Karakterisering av avloppsvatten genom att kombinera

Möjligheterna till resursåtervinning har utvärderats för två olika avloppsvatten genom storleksfraktionering och bestämning av kemisk sammansättning och biologisk nedbrytbarhet för fraktionerna.

Av: Bengt Andersson

På senare tid har avloppsvatten börjat betraktas som en viktig resurs för biobaserad produktion i en cirkulär avfallshantering. Nya avloppsteknologier behöver utvecklas för återvinning av värdefulla komponenter förutom näringsämnen, energi och det renade vattnet. För utvärdering av potentialen för ökad återvinning erfordras en detaljerad karakterisering av avloppsvattnet.

Traditionellt har organiskt material uppdelats i fyra fraktioner men med ny separeringsteknik kan en uppdelning ske i fler fraktioner. Bestämning av storleksfördelningen omfattar partikelstorleksfördelning (PSD) och bestämning av molekylvikt och det kvadratiska medelvärdet för radien för polymera och kolloidala fraktioner. Storleksfraktionering är viktig vid karakterisering av ett avloppsvatten liksom bestämningen av den kemiska sammansättningen och nedbrytbarheten för de olika fraktionerna. Studier finns där storleksfördelningen kombinerats med bestämning av kemisk sammansättning eller med nedbrytbarhet men inga studier finns där samtliga tre delar beaktats samtidigt.

Syftet med refererad studie var att indela avloppsvattnet i flera fraktioner, att kvantifiera sammansättningen i de olika fraktionerna, att bestämma nedbrytbarheten och utvärdera vilka faktorer som påverkar den samt att värdera återvinningspotentialen baserad på karakteriseringen.

Genomförande

Inkommande avloppsvatten samlades in från två kommunala avloppsreningsverk i sydvästra Norge. Det ena verket (Vik) för 50000 p.e. hade en hög COD-halt på grund av ett signifikant bidrag från jordbruks- och livsmedelindustrier medan det andra verket (Mekjarvik) för 250 000 p.e. hade en medelhög COD-halt endast med bidrag från småskalig serviceindustri.

Avloppsvattnen uppdelades i 10 fraktioner från <1 kDa (kilo dalton) till > 1 mm, där de fyra största fraktionerna från 0,65 µm till > 1 mm kan identifieras som partiklar, två fraktioner mellan 1000 kDa och 0,65 µm som kolloider, tre fraktioner mellan 1 och 1000 kDa som polymerer och en fraktion < 1 kDa som oligomerer och monomerer. Fraktionerna bestämdes genom olika typer mätningar beroende på storleksområdet. Analys av den kemiska sammansättningen gjordes med avseende på suspenderat material, COD, kväve, fosfor, kolhydrater, proteiner och lipider (oljor, fett och fettsyror). Nedbrytbarheten bestämdes genom respirometri och den inerta COD-fraktionen bestämdes med data från dessa mätningar med hjälp av modellering med första ordningens kinetik.

Resultat

COD-halten i inkommande avloppsvatten uppgick till 1421 resp. 690 mg/l för de två verken och 78 resp. 98 % kunde återfinnas vid analys av de olika fraktionerna. Andelen COD i form av kolhydrater uppgick till 12 resp. 57 %, vilket är lägre vid Vik och klart högre vid Mekjarvik jämfört med andra studier. Andelen COD i olja och fett uppgick till 27 resp. 30 % och andelen lipider och fria fettsyror till 22 resp. 15 %, vilket överensstämmer väl med andra studier. Andelen COD i proteiner var 0,9 resp. 6 %, vilket var klart lägre än litteraturvärden. Andelen icke återfunnen COD i de olika fraktionerna var störst för Vik.

Det största innehållet av COD i de två avloppsvattnen, 76 resp. 97 %, återfanns i fraktionerna partikulärt material (större än 0,25 µm) och oligomerer och monomerer (< 1 kDa). En mycket låg andel av COD fanns i de polymera och kolloidala fraktionerna troligtvis beroende på nedbrytning av COD i avloppssystemet uppströms reningsverken.

Nedbrytningshastigheten för COD i partiklar berodde på partikelstorlek och förhållandet mellan yta och volym, vilket resulterade i att mindre partiklar hade en högre nedbrytningshastighet. För polymerfraktionen (1 – 1000 kDa) var hastigheten mer beroende av den kemiska sammansättningen än polymerstorleken.

Andelen inert COD var olika vid de två reningsverken och uppgick till 18 % för Vik och 9 % för Mekjarvik. Vid Mekjarvik återfanns 90 % av inert COD i fraktionerna oligomerer och monomerer. Motsvarande andel vid Vik uppgick till endast 32 % men här var dock andelen icke återfunnen inert COD stor.

Halten proteiner ökade med minskande storleksfraktion och det fanns ett signifikant samband mellan kvävehalten och proteininnehållet. Innehållet av lipider och fettsyror ökade även med minskad storleksfraktion och det fanns ett signifikant samband med fosforhalten.

I båda avloppsvattnet utgjordes de två största fraktionerna från 100 µm och uppåt i huvudsak av kolhydrater sannolikt från toalettpappersrester. Med mikrosilar med en maskvidd ned till 0,1 mm kan långsamt nedbrytbar cellulosa extraheras från avloppsvattnet och utnyttjas som råvara för biobränsleproduktion eller för produktion av nytt toalettpapper.

En ökad energiåtervinning genom biogasproduktion kan uppnås genom en större avskiljning av COD från avloppsvattnet genom en förbättrad förbehandling. Den partikulära fraktionen 0,65 – 25 µm avskiljs inte vid försedimentering och fraktionen innehåller mellan 15 och 22 % av COD-innehållet i avloppsvattnet, där nästan all COD är lättnedbrytbar.

Fraktionerna mellan 0,65 och 100 µm hade ett stort innehåll av lipider i båda avloppsvattnen. De mest förekommande lipiderna i dessa fraktioner var C16 (mellan 31 och 38 %) och C18 (mellan 43 och 54 %) med hög mättnadsnivå. Denna typ av lipider passar väl för produktion av biodiesel.

Slutsatser

En karakterisering av två avloppsvatten i 10 olika fraktioner visade att

Källa: K.T. Ravndal, E. Opsahl, A. Bagi, R. Kommedal. Wastewater characterization by combining size fractionation, chemical composition and biodegradability. Water Research 131 (2018), pp 151 – 160.

Hela artikeln från Water Research finns att köpa här.