Change search
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf
Phosphorus and Nitrogen Removalin Modified Biochar Filters
Uppsala University, Disciplinary Domain of Science and Technology, Earth Sciences, Department of Earth Sciences.
2017 (English)Independent thesis Advanced level (professional degree), 20 credits / 30 HE creditsStudent thesisAlternative title
Fosfor och kväverening i modifierade biokolsfilter (Swedish)
Abstract [en]

Onsite wastewater treatment systems in Sweden are getting old and many of them lack sufficient phosphorus, nitrogen and organic carbon reduction. Biochar is a material that has been suggested as an alternative to the common sand or soil used in onsite wastewater treatment systems. The objective of this study was to compare the phosphorus removal capacity between three different modified biochars and one untreated biochar in a batch adsorption and column filter experiment. The modifications included impregnation of ferric chloride (FeCl3), calcium oxide (CaO) and untreated biochar mixed with the commercial phosphorus removal product Polonite. To further study nitrogen removal a filter with one vertical unsaturated section followed by one saturated horizontal flow section was installed.

The batch adsorption experiment showed that CaO impregnated biochar had the highest phosphorus adsorption, i.e. of 0.30 ± 0.03 mg/g in a 3.3 mg/L phosphorus solution. However, the maximum adsorption capacity was calculated to be higher for the FeCl3 impregnated biochar (3.21 ± 0.01 mg/g) than the other biochar types. The pseudo 2nd order kinetic model proved better fit than the pseudo 1st order model for all biochars which suggest that chemical adsorption was important. Phosphorus adsorption to the untreated and FeCl3 impregnated biochar fitted the Langmuir adsorption isotherm model best. This indicates that the adsorption can be modeled as a homogenous monolayer process. The CaO impregnated and Polonite mixed biochars fitted the Freundlich adsorption model best which is an indicative of heterogenic adsorption.

CaO and FeCl3 impregnated biochars had the highest total phosphorus (Tot-P) reduction of 90 ± 8 % and 92 ± 4 % respectively. The Polonite mixed biochar had a Tot-P reduction of 65 ± 14 % and the untreated biochar had a reduction of 43 ± 24 %. However, the effluent of the CaO impregnated biochar filter acquired a red-brown tint and a precipitation that might be an indication of incomplete impregnation of the biochar. The FeCl3 effluent had a very low pH. This can be a problem if the material is to be used in full-scale treatment system together with biological treatment for nitrogen that require a higher pH.

The nitrogen removal filter showed a total nitrogen removal of 62 ± 16 % which is high compared to conventional onsite wastewater treatment systems. Batch adsorption and filter experiment confirms impregnated biochar as a promising replacement or addition to onsite wastewater treatment systems for phosphorus removal. However the removal of organic carbon (as chemical oxygen demand COD) in the filters was lower than expected and further investigation of organic carbon removal needs to be studied to see if these four biochars are suitable in real onsite wastewater treatment systems.

Abstract [sv]

Många av Sveriges små avloppssystem är gamla och saknar tillräcklig rening av fosfor, kväve och organiskt material. Följden är förorenat grundvatten samt övergödning i hav, sjöar och vattendrag. Lösningar för att förbättra fosfor- och kvävereningen finns på marknaden men många har visat brister i rening och robusthet. Biokol är ett material som har föreslagits som ersättare till jord eller sand i mark och infiltrationsbäddar. Denna studie syftade till att i skak- och kolonnfilterexperiment jämföra fosforreduktion mellan tre modifierade biokol och ett obehandlat biokol. Modifieringen av biokolet innebar impregnering med järnklorid (FeCl3), kalciumoxid (CaO) samt blandning med Polonite som är en kommersiell produkt för fosforrening. För att undersöka förbättring av kväverening installerades även ett filter med obehandlat biokol där en vertikal aerob modul kombinerades med en efterföljande horisontell anaerob modul.

Skakstudien där biokolen skakades i 3.3 mg/L fosforlösning visade att adsorptionen var högst i det CaO-impregnerade biokolet, 0.3 ± 0.03 mg/g. Den maximala potentiella fosforadsorptionen beräknades dock vara högst för biokolet som impregnerats med FeCl3, 3.21 ± 0.01 mg/g. Skakförsöket visade också att fosforadsorptionen var främst kemisk då adsorptionen passade bättre med pseudo andra ordningens modell än pseudo första. Adsorption av fosfor på obehandlat biokol och FeCl3 impregnerat biokol modellerades bäst med Langmuir modellen, vilket tyder på en homogen adsorption. Det Polonite-blandade biokolet och CaO-impregnerade biokolet modellerades bäst med Freundlich modellen vilket är en indikation på en heterogen adsorptionsprocess.

Biokol impregnerat med CaO och FeCl3 gav de högsta totalfosforreduktionerna på 90 ± 8 % respektive 92 ± 4 %. Biokolet som var blandat med Polonite hade en reduktion på 65 ± 14 % och det obehandlade biokolet 43 ± 24 %. Ett problem med filtratet från CaO-filtret var att det fick en rödbrun färg samt en fällning vilket kan ha berott på ofullständig pyrolysering och impregnering. Filtratet från det FeCl3 impregnerade biokolet hade mycket lågt pH vilket kan vara problematiskt om mikrobiologisk tillväxt i filtret för rening av kväve och organiskt material vill uppnås.

Filtret för kväverening gav en total kvävereduktion på 62 ± 16 % vilket är högre än kommersiella system. Resultaten från skak och filterstudien visade på att impregnerade biokol kan ge en förbättrad fosforrening om de skulle användas i små avloppssystem. Rening av organiskt material, kemisk syreförbrukning (COD), var dock låg i alla filter och behöver studeras ytterligare för att avgöra om dessa biokol är lämpliga för småskalig avloppsvattenrening.

Place, publisher, year, edition, pages
2017. , p. 38
Series
UPTEC W, ISSN 1401-5765 ; 17 002
Keywords [en]
biochar, modified biochar, phosphorus filter, wastewater, batch adsorption experiment, nitrogen filter, COD, Tot-P, Tot-N
Keywords [sv]
biokol, impregnerat biokol, fosforfilter, avloppsvatten, skakexperiment, kvävefilter, COD, Tot-P, Tot-N
National Category
Engineering and Technology
Identifiers
URN: urn:nbn:se:uu:diva-321915OAI: oai:DiVA.org:uu-321915DiVA, id: diva2:1095186
Educational program
Master Programme in Environmental and Water Engineering
Supervisors
Examiners
Available from: 2017-05-12 Created: 2017-05-12 Last updated: 2017-05-12Bibliographically approved

Open Access in DiVA

fulltext(1711 kB)64 downloads
File information
File name FULLTEXT01.pdfFile size 1711 kBChecksum SHA-512
9b36ff0a42996dd52b5bda1fc8b9792ce25a3f878bc131676c7301968b803602601b00f8d2b26cd19abf13f577a7c215d6dba15f67a14556d8601a79877f76fb
Type fulltextMimetype application/pdf

By organisation
Department of Earth Sciences
Engineering and Technology

Search outside of DiVA

GoogleGoogle Scholar
Total: 64 downloads
The number of downloads is the sum of all downloads of full texts. It may include eg previous versions that are now no longer available

urn-nbn

Altmetric score

urn-nbn
Total: 384 hits
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf