Ozon är ett intressant alternativ för att minska slammängderna från avloppsreningsverk. Genom disintegration av slammet frigörs organiskt material men även oorganiskt material som kväve. Det frigjorda kvävet kan förekomma i olika former där driftbetingelserna är avgörande för resultatet.
Av: Bengt Andersson
Utvecklingen av strategier för att minska slammängderna från rening av avloppsvatten har varit intensiv under en lång period och strategierna bygger på olika tekniker för disintegrering av slammet. Disintegrering av slam innebär att cellerna slås sönder på olika sätt och dör. Genom lysis kan innehållet i cellerna återigen utnyttjas för tillväxt och sådan tillväxt benämns kryptisk tillväxt. Kryptisk tillväxt är en viktig mekanism för minskning av slamproduktionen och för överföring av organiskt material till koldioxid.
En lovande metod för disintegrering av slam är behandling med ozon. Vid behandlingen frigörs organiskt material men även oorganiskt material som kväve, som leds tillbaka till den biologiska processen. Det frigjorda lösta kvävet kan föreligga i olika former och effekten av ozonbehandlingen på vilken form kvävet föreligger och hur det påverkar den biologiska processen är oklar.
Vid ozonbehandling frigörs löst organiskt kväve men ozon kan ytterligare oxidera det organiska kvävet till ammonium och vidare till nitrat. Ur ett ekonomiskt perspektiv bör ozonet endast utnyttjas för disintegration av slammet men en komplex matris medför en konkurrens om ozonet och det är viktigt att hitta optimala driftbetingelser för processen.
Syftet med refererad undersökning var undersöka hur oxidationen av löst organiskt kväve skulle kunna undvikas under ozonbehandlingen och om oxidationen av frisläppt organiskt kväve till ammonium och nitrat i den biologiska reningen skulle vara genomförbar eller medför en instabilitet i processen.
Genomförande av undersökningen
Undersökningen genomfördes i pilotskala med ett artificiellt avloppsvatten under drygt 9 månader. Processen var uppbyggd som en A/O-process med slamreduktion och fosforåtervinning. Fosforrikt slam från det anaeroba steget togs till en kristallisationsprocess, där fosforn återvanns i form av granuler genom tillsats av kalciumklorid och en pH-justering. En del av överskottsslammet behandlades med ozon och det behandlade slammet återfördes till inloppet av den biologiska processen.
Genomförandet av försöken indelades i tre faser, där den första fasen utgjorde en ren A/O-process utan slamreduktion och fosforåtervinning. Under den andra fasen togs 60 % av överskottsslamflödet till ozonbehandling och 40 % togs ur processen. Under den tredje fasen togs omkring 85 % av slamflödet till ozonbehandlingen och endast 15 % togs ut från processen. Ozondosen uppgick till mellan 80 och 100 mg O3/g SS, vilket gav en slamreduktion av mellan 20 och 30 %.
Resultat
Förutom upplösningen av partikulärt organiskt material frigjordes partikulärt kväve i form av löst kväve vid ozonbehandlingen. Med en ozonförbrukning av mellan 80 och 100 mg O3/g SS frigjordes omkring 35 % av kvävet oberoende av driftfas. Innehållet av NOx var försumbart medan andelen NH4 av löst N uppgick till 28 % under den andra fasen och till 16 % under den tredje fasen och andelen organiskt N uppgick till 70 resp. 82 %.
Efter start av ozonbehandlingen under den andra fasen konstaterades att slamhalten i den biologiska reaktorn ökade markant och för att upprätthålla samma ozonförbrukning och lika slamnedbrytning ökades uppehållstiden i ozonreaktorn så att samma ozonhalt kunde upprätthållas i inloppet av reaktorn. Härvid ökade NH4-koncentrationen i det ozonbehandlade slammet gradvis upp till drygt 200 mg N/l, vilket motsvarade nästan 70 % av det lösta kvävet medan halten organiskt N minskade i motsvarande grad. En processförändring gjordes och ozonhalten i inloppet ökades från 30 till 80 mg O3/l genom att minska uppehållstiden i reaktorn från 29 till 11 timmar. Halten löst kväve i det ozonbehandlade slammet förändrades inte utan låg på samma nivå (cirka 330 mg N/l) medan andelen NH4 av totalt löst N minskade från 70 till cirka 19 % och andelen organiskt N ökade från drygt 30 till 80 %. Detta visade att fördelningen av det frigjorda kvävet påverkades av ozonkoncentrationen i inloppet av reaktorn och av uppehållstiden. För samma ozonförbrukning medförde en lägre ozonhalt och längre uppehållstid att mer organiskt N oxiderades till NH4 vid ozonbehandlingen.
Resultaten från den biologiska reningen visade att halten löst totalkväve i utgående avloppsvatten varierade mellan 7,5 och 8,5 mg N/l vid samtliga driftfaser. Halten organiskt kväve ökade från 0,54 mg N/l vid den första fasen till 0,78 resp. 1,0 mg N/l vid andra respektive tredje fasen. TOC-halten i utgående avloppsvatten ökade samtidigt från 3,3 mg C/l till 7,9 respektive 10,4 mg C/l beroende på en ökad andel icke-nedbrytbart organiskt material genom ozonbehandlingen i form av proteiner och sockerarter. Samma mekanism förelåg således för såväl organiskt material som för organiskt kväve.
Nitrifikationen fungerade bra i den biologiska processen och merparten av kvävet i utgående avloppsvatten utgjordes av nitrat. Vid omställningen av ozonbehandlingen i den andra driftfasen uppstod kortvarigt en markant ökad kvävebelastning med en kraftig störning av nitrifikationen. Systemet återhämtade sig dock snabbt.
En massbalans för kväve för de olika driftfaserna visade att kvävemängderna i inkommande och utgående vatten var ungefär de samma för samtliga driftfaser. Kvävemängden i uttaget slam minskade från omkring 35 till 12 % genom ozonbehandlingen samtidigt som kvävemängden genom denitrifikation ökade i motsvarande grad. Denitrifikationen begränsas ofta av tillgången på organiskt material. Genomförd undersökning visade en ökning av denitrifikationshastigheten med omkring 20 % på grund av frigörandet av löst kol genom ozonbehandlingen.
Slutsatser
Studien visade att
- omkring 35 % av partikulärt kväve frigjordes i form av lösta komponenter, som påverkades av driftförhållandena
- vid samma ozonförbrukning oxiderades mer organiskt kväve till ammonium i ozonreaktorn då inloppskoncentrationen var lägre och uppehållstiden längre, vilket inte utgjorde optimala driftförhållanden
- nitrifikationen var stabil och hög och återhämtades snabbt efter en störning
- löst organiskt kväve i utgående avloppsvatten ökade genom ozonbehandlingen i analogi med ökningen av svårnedbrytbart organiskt kol
- en kvävebalans visade att den lägre kvävemängden i överskottsslammet genom ozonbehandlingen transformerades till kvävegas genom en ökad denitrifikation.
Källa: P. Sui, F. Nishimura, H. Tsuno. Nitrogen behavior during sludge ozonation: a long-term observation by pilot experiments. Water Science & Technology 70.2 (2014) pp 289 – 296.
Hela artikeln från Water Science & Technology finns att köpa här.
