Modellering av kväveavgång från biodammar

Hur kväve avgår från biodammar för avloppsvatten är en omstridd fråga. Här är ett brasilianskt bidrag till kvävemodellering utgående från en stor datamängd där strävan har varit att modellera ett resultat utan pH-inflytande.

Av: Jörgen Hanaeus

En stor databas från ett experimentellt dammsystem i Brasilien användes till att testa några av de mest använda modellerna för att beskriva separation av ammonium och totalkväve i fakultativa dammar och i mognadsdammar.

Samma databas användes för att söka en pH-oberoende, linjär modell för att förutsäga ammoniumreduktionen i dammar och denna befanns i huvudsak vara en funktion av ammoniumbelastningen. Alla testade modeller gav en tämligen god bild av reduktionen av ammoniumkväve resp totalkväve med en viss överskattning av låga utgående halter resp underskattning av höga halter.

Bakgrund

De modeller som mest kommit till användning för att beskriva kväveavgång från biodammar är för ammonium Panos och Middlebrooks arbete och för totalkväve Reeds och Middlebrooks modeller, alla tre från 1980-talet.

P& M:s Ammoniummodell ger första ordningens samband och utgår från att dammen är en totalomblandad (CMF) reaktor, att den huvudsakliga mekanismen för N-avgång är att ammonium övergår till ammoniak som avgår i gasfas. Sambandet uppges beroende av pH, vattentemperatur och hydraulisk belastning men relateras inte närmare till hur ammoniak avgår.

Middlebrooks modell för totalkväve har snarlik uppbyggnad. Reeds modell utgår också från ammoniakavgång, men har en pluggflödesmodell som hydraulik bas. Båda dessa är också beroende av pH, vattentemperatur och hydraulisk uppehållstid (V/q).

Författarna här menar att temperatur, pH och hydraulisk belastning förvisso är viktiga för ammoniakavgång, men de är också viktiga för andra processer i dammar t ex primärproduktion som innebär kväveupptag i form av algmassa samt nitrifikation-denitrifikation.

Sålunda skulle ett högt pH bara kunna reflektera en intensiv algbildning, som man vet ger en kraftig pH-höjning vid solbelysning till följd av upptag av koldioxidförrådet i dammen (och samtidig syreproduktion). Algerna kan då ta upp ammonium.

Trots ett antal rapporter som menar att ammoniakavgången bara utgör en mindre del av kväveförlusterna rapporteras även att de nämnda modellerna ger rätt god återgivning av ammoniumseparationen.

Artikeln menar att det är en brist att modellerna är beroende av pH-värdet då det inte kan förutsägas och att det innebär en nackdel för dem som dimensioneringsverktyg. Här byggs därför en modell upp från en stor datamängd, där pH inte inkluderas, samtidigt som jämförelser görs med de flitigt använda modellerna ovan.

Metod

Databasen innehåller ca 700 värden för NH₃ och 300 värden för tot-N-från en försöksanläggning i Vicosa, Brasilien mellan 2001 och 2011. Anläggningen innehåller en motströms anaerob biofilm (sludge blanket) och en dränkt, luftad biobädd följda av 4 dammar, vardera med ytan 16 m² och L/B = 2,0. Under försöksåren drevs dammarna under olika klimatförhållanden, olika ytbelastning och olika hydrauliska uppehållstider.

Multipel linjär regression genomfördes, där utgående ammonium- resp tot-N-koncentration (C_e) ställdes mot var och en av vattenkvalitetsvariablerna BOD, pH, TSS, klorofyll α och temperatur. Därefter anläggningsvariablerna HRT (uppehållstid) och dammdjup h, samt ytbelastningen av ammonium.

De samband som fick statistisk signifikans samlades i en modell. Därefter undantogs de variabler som inte var kända på designstadiet och processen upprepades. Det innebar tre modellsteg: A) Hela regressionsmodellen B) Modell med variablerna med statistisk signifikans och C) som B) men enbart variabler kända vid design.

De skapade modellerna validerades mot data från två andra dammsystem i Brasilien 2007-2009.

Resultat

Modell A: C_e (NH₃) = 62,8 + 3835 Ytbel av NH₃ + 0,022 BOD + 0,928 HRT – 30,8 h -0,382T – 0,0408 TSS – 3,91 pH + 0,00115 Chl α                    

Modell A gav R² = 0,71.

Modell B: C_e (NH₃) = 65,727 + 3826 Ytbel av NH₃ + 0,93 HRT – 31,1 h – 0,0371 TSS – 4,04 pH – 0,42 T                                                                                       

Modell B gav också R² = 0,71.

Modell C: C_e (NH₃) = 24,985 + 3892 Ytbel av NH₃ – 1,23 HRT – 25,7 h -0,44T– 3,91 pH  +                                                                                       
Modell C gav R² = 0,64.

När modell C validerades mot två andra brasilianska dammsystem erhölls R² = 0,71.

Fältdata från artikelns försök jämfördes med de traditionella modellerna. För de fyra dammarna erhölls R² =0,76 för Pano & Midlebrooks NH₄-modell medan modell C ovan alltså gav R²=0,64 och tenderade att överskatta låga NH₄-halter ut.

För tot-N visade Reeds modell R²=0,52 och Middlebrooks modell R² = 0,65.

Slutsatser

Den ur försöksdata förenklade modellen C gav likvärdiga resultat med de mer traditionella modellerna och då den innehöll enbart NH₄-belastning, hydraulisk uppehållstid, dammdjup och vattentemperatur var den bättre ägnad för dimensionering av biodammar. Det framgick att ammoniumbelastningen var klart viktigast för resultatet.

En enkel formel att använda för biodammsägare med intresse för kvävehalten, alltså. Den hydrauliska uppehållstiden är den knepigaste parametern och skillnaden mellan V/q och faktisk uppehållstid kan möjligen förklara att R²  inte kommer närmare 1. CMF-antagandet för dessa typer av dammar bör vara inaktuellt numera.

God svensk biodammlitteratur är Mikael Rångebys och Marie Rodrigues licavhandling från 1997.

Källa: Bastos, R.¹⁾.Cabral, V.¹⁾, Rios, E.¹⁾ & Combatt, M.²⁾  Further contributions to nitrogen removal modelling in waste stabilization ponds.  Water Science & Technology, Vol 70 No 12 pp 1897–1906, 2014

Hela artikeln finns här.

Författarna från:

1)    Departamento de Engenharia Civil, Universade Federal de Vicosa, Vicosa-MG, 36570-000, Brazil

2)    Departamento de Tecnologia de Alimentos, Universidade Federal de Vicosa, Vicosa-MG, 36570-000, Brazil

Korresponderande författare: R. Bastos.

Kontakt:  rkxb@ufv.br