ammel process for the treatment of ammonia in low ... · the treatment of ammonia in low...

23
WaterTech 2011 Edmonton, AB April 1315, 2011 Patented AmmEL Process for the Treatment of Ammonia in Low Temperature Mine Wastewater; Ammonia Converted to Environmentally–Friendly Nitrogen Gas Gene S. Shelp, Leonard P. Seed, Daren Yetman and John M. Motto ENPAR Technologies Inc., Guelph, Ontario, Canada

Upload: others

Post on 16-Jun-2020

2 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

  • WaterTech 2011 Edmonton, AB

    April 13‐15, 2011

    Patented AmmEL Process for the Treatment of Ammonia in 

    Low Temperature Mine Wastewater;  

    Ammonia Converted to Environmentally–Friendly 

    Nitrogen Gas 

    Gene S. Shelp, Leonard P. Seed, Daren Yetman and John M. Motto 

    ENPAR Technologies Inc.,  Guelph, Ontario, Canada  

     

  • WaterTech 2011 Edmonton, AB

    April 13‐15, 2011

    Introduction • Ammonia listed as a toxic substance by 

    Environment Canada  

    • One approach employed by the mining industry has been to lower the pH of the wastewater to render it less toxic (due to a shift in the NH3/NH4+ equilibrium) 

     

    • While this approach has assisted in meeting acute lethality discharge requirements, the total ammonia‐N released into the environment is not reduced 

     

    • Current technology for treating ammonia relies heavily on biological activity (e.g. nitrification) to convert ammonia to nitrate 

      

  • WaterTech 2011 Edmonton, AB

    April 13‐15, 2011

    Introduction • Total nitrogen removal requires additional 

    biological processes to remove nitrate from wastewater prior to discharge 

     

    • Biological treatment systems are adversely affected by cold temperatures and changes in effluent composition 

     

    • A novel and patented ion‐exchange/electrochemical treatment technology (the AmmEL system) has been developed by Enpar Technologies, Inc. which is not adversely affected by low temperature 

     

  • WaterTech 2011 Edmonton, AB

    April 13‐15, 2011

    The AmmEL Process 

    Electrochemical Reactor

      IX

    Wastewater (NH4)

    Loading

    (Phase 1)

    Treated Effluent

    Regeneration

     (Phase 2)

    Conversion

     (Phase 3)

    Regenerant Tank

      IX

    NH4 N2 NH4

  • WaterTech 2011 Edmonton, AB

    April 13‐15, 2011

    AmmEL Reactions 

    2NH4+  →  N2  +  8H+  +  6e‐

    2Cl‐  →  Cl2  +  2e‐

    Cl2  +  H2O  →  HOCl  +  HCl

    2NH4+  +  3HOCl  →  N2  +  3H2O  +  5H+  +  3Cl‐

  • WaterTech 2011 Edmonton, AB

    April 13‐15, 2011

    The AmmEL Advantage 

    • Eliminates nitrogen loading by converting ammonia directly into innocuous N2 

     

    • Does not produce nitrate and the GHG nitrous oxide associated with biological treatment 

     

    • Not affected by low temperature  

    • Intermittent operation ‐‐ no start‐up delays  

    • Can be fully automated ‐‐ low maintenance 

     

  • WaterTech 2011 Edmonton, AB

    April 13‐15, 2011

    System Applications 

    • Mining effluent or process streams containing ammonia derived from the use of ammonia based blasting powder and/or the oxidation of cyanide 

     

    • Tertiary treatment for municipal waste water treatment plants (MWTP) and lagoon systems 

     • Process streams related to steel, fertilizer and 

    chemical industries 

     

  • WaterTech 2011 Edmonton, AB

    April 13‐15, 2011

    Pilot Study The AmmEL‐LC System 

  • WaterTech 2011 Edmonton, AB

    April 13‐15, 2011

    AmmEL‐LC Pilot Unit Specifications 

    • 3‐20 cm x 3.05m fluidized bed IX columns, BV = 59.3L  

    • 1.5 kW electrochemical reactor  

    • pH adjustment station for the inlet water stream  • The main operating conditions for the system were as 

    follows: – Wastewater flow rate:  18‐20 L/min – Recharge brine flow rate:  8‐10 L/min – Brine NaCl concentration:  3‐4% – Cell current:  150 A 

  • WaterTech 2011 Edmonton, AB

    April 13‐15, 2011

    • Designed to allow for single column operation as well as series column operation 

     

    • Typical treatment mode was to operate the system with two columns in series in a lead‐lag arrangement  

     

    • Third column was either involved in a regeneration cycle or was in standby 

     

    • Following a regeneration cycle, the regenerated column was rinsed with a small amount of treated water to remove any extraneous brine 

     

    • The rinse stream was directed into a 200L holding tank for testing prior to release back into the holding pond 

     

  • WaterTech 2011 Edmonton, AB

    April 13‐15, 2011

    IX 1 IX 1 IX 2 IX 2 IX 3 IX 3

    Reactor Reactor

  • WaterTech 2011 Edmonton, AB

    April 13‐15, 2011

    Single Column Results 

    Breakthrough Curve at 18 L/min

    99 98 97 9692

    90 88 86 8479

    75

    67

    5853

    2728 28

    29 29

    27

    3132

    31 3130

    2928

    30

    0.3 0.5 0.81.2

    2.2 2.73.7 4.5

    5.16.5

    7.69.6

    11.6

    14.2

    0

    10

    20

    30

    40

    50

    60

    70

    80

    90

    100

    0

    5

    10

    15

    20

    25

    30

    35

    1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

    Amm

    onia

    Rem

    oved

    (%)

    Amm

    onia

    Con

    cent

    ratio

    n (m

    g/L)

    Run Time (h)

    % Removed Inlet Ammonia Outlet Ammonia

    99 98 97 9692

    90 88 86 8479

    75

    67

    5853

    2728 28

    29 29

    27

    3132

    31 3130

    2928

    30

    0.3 0.5 0.81.2

    2.2 2.73.7 4.5

    5.16.5

    7.69.6

    11.6

    14.2

    0

    10

    20

    30

    40

    50

    60

    70

    80

    90

    100

    0

    5

    10

    15

    20

    25

    30

    35

    1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

    Amm

    onia

    Rem

    oved

    (%)

    Amm

    onia

    Con

    cent

    ratio

    n (m

    g/L)

    Run Time (h)

    % Removed Inlet Ammonia Outlet Ammonia

  • WaterTech 2011 Edmonton, AB

    April 13‐15, 2011

    Typical Single Column Results 

    Flow rate (L/min)  18.0 Total run time (h)  14 Total volume treated (L)  15,120 Water temperature (°C)  5.7 Inlet pH  7.76 Outlet pH  7.85 Avg inlet ammonia (mg/L)  29.1 Avg outlet ammonia (mg/L)  5.1 

  • WaterTech 2011 Edmonton, AB

    April 13‐15, 2011

    Series Column Results 

    Ammonia Loading, Columns C2 & C1

    96 96 96 96 94 92 9087

    85 8480

    76

    6863

    58

    50

    27

    24

    2725

    2423

    24

    2021

    2223

    2120

    2122 22

    1.1 1.0 1.0 1.1 1.51.8 2.4

    2.53.3 3.6

    4.6 5.16.3

    7.89.3

    11.1

    0

    10

    20

    30

    40

    50

    60

    70

    80

    90

    100

    0

    5

    10

    15

    20

    25

    30

    1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16

    Amm

    onia

    Rem

    oved

    (%)

    Amm

    onia

    Con

    cent

    ratio

    n (m

    g/L)

    Time (h)

    % Removed Inlet Ammonia Outlet Ammonia

    96 96 96 96 94 92 9087

    85 8480

    76

    6863

    58

    50

    27

    24

    2725

    2423

    24

    2021

    2223

    2120

    2122 22

    1.1 1.0 1.0 1.1 1.51.8 2.4

    2.53.3 3.6

    4.6 5.16.3

    7.89.3

    11.1

    0

    10

    20

    30

    40

    50

    60

    70

    80

    90

    100

    0

    5

    10

    15

    20

    25

    30

    1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16

    Amm

    onia

    Rem

    oved

    (%)

    Amm

    onia

    Con

    cent

    ratio

    n (m

    g/L)

    Time (h)

    % Removed Inlet Ammonia Outlet Ammonia

  • WaterTech 2011 Edmonton, AB

    April 13‐15, 2011

    Series Column Results 

    Ammonia Loading, Columns C1 & C3

    99 99 99 98 97 96 9491

    88 90 8782

    7872

    6624

    3032 32 32 32

    3032

    3032

    3332

    3332 32

    0 .1 0 .3 0 .4 0 .6 0 .91 .3 1 .9

    2 .8 3 .5 3 .24 .2

    5 .77 .3

    8 .710.8

    0

    10

    20

    30

    40

    50

    60

    70

    80

    90

    100

    0

    5

    10

    15

    20

    25

    30

    35

    1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

    Ammonia Removed (%)

    Ammonia Concentration (mg/L)

    T im e (h )

    % R em oved In le t Am m onia O utle t Am m onia

    99 99 99 98 97 96 9491

    88 90 8782

    7872

    6624

    3032 32 32 32

    3032

    3032

    3332

    3332 32

    0 .1 0 .3 0 .4 0 .6 0 .91 .3 1 .9

    2 .8 3 .5 3 .24 .2

    5 .77 .3

    8 .710.8

    0

    10

    20

    30

    40

    50

    60

    70

    80

    90

    100

    0

    5

    10

    15

    20

    25

    30

    35

    1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

    Ammonia Removed (%)

    Ammonia Concentration (mg/L)

    T im e (h )

    % R em oved In le t Am m onia O utle t Am m onia

  • WaterTech 2011 Edmonton, AB

    April 13‐15, 2011

    Series Column Results 

    Ammonia Loading, Columns C3 & C2

    96 97 96 95 9491 90

    8582

    7982

    7673

    32 32

    35 35 3537

    3534

    37 37 3735

    37

    1.1 1.1 1.4 1.72.2

    3.2 3.75.0

    6.57.7 6.8

    8.410.0

    0

    10

    20

    30

    40

    50

    60

    70

    80

    90

    100

    0

    5

    10

    15

    20

    25

    30

    35

    40

    1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13

    Amm

    onia

    Rem

    oved

    (%)

    Amm

    onia

    Con

    cent

    ratio

    n (m

    g/L)

    Time (h)

    % Removed Inlet Ammonia Outlet Ammonia

    96 97 96 95 9491 90

    8582

    7982

    7673

    32 32

    35 35 3537

    3534

    37 37 3735

    37

    1.1 1.1 1.4 1.72.2

    3.2 3.75.0

    6.57.7 6.8

    8.410.0

    0

    10

    20

    30

    40

    50

    60

    70

    80

    90

    100

    0

    5

    10

    15

    20

    25

    30

    35

    40

    1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13

    Amm

    onia

    Rem

    oved

    (%)

    Amm

    onia

    Con

    cent

    ratio

    n (m

    g/L)

    Time (h)

    % Removed Inlet Ammonia Outlet Ammonia

  • WaterTech 2011 Edmonton, AB

    April 13‐15, 2011

    Series Column Results   C2 & C1  C1 & C3  C3 & C2 

    Flow Rate (L/min)  18.2  18.1  18.3 

    Total Run Time (h)  16  15  13 

    Water Temperature (°C)  5.9  6.0  5.9 

    Inlet pH  7.79  7.84  7.82 

    Outlet pH  7.86  7.86  7.91 

    Average Inlet NH3 (mg/L)  23.0  31.0  35.3 

    Average Outlet NH3 (mg/L)  4.0  3.4  4.5 

  • WaterTech 2011 Edmonton, AB

    April 13‐15, 2011

    Pilot Study Conclusions 

    • The AmmEL‐LC system can readily remove ammonia from mine waste water to below the discharge requirement of 10 mg/L 

     

    • No pretreatment of the stream was required  

    • The efficiency of the AmmEL‐LC was not affected by low water temperatures (>6°C) 

     

    • Operating costs were relatively low ($0.10/m3 of water treated) 

     

  • WaterTech 2011 Edmonton, AB

    April 13‐15, 2011

    Full‐Scale Installation • Full‐scale installation commissioned March 10, 2010 in Timmins, 

    Ontario  

    • Three zeolite filled 30 cm (i.d.) x 6 m ion exchange columns  

    • Electrochemical reactor → 18 m2 of anode surface area; 16V, 2000A DC rectifier 

     

    • Chlorine gas scrubber to comply with Ontario MoE chlorine emission levels 

     

    • The system is designed to treat 400 m3 of mine waste per day containing an average of 30 mg of ammonia‐nitrogen/L 

     

    • Emission levels are 10 mg NH3‐N/L year round including during the winter months when mine water can reach temperatures slightly above freezing 

  • WaterTech 2011 Edmonton, AB

    April 13‐15, 2011

    Ion Exchange Columns

  • WaterTech 2011 Edmonton, AB

    April 13‐15, 2011

    Electrochemical Reactor

  • WaterTech 2011 Edmonton, AB

    April 13‐15, 2011

    DC Rectifier Chlorine Gas Scrubber

  • WaterTech 2011 Edmonton, AB

    April 13‐15, 2011