Vid avloppsreningsverk utformade för biologisk kväve- och fosforavskiljning kan tillgången till lättnedbrytbart organiskt kol vara begränsande för en hög avskiljning. Genom att förändra driftparametrarna kan tillgängligt organiskt material utnyttjas optimalt framför allt för fosforavskiljningen.
Av: Bengt Andersson
Biologisk fosforavskiljning är en väletablerad teknologi, som har implementerats i hela världen med gott resultat. Polyfosfatackumulerande bakterier (PAO) svarar för den biologiska fosforavskiljningen och de kräver omväxlande anaeroba och aeroba förhållanden för funktionen. Det erfordras tillgång till lättnedbrytbart organiskt kol i form av lösta fettsyror för att uppnå en stabil avskiljning.
De flesta avloppsreningsverk med biologisk fosforavskiljning är även utformade för biologisk kväveavskiljning genom nitrifikation och denitrifikation. Tillgång till lättnedbrytbart organiskt kol erfordras för denitrifikationen vid anoxiska förhållanden, vilket innebär att innehållet av organiskt material i avloppsvattnet kan vara otillräckligt för att uppnå både en god kväveavskiljning och fosforavskiljning.
Avloppsvatten innehåller normalt fettsyror i tillräcklig halt för en god kväveavskiljning. För att uppnå både en god kväveavskiljning och fosforavskiljning samtidigt är det viktigt att ordna processförhållandena så att innehållet av det lättillgängliga organiska kolet utnyttjas på bästa sätt. Studien syftade till att undersöka i vilken grad inkommande kolhalt med avloppsvattnet kunde underlätta den biologiska fosforavskiljningen då närsaltavskiljning genomförs i en SBR-reaktor.
Genomförande av undersökningen
Undersökningen genomfördes i två parallella SBR-reaktorer i laboratorieskala med 13 l arbetsvolym. Försöket pågick i 1,5 år. Den hydrauliska uppehållstiden var 13 timmar och slamåldern uppgick till 20 dygn. Ett avloppsvatten från ett kommunalt avloppsreningsverk i Subiaco i Australien användes i försöken. Den ena reaktorn beskickades med försedimenterat avloppsvatten och den andra med en blandning försedimenterat och obehandlat avloppsvatten i lika delar. Försöken genomfördes i avskilda perioder, där reaktorerna drevs under 30 dygn under varje period. Inkommande och utgående avloppsvatten insamlades under 10 cykler för att säkerställa att stabila förhållanden uppnåtts.
De två första perioderna utfördes med en cykeltid av 3 timmar med en syrehalt under den aeroba fasen av 2 mg/l i den första perioden och 0,8 mg/l i den andra. Därefter följde två perioder med en cykeltid av 6 timmar med hög respektive låg syrehalt. I den sista perioden var cykeltiden 8 timmar med en syrehalt av 2 mg/l under den aeroba fasen.
Proven filtrerades och analyserades med avseende på ammonium-, nitrit- och nitratkväve, fosfatfosfor, acetat och slamhalten i reaktorerna. Bestämning av DOC gjordes under 5-dygnsperioder för att ta hänsyn till förluster av organiskt kol vid hanteringen av avloppsvattnet inför försöken.
Resultat
Det försedimenterade avloppsvattnet innehöll omkring 37 mg/l NH4-N, 0,1 mg/l NO2-N resp. NO3-N, 8,3 mg PO4-P, 57 mg/l acetat och 118 mg DOC/l. Inkommande avloppsvatten innehöll 39 mg/l acetat och i övrigt ungefär samma halter som det försedimenterade avloppsvattnet, vilket indikerar att försedimenteringen underlättar fermentationen av organiskt material till lättnedbrytbart material.
pH varierade mellan 6,8 och 7,5 och redoxprofilen uppvisade samma mönster i båda reaktorerna med en minskning från -53 till -159 mV under den anaeroba fasen och en ökning från -155 till 85 mV under den aeroba fasen.
En jämförelse av syrehaltens inverkan (0,8 resp. 2,0 mg O2/l) vid 3 timmars cykeltid visade att ammoniumoxidationen var lägre (74 %) och P-avskiljningen högre (cirka 30 %) vid den lägre syrehalten. Vid den högre syrehalten uppnåddes fullständig nitrifikation och en lägre fosforavskiljning (cirka 12 %). Denitrifikationen pågick under hela den anaeroba/anoxiska perioden och det fanns små mängder organiskt kol kvar för biologisk fosforavskiljning då syrehalten var 2,0 mg/l. Reaktorn med inkommande obehandlat avloppsvatten uppvisade en lägre kväve- och fosforavskiljning än den med försedimenterat avloppsvatten. Fosforavskiljningen kunde förbättras något i reaktorn beskickad med försedimenterat avloppsvatten och en syrehalt av 0,8 mg/l.
En ökning av cykeltiden till 6 timmar förbättrade fosforavskiljningen avsevärt. I reaktorn beskickad med försedimenterat avloppsvatten blev avskiljningen 68 % vid hög syrehalt resp. 83 % vid låg syrehalt. Nitrifikationsgraden uppgick till 97 resp. 85 %. Motsvarande värden för reaktorn beskickad med obehandlat avloppsvatten var 79 resp. 38 % för fosforavskiljningen och 89 resp. 54 % för nitrifikationsgraden. En syrehalt av 2 mg/l erfordras för en hög nitrifikation särskilt i reaktorn med beskickning av obehandlat avloppsvatten. Uppmätt specifik nitrifikationshastighet var lägre i reaktorn med beskickning av obehandlat avloppsvatten, vilket indikerar en förlust av bakteriell aktivitet på grund av det partikulära materialet.
Det fanns ett klart fosforsläpp under den anaeroba fasen i båda reaktorerna på grund av den utökade anaeroba fasen med en snabb reduktion av nitrat och nitrit i början av cykeln. Det tydliga släppet indikerar även att upptaget av lättillgängligt kol av PAO var effektivt. Släppet var högre i försöket med den lägre syrehalten.
Nitrathalter mellan 3 och 6 mg/l uppmättes i slutet av den aeroba fasen då syrehalten var 2 mg/l. Vid den lägre syrehalten var nitrathalten klart lägre och omkring 75 % av ammonium oxiderades till nitrit i båda reaktorerna. På grund av ofullständig nitrifikation erfordrades mindre kol för denitrifikationen, vilket blev gynnsamt för fosforavskiljningen. Det förelåg dock en ökad risk för lustgasemissioner, vilket inte studerades under försöket. Försöken visade även att en ackumulering av nitrit verkade ha en positiv effekt på EBPR, vilket är avvikande från andra undersökningar rapporterade i litteraturen.
Av uppföljningen av förloppet i båda reaktorerna kunde indikeras en närvaro av denitrifierande PAO då fosfathalten minskade med 22 mg P/l samtidigt som NOx-halten minskade med 8 mg N/l under de första 30 minuterna.
Försök med en längre cykeltid av 8 timmar och en syrehalt av 2 mg/l gav en fullständig nitrifikation i båda reaktorerna. Däremot minskade denitrifikationshastigheten klart och fosforavskiljningen minskade från 68 till 31 % i reaktorn beskickad med försedimenterat vatten och från 79 till 28 % i reaktorn med obehandlat avloppsvatten jämfört med försöken med en cykeltid av 6 timmar. Detta visar att kväveavskiljning via nitrit är kritisk om inkommande fettsyror skall kunna utnyttjas effektivt för fosforavskiljning.
Resultaten är avhängiga av innehållet av lättillgängligt organiskt kol och det varierar från avloppsvatten till avloppsvatten och en optimering erfordras från fall till fall.
Slutsatser
Följande slutsatser kunde dras av undersökningen:
- En ökning av cykeltiden från 3 till 6 timmar ökade fosforavskiljningen vid en låg syrehalt på grund av en större andel av kvävet avskildes via nitrit i stället för nitrat, vilket frigjorde organiskt material för fosforavskiljningen.
- En ökning av cykeltiden från 6 till 8 timmar minskade fosforavskiljningen på grund av att behovet av lättillgängligt kol ökade på grund av fullständig nitrifikation.
- En lägre syrehalt under den aeroba fasen ökade fosforavskiljningen men minskade nitrifikationshastigheten.
- Reaktorn med försedimenterat avloppsvatten fungerade generellt bättre än reaktorn med obehandlat avloppsvatten och inkommande partiklar hade en negativ effekt på närsaltavskiljningen.
- Kväveavskiljning via nitrit och en nitritackumulering ökar risken för emission av lustgas, vilket inte undersöktes i studien.
Källa: M.P. Ginige, A.S. Kayaalp, K. Y. Cheng, J. Wylie, A.H. Kaksonen. Biological phosphorus and nitrogen removal in sequencing batch reactors: effect of cycle length, dissolved oxygen concentration and influent particulate matter. Water Science & Technology 68.5 (2013) pp 982 – 990.
Hela artikeln från Water Science & Technology finns att köpa här.
