Förbättrad avvattningsbarhet av slam genom bioutlakni

Bioutlakning av slam fungerade som konditioneringsmetod för att förbättra avvattningsbarheten och genom optimering av processparametrar kunde avvattningsbarheten förbättras och vattenhalten i slamkakan minskas kraftigt. Avgörande för processen var ett lågt pH-värde i reaktorn för tillräcklig stimulans av tillväxten av Acidithiobacillus

Av: Bengt Andersson

Bioutlakning är ursprungligen en metod för extraktion av metaller i gruvindustrin genom användning av autotrofa bakterier. De mest utnyttjade bakterierna i bioutlakningsprocesser tillhör släktet Acidithiobacillus med arterna A. thiooxidans, som oxiderar svavel till svavelsyra, och A. ferrooxidans, som bildar Fe³⁺-joner genom biooxidation av Fe²⁺-joner. Inom området avloppsvattenrening har processen främst använts för avskiljning av tungmetaller från slam. Ett slams avvattningsbarhet kan även förbättras genom bioutlakning och processen kan även ses som en miljövänlig slamkonditioneringsmetod.

Syftet med refererad studie var att genom försök belysa olika faktorers inverkan på slammets avvattningsbarhet i en bioutlakningsprocess och att förbättra avvattningsbarheten genom optimering av processparametrarna. Vidare var syftet att bidra till utvecklingen av teknologin i fullskala och ge möjligheter till uppskalning av resultaten. 

Genomförande

I refererad studie användes en ny process för bioutlakning med en 12 stegs pluggflödes bioreaktor med luftning av reaktorerna. Slam pumpades kontinuerligt till systemet och en blandning av järnsulfat och svavel i förhållande 6:1 tillsattes. 30 % av inkommande slamflöde recirkulerades från den sista till den första reaktorn. Uppehållstiden i reaktorn sattes till 2 dygn. Preparering av mikroorganismerna A. thiooxidans och A. ferrooxidans i förhållande 1:1 samt erforderlig ymp gjordes enligt referenser.

Olika parametrar kan påverka resultatet och i refererad studie fokuserades på fyra parametrar. Slammets vatteninnehåll varierades mellan 98,0, 96,5 och 95,0 %, dos av näringsämnen mellan 3, 6 och 9 g/l, luftningshastighet mellan 8, 16 och 24 m³/h och antalet seriekopplade reaktorer mellan 8, 10 och 12. Försöken utfördes enligt en ortogonal försöksmodell med tre nivåer och fyra faktorer med vatteninnehållet i filterkakan som målindex.

Analys gjorde av pH och redox-potential, av järn²⁺ och sulfatjoner samt av antalet bakterier i reaktorerna. Avvattningsbarheten bestämdes i form av CST (capillary suction time) och SRF (specific resistance to filtration). Utgående slam behandlades i en filterpress och bestämning av vattenhalten i slamkakan gjordes efter pressen. Tre metaller (Cu, Zn och Pb) bestämdes i inkommande och utgående slam. Experiment genomfördes för att bekräfta resultatet från de ortogonala försöken med slam från tre olika reningsverk i Kina.

Resultat

Baserat på samtliga försök erhölls lägst vatteninnehåll i slamkakan (53,01 %) med kombinationen 12 reaktorer, näringsdosering 6 g/l, luftningshastighet 8 m³/h och 98 % vattenhalt i inkommande slam. Den inbördes rangordningen av parametrarnas påverkan var vattenhalt > näringsdosering > luftningshastighet > antal reaktorer. En statistisk analys gav vid handen att den bästa kombinationen var 98 % vattenhalt, 9 g/l näringsdosering, 8 m³/h luftningshastighet och 10 reaktorer.

Slammets vatteninnehåll var den mest kritiska parametern för processen. Vid de högre vattenhalterna 98,0 och 96,5 % minskade pH drastiskt från inlopp till utlopp (pH omkring 3) medan en mindre pH-minskning erhölls vid ett vatteninnehåll av 95,0 % (pH över 6). Ett lågt pH var avgörande för tillväxten av Acidithiobacillus, som har ett optimalt pH-område mellan 2 och 3, och en hög tillväxthastighet var helt avgörande för bioutlakningsprocessen. Vid den högre vattenhalten blev systemet mera surt och avvattningsbarheten förbättrades med låga värden för CST och SRF och en låg vattenhalt i slamkakan.

Doseringen av näringsämnena spelade även en signifikant roll. Med en dosering av 9 g/l minskade pH till omkring 3, tillväxten av bakterierna stimulerades, avvattningsbarheten blev bättre och vatteninnehållet i slamkakan lägre. Dessutom förändrades slamkakans struktur, utseende och lukt till det bättre. Lägre dosering gav inte tillräcklig pH-effekt, vilket medförde att bakteriernas tillväxtförhållande inte blev optimala och avvattningsbarheten försämrades.

Den lägre luftningshastigheten 8 m³/h medförde lägre värden på CST och SRF och lägre vattenhalt i slamkakan jämfört med förhållandena med de högre hastigheterna. Högre syrehalter kan stimulera tillväxten av heterotrofer och medföra en ökad halt av EPS, som påverkar avvattningsbarheten negativt.

Antalet reaktorer påverkade inte resultatet signifikant och påverkan på resultatet var lägst. Med fler reaktorer skulle systemet lättare kunna uppnå stabilitet och en avvägning mellan effekt och kostnader indikerade 10 reaktorer i serie som mest lämpligt.

En konfirmering av det optimala resultatet från de ortogonala försöken gjordes med tre olika slam från fullskaleanläggningar i Kina. Resultatet var likvärdigt där pH-värdet minskade till mellan 2,45 och 2,83 med en bra tillväxt av bakterierna, där CST minskade till mellan 17 och 20 s och SRF minskade med mellan 82 och 86 % och där slamkakornas vatteninnehåll minskade till mellan 54 och 56 %, vilket är under riktlinjerna för ingenjörsmässighet. Det konstaterades även att metallhalterna i slamkakan i förhållande till halten i inkommande slam minskade från 200 till 25 mg Cu/g TS, från 470 till 100 mg Zn/kg TS och från 140 till 20 mg Pb/kg TS.    

Slutsatser

Försök med bioutlakning av slam i ett kontinuerligt plug-flödes system visade att

Källa: J. Gao, N. Ma, L. Li, S. Zhu, Y. Li, J. Chen, Y. Chen. Improvement of sewage sludge dewaterability by bioleaching in a continuous plug flow bioreactor: optimization of process parameters. Water Science & Technology 2018, 77.8, pp 1979 – 1989.

Hela artikeln från Water Science & Technology finns att köpa här.