Samspelet mellan biomassan på ett rörligt bärarmaterial och i det aktiva slammet i en IFAS-process undersöktes i en pilotanläggning med varierande belastning och temperatur. Stora möjligheter till processoptimering föreligger med större kunskap om hur den autotrofa biomassan utvecklas vid olika driftbetingelser.
Av: Bengt Andersson
IFAS (Integrerad Fastbädd/Aktivt Slam) är en process med bärarmaterial i luftningsbassänger, som har kommit till ökad användning under senare år för att uppnå en stabil kväveavskiljning utan erforderlig ökning av bassängvolymen. Processen bygger på en kombination av en fast bakteriekultur på ett rörligt bärarmaterial i luftningsbassängen och en suspenderad bakteriekultur i det aktiva slammet.
En IFAS-process utformas för en låg slamålder (MLSRT, mellan 4 – 5 dygn), för en låg slamhalt (MLTSS, mellan 1,5 – 2,5 g/l) och för en hög F/M-kvot mellan 0,35 – 0,40 kg BOD5/kg MLVSS/d. Nitrifikation vid låg MLSRT är möjlig genom påväxt av autotrof biomassa i biofilmen utvecklad på bärarmaterialet och som inte spolas ut då temperaturen sjunker. En jämförelse av IFAS och en MBBR-process ger samma biofilmkarakteristika medan närvaron av ett aktivt slam ger IFAS-processen andra egenskaper vad gäller substratutnyttjande, syrebehov och kinetik än MBBR-processen.
Behov finns av mer information om hur biofilmen bidrar till nitrifikationen i en IFAS-process vid olika driftbetingelser. Syftet med refererad undersökning var att undersöka processens begränsningar, att uppskatta bidraget av nitrifikation i biofilmen och att belysa uppnådd hastighet för nitrifikation och denitrifikation i processen.
Genomförande av undersökningen
Studien genomfördes under cirka 2 år i en pilotanläggning för behandling av ett kommunalt avloppsvatten från avloppsreningsverket i Lyon. Anläggningen var uppbyggd med en anoxisk reaktor, två aeroba reaktorer samt en sedimenteringsbassäng med slamrecirkulation dels från sedimenteringsbassängen dels från utloppet av den andra aeroba reaktorn till inloppet av anoxreaktorn. Den andra aeroba reaktorn var försedd med rörligt bärarmaterial med en specifik yta av 525 m2/m3 och med en fyllnadsgrad av 43 % av bassängvolymen. Avsikten med den första reaktorn var att gynna tillväxten av autotrof biomassa på bärarmaterialet.
Försöken delades in i tre perioder. Flödesbelastningen under en första vinterperiod med en genomsnittlig temperatur av 16 oC uppgick till 5 m3/d. Därefter ökades belastningen till 9 m3/d dels under en sommarperiod (medeltemperatur 22 oC) dels under en vinterperiod (medeltemperatur 16 oC). Försöken följdes upp genom automatisk provtagning och analys av relevanta parametrar samt med hjälp av kontinuerliga mätinstrument för bl.a. nitrat och ammonium.
Nitrifikationshastigheten bestämdes dels in-situ genom en massbalansberäkning baserad på de kontinuerliga mätinstrumenten dels ex-situ i laboratoriet, där uttagna prov testades vid optimala förhållanden med överskott av ammonium, alkalinitet och syre för bestämning av maximal hastighet. Testen från den andra aeroba reaktorn utfördes dels med både suspenderat material och bärarmaterial från bassängen dels med enbart bärarmaterial som tagits ut från bassängen strax under ytan och där skillnaden mellan testen utgjorde nitrifikationen i den suspenderade biomassan. Genom bestämning av nitrifikationshastigheten in-situ och ex-situ kunde begränsningarna i processen belysas.
Två gånger varje månad togs 50 bärare ut ur reaktorn för karakterisering av biofilmen.
Resultat
Försöken visade att en avskiljningsgrad över 85 % med avseende på organiskt material och Kjeldahlkväve (TKN) kunde uppnås vid en belastning av 0,3 kg BOD5/kg MLVSS/d respektive 70 g TKN/kg MLVSS/d. Nitrifikationshastigheten uppgick stabilt till omkring 180 g N/m3aerob volym/d vid en utgående ammoniumhalt av 3 mg N/l eller högre. Vid lägre halt minskade hastigheten linjärt. TKN-halten i utgående vatten ökade inte märkbart vid den högre belastningen, vilket antydde att processen inte uppnått undre gränsen för kritisk slamålder. En långsam minskning av avskiljningsgraden vid den ökade belastningen antydde att begränsningen för den kritiska hydrauliska uppehållstiden uppnåtts.
Under den första perioden med låg belastning och under den andra perioden med hög belastning och hög temperatur svarade det suspenderade slammet för en ganska stor del av nitrifikationen. Under den tredje perioden med hög belastning och låg temperatur minskade nitrifikationen i den första reaktorn markant samtidigt som den ökade i motsvarande grad i den andra reaktorn beroende på högre ammoniumbelastning. I den andra reaktorn förelåg en signifikant skillnad mellan nitrifikationen bestämd in-situ och ex-situ under period 1 och 2, där nitrifikationen in-situ endast uppgick till 43 % av den maximala eftersom nitrifikationen i reaktorn begränsades av den första reaktorn. Under period 3 ökade nitrifikationen in-situ till omkring 67 % av den maximala.
Nitrifikationshastigheten i biofilmen varierade mellan 0,73 g NO3-N/m2/d under period 2 till 0,91 g NO3-N/m2/d under period 3, En högre nitrifikation uppnåddes i den suspenderade biomassan under period 2. Mängden biomassa följde ett säsongsmönster med 6,0 g TSS/m2 under period 2 till 8,3 g TSS/m2 under period 3 korrelerat med minskningen av aktiviteten i den suspenderade biomassan vid den lägre temperaturen. Under period 1 stod nitrifikationen i biofilmen för 50 % men vid den högre belastningen ökade nitratproduktionen i biofilmen till 60 resp. 67 % under period 2 och 3.
Utgående nitrathalt varierade mellan 8 och 15 mg NO3-N/l. Denitrifikationshastigheten, som varierade mellan 1,0 och 3,9 g NO3-N/kg MLVSS/d, var inte korrelerad till driftbetingelser som temperatur utan påverkades av en kolbegränsning med en låg halt av löst organiskt material i inkommande avloppsvatten.
Slutsatser
Studien visade att
- nitrifikation kan uppnås en IFAS-process även vid en hög organisk belastning,
- utnyttjandet av nitrifikationspotentialen i biofilmen kan ökas om bidraget till nitrifikationen från den suspenderade biomassan minskas t.ex. genom en minskad luftning i den första aeroba reaktorn samt
- möjligheten till processoptimering beror på ammoniumbelastningen i reaktorn med bärarmaterial och resterande nitrifikation i den suspenderade biomassan i reaktorn utan bärarmaterial.
Källa: P. Moretti, M. Choubert, J.P. Canler, O. Petrimaux, P. Buffiere, P. Lessard. Understanding the contribution of biofilm in an integrated fixed-film-activated sludge system (IFAS) designed for nitrogen removal. Water Science & Technology 71.10 (2015) pp 1500 – 1506.
Hela artikeln från Water Science & Technology finns att köpa här.
