Biologisk filtrering har förmågan att inte bara avskilja partiklar utan även delvis avskilja lösta organiska ämnen. Backspolning är en viktig funktion vid all filtrering för att kunna upprätthålla optimal prestanda genom produktion av filtrat med låg turbiditet. En pilot för biofiltering användes för att undersöka effekter av backspolning med luft och ETSW (Extended Terminal Subfluidization Wash) på avskiljning av löst organiskt material DOC, utveckling av tryckförlust och filtermognad.
Av: Thor Wahlberg
Pilotförsöket utfördes vid ett vattenverk i Ottawa, Kanada. Pilotanläggningen bestod av en matarvattentank, två kolonner, vardera Ø150 mm och backspolningstank med filtrat. De var fyllda med sand, 375 mm, och antracit, 635 mm. Skillnaden mellan kolonnerna var materialens ålder, för biofilter 1(BF1) > 30 år och för biofilter 2(BF2) < 5 år. Flödet genom kolonnerna reglerades till 2,6 m3/m2× h med 23 min Empty Bed Contact Time(EBCT). Råvatten från floden Ottawa passerar mikrofilter, flockning, sedimentering och filtrering, i vattenverket. Innan filtersteget togs en delström ut till pilotförsöket.
Under experimentet var det en period med varmare vatten (15 – 20oC) och en period med kallare vatten (0 – 5oC). Försöken inleddes med en intrimning på 3 månader och därefter 18 respektive 12 veckor med varmare och kallare vatten. Backspolning gjordes 2 gånger per vecka. För provtagning fanns en punkt innan och en efter respektive filter. Prover togs alldeles innan backspolning och 24 timmar efter densamma. Analysmetoder omfattade tryckförlustmätningar, partikelräknare, turbiditet, mikrobiologi och TOC/DOC. För att simulera effekten av desinfektionsbiprodukter som bildas efter klorering så klorerades prover i labskala.
Resultat och diskussioner
BF2 hade genomgående större tryckförluster jämfört med BF1. Detta skulle kunna förklaras med en större andel och därmed koncentration av proteiner, polysackarider och ATP för BF2, vilket inte var fallet. Försöken visade en hög korrelation mellan tryckförlust och proteinkoncentration men inte mellan tryckförlust och polysackarider/ATP. Det betyder att proteinkoncentrationen påverkar tryckförlusten mer. Biofilm är inte den huvudsakliga förklaringen till skillnader i tryckförluster mellan BF1 och BF2. Skillnad i filtermaterialets ålder är en förklaring vilket visas med elektron-mikroskopering där antracit i BF1 är rund men antracit i BF2 är kantig. Med en ekvation för tryckförlust i rena filter kunde, med olika sfäriskhet, det visas att BF2 har 3,3 cm/m i förlust jämfört med 0,7 cm/m för BF1. Analysen visar vikten av att följa fillermaterialets egenskaper över tid, från kantigt material till rundat och följa upp proteinkoncentrationer.
När olika backspolningsstrategier appliceras för BF1 och BF2 så visas att dessa hade generellt större inverkan när det gäller nytt filtermaterial (i detta fall BF2). De backspolningsstrategier som användes i försöket var endast vatten, vatten och luft samtidigt och till sist vatten, luft och s.k. ETSW. ETSW betyder stegvis minskning av backspolningsflödet (här till ca 7 m/h) under en längre tid så att mediarestratifiering åstadkoms, med mindre korn i bäddens topp. Det innebär också att fler partiklar lyfts ur bädden så att grumligheten under efterföljande första filtrat minskas och att första filtrat kan avslutas tidigare. Hur mycket kunde då tryckförlusterna minskas genom en utökad backspolningsstrategi? Med vatten, luft och dubbla ETSW kunde t.ex. tryckförlusten i BF1 i medeltal minska med 19%. Vattnets temperatur inverkar också under försökets gång.
Partikelavskiljning i biofiltren studerades genom att partikelräknare (0,75 – 100 µm) kopplades till inkommande och utgående vatten från filtren. Analyser gjordes innan backspolning, efter 24 h efter avslutad backspolning och på inkommande vatten. Under varmare vatten var det inga skillnader mellan BF1 och BF2 vilket visar att inverkan av filtermaterialets ålder inte påverkar då. Partikel-avskiljningen var 77% respektive 78%. Utgående partikelhalter från BF1 respektive BF2 var jämförbara med de analyser som gjordes i den parallella fullskaleanläggningen. För kalla vatten minskade partikelavskiljnigen i bägge biofiltren. I fullskaleanläggningen var denna minskning jämförelsevis mindre för kalla vatten. En illustration till att förhållande i en fullskaleanläggning oftast är bättre jämfört med en pilot. Massflödet av inkommande antal partiklar var i stort sätt lika vid både varma och kalla vatten.
Partikel -och turbiditetsmätningar är särskilt viktiga när filtren är nyspolade så att t.ex. Giardia och Cryptosporidium inte släpps från filtren. Tidigare studier har visat på fördelar med ETSW för snabbfilter. För biofilter kunde observeras att turbiditeten sjönk för BF2 med ETSW jämfört med utan ETSW, under förhållanden med varma vatten. Resultatet var 0,40 NTU utan ETSW och <0,15 NTU med. För totala antalet partiklar var det ca 5 000 per ml utan ETSW och ca 1000 – 2000 med. I fullskaleanläggningen är variationerna mindre troligtvis beroende på manuellt hanterande i piloten med snabbt stängda ventiler och orsakande av tryckstötar.
När intervallet för partikelräkning ligger nära storleken för Giardia och Cryptosporidium så visades att utan ETSW så var koncentrationen 1116 partiklar per ml efter 45 min. Med en enkel ETSW så sjönk antalet till 706 partiklar per ml. Med dubbel ETSW var antal 528 per ml.
För löst organiskt material kol, DOC, var avskiljningen låg och någon skillnad mellan BF1 och BF2 kunde inte uppmätas. Varken backspolningsstrategi eller filtermaterialets ålder hade någon mätbar inverkan. Den låga avskiljningen av DOC kan förklaras med låg tillgång på näringsämnen, med C:N:P förhållande på 1000:55:1. Det borde ligga på 1000:125.25. Förozonering tillämpas inte i vattenverket. Avskiljningen var i medeltal 4 % som DOC. Ingen inverkan på grund av kallare eller varmare vatten kunde uppmätas.
Slutsatser
Backspolningsstrategi påverkar hur tryckförlusten i ett filter utvecklas, i storlek och över tid. Störst minskning av tryckförlusten fås genom vatten, luft och enkel eller dubbel ETSW. Störst effekt av ändrad backspolningsstrategi uppmättes med varma vatten. En dubbel ETSW minskar antalet partiklar i filtratet. Avskiljning av DOC påverkas inte av backspolningsstrategi, filtermediets ålder eller vattentemperatur. Filtermediets ålder påverkade enbart tryckfallets utveckling över tid.
Egna reflexioner
Snabbfiltrering är en mycket vanlig beredningsmetod på våra vattenverk och det finns potential för att förbättra driften av dem. En viktig slutsats i de försök som beskrivs är hur en ändrad backspolningsstrategi får partikelhalten att minska under och direkt efter att filtren satts i produktion igen. Det har en direkt koppling till eventuell förekomst av parasiter, vilka normalt avskiljs i snabbfilter.
Källa: Ashley Piche, Andy Campbell, Shawn Cleary, Ian Dougals, Onita D. BasuInvestigation of backwash strategy on headloss development and particle release in drinking water biofiltration. Journal of Water Process Engineering, vol 32 (2019) article 100895.
