as well as studies of processes related to the treatment of black and grey wastewater from student housing inhabiting 48 students at the Norwegian University of Life Sciences (NMBU), Ås, Norway. Furthermore, the possibility of local resource utilization through biogas production and in the production of microalgae biomass based on nutrients recovered from wastewater is assessed. The main objectives of this work have been to i) develop a technical solution for a combined treatment and resource recovery in a closed cycle that creates opportunities for the circular economy, and ii) assess the efficiency of the various unit processes in terms of resource recovery and residual emissions. In the first section, a compacted greywater treatment system with different posttreatment solutions was investigated (Papers I and II). Separation of blackwater alone resulted a reduction in organic matter (OM), total suspended solids (TSS), nitrogen (N) and phosphorus (P) of 64%, 75%, 85 and 88%, respectively. Treatment of the greywater by sludge separation and biological treatment in a porous medium with attached biofilm, and post-treatment by fine sand filtration (Paper I) resulted in low emission concentrations: <2 mg O2 L-1 (BOD); <2 mg TSS L-1; <0.1 mg P L-1 and <5 Escherichia coli (E.coli) 100 mL-1. In a separate experiment, the post-treatment of the biofilter effluent with biochar and fine Filtralite (Paper II) also gave very low emission concentrations. The results showed that biological treatment plant in combination with post-treatment are appropriate solutions where the emission requirements are strict, especially in areas close to drinking water sources and where treated water can be used for watering salads and general irrigation of outdoor areas without restrictions. Separation of the blackwater greatly contributes to this. The second section of this study focused on the development and evaluation of a combined treatment and resource recovery facility for source-separated blackwater. A hybrid reactor, which integrates an up-flow sludge blanket and the anaerobic baffled reactor was developed. The performance of this reactor was tested, as an integrated treatment system for source-separated blackwater. The effects of load and feed pulses on system performance were evaluated in terms of stability, effluent quality, the removal efficiency of organic and suspended particulate matter, biogas production and methane yield (Paper III). The results showed that the total COD removal efficiency stabilized above 78 % within less than 120 days. The configuration of the reactor provided sufficient sludge expansion volume, solid-liquid separation, and biogas production rate ranged from 0.52 to 1.16 L d-1 (L reactor volume)-1. At steady state, the methane concentration ranged from 67 - 82 % with an average conversion rate of 0.69±0.2 and 0.73±0.2 g CH4-COD g-1CODin for reactor I and reactor II, respectively. Paper IV demonstrates a combined blackwater treatment and nutrient-recovery strategy for the recovery of a more dependable source of plant nutrients. The anaerobically treated blackwater effluent, rich in NH4-N and PO4-P, was treated in a sequence of upflow and downflow filtration columns using granular activated carbon, Cocos char and Polonite. The flow rate was set at 600 L m-2 day- 1. Filtration of the anaerobically treated effluent through activated carbon removed over 80% of the residual organic matter, more than 90% of suspended solids and turbidity while releasing more than 76% NH4–N and 85% of PO4–P in the liquid phase. The treatment train also removed total coliform bacteria (TCB) and E. coli, achieving concentrations below the detection limit after the integration of 11 W ultraviolet (UV) light. This integrated technological approach ensured simultaneous nutrient recovery as a nutrient solution, inactivation of indicator organisms, and reduction of organics. The treated and hygienized nutrient-rich water can be applied for various end-use options. One of the challenges for the treated nutrient-rich water, if not used close to the area of treatment, is storage and transportation. In order to address this challenge and diversify the value-added byproducts and end-use options, a nutrient recovery study was carried out using microalgae (Paper V). A preliminary study revealed that the growth of Chlorella sorokiniana with 10% of the treated blackwater as a substrate in a continuous culture resulted in complete uptake of NH4-N and PO4-P. The N and P removal rate at steady state reached up to 99.2 mg NH4-N L-1 d-1 and 8 mg PO4-P L-1 d-1, respectively, with a corresponding average biomass yield on the energy of 0.29 g (mole photons)-1. The 10% treated blackwater substrate, however, had a low concentration of Mg and trace elements essential for microalgae growth. Low concentration of Mg was observed as the limiting factor for using diluted treated blackwater solely as a substrate. Therefore, the supplementation with Mg and trace elements was required. Moreover, the nitrogen in the treated effluent is mainly available as NH4-N. A higher concentration of NH4-N and its oxidation during substrate storage could increase the NO2-N concentration, which inhibited the growth of C. sorokiniana at a concentration of above 50 mg L-1. In conclusion, results from this thesis demonstrated the value of domestic wastewater as a source of alternative nutrient-energy-water resources. The development of an integrated treatment and resource recovery facility for a source-separated sanitation system could provide a healthy local environment, social and economic payback for households and communities, and contribute to green development and food security.en_US
dc.description.abstractVerdens vannspesialister er enige om å arbeide med økt ressursutvinning fra avløpsvann og reduserte utslippene til miljøet. Kildeseparerte avløpsbehandlingssystemer, som gir muligheter for lokal resirkulering og ressursbruk, er et aktuell alternativ til konvensjonell behandling av blandet avløpsvann i sentraliserte behandlingssystemer. Målet med denne undersøkelsen var å undersøke og utvikle en ny og bærekraftig tilnærming der ressursene i avløpsvann behandles, gjenvinnes og gjenbrukes i områder nær opprinnelseskilden. Dette arbeidet omfatter utvikling av tekniske løsninger for behandling av kildeseparert svartvann, samt studier av prosesser knyttet til behandling av svart og grått avløpsvann fra studentboliger med 48 studenter ved Norges Miljø- og Biovitenskaplige Universitet, (NMBU) Ås, Norge. Videre vurderes muligheten for lokal ressursutnyttelse gjennom biogassproduksjon og i produksjon av mikroalgenbiomasse basert på næringsstoffer som gjenvinnes fra avløpsvann. Hovedmålene med dette arbeidet har vært å: i) utvikle en teknisk løsning for kombinert behandling og ressursutvinning i en lukket syklus som skaper muligheter for den sirkulære økonomien; og ii) vurdere effektiviteten av de ulike enhetsprosessene med hensyn til ressursutvinning og gjenværende utslipp. I den første del ble et kompakt renseanelegg for rensing av gråvann med ulike etterpoleringsløsninger, ble undersøkt (Artikkel 1 og 2). Utsortering av svartvann representerte alene en reduksjon i organisk materiale (OM), totalt suspendert stoff (TSS), nitrogen (N) og fosfor (P) på henholdsvis 64%, 75%, 85 og 88%. Behandling av gråvannet ved slamavskilling og biologisk behandling ved umettet filtrering i porøst medium med fastsittende biofilm, samt etterpolering ved filtrering i finsand (Artikkel 1), resulterte i lave utslippskonsentrasjoner: <2mg O2L-1 (BOD); <2mgSS L-1; <0,1mgP L-1 og <5 Escherichia coli (E.coli)100mL-1. Den andre alternative etterpoleringsløsninger ble studert ved filtrering i kolonner fylt med biokull og Filtralite (Artikkel 2). Disse metodene ga også svært lave utslippskonsentrasjoner. Dette viser at biologiske gråvannsrenseanlegg i kombinasjon med etterpolering er en aktuell løsning der utslippskravene er strenge, blant annet i nedbørfeltet til drikkevannskilder og at renset vann kan brukes til vanning av salat og til generell vanning av utearealer, uten restriksjoner. Separering av svartvannet bidrar i stor grad til å oppnå dette. Den andre delen av denne avhandlingen er fokusert på evaluering av et kombinert behandlings- og ressursutvinningsanlegg for kildeseparert svartvann. En hybridreaktor, bestående av et oppstrøms slamteppe og en anaerob baffel reaktor for behandling av kildeseparert svartvann ble evaluert. Effektene i reaktoren ble undersøkt med forskjellig tilførsel (feed pulses) i termer av effektstabilitet, utløpskvaliteter, fjerning av organisk- og partikulært materiale, biogass produksjon og metan utbytte, variasjoner i svartvannet tatt i betrakting (artikkel III). Resultatene viste at total COD-fjerning stabiliserte seg over 78% innen mindre enn 120 dager. Reaktorens konfigurasjon viste seg å gi tilstrekkelig slamlager, væske/faststoff- separasjon og biogass produksjonen som varierte fra 0,52 til 1,16 L d-1 (L reaktorvolum)-1. Ved steady-state varierte metankonsentrasjonen fra 67 - 82% med en gjennomsnittlig konverteringsrate på 0,69 ± 0,2 og 0,73 ± 0,2 g CH4-COD g-1 CODin for reaktor I og reaktor II. Artikkel IV Viser en kombinert strategi for behandling og gjenvinning av næringsstoffer i svartvann som en kilde til plantetilgjengelige næringsstoffer. Anaerobt behandlet svartvann, rikt på NH4-N og PO4-P, ble behandlet i kolonner i en sekvensiell oppstrømnings- og nedstrøm filtrering gjennom granulert aktiv kull, Cocos kull og Polonite. Hydraulisk overflatebelasting ble satt til 600 L m-2 d- 1. Filtrering gjennom aktivt kull fjernet over 80% av det gjenværende organisk materialet, mer enn 90% suspendert faststoff og turbiditet, og frigjorde over 76% NH4-N og 85% PO4-P i væskefasen. Behandlingen fjernet også TCB og E. coli, og oppnådde konsentrasjoner under deteksjonsgrensen etter at en 11 W ultrafiolett lampe (UVC) ble tilført som en integrert del av filtersystemet. Samlet fører denne tilnærmingen til næringsstoffgjenvinning som en næringsløsning, inaktivering av patogener og reduksjon av organiske stoffer. Det behandlede, hygieniserte - og næringsrike vannet kan brukes til ulike formål. En utfordring for det behandlede næringsrike vannet, er lagring og transport. For å løse denne utfordringen og utvide mulighetene for gjenbruk av næringsstoffene ble det utført en studie ved hjelp av mikroalger (artikkel V). En foreløpig studie viste at veksten av Chlorella sorokiniana med 10% av behandlet svartvann som substrat i en kontinuerlig kultur resulterte i fullstendig opptak av NH4-N og PO4- P. Oppnådd N og P-fjerningen ved steady state var 99.2 mg NH4-N L-1 d-1 og 8 mg PO4-P L-1 d-1 med et tilsvarende gjennomsnittlig biomasseutbytte på 0.29 g (mol fotoner)-1. Behandlet svartvann hadde imidlertid en lav konsentrasjon av Mg og sporstoffer som er viktig for mikroalgeveksten. Dette ble observert som en begrensningsfaktor ved å bruke det behandlede svartvannet som eneste vekstsubstratet. Derfor var det nødvendig å supplere substratet med Mg og sporstoffer. Dessuten er nitrogenet i det behandlede svartvannet hovedsakelig i form av NH4-N. En høy konsentrasjon av NH4-N og dets oksidasjon ved lagring vil kunne øke andelen av NO2-N, som ble observert å hemme veksten av Chlorella sorokiniana når konsentrasjonen kom over 50 mg L-1. Som konklusjon viste resultatene fra denne avhandlingen verdiene i avløpsvann som en kilde til alternative NEV ressurser (næringsstoff, energi og vann). Utviklingen av et integrert behandlings- og ressursutvinningsanlegg basert på kildeseparert avløpsvann vil kunne bidra til et sunt lokalt miljø, sosial og økonomisk tilbakebetaling for husholdninger og lokalsamfunn, og bidra til å oppnå en grønn utvikling og matsikkerhet.en_US
dc.description.sponsorshipThe Research Council of Norway ; Ecomotive ASen_US
dc.language.isoengen_US
dc.publisherNorwegian University of Life Sciences, Åsen_US
dc.relation.ispartofseriesPhD Thesis;2019:4
dc.rightsAttribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 Internasjonal*
dc.rights.urihttp://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/deed.no*
dc.subjectAnaerobic digestionen_US
dc.subjectBlackwater treatmenten_US
dc.subjectCircular economyen_US
dc.subjectGreywater treatmenten_US
dc.subjectMulti-stage barrieren_US
dc.subjectMicroalgaeen_US
dc.subjectNutrient recoveryen_US
dc.subjectOn-site wastewater treatmenten_US
dc.subjectResource recoveryen_US
dc.subjectSource-separated sanitationen_US
dc.titleSource-separation and on-site wastewater treatment : a combined treatment and resource recovery facility towards a circular economyen_US
dc.title.alternativeKildeseparasjon og lokal behandling av avløpsvann : et kombinert behandlings- og ressursgjenvinningsanlegg for en sirkulær økonomien_US
dc.typeDoctoral thesisen_US


Tilhørende fil(er)

Thumbnail

Denne innførselen finnes i følgende samling(er)

Vis enkel innførsel

Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 Internasjonal
Med mindre annet er angitt, så er denne innførselen lisensiert som Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 Internasjonal