The suitability of organic coagulants for wastewater treatment and their impact on sewage sludge biological stabilization and utilization as soil amendment

Abstract

<div lang="en" class="abs"><p class="abs_header">Abstract</p><p>The treatment of municipal wastewater often employs inorganic coagulants (IC) to remove contaminants such as dissolved and particulate organic matter and nutrients through the coagulation/flocculation process. However, the use of IC is linked to concerns related to sludge treatment and disposal. This thesis investigated the suitability of applying organic coagulants (OC) as alternatives to IC in the treatment of municipal wastewater. Additionally, the impact of replacing IC with OC on the biological stabilization (i.e., anaerobic digestion (AD) and composting) of the resulting sludge and the effect of anaerobically digested sludge utilization in soil conditioning was evaluated. Laboratory investigations (i.e., jar-tests), pilot-plant systems (AD and composting) and soil microplot experiments (fertilization and leaching) were utilized. Monitoring involved the analysis of various parameters in different matrices (water, soil, sludge, and plant), including organic matter measured as biochemical oxygen demand (BOD), nutrients (i.e., nitrogen (N) and phosphorous (P), metals, and micropollutants (e.g., pharmaceuticals). Other factors monitored were water turbidity, pH, gas production, feedstock temperature, leaf growth, etc. In general, the results showed that OC with a high molecular weight and very high charge density can potentially act as sole coagulants, removing up to 88% of BOD and 87% of phosphate from wastewater. Regarding the stabilization of produced sludge, the type of coagulant affected both the AD and the composting processes. For example, during AD, natural OC exhibited the highest methane production. While evaluating the effect of coagulant type on the recirculation of sludge to land, the OC-precipitated AD sludge (biosolids) showed the highest total phosphorus and total nitrogen discharge load in leaching experiments. In addition, OC-biosolid-fertilized grasses showed a higher nutrient content in leaves compared to that of the IC biosolid-fertilized grasses.</p></div>

<div lang="fi" class="abs"><p class="abs_header">Tiivistelmä</p><p>Kunnallisen jäteveden käsittelyssä käytetään usein epäorgaanisia koagulantteja (IC) poistamaan haitta-aineita, kuten liuenneita ja kiintoainemuodossa olevia ravinteita sekä orgaanisia ja epäorgaanisia aineita koagulaatio- ja flokkulaatioprosessien kautta. Epäorgaanisten koagulanttien käytössä kuitenkin on jätevesien jälkikäsittelyyn sekä lietteen käsittelyyn ja hävittämiseen liittyviä haasteita. Epäorgaanisten koagulanttien käytön johdosta jätevesilietteen metallipitoisuudet ovat korkeita ja lietetilavuus on suuri, mikä heikentää syntyvän lietteen lannoitepotentiaalia ja yleistä kustannustehokkuutta. Tässä opinnäytetyössä tutkitaan orgaanisten koagulanttien (OC) soveltuvuutta ainoana koagulanttiaineena korvaamaan epäorgaanisia koagulantteja yhdyskuntajätevesien kemiallisessa käsittelyssä. Lisäksi tutkitaan koagulanttien korvaamisen vaikutusta syntyvän lietteen biologiseen stabiloitumiseen (eli anaerobiseen mädätykseen (AD) ja kompostointiin) sekä vaikutusta sen käyttömahdollisuuksiin maanparannusaineena ja niittynurmikan (<em>Poa pratensis</em>) kasvuun. Tässä opinnäytetyössä tutkimuksia tehtiin laboratoriokokeilla, pilottijärjestelmätestauksilla ja kasvatusastiakokeilla. Näytteistä mitattiin mm. typpeä, fosforia, alumiinia ja rautaa ja mikrohaitta-aineita. Tekijät, joita seurattiin, olivat mm. veden sameus, pH, kaasuntuotanto, raaka-aineen lämpötila, mikrobiyhteisökoostumus, lehtien kasvu. Tulokset osoittivat, että orgaaninen koagulantti, jolla on korkea molekyylipaino ja erittäin korkea varaustiheys, voi mahdollisesti toimia ainoana koagulaatiokemikaalina, koska se poisti jopa 88 % orgaanisesta aineesta (biokemiallisena hapenkulutuksena (BOD) mitattuna) ja 87 % fosfaattifosforista. Yhdyskuntajätevesilietteen biologisessa stabiloinnissa anaerobisen mädätyksen aikana luonnollinen orgaaninen koagulantti tuotti korkeimman metaanin (CH₄) tuotannon. Synteettisellä orgaanisella koagulantilla oli korkein raaka-aineen lämpötila ja hiilidioksidin (CO₂) tuotanto kompostointiprosessin aikana sekä niiden massa väheni eniten kompostoitumisprosessin aikana verrattuna epäorgaanisella koagulantilla käsiteltyjen jätevesien lietteisiin. Orgaanisella koagulantilla käsiteltyjen jätevesien lietteen mädätetuote aiheutti suurimman kokonaisfosfori ja kokonaistyppihuuhtouman kasvatusastiakokeissa. Lisäksi käytettäessä lannoitteena orgaanisella koagulantilla käsiteltyjen jätevesien lietteen mädätetuotetta, niittynurmikan lehdissä oli korkeampi ravinnepitoisuus, kuin jos käsittelyssä oli käytetty epäorgaanista koagulanttia.</p></div>

<div lang="en" class="abs"><p class="abs_header">Original papers</p><p>Original papers are not included in the electronic version of the dissertation.</p><ol type="I"><li><p>Cainglet, A., Tesfamariam, A., & Heiderscheidt, E. (2020). Organic polyelectrolytes as the sole precipitation agent in municipal wastewater treatment. Journal of Environmental Management, 271, 111002. <a href="https://doi.org/10.1016/j.jenvman.2020.111002">https://doi.org/10.1016/j.jenvman.2020.111002</a></p><p><a href="https://urn.fi/urn:nbn:fi-fe2020070346875">Self-archived version</a></p></li><li><p>Cainglet, A., Kujala, K., Liimatainen, M., Prokkola, H., Piippo, S., Postila, H., Ronkanen, A.-K., & Heiderscheidt, E. (2023). The influence of coagulant type on the biological treatment of sewage sludge. Science of The Total Environment, 869, 161706. <a href="https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2023.161706">https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2023.161706</a></p><p><a href="https://urn.fi/urn:nbn:fi-fe2023030930874">Self-archived version</a></p></li><li><p>Cainglet, A., Postila, H., Rossi, P., Ronkanen A., & Heiderscheidt, E. (2023). The influence of inorganic and organic coagulants on plant nutrient uptake and the susceptibility to nutrient and micropollutant leaching from anaerobic digested sludge amended soils. Manuscript in preparation.</p></li></ol></div>

<div lang="fi" class="abs"><p class="abs_header">Osajulkaisut</p><p>Osajulkaisut eivät sisälly väitöskirjan elektroniseen versioon.</p><ol type="I"><li><p>Cainglet, A., Tesfamariam, A., & Heiderscheidt, E. (2020). Organic polyelectrolytes as the sole precipitation agent in municipal wastewater treatment. Journal of Environmental Management, 271, 111002. <a href="https://doi.org/10.1016/j.jenvman.2020.111002">https://doi.org/10.1016/j.jenvman.2020.111002</a></p><p><a href="https://urn.fi/urn:nbn:fi-fe2020070346875">Rinnakkaistallennettu versio</a></p></li><li><p>Cainglet, A., Kujala, K., Liimatainen, M., Prokkola, H., Piippo, S., Postila, H., Ronkanen, A.-K., & Heiderscheidt, E. (2023). The influence of coagulant type on the biological treatment of sewage sludge. Science of The Total Environment, 869, 161706. <a href="https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2023.161706">https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2023.161706</a></p><p><a href="https://urn.fi/urn:nbn:fi-fe2023030930874">Rinnakkaistallennettu versio</a></p></li><li><p>Cainglet, A., Postila, H., Rossi, P., Ronkanen A., & Heiderscheidt, E. (2023). The influence of inorganic and organic coagulants on plant nutrient uptake and the susceptibility to nutrient and micropollutant leaching from anaerobic digested sludge amended soils. Manuscript in preparation.</p></li></ol></div>