Ammonium nitrogen recovery methods in various wastewater matrices

Abstract

Need for nitrogen in food production rises now and in the future as the world’s population grows even more. The production of nitrogen fertilizers is usually made by Haber-Bosch process which consumes much energy and causes significant amount of carbon dioxide emissions. In addition, excessive amounts of nitrogen, migrating into waterbodies with wastewaters, cause eutrophication and changes to water ecosystems. This is why the recovery of nutrients, especially ammonium nitrogen, has been started to study.

Wastewaters contain abundant amount of precious nutrients which can be utilized as materials in circular economy. The aim for this bachelor’s thesis is to examine the possibilities in ammonium nitrogen recovery and analyze recovery methods for different wastewaters. This thesis goes through possible ammonium nitrogen recovery methods and considers their use in the fertilizer industry. The main emphasis of the text is in ammonium nitrogen recovery methods.

The results about ammonium nitrogen recovery methods are promising and many of the methods have excellent efficiencies. Especially bioelectrochemical methods show promising results in terms of recovery efficiency and economy. In addition, struvite precipitation and ammonia stripping are promising methods but their high costs, because of chemical usage and energy consumption, affects profitability of the methods. However, their recovery efficiencies have shown promising numbers, for struvite precipitation around 95 % and for ammonia stripping 85-99 %.

Typen tarve ruoantuotannossa kasvaa nyt ja tulevaisuudessa, maailman väkiluvun kasvaessa entisestään. Typpilannoitteiden valmistus perinteisellä Haber-Bosch prosessilla kuluttaa paljon energiaa ja aiheuttaa huomattavan määrän hiilidioksidipäästöjä. Lisäksi jätevesien mukana vesistöihin päätyvät liialliset pitoisuudet typpeä aiheuttavat rehevöitymistä sekä muutoksia vesiekosysteemeihin. Näistä syistä on alettu tutkimaan ravinteiden, erityisesti ammoniumtypen talteenottoa jätevesistä.

Jätevedet sisältävät runsaasti arvokkaita ravinteita, joita voidaan hyödyntää materiaaleina kiertotaloudessa. Tämän kandidaatintyön tarkoituksena on tutkia ammoniumtypen talteenoton mahdollisuuksia sekä analysoida talteenottomenetelmiä erilaisille jätevesille. Työssä käydään läpi mahdollisia ammoniumtypen talteenottomenetelmiä ja pohditaan niiden tuotteiden käyttömahdollisuuksia lannoiteteollisuudessa. Työssä pääpaino on ammoniumtypen talteenottomenetelmissä.

Tulokset ammoniumtypen talteenottomenetelmistä ovat lupaavia, ja monet menetelmät ovat tehokkaita talteen ottamaan ammoniumtyppeä. Erityisesti bioelektrokemialliset menetelmät antavat lupaavia tuloksia menetelmän tehokkuuden sekä kustannusten osalta. Lisäksi struviittisaostus sekä ammoniakin strippaus vaikuttavat lupaavilta menetelmiltä, mutta niiden korkeat kustannukset kemikaalien käytön sekä energiankulutuksen takia, vaikuttavat menetelmien kannattavuuteen. Kuitenkin niiden talteenottotehokkuudet ovat lupaavia, struviitille noin 95 % ja ammoniakin strippaukselle 85–99 %.