Genom en systematisk undersökning har sedimenteringsegenskaperna för biomassan från en aktivtslamprocess vid varierande innehåll av filament och densitet studerats. Biomassans densitet har i de flesta tidigare studier antagits vara konstant. Bestämning av densiteten i slam från fullskaleanläggningar har emellertid visat stora variation, som har stor betydelse för problematiken.
Av: Bengt Andersson
Avskiljning av biomassa genom sedimentering är ett välkänt problem för aktivtslamprocessen och många studier har gjorts för att förklara och förstå och för att söka lösningar som kan avhjälpa vanligt förekommande problem vid avskiljningen. Innehållet av filament i biomassan är en av de mest kända faktorerna som påverkar biomassans sedimenteringsegenskaper. Andra parametrar som flockarnas ytegenskaper, form, storlek och flockningsegenskaper har även påvisats ha en effekt.
Biomassans densitet och dess variation har en stor betydelse för sedimenteringsegenskaperna, vilket kan synas självklart eftersom den drivande kraften är en linjär funktion av skillnaden i densitet mellan biomassan och vätskefasen. I de flesta studier av filamentens påverkan på biomassans sedimenteringsegenskaper har densiteten antagits vara konstant. Undersökningar av fullskaleanläggningar har emellertid visat att densiteten kan variera mellan 1,022 till 1,056 g/ml, vilket motsvarar en variation av drygt 250 % för den drivande kraften om vätskan har en densitet av 1 g/ml. Den praktiska effekten av densitetens inverkan på sedimenteringsegenskaperna beror på i vilken grad densiteten varierar i systemet. Varierande densitet erhålls vid olika innehåll av polyfosfat och inert suspenderat material, olika slamålder och medverkan av en biofilmsfas.
Syftet med refererad studie var att systematiskt bestämma den kombinerade effekten av tillväxt av filament och biomassans densitet på det aktiva slammets sedimenteringsegenskaper genom försök i en laboratoriereaktor med en stor variation i filamentinnehåll i kombination med en nyutvecklad metod att variera biomassans densitet genom tillsats av syntetiska mikrosfärer.
Genomförande av undersökningen
Försöken genomfördes i en reaktor i laboratorieskala av Eckenfelder-typ med en sedimenteringszon inuti reaktorn. Ett kontinuerligt flöde av ett syntetiskt avloppsvatten bestående av glykos och jästextrakt som kolkälla tillfördes reaktorn, den typ av syntetiskt avloppsvatten som stimulerar tillväxt och anrikning av filament. Reaktorn luftades och omblandades kontinuerligt, den hydrauliska uppehållstiden uppgick till 12 timmar och slamåldern hölls konstant på fyra dygn genom dagligt uttag av slam från reaktorn. Reaktorn ympades med slam från South Durham Water Reclamation Facility i North Carolina i USA, ett verk som utformats som en 5-stegs BardenPho process med en långtgående bio-P avskiljning. Två försökskörningar gjordes i serie, där reaktorn ympades första gången vid dag 0 och andra gången efter 18 dagar efter det att reaktorn tömts och rengjorts.
Bestämning av TSS och VSS gjordes dagligen och inert SS (NVSS) beräknades som skillnaden mellan TSS och VSS. Densiteten för biomassan bestämdes med en metod som bygger på slammets benägenhet att sjunka eller stiga i en serie olika lösningar med olika densitet som skapats genom utspädning av en kiselpartikelsuspension. Sedimenterbarheten karakteriserades av bestämning av utspätt SVI (slamvolymindex).
Dominerande filament bestämdes med FISH-prober. Kvantifiering av filament gjordes med hjälp av ett digitalt faskontrastmikroskop med en hemacytometer slide som medgav bestämning av volymen. Genom digital bildbehandling kunde filamentlängd, volym-TSS och flockyta bestämmas och ett mått på filamentinnehållet beräknas som filamentlängd per mängd biomassa (Lf/TSS, m/mg) och filamentlängd per flockyta (Lf/Afloc, m-1). En varierad densitet vid en konstant mängd filament kunde skapas genom att ett uttaget prov från reaktorn med ett bestämt filamentinnehåll tillfördes mikrosfärer i olika doser och under omrörning. Genom periodisk provtagning erhölls varierande filamentinnehåll eftersom det ökade i reaktorn med tiden.
Resultat
Efter ympen med slam och starten av reaktorn ökade filamentinnehållet i biomassan stadigt och det ökade filamentinnehållet medförde en variationsbredd som kunde användas för efterföljande sedimenteringsförsök. Båda måtten, Lf/TSS och Lf/Afloc, användes för kvantifiering av filamentinnehållet och de båda parametrarna följdes väl åt. Det ökade filamentinnehållet medförde sämre sedimenteringsegenskaper med ett högre SVI. Ett ökat filamentinnehåll och högre SVI medför att densiteten hos biomassan minskade från 1,045 till mellan 1,021 resp. 1,031 g/ml i de två försöken. Den höga densiteten inledningsvis berodde på en hög halt av ackumulerat polyfosfat. En hög korrelation mellan densitet och förhållandet mellan NVSS/VSS erhölls.
Identifieringen av filament med hjälp av FISH visade att Sphaerotilus Natans utgjorde så gott som 100 % av filamentpopulationen i båda försöken.
Prov från reaktorn togs vid 7 olika tillfällen under försöken för bestämning av sedimenteringsegenskaperna (SVI) vid ett filamentinnehåll varierande mellan 9 och 180 m/mg TSS och vid olika densitet. 7 olika kurvor kunde skapas för sambandet mellan densiteten och SVI, där varje kurva avsåg olika filamentinnehåll. Då biomassans densitet minskade ökade SVI assymptotiskt och sedimenteringsegenskaperna var mera känsliga för förändringar av densiteten vid högre filamentinnehåll. Med ett filamentinnehåll av 9 m/mg TSS ökade SVI med omkring 50 ml/l vid en densitetsförändring från 1,04 till 1,02 g/ml medan motsvarande densitetsförändring vid ett filamentinnehåll av 70 m/mg TSS gav en ökning av SVI med 300 ml/l.
Olika halvempiriska modeller utvecklades utifrån data från sedimenteringsförsöken och modellerna testades för att prognostisera den kombinerade effekten av filamentinnehåll och biomassans densitet på sedimenteringsegenskaperna mätt som SVI. En modell för beräkning av SVI som förhållandet mellan filamentinnehåll uttryckt som Lf/TSS eller Lf/Afloc adderat med en konstant (a) och skillnaden i densitet mellan biomassa och vätskefas, allt upphöjt med en konstant (b), gav bäst anpassning och mycket god överensstämmelse mellan beräknade och uppmätta värden med en förklaringsgrad av 0,98. Kurvor för sambandet mellan SVI och olika filamentinnehåll för olika densitet visade att påverkan av filamentinnehållet på SVI följer en avtagande kurva eftersom konstanten b var mindre än 1, vilket talar emot det tidigare antagande om den s.k. tröskeleffekten för filamentinnehåll och sedimenterbarheten. Vidare blev kurvornas lutning mindre vid högre densitet hos biomassan, vilket innebär att den marginella effekten på SVI vid ökat filamentinnehåll blir mindre vid högre densitet. Konstanten a bestämmer kurvornas skärning med y-axeln.
Försök att kvantifiera vid vilket filamentinnehåll slamsvällning uppkommer (SVI > 150 ml/l) har gjorts vid flera studier tidigare. Med hjälp av modellen kunde konstateras att ett enda värde inte finns eftersom det varierar med densiteten och densiteten för biomassan i en fullskaleanläggning kan variera inom relativt stora gränser. Filamentinnehållet för att skapa ett SVI större än 150 ml/l ökade från omkring 10 m/mg vid en densitet av 1,02 g/ml till 38 m/mg vid en densitet av 1,06 g/ml, en skillnad på 400 %. Analysen visade även att det finns en synergistisk effekt av biomassans densitet och filamentinnehåll med en större känslighet för förändringar av sedimenteringsegenskaperna på grund av filament vid lägre densitet. Mera FoU behövs för att bestämma vilka faktorer som leder till låg densitet i en fullskaleanläggning även om det är uppenbart att kortare slamålder, avsaknad av bio-P och andra faktorer som kan minska innehållet av NVSS är bidragande faktorer.
Slutsatser
Följande slutsatser kunde dras av undersökningen:
- Genomförd undersökning är den första systematiska uppskattningen av hur biomassans filamentinnehåll och densitet synergistiskt påverkar sedimenterbarheten hos biomassan.
- Sedimenterbarheten för biomassa med lägre densitet är mer känslig för ökat filamentinnehåll än sedimenterbarheten för biomassa med högre densitet och sedimenterbarheten för biomassa med högt filamentinnehåll är mer känslig för lägre densitet än sedimenterbarheten för biomassa med lågt filamentinnehåll.
- Biomassans densitet har inte beaktats i någon större utsträckning i tidigare arbete men den kan medföra en bättre förståelse av driftproblem och bidra till bättre problemlösning.
Källa: D. Jassby, Y. Xiao, A.J. Schuler. Biomass density and filament length synergistically affect activated sludge settling: Systematic quantification and modeling. Water Research 48 (2014) pp 457 – 465.
Hela artikeln från Water Science & Technology finns att köpa här.
