En jämförelse av förbehandling av biologiskt överskottsslam med ultraljud, värme och alkali för en snabbare nedbrytning vid mesofil rötning gjordes genom att beakta effekten på slammets reologi, hygienisering och metanpotential.
Av: Bengt Andersson
Nedbrytning av biologiskt överskottsslam genom mesofil rötning är långsammare än nedbrytning av primärslam beroende på förekomsten av strängar av monosackarider (glycan strands) i de mikrobiella cellväggarna. För att öka nedbrytningshastigheten har olika metoder för förbehandling av slammet föreslagits och tillämpats, där cellväggarna upplöses och där intracellulärt material kan frigöras till vätskefasen.
Genom ultraljudsbehandling, termisk förbehandling vid låg temperatur och alkalisk behandling uppnås på olika sätt en upplösning av de mikrobiella cellväggarna. Förbehandlingsmetoderna kan emellertid även ha andra effekter, som t.ex. hygienisering av slammet, möjlighet att kunna använda dem för efterbehandling och påverkan på slammets viskositet och filtrerbarhet
Syftet med refererad undersökning var att jämföra effekten av förbehandling med ultraljud, termisk behandling och alkali på slammets reologi, uppnådd hygienisering och möjlig metanpotential för en utvärdering av lämpliga scenaria för hantering av överskottsslammet. Undersökningen genomfördes i två steg, där optimala förhållanden för reologi och hygienisering inledningsvis bestämdes för varje metod och där metanpotentialen och hygieniseringen efter rötning bestämdes i ett andra steg vid de optimala förhållandena. Rötat slam utan förbehandling efterbehandlades med samma metoder och förhållanden. Slutligen gjordes en ekonomisk värdering av alla alternativen.
Genomförande av undersökningen
Överskottsslam och ymp av rötat slam togs från reningsverket i Barcelona. Överskottsslammet hade förtjockats genom centrifugering.
Behandling med ultraljud skedde med en konstant effekt och med olika uppehållstid för att uppnå en specifik energi av 5, 11 resp. 27 MJ/kg TSS. Försöksutrustningen kyldes i ett isbad för att förhindra en ökning av temperaturen i slammet genom kavitationen av gasbubblorna. Termisk behandling genomfördes vid två temperaturer, 70 och 80 oC, vid tre uppehållstider (10, 20/15 resp. 30 minuter). Försöken med alkali utfördes genom dosering av NaOH i olika doser (35, 71 resp. 157 g NaOH/kg TS) med en kontakttid av 24 timmar. Lösningsgraden av COD och förhållandet mellan löst och totalt COD bestämdes för varje försök.
För den mikrobiologiska karakteriseringen användes två bakterieindikatorer (E. Coli, som är den vanligen förekommande indikatorn, och sporer av sulfitreducerande clostridia (SSRC), som förslagits som indikator för protozoer) samt en viral indikator (somatiska kolifager (SOMCPH)), som föreslagits som indikator för vattenburna virus.
Slammets reologi undersöktes i en reometer, där skärkrafter mellan 5 och 300 s-1 användes och där slammet viskositet beräknades enligt Newtons ekvation.
Bestämning av metanpotentialen genomfördes i serumflaskor, som förslöts efter att innehållet gjorts syrefritt genom inblåsning av kvävgas. Rötningen skedde mesofilt vid 37 oC. Biogasproduktionen mättes kontinuerligt med en vacuumeter och metanhalten bestämdes i en gaskromatograf.
Modellering och dataanalys gjordes med hjälp av IWA.s Anaerobic Digestion Model No. 1 och modellen implementerades i Aquasim 2,1d. Parameterestimering och osäkerhetsanalys gjordes samtidigt med ett 95 % konfidensintervall.
Resultat
Resultaten från försöken har kortfattat sammanfattats i det följande.
Valet av optimala förhållanden för de olika förbehandlingarna baserades på slammets hygienisering och reologiska profil. Ultraljud gav ingen noterbar påverkan på hygieniseringen och optimala förhållanden baserades helt på de reologiska kriterierna med en optimal specifik energi av 27 MJ/kg TS. Optimala förhållanden vid termisk behandling var 80 oC vid 15 minuters uppehållstid, då maximal hygieniseringseffekt uppnåddes. De reologiska kriterierna påverkades inte av uppehållstidens längd. Optimala förhållanden för behandling med alkali var högsta dosen 157 g NaOH/kg TS (252 meq/l, pH 12) på grund av bästa hygienisering av slammet och störst reduktion av viskositeten.
En fysikalisk-kemisk karakterisering visade att lösningsgraden av organiskt material ökade med omkring 11 % vid termisk och ultraljudsbehandling medan ökningen vid behandling med alkali var omkring 15 %. Effekten av genomförda metanpotentialtest utvärderades genom modellering av nedbrytbarhet och här konstaterades att nedbrytbarheten för obehandlat slam och termiskt behandlat slam var ungefär densamma (0,37 resp. 0,38) medan den ökade med 13 resp. 34 % för ultraljud resp. alkali (0,42 resp. 0,49). Nedbrytbarheten efter förbehandling var låg i förhållande till vad som redovisats i litteraturen troligtvis främst beroende på valet av optimala förhållanden för behandlingen.
Vad gäller effekten av hygienisering av mesofil rötning med och utan förbehandling noterades att obehandlat och förbehandlat slam blandades med rötat slam från avloppsreningsverket och de mikrobiologiska testen gjordes med dessa blandningar. E. Coli kunde reduceras till under detektionsgränsen (<2,02 log10 CFU/g torrvikt) genom enbart rötning utan förbehandling och effekten av de olika alternativen kunde inte utvärderas. För SOMCPH uppnåddes en reduktion av mellan 2,32 och 2,47 log10, där ultraljud gav den lägsta och alkali den största reduktionen. För SSRC ökade antalet kolonier vid ultraljud och alkali medan termisk behandling inte uppvisade samma mönster. Försök med efterbehandling efter rötning visade att E. Coli avskiljdes genom rötningen med en avskiljningsgrad av mer än 3,78 log10, att SSRC inte påverkades vare sig av rötning eller av efterbehandling och att SOMCPH avskiljdes med 1,88 log10 genom rötning och med 3,42 resp. 2,56 log10 genom rötning och termisk resp. alkalisk efterbehandling. Ingen ytterligare effekt uppnåddes med ultraljud.
Metodernas lämplighet utvärderades genom att betrakta energibalansen för metoderna. Ett energibehov på 27 MJ/kg TS för ultraljud resp. 4,6 MJ/kg TS för termisk behandling ersattes endast av ett tillskott av mindre än 1 % genom en ökad gasproduktion. Motsvarande jämförelse kunde inte göras för alkalibehandlingen men kostnaderna för kemikalierna var en 10-potens högre än motsvarande intäkter av gasen. Behandling med NaOH ökade Na-halten i rötkammaren med risk för inhibering av processen och anledningen till att denna effekt inte märktes i försöken var utspädningen med rötat slam (4:1). Slutligen nämndes att energin för pumpning av slammet minskade med mellan 60 och 90 % genom en minskad viskositet och genom att energin för omrörningen av rötkammaren borde minska på grund av en minskad viskositet skulle högre TS-halter kunna upprätthållas i rötkammaren.
Slutsatser
Följande slutsatser kunde dras av undersökningen:
- Ultraljudsbehandling ökade slammets nedbrytbarhet och den specifika metanproduktionen (13 %) men hade ingen effekt på slammets hygienisering och den mest lämpade konfigurationen för ultraljud är som förbehandling före rötning.
- Termisk behandling vid låg temperatur ökade knappt nedbrytbarheten men medförde en ökad hygienisering och metoden är mer lämpad som efterbehandling efter rötning. Längre uppehållstider kan dock skapa incitamentet för användning som förbehandling.
- Behandling med alkali ökade metanproduktionen (34 %) och hade en påtaglig effekt på hygieniseringen av slammet. Emellertid förelåg risker för störningar på rötningsprocessen då alkali användes som förbehandling eftersom höga doser av alkali erfordrades.
- Energibalanser och driftkostnader för metoderna visade att samtliga metoder erfordrade väsentligt högre driftkostnader än intäkter genom en ökad gasproduktion.
- Användning av SOMCPH var en lämplig biologisk indikator som komplement till E. Coli.
Källa: M. Ruiz-Hernando, J. Martin-Diaz, J. Labanda, J. Mata-Alvarez, J. Llorens, F. Lucena, S. Astals. Effect of ultrasound, low-temperature thermal and alkali pre-treatments on waste activated sludge rheology, hygienization and methane potential. Water Research 61 (2014) pp 119 – 129.
Hela artikeln från Water Research finns att köpa här.