Kväveseparation i biodammar har länge varit ett diskussionsämne med ammoniakavdrivning och algupptag som främsta alternativ Här har genomförts mätningar i fyra seriekopplade mognadsdammar i Brasilien varefter ammoniakavgångens roll förminskas.
Av: Jörgen Hanaeus
En experimentserie genomfördes i ett biodammsystem i Brasilien med fyra mognadsdammar (maturation ponds). Avsikten var att undersöka hur kväve separerades från systemet.
Avloppsvattnet kom från behandling i en upflow anaerob slamskiktsreaktor. Komplettering gjordes med laboratorieförsök. Sex fältmätningar gjordes i var och en av dammarna och inkluderade gasmätning i lådor vid vattenytan och mätning av sedimenterat material i behållare på dammbottnen.
Slutsatserna för kväveseparationen blev: 24 – 46 % sedimentering av organiskt kväve, 13 – 28 % upptag i alger, 1- 3 % ammoniakavgång och 0,1 – 0,4 % nitrifikation – denitrifikation. Allt kväve återfanns ej.
Bakgrund
Några av de mest accepterade modellerna för att bestämma kväve- och ammoniumavskiljning i biodammar anger att ammoniakavgång i gasfas är den största posten. Modellerna har varit av första ordningen och byggt på totalomblandat flöde eller pluggflöde men har inte penetrerat mekanismerna för kväveseparation.
Ammoniakavgång i gasfas kan modelleras som en första ordningens reaktion, men skäl till viss överensstämmelse med kvävereduktionen kan vara andra. T ex, är högt pH gynnsamt för ammoniakavgång, men indikerar samtidigt algtillväxt och därför kan kväveackumulering i algmassa vara en väl så viktig process. En hög temperatur kan förutsäga en ökad ammoniakavgång, men likaväl ökad algtillväxt och även nitrifikation-denitrifikation.
I denna studie genomfördes experiment i pilotskala för att bättre kunna förstå processerna vid kvävereduktion i biodammar i varmt klimat. Stödförsök gjordes även i lab.
Material och metod
Försöken bedrevs i ett fyrdamms (serie) mognadsdammsystem (maturation ponds) som mottog avloppsvatten från en upflow anaerob slamskiktsreaktor. Anläggningen ligger i Vicosa, Minas Gerais State, i Brasilien. Varje damm har en yta av 16 m2 med ett längd/breddförhållande = 2,0, och ett vattendjup av 1,0 m.
Driftförhållanden var: Flöden 2 och 1,5 m3/d med hydraulisk uppehållstiderna 7 d resp 9,4 d och ytbelastningarna 0,123 och 0,093 m3/m2, d.
Försök
Tolv laboratorieförsök utfördes med en lockförsedd kammare om 25 L, delfylld med ammoniumklorid och justerad till pH 10. Den följdes av tre flaskor för gasuppsamling, fyllda med borsyreläsning. Luft med 3,5 L/min fick bubbla igenom kammaren och till uppsamlingsflaskorna under 24 h. Ammoniumanalyser gjordes vid start och slut i kammaren och i uppsamlingsflaskorna. Tre 48 h-försök följde, för att bekräfta återvunnen andel ammonium i systemet.
Ett system med kammare och uppsamlingsflaskor med borsyrelösning placerades därefter centralt i var och en av dammarna för undersökning av ammoniakavgången. Borsyrelösningen samlades in var 24 h i 29 mätperioder och analyserades m a p ammonium. Temperatur och pH i dammen kontrollerades frekvent.
Sedimentprover togs genom att hinkar (två 10-liters hinkar) placerades på dammbottnen. De togs upp och tömdes efter var och en av sex mätperioder omfattande 2 eller 3 månader. Analyserades på torrsubstans och kväve.
Stickprov på vattenpelare och sediment togs vid utloppet från varje damm och undersöktes m a p nitrifikations- och denitrifikationshastighet.
Algkväveupptaget baserades på analys av skillnaden i total Kjeldahl kväve före och efter filtrering av partiklar i vattenpelaren i dammen.
Vattenemperaturen varierade: 26-30 ºC (sommar), 19-25 ºC (höst), 15-23 ºC (vinter) och 23-27 ºC (vår).
Resultat
Totalkvävebelastningarna varierade in till de fyra dammarna: 37-64 g Ntot/ha,d, 27-44 g Ntot/ha,d, 17-36 g Ntot/ha,d och 11-25 g Ntot/ha,d. Separationen blev 10-20 g Ntot/ha,d, 6-16 g Ntot/ha,d, 5-9 g Ntot/ha,d och 1,5-7 g Ntot/ha,d respektive.
Nitrit- och nitratkoncentrationerna var alltid låga i dammarna 0,006 mg/L resp < 5 mg/L.
Övergripande var avskiljningen av ammonium hög; högre än av totalkväve.
I lab försöken återfanns 54 % av den förångade ammoniaken, en nivå som i efterföljande kontrollförsök sjönk till 39 % (temp 22 ºC).
I fält mättes i dammarna ammoniakinfångningen till 212 g N/ha,d, 211 N/ha,d, 97 N/ha,d och 39 N/ha,d med stora standardavvikelser. Belastningen ökade vid kortare uppehållstid varvid infångningen steg: en faktor 5 vid uppehållstidsminskning från 9,5 till 7 d.
Betydligt lägre förångningsvärden har rapporterats i en engelsk studie. Lägre N-belastning och lägre temperaturer är troliga förklaringar.
I vattenpelarproven återfanns ca 3,6*104 – 3,3*105 Nitrosomonas per 100 mL och 4,2*103-1,7*104 Nitrobacter per 100 mL. Sedimentproven gav 2,9*104 – 2,9*105 denitrifierande bakterier per gram. Nitri-denitrifikation är möjlig även om nitrat- och nitrithalter inte ökar genom dammarna; nitratinnehållet kan hållas nere av biologiskt upptag eller denitrifikation. Satt i relation till ammoniumbelastning och -reduktion ger de mätta nitrifikation- och denitrifikationshastigheterna inte stora bidrag till kväveavskiljningen.
Massbalanser längs dammarna ger för kväveseparationen storleksordningar av 0,3 % för nitri-denitrifikationen och 3 % för ammoniakavgången i denna studie.
Slutsatser
Studien stöder uppfattningen att direkt ammoniakavgång inte är en stor källa till kväveavgång från biodammar, utan att sedimentering av organiskt material, 24 – 46 %, och algupptag av kväve, 13 – 28 %, är de dominerande processerna.
Källa: Bastos, R.1), Rios, E.1) & Sanchez, A.2) (2018): Further contributions to the understanding of nitrogen removal in waste stabilization ponds. Water Science & Technology, 77.11, pp 2635-2641.
Hela artikeln ur Water Science and Technology finns att köpa här.
Författarna från:
- Departemente de Engenharia Civil, Universidade Federal de Vicosa, Vicosa-Minas Gerais CEP: 36570-000, Brazil
- Universidad de Narino, Departemento de Recursos Hidrobiologicos, Ciudad Universitaria, Barrio Torobajo, Pasto-Narino, Colombia
Kontakt: rkxb@ufv.br
