Artikeln beaktar olika utmaningar vid karakterisering av inkommande avloppsvatten vid modellering. Frågeställningarna har blivit än viktigare vid modellering av långtgående rening och vid utvidgning av modellsystemet till att omfatta fler processer än aktivtslamprocessen.
Av: Bengt Andersson
Karakterisering av avloppsvatten utgör viktiga indata vid praktisk modellering av processer för avloppsvattenrening, där traditionella parametrar fraktioneras i modellvariabler med olika grad av nedbrytbarhet. En kompensation för en felaktig fraktionering av avloppsvattnets sammansättning vid modellkalibrering medför att fel i parameterestimeringen även skapas. De djupgående effekter som karakteriseringen kan ha på resultatet av en modellering är uppenbara t.ex. vad gäller slamproduktionen som påverkas av uppskattningen av mängden inert partikulärt COD, syreförbrukningen som påverkas av uppskattningen av den totala mängden nedbrytbart COD, denitrifikationshastighet och fosforsläpp vid bio-P som påverkas av uppskattningen av mängden lättnedbrytbart COD samt utgående COD som påverkas av uppskattningen av mängden inert lösligt COD.
I refererat positioneringsdokument anser en samling mycket kompetenta och synnerligen aktiva forskare inom modellering att det borde vara dags att omvärdera procedurer och mål för karakteriseringsarbetet 30 år efter det att Activated Sludge Model No 1 publicerades. I artikeln ges en översikt av dagens karakteriseringsmetoder, diskuteras behovet av nya variabler, nya fraktioner för nya processer, ändrade driftförhållanden och tidsberoende karakterisering av inkommande avloppsvatten samt föreslås några nya mät- och estimeringstekniker. Fokus har lagts på karakteriseringsmetoder för aktivtslamprocessen med utvikningar till membransystem, biofilmssystem och anaerob rötning.
Dagens karakteriseringsmetodik för avloppsvatten
Nuvarande metodik för karakterisering av avloppsvattnet har etablerats utifrån ramverket för Activated Sludge Models (ASM) och den avser en differentiering av inert och nedbrytbart organiskt material och av snabbt och långsamt nedbrytbart material. Metodiken för fraktionering kombinerar generellt bestämning av den totalt nedbrytbara COD-fraktionen (CODtotB) och bestämning av den lättnedbrytbara fraktionen (SB).
Två olika typer av biologiska test har föreslagits för bestämning av CODtotB. Den ena metodiken avser en direkt mätning av syreförbrukningen i batchvisa försök under olika tid med syreupptagning under några timmar vid ett lågt förhållande mellan substrat och biomassa (S/X), med syreupptagning under 10 dygn med ett högt S/X-förhållande och med COD-upptag under 30 dygn med ett högt S/X-förhållande. Den andra metodiken bygger på en indirekt teknik där fraktionen härleds genom bestämning av partikulärt icke nedbrytbart COD med hjälp av en simuleringsmodell där uppmätt slamproduktion matchas. Tre olika metodiker används för bestämning av SB, där den ena bygger på mätning av OUR eller NUR, den andra på antagandet att det finns ett samband mellan storlek på de organiska molekylerna och deras nedbrytbarhet och den tredje är bestämning av VFA direkt med gaskromatografi.
Resultatet av fraktioneringen används då modellen sätts upp och även om karakteriseringen av inkommande avloppsvatten är en del av insamlingen av data kan fraktioneringen modifieras under kalibreringsprocessen t.ex. genom justering av andelen inert partikulärt COD för en bättre anpassning till uppmätt slamproduktion. Behovet att ändra vissa fraktioner under kalibreringen tills simuleringsresultatet passar observerade data innebär att användningen dyrbara karakteriseringsmetoder kan ifrågasättas och för att undvika denna typ av finjustering under kalibreringsfasen måste en utveckling ske av metoder i detta fall för bestämning av inert partikulärt COD.
För närvarande saknas en standardisering av använd karakteriseringsmetodik och jämförelser av olika ansatser för fraktionering av COD har gett signifikanta skillnader i resultat. Behovet av standardisering av metodiken är synnerligen angeläget för att tveksamma resultat beroende på avsaknad av standardisering och på användning av komplexa metoder skall undvikas.
Anpassning av nuvarande metoder
COD-fraktionernas variation under dygnet är en faktor som är uppenbar och en högre tidsupplösning av karakteriseringen kan förbättra resultatet av modelleringen väsentligt. Vid torrväderssituationer antas med dagens modelleringspraxis att inkommande fraktioner är stabila under en 24-timmarsperiod. Stora variationer under dygnet kan emellertid förekomma, där förhållandet mellan filtrerat och totalt COD kan variera mellan 20 och 60 % och andelen lättnedbrytbart COD (SB) kan variera mellan 5 och 25 % under en period av några timmar.
Signifikanta förändringar av avloppsvattnets sammansättning sker även vid regnväder, särskilt vad gäller inert partikulär COD och långsamt nedbrytbar COD. Förbättrad bestämning av kolloidalt COD är då viktig för en bättre förutsägelse av slamproduktionen.
En förändring av modellstruktur och införandet av nya tillståndsvariabler gör det nödvändigt att även anpassa de experimentella fraktioneringsmetoderna så att de passar modellkonceptet. ASM baseras på fraktionering med hänsyn till nedbrytbarhet men av praktiska skäl har en övergång till fysikalisk/kemiska metoder i viss utsträckning skett t.ex. genom filtrering ensamt eller i kombination med föregående flockning. Många olika porstorlekar finns på filterpapper och utan en standardisering av metoderna kan erhållna resultat leda till än större tvetydighet. Farhågor har även rests om metodernas jämförbarhet och hur de fysikalisk/kemiska metoderna kan kopplas till nedbrytbarheten av olika fraktioner.
Typen av anläggning bestämmer även hur avloppsvattnet bör karakteriseras. En större nedbrytbar fraktion föreligger vid en process med lång slamålder. Definitionen av specifika fraktioner kan således vara processpecifik då t.ex. organiskt material som betraktas som inert vid ett system med kort slamålder inte kan betraktas som inert för ett system med lång slamålder.
Nya och alternativa metoder
Utvecklingen av nya reningsprocesser och behovet att simulera en processutformning för mycket låga närsaltkoncentrationer i utgående avloppsvatten ställer krav på modellutveckling och anpassade karakteriseringsmetoder. För att möta detta krävs nya mätmetoder, experiment/procedurer och kontroller, bättre upplösning av data och modellförändringar.
Tidigare har antagits att avloppsvattnet inte innehåller någon biomassa. Detta har emellertid visat sig vara felaktigt och den aktiva biomassan i inkommande avloppsvatten har uppskattats till upp till 25 % av COD-innehållet i inkommande avloppsvatten. För att kompensera för detta krävs en anpassning av slamutbyteskoefficienten med omkring 10 %. Detta är särskilt viktigt för högbelastade system och för modellering av processer nedströms ett biologiskt reningssteg. En mer systematisk bestämning av aktiv biomassa erfordras och respirometri är ännu den bästa metoden som rekommenderas. Framsteg förväntas inom biomolekylär teknik men ännu så länge är denna teknik inte tillräckligt tillförlitlig.
Biologiska test är föremål för en betydande grad av osäkerhet och förbättringar av testen kan uppnås genom en standardisering av förhållandena som definierar då en övergång sker till en endogen respirationsfas. En annan förbättring är att öka förståelsen för biomassans utveckling i bioreaktorerna och att skapa sätt för tillväxt av standardiserad ympning av bioreaktorerna så att resultaten inte blir beroende av nivån av acklimatisering av biomassan.
Sensorer för kontinuerlig bestämning av COD, NH4, PO4, NOx och TSS har redan tillräcklig potential för användning för kontroll av biologiska processer. Nya typer av sensorer som online respirometrar och UV-prober kan utvecklas för en kontinuerlig uppskattning av olika fraktioner i avloppsvattnet även om det erfordras mycket arbete för att säkerställa kvaliteten på sådana data.
Användning av oorganiskt suspenderat material vid modelleringen har förbättrat uppskattningen av den totala slamproduktionen. Då behovet av mera detaljerade modeller finns är uppskattningar av halten oorganiska ämnen som är involverade i utfällning och återlösning av stor vikt. Detta innefattar även procedurer för att särskilja olika fraktioner av suspenderat mineral i inkommande avloppsvatten och i det biologiska slammet.
Med ofta förekommande motsägelsefulla data kan nya metoder vara till hjälp för att förenkla sammanjämkningen av data från fraktioneringsanalysen. Automatiska tekniker baserade på statistisk analys kan förbättra datakvaliteten och som en följd minska behovet av kalibrering av kinetiska parametrar för biologiska reningsprocesser. I en ansats har föreslagits ett samband mellan modellkomponenter och de mest vanliga analytiska mätningarna av avloppsvatten, vilket kombinerar en a priori kunskap om den förväntade vattensammansättningen och experimentell information. En optimeringsalgoritm använder en utvidgad lista av icke överflödiga modellkomponenter, definierande deras elementarmassbalansfraktioner i termer av C, H, N, O, P och laddning.
Hur modellutveckling påverkar framtida avloppsvattenkarakterisering
En utveckling av nya modeller står för dörren och i artikeln nämns modeller för svavel, för nedbrytning och ackumulering av mikroföroreningar, för igensättning av membranbioreaktorer och för emissioner av växthusgaser. Framtida karakteriseringsmetoder måste ta hänsyn till nya modellkomponenter, där som exempel nämndes en mycket långsam nedbrytningsbar fraktion av COD, en detaljerad karakterisering av organiskt material på molekylär- och partikelstorleksnivå och en utvidgad fraktionering av näringsämnen.
Hydrolys vid låg hastighet t.ex. av partikulära icke nedbrytbara endogena produkter kan vara lämplig vid system med lång slamålder och mycket låg organisk belastning. Denna ansats kan även användas vid modellering av slamreduktion där en del av inert partikulär COD kan bli nedbrytbar. En tillståndsvariabel för mycket långsamt nedbrytningsbar COD kan öka omfånget av användbara SRT. Emellertid saknas ännu en anpassad procedur för att nöjaktigt kunna uppskatta denna fraktion.
Hydrolyshastigheten är en funktion av inkommande karakterisering. En mera detaljerad karakterisering av det organiska materialet med variabler på molekylär- och partikelstorleksnivå är fördelaktig för en bättre beskrivning av hydrolysen. Det finns några ansatser för kalibrering av hydrolysprocessen i makroskala och det finns även idéer om hur detta skall gå till.
För avloppsreningsverk utformade för avskiljning ner till mycket låga utgående halter av närsalter behövs förfinade fraktioneringsmetoder och modellutveckling. Urea och ammonium är de huvudsakliga kvävekällorna i ett kommunalt avloppsvatten (mellan 60 och 75 %) medan resten utgörs av organiskt kväve, där större delen är långsamt nedbrytbart (22 %) och övriga delar snabbt nedbrytbart eller inert kväve. Experimentella metoder behövs för att karakterisera löst organiskt kväve i utgående avloppsvatten. Då begränsningsvärdena minskar ökar vikten av att kunna bestämma dessa fraktioner
Slutkommentarer
Det kan fastslås att det är en samling ytterst kompetenta forskare som satt sina funderingar kring karakterisering av avloppsvatten vid modellering på pränt. Det är svårt att på tre sidor sammanfatta en artikel, som i sig är en sammanfattning av ett stort material, och det är därför svårt att ge artikeln rättvisa.
Källa: J-M. Choubert, L. Rieger, A. Shaw, J. Copp, M. Spérandio, K. Sörensen, S. Rönner-Holm, E. Morgenroth, H. Melcer, S. Gillot. Rethinking wastewater characterization methods for activated sludge systems – a position paper. Water Science & Technology 67.11 (2013) pp 2363 – 2373.
Hela artikeln från Water Science & Technology finns att köpa här.
