A design of experiments to assess phosphorous removal and crystal properties in struvite precipitation of source separated urine using different Mg sources

Supplementary data associated with this article can be found, in the online version, at: http://dx.doi.org/10.1016/j.cej.2016.03.148.

Immobilized Microalgae for Nutrient Recovery from Source Separated Urine

Shortages in supply of nutrients and freshwater for a growing human population are critical global issues. Traditional centralized sewage treatment can prevent eutrophication and provide sanitation, but is neither efficient nor sustainable in terms of water and resources. Source separation of household wastes, combined with decentralized resource recovery, presents a novel approach to solve these issues. Urine contains within 1 % of household waste water up to 80 % of the nitrogen (N) and 50 % of the phosphorus (P). Since microalgae are efficient at nutrient uptake, growing these organisms in urine might be a promising technology to concomitantly clean urine and produce valuable biomass containing the major plant nutrients. While state-of-the-art suspension systems for algal cultivation have mayor shortcomings in their application, immobilized cultivation on Porous Substrate Photobioreactors (PSBRs) might be a feasible alternative. The aim of this study was to develop a robust process for nutrient recovery from minimally diluted human urine using microalgae on PSBRs. The green alga Desmodesmus abundans strain CCAC 3496 was chosen for its good growth, after screening 96 algal strains derived from urine-specific isolations and culture collections. Treatment of urine, 1:1 diluted with tap water and without addition of nutrients, was performed at a light intensity of 600 μmol photons m-2 s-1 with 2.5 % CO2 and at pH 6.5. A growth rate of 7.2 g dry weight m-² day-1 and removal efficiencies for N and P of 13.1 % and 94.1 %, respectively, were determined. Pre-treatment of urine with activated carbon was found to eliminate possible detrimental effects of pharmaceuticals. These results provide a basis for further development of the technology at pilot-scale. If found to be safe in terms human and environmental health, the biomass produced from three persons could provide the P for annual production of 31 kg wheat grain and 16 kg soybean, covering the caloric demand in food for almost one month of the year for such a household. In combination with other technologies, PSBRs could thus be applied in a decentralized resource recovery system, contributing to locally close the link between sanitation and food production.

Aquaponics and its potential aquaculture wastewater treatment and human urine treatment

The main objective of this thesis is to study the developing fields of aquaponics and its potential for aquaculture wastewater treatment and human urine treatment. Aquaponics is a food production system which combines fish farming (aquaculture) with soilless crop farming (hydroponics). In this thesis the concept of aquaponics and the underlying processes are explained. Research on aquaculture wastewater and human urine wastewater is reviewed and its potential application with aquaponic systems is studied. An overview of the different types of aquaponic systems and current research on the field is also presented. A case study was conducted in a farm in Askeröd, Sweden, which involved building two aquaponic systems (System 1 and System 2) and a human urine-based aquaponic system (System 3), with different degrees of component complexity and sizes. The design, building and monitoring of System 1, System 2 and System 3 was documented and described in detail. Four day experiments were conducted which tested the evolution in concentration of Total Ammonia Nitrogen (NH4+/NH3), Nitrite (NO2-), Nitrate (NO3-), Phosphate (PO43-), and Dissolved Oxygen (O2) after an initial nutrient input. The goal was to assess the concentrations of these parameters after four days and compare them with relevant literature examples in the aquaculture industry and in source-separated urine research. Neither of the two aquaponic systems (System 1 and System 2) displayed all of the parameter concentrations in the last day of testing below reference values found in literature. The best performing of the aquaponic systems was the more complex system (System 2) combining the hydroponic Nutrient Film Technique with a Deep Water Culture component, with a Total Ammonia Nitrogen concentration of 0,20 mg/L, a Nitrite concentration of 0,05 mg/L, a Nitrate concentration of 1,00-5,00 mg/L, a Phosphate concentration of <0,02 mg/L and a Dissolved Oxygen concentration of 8,00 mg/L. The human urine-based aquaponic system (System 3) underperformed in achieving the reference concentration values in literature for most parameters. The removal percentage between the higher recorded values after the input addition and the final day of testing was calculated for two literature examples of separated urine treatment and System 3. The system had a removal percentage of 75% for Total Ammonia Nitrogen, 98% for Nitrite, 25% for Nitrate and 50% for Phosphate. These percentages still underperformed literature examples in most of the tested parameters. The results gathered allowed to conclude that while aquaculture wastewater treatment and human urine treatment is possible with aquaponics systems, overall these did not perform as well as some examples found in recirculating aquaculture systems and source-separated urine treatment literature. However, better measuring techniques, longer testing periods and more research is recommended in this field in order to draw an improved representative conclusion.

Evaluation of uv spectrophotometry for estimation of nitrite and nitrate in nitrified urine

Water is a limited resource for which demand is growing. Contaminated water from inadequate wastewater treatment provides one of the greatest health challenges as it restricts development and increases poverty in emerging and developing countries. Therefore, the connection between wastewater and human health is linked to access to sanitation and to human waste disposal. Adequate sanitation is expected to create a barrier between disposed human excreta and sources of drinking water. Different approaches to wastewater management are required for different geographical regions and different stages of economic governance depending on the capacity to manage wastewater. Effective wastewater management can contribute to overcome the challenges of water scarcity. Separate collection of human urine at its source is one promising approach that strongly reduces the economic and load demands on wastewater treatment plants (WWTP). Treatment of source-separated urine appears as a sanitation system that is affordable, produces a valuable fertiliser, reduces pollution of water resources and promotes health. However, the technical realisation of urine separation still faces challenges. Biological hydrolysis of urea causes a strong increase of ammonia and pH. Under these conditions ammonia volatilises which can cause odour problems and significant nitrogen losses. The above problems can be avoided by urine stabilisation. Biological nitrification is a suitable process for stabilisation of urine. Urine is a highly concentrated nutrient solution which can lead to strong inhibition effects during bacterial nitrification. This can further lead to process instabilities. The major cause of instability is accumulation of the inhibitory intermediate compound nitrite, which could lead to process breakdown. Enhanced on-line nitrite monitoring can be applied in biological source-separated urine nitrification reactors as a sustainable and efficient way to improve the reactor performance, avoiding reactor failures and eventual loss of biological activity. Spectrophotometry appears as a promising candidate for the development and application of on-line nitrite monitoring. Spectroscopic methods together with chemometrics are presented in this work as a powerful tool for estimation of nitrite concentrations. Principal component regression (PCR) is applied for the estimation of nitrite concentrations using an immersible UV sensor and off-line spectra acquisition. The effect of particles and the effect of saturation, respectively, on the UV absorbance spectra are investigated. The analysis allows to conclude that (i) saturation has a substantial effect on nitrite estimation; (ii) particles appear to have less impact on nitrite estimation. In addition, improper mixing together with instabilities in the urine nitrification process appears to significantly reduce the performance of the estimation model.

Dry toilet compost and separated urine as fertilisers for cabbage and potato – a case study from Finland.

Konferenssijulkaisu

Alternativas tecnológicas para la recuperación y valorización del nitrógeno presente en los residuos orgánicos

La conciencia de los problemas asociados a la gestión de los residuos orgánicos y el interés por las oportunidades de su recuperación y valorización han ido tomando importancia en los últimos años, tanto en el campo de las deyecciones ganaderas como en el sector de las aguas residuales. Consecuentemente, las combinaciones tecnológicas que permitan cerrar los ciclos de los nutrientes y la recuperación energética han adquirido mayor importancia en la investigación así como en las nuevas normativas sectoriales. En este contexto se sitúa el trabajo realizado durante el periodo becado (octubre 2010 - noviembre 2011). En una primera etapa de estudio bibliográfico se identificaron i) el aumento de la eficiencia en el uso del nitrógeno en la agricultura y en la ganadería, ii) la reutilización del nitrógeno en los mismos ecosistemas agrícolas y iii) el tratamiento de las deyecciones para redistribuir el nitrógeno a zonas con poca disponibilidad, como las tres direcciones principales hacia las cuales se está focalizando el interés del sector agrícola. Se puso en marcha una planta piloto de stripping y absorción para estudiar la posibilidad de recuperar y valorizar el amoniaco presente en los purines en forma de solución amoniacal para la industria de fertilizantes. Los resultados obtenidos evidenciaron el rol fundamental de las características iníciales del substrato en el rendimiento global del proceso. En particular, elevados contenidos en materia orgánica resultaron en bajas eficiencias y en elevadas contaminaciones del producto obtenido. Finalmente, considerando sus potenciales ventajas tanto en la gestión de los residuos ganaderos como de las aguas residuales y focalizándose en las perdidas de nitrógeno se estudió un sistema descentralizado de separación de orina instalado en un centro de investigación. Los resultados preliminares permitieron caracterizar los principales procesos que ocurren en el sistema e identificar las posibles líneas futuras de investigación.

Multimaterial source separation in Marblehead and Somerville, Massachusetts /

December 1979.

Syntypaikkalajitellun sekajätteen koostumuksen sekä palamisteknisten ominaisuuksien selvitys Etelä-Karjalan alueella

Etelä-Karjalan alueen lajittelututkimuksen tavoitteena oli selvittää alueella syntyvän syntypaikkalajitellun sekajätteen koostumus sekä jätteen palamistekniset ominaisuudet. Palamisteknisinä ominaisuuksina selvitettiin jätteen kosteuspitoisuus, tuhkapitoisuus sekä tehollinen lämpöarvo saapumistilassa. Lisäksi pyrittiin löytämään ratkaisuja kaatopaikkakuormituksen pienentämiselle. Saatuja tuloksia verrattiin aiemmin Suomessa tehtyihin jätekoostumustutkimuksiin ja palamisteknisten ominaisuuksien selvityksiin. Lajittelututkimuksen tulosten perusteella erilliskeräys tarvitsee tehostamista. Biohajoavaa jätettä alueelta kerätyistä otoksista oli 51 m-%, josta biojätettä oli noin 24 m-%. Lisäksi jätteestä kierrätykseen kelpaavia jakeita oli 21 m-%. Palamisteknisten ominaisuuksien määrityksessä tulokset olivat kuivajätteen osalta seuraavat: kosteuspitoisuus 29 %, tehollinen lämpöarvo saapumistilassa 15 MJ/kg ja tuhkapitoisuus kuiva-aineesta 16 %. Tutkimuksesta saadut tulokset ovat linjassa referenssitutkimusten tulosten kanssa. Kaatopaikkakuormituksen vähentämisessä keskeisiä toimenpiteitä ovat tiedotus ja neuvonta. Lisäksi erilliskeräyspisteiden sijoittelulla ja määrän lisäämisellä voidaan saada vähennettyä kierrätyskelpoisen jätteen loppusijoitusta kaatopaikalle. Kierrätyskelvottomien jakeiden poltolla saadaan myös pienennettyä kaatopaikalle loppusijoitettavan jätteen määrää. Syntypaikkalajitellun sekajätteen seassa oli runsaasti polttokelpoista materiaalia. Massapolttoon kelpaavaa jätteestä oli 92 m-% ja energiajätteeseen kelpaavaa 47 m-%. Näistä 13 m-% oli kierrätykseen kelpaavaa jaetta, joka tulisi ohjata kierrätykseen.

Toimintaohjeistus HSY:n jätteenpolton materiaalivirtojen hallintaan

Vantaan Energia rakentaa ympäristövaatimukset täyttävän jätevoimalan Itä-Vantaan Långmossebergeniin. Jätevoimalassa tullaan käyttämään polttoaineena kierrätykseen kelpaamatonta syntypaikkalajiteltua yhdyskuntajätettä sekä maakaasua. Helsingin seudun ympäristöpalvelut -kuntayhtymä HSY tulee toimittamaan noin 80 % vuosittaisesta jätepolttoaineesta. Tässä työssä on esitetty toimintamalli HSY:n jätteenpolton materiaalivirtojen hallitsemiseksi. Toimintamallin tarkoituksena on antaa ohjeistus jätteiden materiaalivirtojen käsittelymenetelmistä ennen jätteenpolttolaitosta. Lisäksi toimintamallin tarkoituksena on saada vähennettyä pohjakuonan määrää. Toimintamalli sisältää ohjeistuksen kotitalouksien sekajätteen, pienjäteasemien sekajätteen, sekalaisen rakennus- ja purkujätteen sekä kaupan- ja teollisuuden jätteiden käsittelytavoista. Jätevirtojen koostumusta on selvitetty kirjallisuudesta löytyvien tietojen perusteella ja tietoja on täydennetty kesällä 2013 suoritetun lajittelututkimuksen tiedoilla. Tutkimuksen tuloksista selvisi, että pienjäteasemien sekajätteiden lajittelua tehostamalla HSY:llä pystytään tekemään merkittäviä taloudellisia säästöjä. Tutkimuksessa selvisi, että kipsilevy olisi kannattavinta kerätä omalle lavalleen pienjäteasemilla. Sekalaisen rakennus- ja purkujätteen osalta todettiin, että sitä ei kannata ohjata suoraan jätevoimalalle poltettavaksi, eikä sitä voida sijoittaa käsittelemättömänä kaatopaikalle vuoden 2020 jälkeen. Tästä syystä työssä on ehdotettu, että sekalainen rakennus- ja purkujäte ohjattaisiin lajittelulaitokselle käsiteltäväksi ennen sen loppusijoittamista. Tutkimuksen tulosten perusteella voidaan myös todeta, että toimintamallia noudattamalla, pohjakuonan määrää on mahdollista vähentää lähes puolella alkuperäisestä arviosta.

Kuivajätehuollon hiilijalanjälki ja kustannukset sekä kuljetusten kilpailutus – Etelä-Karjalan aluekeräyspisteverkoston päivitys

Tutkimuksen tavoitteena oli yhtenäistää Etelä-Karjalan alueen erilaisia tapoja toimia alueke-räyksen suhteen. Aluekeräyksellä tarkoitetaan jätteiden keräystä pisteiltä, joihin kotitaloudet, jotka eivät kuulu kiinteistökohtaiseen keräykseen, voivat tuoda syntypaikkalajitellun kuiva- eli sekajätteensä. Tavoitteena oli myös saada tietoa siitä, minkälaiset ovat eri kuivajätehuoltovaihtoehtojen ilmastonmuutos- ja kustannusvaikutukset. Lisäksi tavoitteena oli selvittää, miten ympäristönäkökohdat voidaan ottaa huomioon kuljetuskilpailutuksissa. Tutkimuksessa kerättiin tietoa internetistä, opinnäytetöistä ja tieteellisistä artikkeleista sekä yritysten edustajilta. Kasvihuonekaasupäästöjen laskennassa hyödynnettiin GaBi 6.0 -elinkaariarviointiohjelmaa. Tutkimuksen perusteella aluekeräyspisteet kannattaa sijoittaa reiteille, joita asukkaat käyttävät vähintään kerran viikossa ja mitkä ovat optimaalisesti myös kuljetusurakoitsijan kannalta. Taajama-alueelle ei nähty suositeltavaksi sijoittaa aluekeräyspisteitä. Suositeltavina astioina aluekeräyspisteille nähtiin syväkeräyssäiliöt, joiden tyhjennys onnistuu samalla keräyskalustolla kuin kiinteistöjen jäteastioiden, kun ajoneuvo on varustettu puominosturilla. Suositeltavaksi nähtiin myös harventaa jäteastioiden talvityhjennystiheyksiä, jos tyhjennystiheys on vakio ympäri vuoden, sillä pääosa aluekeräyspisteiden käyttäjistä on loma-asukkaita. Tyhjennystiheyksien harvennuksella olisi mahdollista saavuttaa kustannussäästöjä. Tutkimuksessa laskettiin kuivajätteen elinkaarenaikaisia kasvihuonekaasupäästöjä kuivajätteen keräyksestä loppusijoitukseen ja energiahyötykäyttöön. Energiahyötykäyttökohteiksi valittiin Riihimäen, Kotkan sekä Leppävirran (suunnitteilla) jätteenpolttolaitokset. Tulosten pohjalta kuivajätteen energiahyötykäyttö oli loppusijoitusta selkeästi parempi vaihtoehto. Kuivajätteen keräys- ja kuljetuspäästöjen vaikutus oli pieni. Kuivajätteen kuljetusmatkan pituus jätteenpolttolaitokselle ei ole siis ratkaisevassa roolissa kokonaiskasvihuonekaasupäästöjä tarkasteltaessa. Etäisyyttä suurempi vaikutus onkin kuivajätteen koostumuksella, polttolaitosten vuosihyötysuhteilla ja korvattavilla polttoaineilla. Jatkossa suositellaan selvittämään vielä vaihtoehtoisia käsittelytapoja kuivajätteen sisältämälle sekamuovijakeelle, jonka poltosta aiheutuu merkittävä osuus (noin 74 %) kuivajätteen polton kasvihuonekaasupäästöistä. Ajankohtaisia kuljetuskilpailutuksia varten tarkasteltiin vielä tarkemmin keräys- ja kuljetuspäästöjä. Tulosten pohjalta havaittiin, että keräys- ja kuljetuspäästöjä on mahdollista vähentää reilusti (46–74 %) siirtymällä dieselistä biopolttoaineiden käyttöön. Tuloksiin vaikuttaa kuitenkin merkittävästi, minkälaisista raaka-aineista biopolttoaineet on valmistettu. Kuivajätteen keräyspäästöjä on mahdollista pienentää myös päivittämällä aluekeräyspisteverkostoa. Tutkimuksessa tarkasteltiin kustannuksia aluekeräyspisteiden astioiden uusinnasta tai korjauksesta kuivajätteen loppusijoitukseen tai energiahyötykäyttöön asti. Merkittävimmät kustannukset aiheutuivat kuivajätteen loppusijoituksesta, energiahyötykäytöstä sekä keräyksestä. Kustannusten näkökulmasta keräyksen rooli oli siis suurempi. Työn lopussa annettiin vielä vinkkejä, joiden avulla jätehuoltoyritykset voivat tehdä jätekuljetushankintoja ympäristönäkökohdat huomioiden. Usein selkein tapa huomioida ympäristönäkökohdat kuljetuskilpailutuksissa on asettaa riittävän tiukkoja pakollisia vaatimuksia, jolloin voi valita hinnaltaan halvimman vaihtoehdon. Kuljetuspalvelun hankinnassa tulee huomioida ainakin energiankulutus, hiilidioksidi-, typenoksidi-, hiilivety- ja hiukkaspäästöt. Lainsäädäntö ei määrää vähimmäistasoja, vaan hankintaa tehdessä kannattaa kartoittaa markkinatilanne, jotta vaatimukset osaa asettaa oikealle tasolle. Markkinoille kannattaa myös tiedottaa tulevaisuuden tarpeista ja suunnitelmista. Suuria hankintakokonaisuuksia suositellaan pilkottavan pienempiin osiin, jotta pienet ja keskisuuret yritykset pystyvät myös osallistumaan tarjouskilpailuihin. Kannustus innovaatioiden huomioimiseen hankinnoissa on lisääntynyt myös jätehuollon alalla. Selvitettyjen kasvihuonekaasupäästöjen perusteella oli merkille pantavaa, miten suuri vaikutus polttolaitoksen valinnalla oli kasvihuonekaasupäästöihin. Oleellista onkin huomioida ympäristönäkökohdat myös energiahyötykäyttökohdetta valittaessa.

Effect of Material Recycling on the Feasibility of Solid Recovered Fuel Fired Power Plant

This master’s thesis examines the effects of increased material recycling on different waste-to-energy concepts. With background study and a developed techno-economic computational method the feasibility of chosen scenarios with different combinations of mechanical treatment and waste firing technologies can be evaluated. The background study covers the waste scene of Finland, and potential market areas Poland and France. Calculated cases concentrate on municipal solid waste treatment in the Finnish operational environment. The chosen methodology to approach the objectives is techno-economic feasibility assessment. It combines calculation methods of literature and practical engineering to define the material and energy balances in chosen scenarios. The calculation results together with other operational and financial data can be concluded to net present values compared between the scenarios. For the comparison, four scenarios, most vital and alternative between each other, are established. The baseline scenario is grate firing of source separated mixed municipal solid waste. Second scenario is fluidized bed combustion of solid recovered fuel produced in mechanical treatment process with metal separation. Third scenario combines a biomaterial separation process to the solid recovered fuels preparation and in the last scenario plastics are separated in addition to the previous operations. The results indicated that the mechanical treatment scenarios still need to overcome some problems to become feasible. Problems are related to profitability, residue disposal and technical reliability. Many uncertainties are also related to the data gathered over waste characteristics, technical performance and markets. With legislative support and development of further processing technologies and markets of the recycled materials the scenarios with biomaterial and plastic separation may operate feasibly in the future.