The effect of feed pH and in-situ pH adjustment on the behaviour of an anaerobic sequencing batch reactor treating synthetic winery wastewater
Date
2017-03
Authors
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Stellenbosch : Stellenbosch University
Abstract
ENGLISH SUMMARY:Legal requirements and high production costs have resulted in wineries having to seek alternative
methods of reducing operating costs with regards to the reduction of fresh water intake as well as
treating the wastewater they produce. Winery wastewater typically contains varying concentrations
of monosaccharides, volatile fatty acids and ethanol. To legally dispose of winery wastewater, its
chemical oxygen demand (COD) needs to be reduced to below 400 mg/ℓ when disposing between 50 and 500 m3 daily. An anaerobic sequencing batch reactor (ASBR) has been recommended as a possible
method to treat winery wastewater due to several benefits over typical aerobic systems. Anaerobic
digestion systems produce useful biogas and, compared to aerobic digestion systems, generate low
volumes of sludge. These advantages, together with the simplicity and relatively low installation costs
of sequencing batch reactor (SBR) systems, make ASBR technology an attractive option for treatment
of winery wastewater.
Winery wastewaters have varying pH (3.5 – 8.0) due to the various sources from the plant. As such,
the main objective of this study was to determine whether an ASBR can be operated with in-situ pH
control and without adjusting the feed alkalinity.
Exploratory simulations were performed with the Anaerobic Digestion Model no. 1 (ADM1) to
understand where the potential problems could occur with the experimental ASBR. Sludge retention
in the ASBR was simulated through the incorporation of a clarification model in the ADM1. The
simulation results indicated that winery wastewater with high monosaccharide concentrations would
cause a sudden drop in pH early in the ASBR process due to rapid production of volatile fatty acids. It
therefore followed that in-situ pH control would be required. The ADM1 was found to be unstable
when poor initial guesses of the soluble and sludge component concentrations were used in the
simulations. With the ADM1 simulation, the pH was identified as the variable which would easily
indicate instability in the model.
Following the ADM1 simulations, a 14-litre laboratory scale ASBR was used to treat different synthetic
winery wastewaters while operating with in-situ pH control. Two artificial feed solutions were
prepared, the first with a high ammonium sulphate concentration and the second without ammonium
sulphate. Both solutions contained high concentrations of glucose and fructose. The ASBR could handle the ammonium sulphate between organic loading rates (OLRs) 1.1 and 2.1 g-CODfeed.ℓ-1ASBR.day-1. Under
these conditions, the ASBR achieved a COD reduction of at least 60 %. In the absence of ammonium
sulphate, the ASBR achieved a COD reduction of at least 80 %. Biogas containing methane, carbon dioxide and nitrogen was produced. Theoretically excluding the
nitrogen from the biogas resulted in a methane fraction in excess of 80 mol%, with the balance being
carbon dioxide.
𝐾𝑂𝐻 was dosed as a nutrient. Correcting the feed pH to 7.4, allows for an approximate saving of
8 – 12% on the total amount of 𝐾𝑂𝐻 required for feed substrate dosing and in-situ pH control. In-situ
pH control was deemed to be the most important during the first five hours of a batch. After this, the
methanogens generally consumed acetic acid fast enough to counter the effect that volatile fatty acid
formation has on the pH of the system.
AFRIKAANS OPSOMMING: Weens wetsvereistes en hoë produksiekoste moet wynkelders met alternatiewe metodes vorendag kom om bedryfskoste te verlaag wat die vermindering van varswaterinname en die behandeling van afvalwater betref. Die afvalwater van wynkelders bevat gewoonlik wisselende konsentrasies monosakkariede, vlugtige vetsure en etanol. Om op ’n wettige manier van kelderafvalwater ontslae te raak, moet die chemiese suurstofbehoefte (CSB) tot onder 400 mg/ℓ verminder word om daagliks met tussen 50 en 500 m3 weg te doen. ’n Anaërobiese opeenvolgende lotreaktor (AOLR) word aanbeveel as ’n moontlike metode om kelderafvalwater te behandel omdat dit verskeie voordele bo tipiese aërobiese stelsels inhou. Anaërobiese verteerstelsels produseer byvoorbeeld nuttige biogas en, vergeleke met aërobiese verteerstelsels, lae volumes slyk. Hierdie voordele, tesame met die eenvoud en betreklik lae installasiekoste van opeenvolgende lotreaktor- (OLR-)stelsels, maak AOLR-tegnologie dus ’n aanloklike moontlikheid vir die behandeling van afvalwater. Kelderafvalwater het ’n wisselende pH (3.5 – 8.0) as gevolg van die verskillende bronne in die aanleg. Daarom was die hoofdoel van hierdie studie om te bepaal of ’n AOLR bedryf kan word met in situ-pH beheer en sonder om die alkaliniteit van die toevoer aan te pas. Ondersoekende simulasies is uitgevoer met die anaërobiese verteermodel nr 1 (“ADM1”) om te verstaan waar moontlike probleme met die eksperimentele AOLR kan voorkom. Slykbehoud in die AOLR is gesimuleer deur die insluiting van ’n verhelderingsmodel by die ADM1. Die simulasieresultate het getoon dat kelderafvalwater met hoë monosakkariedkonsentrasies ’n skielike pH-daling vroeg in die AOLR-proses sal veroorsaak as gevolg van die snelle produksie van vlugtige vetsure. In situ-pH beheer sou dus nodig wees. Daar is bevind dat die ADM1 onstabiel is wanneer swak aanvanklike raaiskote van die oplosbare en slykkomponentkonsentrasies in die simulasies gebruik word. Die pH is uitgewys as die veranderlike in die ADM1-simulasie wat maklik op onstabiliteit in die model sal dui. Na aanleiding van die ADM1-simulasies is ’n laboratoriumskaal-AOLR van 14 liter gebruik om verskillende sintetiese kelderafvalwaters te behandel terwyl in situ-pH-beheer toegepas word. Twee kunsmatige toevoeroplossings is voorberei: die eerste met ’n hoë ammoniumsulfaatkonsentrasie, en die tweede sonder ammoniumsulfaat. Albei oplossings het hoë konsentrasies glukose en fruktose bevat. Die AOLR kon die ammoniumsulfaat tussen organiese ladingstempo’s (OLT’s) van 1.1 en 2.1 g-CSBtoevoer.ℓ-1AOLR.dag-1 hanteer. In hierdie omstandighede het die AOLR ’n CSB-vermindering van ten minste 60% behaal. Sonder ammoniumsulfaat is ’n CSB-vermindering van ten minste 80% verkry. Biogas wat uit metaan, koolstofdioksied en stikstof bestaan, is geproduseer. Toe die stikstof teoreties van die biogas uitgesluit is, is ’n metaaninhoud van meer as 80 mol% verkry en het die res uit koolstofdioksied bestaan. KOH is as ’n voedingstof toegedien. Die regstelling van die toevoer-pH tot 7.4 maak ’n besparing van ongeveer 8 – 12% moontlik op die totale hoeveelheid KOH wat vir toevoersubstraattoediening en in situ-pH-beheer vereis word. In situ-pH-beheer was die belangrikste gedurende die eerste vyf uur van ’n lot. Daarna het die metanogene die asynsuur oor die algemeen vinnig genoeg verteer om die uitwerking van vlugtigevetsuurvorming op die pH van die stelsel teen te werk.
AFRIKAANS OPSOMMING: Weens wetsvereistes en hoë produksiekoste moet wynkelders met alternatiewe metodes vorendag kom om bedryfskoste te verlaag wat die vermindering van varswaterinname en die behandeling van afvalwater betref. Die afvalwater van wynkelders bevat gewoonlik wisselende konsentrasies monosakkariede, vlugtige vetsure en etanol. Om op ’n wettige manier van kelderafvalwater ontslae te raak, moet die chemiese suurstofbehoefte (CSB) tot onder 400 mg/ℓ verminder word om daagliks met tussen 50 en 500 m3 weg te doen. ’n Anaërobiese opeenvolgende lotreaktor (AOLR) word aanbeveel as ’n moontlike metode om kelderafvalwater te behandel omdat dit verskeie voordele bo tipiese aërobiese stelsels inhou. Anaërobiese verteerstelsels produseer byvoorbeeld nuttige biogas en, vergeleke met aërobiese verteerstelsels, lae volumes slyk. Hierdie voordele, tesame met die eenvoud en betreklik lae installasiekoste van opeenvolgende lotreaktor- (OLR-)stelsels, maak AOLR-tegnologie dus ’n aanloklike moontlikheid vir die behandeling van afvalwater. Kelderafvalwater het ’n wisselende pH (3.5 – 8.0) as gevolg van die verskillende bronne in die aanleg. Daarom was die hoofdoel van hierdie studie om te bepaal of ’n AOLR bedryf kan word met in situ-pH beheer en sonder om die alkaliniteit van die toevoer aan te pas. Ondersoekende simulasies is uitgevoer met die anaërobiese verteermodel nr 1 (“ADM1”) om te verstaan waar moontlike probleme met die eksperimentele AOLR kan voorkom. Slykbehoud in die AOLR is gesimuleer deur die insluiting van ’n verhelderingsmodel by die ADM1. Die simulasieresultate het getoon dat kelderafvalwater met hoë monosakkariedkonsentrasies ’n skielike pH-daling vroeg in die AOLR-proses sal veroorsaak as gevolg van die snelle produksie van vlugtige vetsure. In situ-pH beheer sou dus nodig wees. Daar is bevind dat die ADM1 onstabiel is wanneer swak aanvanklike raaiskote van die oplosbare en slykkomponentkonsentrasies in die simulasies gebruik word. Die pH is uitgewys as die veranderlike in die ADM1-simulasie wat maklik op onstabiliteit in die model sal dui. Na aanleiding van die ADM1-simulasies is ’n laboratoriumskaal-AOLR van 14 liter gebruik om verskillende sintetiese kelderafvalwaters te behandel terwyl in situ-pH-beheer toegepas word. Twee kunsmatige toevoeroplossings is voorberei: die eerste met ’n hoë ammoniumsulfaatkonsentrasie, en die tweede sonder ammoniumsulfaat. Albei oplossings het hoë konsentrasies glukose en fruktose bevat. Die AOLR kon die ammoniumsulfaat tussen organiese ladingstempo’s (OLT’s) van 1.1 en 2.1 g-CSBtoevoer.ℓ-1AOLR.dag-1 hanteer. In hierdie omstandighede het die AOLR ’n CSB-vermindering van ten minste 60% behaal. Sonder ammoniumsulfaat is ’n CSB-vermindering van ten minste 80% verkry. Biogas wat uit metaan, koolstofdioksied en stikstof bestaan, is geproduseer. Toe die stikstof teoreties van die biogas uitgesluit is, is ’n metaaninhoud van meer as 80 mol% verkry en het die res uit koolstofdioksied bestaan. KOH is as ’n voedingstof toegedien. Die regstelling van die toevoer-pH tot 7.4 maak ’n besparing van ongeveer 8 – 12% moontlik op die totale hoeveelheid KOH wat vir toevoersubstraattoediening en in situ-pH-beheer vereis word. In situ-pH-beheer was die belangrikste gedurende die eerste vyf uur van ’n lot. Daarna het die metanogene die asynsuur oor die algemeen vinnig genoeg verteer om die uitwerking van vlugtigevetsuurvorming op die pH van die stelsel teen te werk.
Description
Thesis (MEng)--Stellenbosch University, 2017.
Keywords
Anaerobic sequencing batch reactor, Anaerobic digestion, pH control, Wastewater -- Purification -- Anaerobic treatment, Wastewater -- Purification -- Anaerobic treatment, UCTD, Wine and wine making -- Environmental aspects