Date of Award

4-2021

Document Type

Thesis

Degree Name

Master of Science (MS)

Department

Civil and Environmental Engineering

First Advisor

Mohamed Hamouda

Second Advisor

Munjed Maraqa

Abstract

The biological-activated sludge treatment process is the most widely used approach to treating domestic wastewater. It involves the transformation of soluble and particulate organic matter to gases and large amounts of settleable biomass (produced sludge). This sludge is considered one of the most pressing management challenges since its treatment represents approximately 50 to 60% of the total operational cost of a wastewater treatment plant (WWTP). The traditional management of excess sludge is by disposal in landfills, incineration, or agriculture reuse in the form of fertilizers but due to energy and environmental concerns, many jurisdictions developed strict policies and regulations for managing excess sludge. Therefore, this calls for the investigation of novel approaches to reduce the amount of generated sludge as the benefits would then be two-fold, environmental as well as economic. Sludge can be reduced through two main approaches which are post-treatment of produced sludge or in-situ activated sludge reduction. Post-treatment is an approach where treatment will take place after sludge is produced in the plant. Whereas in-situ activated sludge reduction will reduce the amount of produced sludge from the source itself. In this thesis, the in-situ activated sludge reduction without effluent quality deterioration is investigated for an existing full-scale WWTP which generates approximately 15 tons of sludge each day (Al Saad WWTP in Al Ain, UAE).

The complex combination of WWTP processes makes the investigation of their performance and interactions on bench and pilot scales technically challenging and costly. This is exacerbated when the scope of investigation attempts to experiment with different operating parameters and/or unit processes. Therefore, a simulation approach was adopted in this study using BioWin™ V.6 software. The challenge with the simulation approach is that it requires model calibration. Calibration entails the adaptation of some model parameters until the model prediction matches specific observed data of the plant stream quality characteristics. There are four different model calibration protocols proposed in the literature, the water environmental research foundation (WERF) is the one applied in this study. Routine historical data about the Al-Saad WWTP was gathered but was not enough to develop the model; therefore, a sampling campaign was conducted for further parameters characterization, particularly for determining the fractions of chemical oxygen demand (COD) and total Kjeldahl nitrogen (TKN). After the model of Al-Saad WWTP was developed and calibrated, several scenarios were structured to represent the application of variations of the oxic-settling-anaerobic (OSA) process which appears in literature as a sludge reduction retrofit. The OSA process was modeled by inserting a sludge holding tank (SHT) on the recirculation-activated sludge stream between the secondary settling tank and the aeration tank. The results revealed that the percentage reduction in the amount of produced sludge increased from 4.04% to 5.76% when the hydraulic retention time (HRT) of the OSA tank increased from 2 to 12 hours. Selecting the optimum HRT is governed by the available area, the initial cost of SHT, and the sludge treatment cost. This reduction was attributed to the stressful conditions that recycled biomass from the secondary settling tank faces inside the OSA process resulting in an increase in the sludge anaerobic decay coefficient. This result is consistent with previous studies that investigated an anaerobic side-stream reactor (a process similar to OSA) on a full-scale WWTP. This study concluded that the OSA process is a simple adjustment in existing/new WWTPs that can potentially reduce the amount of excess sludge without deteriorating the effluent quality. The contribution of this study lies in detailing the model calibration process and demonstrating the use of the calibrated model in examining the performance of plant retrofit alternatives. Further research is required to identify the mechanism behind the OSA process and to define the design principles for OSA.

Arabic Abstract

تعتبر عملية معالجة الحمأة المنشطة بيولوجيًا هي الطريقة الأكثر استخدامًا لمعالجة مياه الصرف الصحي المنزلية. تتضمن العملية تحويل المواد العضوية الذائبة والمعلقة إلى غازات وكميات كبيرة من الكتلة الحيوية القابلة للترسيب )الحمأة المنتجة(. تمثل هذه الحمأة أكثر التحديات صعوبة نظرًا لأن معالجتها تمثل حوالي 05 إلى 05 ٪ من إجمالي التكلفة التشغيلية لمحطة معالجة مياه الصرف الصحي. تتم الإدارة التقليدية للحمأة الزائدة عن طريق التخلص من الحمأة الزائدة في مدافن النفايات أو الحرق أو إعادة الاستخدام الزراعي في شكل أسمدة ولكن نظرًا للمشاكل المتعلقة بالطاقة والبيئة، طورت العديد من الجهات المسئولة سياسات وأنظمة صارمة لإدارة الحمأة الزائدة. لذلك فإن هذا يستدعي التحقيق في الأساليب الجديدة لتقليل كمية الحمأة المتولدة حيث ستكون الفوائد عندئذ ذات بعدين بيئي واقتصادي. يمكن تقليل الحمأة من خلال نهجين رئيسيين هما المعالجة اللاحقة للحمأة الناتجة أو تقليل الحمأة المنشطة في الموقع. المعالجة اللاحقة هي طريقة تتم فيها المعالجة بعد إنتاج الحمأة في المحطة. في حين أن تقليل الحمأة المنشطة في الموقع سيقلل من كمية الحمأة الناتجة من المصدر نفسه. في هذه الأطروحة، تم التحقيق في تقليل الحمأة المنشطة في الموقع دون تدهور جودة المياه المعالجة لمحطة معالجة مياه الصرف الصحي والتي تولد ما يقرب من 81 طنًا من الحمأة يوميًا )محطة الساد لمعالجة مياه الصرف الصحي في العين، الإمارات العربية المتحدة(.

إن التركيبة المعقدة من عمليات معالجة مياه الصرف الصحي تجعل التحقيق في أدائها وتفاعلاتها على المقيا التجريبي أمرًا صعبًا ومكلفًا من الناحية الفنية. يتفاقم هذا عندما يحاول نطاق التحقيق تجربة معاملات تشغيل مختلفة و / أو عمليات عدة. لذلك تم اعتماد نهج المحاكاة في هذه الدراسة باستخدام برنامج ™ 6.0 BioWin . التحدي في استخدام نهج المحاكاة هو أنه يتطلب معايرة النموذج المستخدم. تستلزم المعايرة تكييف بعض معاملات النموذج حتى يتطابق توقع النموذج مع البيانات المحددة المرصودة لخصائص جودة وحدات المعالجة. هناك أربع بروتوكولات معايرة نموذجية مختلفة مقترحة في الأبحاث السابقة ولكن نهج مؤسسة أبحاث المياه البيئية ( WERF ) هو الذي تم تطبيقه في هذه الدراسة. تم جمع البيانات التاريخية الروتينية لمحطة الساد لمعالجة مياه الصرف الصحي ولكنها لم تكن كافية لتطوير النموذج؛ لذلك، تم أخذ عيناتلمزيد من التوصيف خاصة لتحديد كسور الطلب على الأكسجين الكيميائي ) COD ) وإجمالي نيتروجينKjeldahl(TKN). بعد تطوير ومعايرة نموذج محطة الساد لمعالجة مياه الصرف الصحي، كانت هناك عدة سيناريوهات لتمثيل الاختلافات في عملية ترسيب الأكسدة اللاهوائية (OSA) والتي تظهر في الأبحاث كإجراء حديث للحد من الحمأة. تم تصميم عملية OSA عن طريق إدخال خزان احتجاز الحمأة اللاهوائية في دورة معالجة مياه الصرف الصحي بين خزان الترسيب الثانوي وخزان التهوية. أظهرت النتائج زيادة في نسبة انخفاض الحمأة المنتجة تراوحت بين 4.04-5.76% عندما كان زمن الاحتفاظ الهيدروليكي في خزان OSA زاد من 2 إلي 12 ساعة. تعزى هذه الزيادة في نسبة الانخفاض إلى الظروف المجهدة التي تشهدها الكتلة الحيوية من خزان الترسيب الثانوي في خزانOSA مما أدى إلى زيادة معامل التحلل اللاهوائي للحمأة. تتوافق هذه النتيجة مع الدراسات السابقة التي بحثت في مفاعل التيار الجانبي اللاهوائي(شكل من أشكال OSA ) في محطة معالجة مياه الصرف الصحي. خلصت هذه الدراسة إلى أن عملية OSA هي تعديل بسيط في محطات معالجة مياه الصرف الصحي الحالية / الجديدة التي يمكن أن تقلل كمية الحمأة الزائدة دون تدهور جودة المياه المعالجة. تكمن مساهمة هذه الدراسة في تفصيل عملية معايرة النموذج؛ وشرح استخدام النموذج المعاير في فحص أداء بدائل التعديل للمحطة. مطلوب مزيد من البحث لتحديد الآلية الكامنة وراء عملية OSA ولتحديد مبادئ تصميم OSA .

Download

Included in

Engineering Commons

COinS