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
Towards sustainability of environmental protection: recovery of nutrients from wastewater filtration and the washing of arsenic contaminated soils
Luleå University of Technology, Department of Civil, Environmental and Natural Resources Engineering, Architecture and Water.
2012 (English)Doctoral thesis, comprehensive summary (Other academic)
Abstract [en]

Conventional methods for wastewater treatment and remediation of the sites withcontaminated soils focus on protection of human health, receiving waters and theenvironment. Towards this end, these methods concentrate on the reduction or removal of polluting substances, and therefore, are not well suited for creating resources through the recovery of nutrients, energy and decontaminated soils. Hence, a new, more sustainable approach is promoted in this thesis and, besides meeting the protection requirements, takes into consideration the resources that can be recovered from the treatment processes, keeping in mind the energy use during such a recovery. To achieve this goal, a better knowledge of wastewater and contaminated soil treatment approaches needs to be developed, from a resource recovery perspective.In this thesis project, laboratory, pilot-scale and full-scale investigations were conducted to study phosphorus (P) sorption in blast furnace slag (BF slag) filters. Further, ammonium adsorption by, and desorption from, clinoptilolite was studied in laboratory columns. A full-scale wastewater treatment system, comprising a willow bed followed by two parallel P–filters with BF slag and Filtralite® P media was examined for the wastewater treatment efficiency, nutrient accumulation in willow biomass, and biomass production. In a similar way, laboratory, pilot-scale and full-scale investigations were conducted to examine arsenic (As) removal from As contaminated soils using physical separation and chemical extraction. Finally, the decontamination of the extraction effluents (contaminated by As) was studied by adjusting pH and adding a coagulant, iron chloride.Pollutant mobilisation and immobilisation were affected by pH, the organic mattercontent, redox potential, time (process duration) and temperature. Results showed that pollutants in the studied media have complex characteristics in terms of charge of species and redox speciation, and therefore, no general conclusions addressing all the conditions studied could be given. The P sorption capacity of BF slag was reduced by outdoor storage and weathering, and the content of organic substances in sewage seemed to have a more negative impact on the sorption process when using weathered BF slag. Arsenic mobilisation from As contaminated soils was affected by pH, the content of organic substances, and redox potential and the nature of these effects depended on the polluting chemicals (i.e. wood preservatives) and the content of calcium in the soil. Extractions at elevated temperatures facilitated high As mobilisation from the contaminated soils for short contact times, assuming that the extraction solution features vital for As mobilisation were not altered, and the fastest As mobilisation was achieved by using an acid oxalate citrate solution rather than reductive or alkaline extraction solutions at room temperatures.In the full-scale treatment system, the willow bed efficiently reduced the content of total suspended solids and biodegradable organic matter in the influent wastewater and prevented the clogging of downstream phosphorus filters during the one year of operation. The Filtralite® P treatment train simultaneously removed over 90 and 70% of BOD and P, respectively, during the experimental period, and therefore, fulfilled the requirements for the low protection level over the period of one year, except for tot-P excesses during the snowmelt period. In the case of tot-N reduction (50%), the high protection level was achieved. On the other hand, the treatment system with BF slag did not fulfil requirements for either low or high protection level, because the coarse-grained BF slag was inefficient in retaining P and the concentrations of oxygen consuming compounds were elevated downstream of the filter.The studied methods for recovering resources through treatment of wastewater and contaminated soils demonstrated a potential for improving environmental sustainability of these processes. Even though the willow bed did not accumulate nutrients from the fed wastewater to a high degree, it facilitated nutrient recovery in other treatment steps located downstream. Fresh, fine-grained BF slag showed capacity to recover P from wastewater, which was comparable to that of other efficient P sorbents. The BF slag material released high amounts of sulphuric compounds during the initial loading phase which consequently increased the concentration of oxygen consuming compounds in the filter effluent. Thus, the use of BF slag for P retention is not recommended when the effluent is discharged to sensitive receiving waters. Natural clinoptilolite studied showed a high capacity for adsorbing ammonium from the pre-treated wastewater, at low operating temperatures. Hence, the clinoptilolite filter has a potential to enhance N retention during the plant dormancy or prior to the maturity of willow beds when N retention is needed. However, the recovery of ammonium was limited by the inefficient desorption process using tap water without recycling the eluate. Fertigated willows grew nearly as well as in the south of Sweden, but in the highly loaded horizontal flow willow bed, the potential to produce biofuel was limited. To recover nutrients, willow clones with lateral growth are preferable. 90% of nutrients accumulated in the above-ground parts of willows could be recovered from the experimental site operated over three growing seasons, particularly when using dense planting and annual harvesting prior to leaf fall.Soil treatment, comprising the exclusion of the fine soil fraction prior to the chemical extraction with strong extraction agents applied at an elevated temperature, was efficient in decontaminating soils, even for short contact times. However, this treatment procedure results in an incomplete soil recovery (i.e. the recovered mass of soil after decontamination is appreciably smaller than the soil mass prior to decontamination), consumes a high amount of energy and lowers the soil quality, which limits the potential end-use of the decontaminated soil. The alkaline extraction effluents could be decontaminated at a pH of 4-5 with the addition of a coagulant. Also, the treatment of alkaline extraction effluents was facilitated by the exclusion of the fine soil fraction from the chemical extraction step. The use of acid oxalate-citrate extraction solution was judged infeasible because the decontamination of such extraction solution is complicated due to the high pH buffering and complexing capacity of the solution.

Abstract [sv]

Konventionella metoder för avloppsvattenbehandling och efterbehandling av förorenade områden fokuserar på att skydda människors hälsa, recipient och miljö. Därmed inriktar dessa metoder sig på att reducera och avskilja föroreningar och är därför inte lämpade att skapa resurser genom återvinning av näringsämnen, energi eller sanerade jordar. Därför riktar sig denna avhandling på en ny, mer hållbar strategi som inte enbart uppfyller miljöskyddskraven, utan även tar tillvara resurser som kan erhållas vid behandling. För att uppnå detta mål behövs en mer fördjupad kunskap om metoder för behandling av avloppsvatten och efterbehandling av förorenade jordar, utifrån resurshushållnings perspektiv.I denna avhandling utfördes laboratorie, pilotskale och fullskale försök för att studera fosfor (P) sorption i masugnsslaggfilter. Ammoniumadsorption och desorption från klinoptilolit undersöktes i kolonnförsök. En fullskaleanläggning för avloppsvattenbehandling som bestod av en salixbädd följd av två parallella fosforfilter med masugnsslagg och Filtralite® P sorbenter undersöktes med avseende på avloppsrening, upptag av näringsämnen i salixbiomassa och biomasseproduktion. På liknande sätt utfördes laboratorie-, pilotskale- och fullskaleförsök för att undersöka arsenik (As) avskiljning från As förorenade jordar m.h.a. fysisk separation och kemisk extraktion. Även rening av As förorenade extraktionslösningar undersöktes genom pH justering och tillsats av järnklorid.Resultaten visade att avskiljningen av ämnen i avlopp och As förorenade jordar påverkades av pH, innehållet av organiskt material, redoxpotential, tid och temperatur. Resultaten visade även att föroreningar i de studerade medierna hade komplexa egenskaper i form av ladding och redox speciering, och därmed kan inga generella slutsatser dras för alla studerade förhållanden. Masugnsslaggens sorptionskapacitet m.a.p. fosfor ändrades genom vittring och förvaring av material utomhus. Närvaro av organiskt material tycktes påverka ha en mer negativ påverkan på fosforsorption för den mer vittrade masugnsslaggen. Frigörandet av As från As förorenade jordar påverkades av pH, innehåll av organiska ämnen och redoxpotential, och karaktären av dessa effekter berodde på den kemikalie som förorenade jorden (impregneringsmedel) samt innehåll av kalcium i jorden. Extraktion i förhöjd temperatur ökade As mobilisering från förorenade jordarna för korta kontakttider, förutsatt att avgörande egenskaper för As mobilisering hos extraktionslösning inte förändrades. Den snabbaste mobiliseringen uppnåddesm.h.a. en sur oxalat-citrat lösning istället för reduktiva eller alkaliska extraktionslösningar.I fullskaleanläggningens salixbädd reducerades halten av suspenderat material och biologiskt nedbrytbart organiskt material effektivt från avloppsvattnet och förhindrade igensättning av de efterföljande fosforfiltren under ett års drift. Behandlingssystemet med filtermaterialet Filtralite® P avskiljde >90% organiskt material och 70% fosfor under den ett år långa försöksperioden, och uppfyllde därmed kraven för den normala skyddsnivån, förutom under snösmältperioden då kravet för tot-P inte uppnåddes. Dessutom uppfylldes kravet för tot-N reduktion (50%) för den höga skyddsnivån. För systemet med masugnsslagg uppfylldes däremot inte reningskraven, varken för normal eller hög skyddsnivå eftersom den grovkorniga slaggen var ineffektiv på att sorbera P och halterna av syreförbrukande ämnen var förhöjda i utflödet.De studerade metoderna för återvinning av resurser genom behandling av avloppsvatten och förorenad jord visade potential på resurshushållning genom dessa studerade processerna. Även om salixbädden inte ackumulerade näringsämnen från det inkommande avloppsvattnet i större grad, främjade den näringsupptag i efterföljande reningssteg. Färsk, finkorning masugnsslagg visade sig ha förmåga att sorbera P från avloppsvatten och kapaciteten var jämförbar med andra effektiva P sorbenter. Dock lakades signifikanta mängder svavelföreningar ut från filtret med masugnsslagg initialt vilket följaktligen ökade koncentrationen av syreförbrukande ämnen i filtrets utflöde. Därför rekommenderas inte användning av masugnsslagg som P sorbent när utflödet leds ut till känsliga recipienter. Den undersökta naturliga klinoptiloliten visade på hög ammoniumadsorptionskapacitet från förbehandlat avloppsvatten vid låga temperaturer. Därmed har klinoptilolit potential att öka N reduktionen från avloppsvatten under vintern eller före full etablering av salix när N reduktion krävs. Återvinningen av ammonium var dock begränsad p.g.a. låg desorption med kranvatten utan återföring av eluatet. Salix bevattnad med avloppsvatten växte nästan lika bra som i referensanläggningar i södra Sverige, men i den högbelastade salixbädden med horisontelt flöde var potentialen att producera biobränsle låg. För att återvinna näringsämnen förordas salixkloner med horisontell tillväxt. 90% av de ackumulerade näringsämnena i salixens växtdelar ovan jord kunde avlägnas från anläggningen som drevs under tre växtsäsonger, speciellt eftersom salixen var tätt planterad och skördandet genomfördes årligen innan löv fällningen. Att utesluta den fina jordfraktionen från kemisk extraktion var tillsammans med starka extraktionslösningar vid förhöjda extraktionstemperaturer ett effektivt sätt att tvätta jorden, även vid korta kontakttider. Denna behandling resulterade dock i en ofullständig återvinning av jorden (d.v.s. den behandlade jordmassan efter sanering var mindre än före sanering), förbrukade en stor mängd energi och minskade jordens kvalitet vilket i sin tur begränsar möjlig återanvändning av den behandlade jorden. Den alkaliska extraktionslösning som erhölls efter jordtvätt kunde behandlas vid pH 4-5 m.h.a. tillsats av en koagulant. Behandlingen av den alkaliska extraktionslösningen underlättades dessutom genom avskiljning av den fina jordfraktionen före kemisk extraktion. Sur oxalat-citrat extraktionslösning lämpar sig inte för behandling av As förorenade jordar eftersom en behandling med en sådan extraktionslösning är komplicerad p.g.a. hög pH buffrande och komplexbildande kapacitet.

Place, publisher, year, edition, pages
Luleå: Luleå tekniska universitet, 2012. , 90 p.
Series
Doctoral thesis / Luleå University of Technology 1 jan 1997 → …, ISSN 1402-1544
National Category
Water Engineering
Research subject
Urban Water Engineering
Identifiers
URN: urn:nbn:se:ltu:diva-17279Local ID: 293d18fe-0bac-4ac6-92d7-17f5a2d6e9abISBN: 978-91-7439-389-7 (print)OAI: oai:DiVA.org:ltu-17279DiVA: diva2:990281
Note
Godkänd; 2012; 20120117 (learas); DISPUTATION Ämnesområde: VA-teknik/Sanitary Engineering Opponent: Associate Professor Helen French, Universitetet for miljø- og biovitenskap, Ås, Norge Ordförande: Professor Maria Viklander, Institutionen för samhällsbyggnad och naturresurser, Luleå tekniska universitet Tid: Onsdag den 4 april 2012, kl 09.30 Plats: F1031, Luleå tekniska universitetAvailable from: 2016-09-29 Created: 2016-09-29 Last updated: 2017-11-24Bibliographically approved

Open Access in DiVA

fulltext(6654 kB)55 downloads
File information
File name FULLTEXT01.pdfFile size 6654 kBChecksum SHA-512
0a3d820f78ca1650d582ef08e2db4d8d92ca8fb377f82e1aca6100a3fd0a15a3aa74afcb12ef4161e95627df1f8bfd8bc1a717988f6cd83cb694d80782dcf3f3
Type fulltextMimetype application/pdf

Search in DiVA

By author/editor
Amofah, Lea Rastas
By organisation
Architecture and Water
Water Engineering

Search outside of DiVA

GoogleGoogle Scholar
Total: 55 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

isbn
urn-nbn

Altmetric score

isbn
urn-nbn
Total: 148 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