Anaerobic digestion of municipal wastewater treatment plant sludge

Abstract

Sewage sludge contains valuable nutrients, micronutrients and organic compounds that can improve vegetation growth and soil properties. Approximately one third of sewage sludge produced in Europe is applied to agricultural land. However, there are rising concerns and awareness about emerging pollutants in sludge. Sewage Sludge Directive in the European Union puts limit values only for heavy metals, while there are hundreds of organic and chemical pollutants already present in sludge at levels that may induce risks to human health. Meanwhile, the European Commission is working on a Soil Monitoring Law which aims to reach healthy soils by 2050. Efforts are being made to find consistent ways to measure organic pollution in soils and define the limits for pollutants.

The main objective of this thesis is to research sludge management at municipal wastewater treatment plants. Conventional sludge treatment such as composting and anaerobic digestion can destroy pathogens and neutralize some of the organic pollutants, but persistent pollutants and microplastics remain. Incineration destroys virtually all organic pollutants, but nutrients and organic material is lost. Phosphorus recovery from the ashes of mono-incinerated sludge can be used to recover valuable nutrients.

Theoretical part of this thesis focuses on sludge handling in Europe and the composition of sludge is examined based on literature. Different sludge treatment technologies are discussed. In the practical part sludge samples from a small municipal wastewater treatment plant in Elva, Estonia, are analysed. Based on the analysis and literature research, anaerobic digestion and sludge drying with solar bed are suggested as alternative treatment methods. Both offer viable options for sludge treatment but require a more detailed economic evaluation to determine the best solution.

Jätevesiliete sisältää arvokkaita ravinteita, hivenaineita ja orgaanisia yhdisteitä, jotka edistävät kasvien kasvua ja parantavat maaperän ominaisuuksia. Suunnilleen yksi kolmasosa Euroopassa tuotetusta jätevesilietteestä käytetään maatalousmaiden pelloilla. Lisääntyvä tietoisuus lietteen sisältämistä haitta-aineista aiheuttaa kuitenkin huolta. Euroopan Unionin lietedirektiivi asettaa pitoisuusrajat ainoastaan raskasmetalleille, kun taas liete sisältää satoja orgaanisia ja kemiallisia saasteaineita, joita esiintyy jo nyt pitoisuuksissa, jotka voivat aiheuttaa riskejä ihmisten terveydelle. Samalla Euroopan Komissio työstää maaperän seurantaa koskevaa säädöstä, jonka tavoitteena on terve maaperä vuoteen 2050 mennessä.

Tämän työn tavoitteena on tutkia lietteen käsittelyä yhdyskuntajätevesien puhdistamolla. Tavanomaiset lietteen käsittelymenetelmät kuten kompostointi ja mädätys voivat tuhota taudinaiheuttajia ja muuntaa orgaanisia saasteaineita haitattomiksi, mutta osa saasteista sekä mikromuovit pysyvät lietteessä. Lietteen poltto tuhoaa käytännössä kaikki orgaaniset haitta-aineet, mutta samalla ravinteet ja orgaaninen materiaali menetetään. Fosforin talteenotto tuhkasta, silloin kun liete poltetaan erikseen, voi palauttaa arvokkaita ravinteita kiertoon.

Työn teoriaosassa keskitytään lietteen käsittelyyn Euroopassa ja lietteen koostumusta arvioidaan kirjallisuudesta löytyvien tietojen perusteella. Lisäksi esitellään erilaiset lietteen käsittelymenetelmät. Työn kokeellisessa osassa analysoidaan lietenäytteitä yhdyskuntajätevesien puhdistamolta Elvan kylästä Virossa. Analyysien ja kirjallisuuskatsauksen perusteella suositellaan lietteen mädätystä tai kuivausta aurinkoenergialla vaihtoehtoisina lietteen käsittelymenetelminä. Kumpikin soveltuu lietteen käsittelyyn, mutta yksityiskohtaisempia taloudellisia laskelmia tarvitaan parhaan vaihtoehdon selvittämiseksi.