Ny biofilmreaktor för denitrifikation av kommunalt

Ett nytt koncept för MBBR benämnt CFIC (Continuous Flow Intermittent Cleaning) testades i pilotskala för kväveavskiljning. Konceptet bygger på en kompakt bädd av bärarmaterial, som renspolas en gång per dygn. Processen fungerade väl vid både för- och efterdenitrifikation och med ett resultat som var bättre än för traditionella MBBR.

Av: Bengt Andersson

MBBR-processen (Moving Bed Biofilm Reactor) med rörligt bärarmaterial med en aktiv biofilm utvecklades för 25 år sedan för att öka effektiviteten per enhet reaktorvolym. En ny generation biofilmsprocesser baserad på MBBR har utvecklats genom CFIC (Continuous Flow Intermittent Cleaning), där reaktorn innehåller packat bärarmaterial som förhindrar rörelse under normal drift. Det partikulära materialet på bärarmaterialet kan avskiljas genom en intermittent spolning, vilket underlättar separat behandling av bioslammet. Processen ger ett mindre fotavtryck genom en ökning av den specifika skyddade ytan för biofilmen (m²/m³ reaktorvolym). CFIC kan avskilja partiklar från vattnet och den kompakta bädden fungerar som ett filter för såväl inkommande partikulärt material som slam producerat i reaktorn.

Prestanda för CFIC vad avser avskiljning av organiskt material har testats och verifierats i såväl laboratorieskala, pilotskala och fullskala med gott resultat. Refererad studie avsåg att undersöka en applikation av CFIC för kväveavskiljning genom försök med denitrifikation.

Genomförande

Studien genomfördes i laboratorieskala vid Nedre Romerike avloppsreningsverk, ett av de största reningsverken i Norge med en MBBR-process för kväveavskiljning. Försöket med CFIC gjordes i en cylindrisk reaktor med anoxiska förhållanden och med ett bärarmaterial med en specifik yta av 650 m²/m³ och en fyllnadsgrad av 66 %. Inkommande avloppsvatten tillfördes i botten av reaktorn och eftersom densiteten för bärarmaterialet är något lägre än för vatten lyftes bärarmaterialet upp av den uppåtgående vattenströmmen och packades i den övre delen av reaktorn under normal drift. Spolcykeln startades med grovblåsig luftning vid botten av reaktorn och turbulensen skapade en bra blandning och avskiljning av biomassa från bärarmaterialet. Spolvattnet togs ut ur reaktorn via ett utlopp och genom utformningen kunde vattenytan i reaktorn vara densamma både vid normal drift och vid spolning.

Två koncept testades, fördenitrifikation och efterdenitrifikation. Avloppsvatten efter försedimenteringsbassängerna användes vid försöken med fördenitrifikation och vattnet blandades med lika mängd nitrifierat avloppsvatten för att öka nitrathalten i vattnet. Ingen extern kolkälla tillsattes. Vid efterdenitrifikation användes nitrifierat vatten från fullskaleanläggningen och en extern kolkälla (etanol) doserades i varierande mängd. För att kunna variera belastningen av nitrat under försöken tillsattes ibland en kommersiell nitratkälla, Nutriox, till inkommande vatten till försöksanläggningen.

Resultat

Vid försöken med fördenitrifikation uppgick denitrifikationshastigheten i genomsnitt till 0.35 g NO_x-N/m²*d med variationer mellan 0.16 och 0.74 g NO_x-N/m²*d. Hastigheten var högre vid en ökad belastning medan den procentuella avskiljningen var mycket hög vid låga belastningar med upp till 93 %. Detta indikerade att de uppmätta låga hastigheterna huvudsakligen berodde på en begränsad mängd lättnedbrytbart organiskt material i inkommande avloppsvatten. Maximal denitrifikationshastighet var 0.74 g NO_x-N/m²*d vid en belastning av 1.4 g NO_x-N/m²*d, vilket motsvarade en avskiljningsgrad av 50 % och som var ett mycket bra i jämförelse med andra liknande studier av MBBR.

Under försöken med efterdenitrifikation innehöll inkommande avloppsvatten betydande halter NO₂-N och DO, vilka konverterades till ekvivalent mängd NO₃-N enligt praxis. Inkommande koncentrationer uppgick i medeltal till 14.5 mg NO₃-N_eq/l med variationer mellan 11.2 och 23.8 mg /l. Den maximala denitrifikationshastigheten uppgick till 2.2 g NO₃-N_eq/m²*d vid en belastning av 2.8 g NO₃-N_eq/m²*d, vilket motsvarade en avskiljning av 79 %.

COD/N-förhållandet är avgörande för denitrifikationen och teoretiskt erfordras 2.86 g COD/g NO₃-N_eq, vilket alltid blir högre i verkligheten bl.a. beroende på tillväxten av biomassa. För beräkningarna i studien användes filtrerad COD (fCOD) som mått på doserat organiskt material och högst avskiljning av NO₃-N, NO₃-N_eq och fCOD uppnåddes vid ett COD/N-förhållande inom området 4 – 6 med 1.4, 1.7 resp. 5.7 g /m²*d vid en kvot av 3.4 g fCOD/g NO₃-N_eq. De flesta testen genomfördes i COD/N-området 6 – 8 med något lägre uppnådda hastigheter.

Vid normal drift packades materialet överst i reaktorn med en begränsad rörlighet inne i reaktorn och bädden fungerade därför som ett filter för partikulärt material och biomassa. En intermittent spolning av reaktorn gjordes en gång per dygn under cirka 1 timme och TS-halten i spolvattnet uppgick som mest till omkring 3000 mg/l efter cirka 15 minuter. Avskiljningen av NO_x-N vid fördenitrifikation begränsades av tillgången till organiskt material med en låg slamproduktion, där filtret inte hunnit mättas under ett dygns drift. Därför var skillnaden i avskiljningshastighet före och efter spolning begränsad. Vid efterdenitrifikation med större tillgång till organiskt material genom dosering av kolkälla ökade nedbrytningshastigheten med mellan 20 och 40 % genom spolningen.

Genomsnittlig mängd biomassa på bärarna uppgick till 43 mg TS/bärare i båda försöken, ekvivalent med 26.5 g TS/m² biofilmsarea. Omkring 10 % av biomassan på bärarna avskildes genom spolningen under efterdenitrifikation medan endast 3 % avskildes under fördenitrifikation.

Slutsatser

Försök med CFIC, ett nytt koncept för MBBR, för kväveavskiljning visade att 

Källa: S.S. Rathnaweera, B. Rusten, K. Korczyk, B. Helland, E. Rismyhr. Novel biofilm reactor for denitrification of municipal wastewater. Water Science & Technology 78.7 2018, pp 1566 – 1575.

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