Validering av kolloid-modellen för att optimera utformning och drift av både en MBBR reaktor och en integrerad fastfilm/aktivtslamanläggning. En fördenitrifikationsprocess dels i form av en ren MBBR dels i form av en IFAS med MBBR och suspenderat slam modellerades med hjälp av en kolloidmodell. Genom en systematisk simulering kunde dimensionering och drift av IFAS optimeras.
Av: Bengt Andersson
MBBR (moving-bed biofilm reactor) och IFAS (integrated fixed-film activated sludge) har kommit till ökad användning vid kväveavskiljning vid kommunala avloppsreningsverk i form av såväl nya som uppgradering av befintliga anläggningar. Olika simuleringsmodeller har utvecklats under senare år för dimensionering och drift av både en ren MBBR-process och en IFAS-process för fördenitrifikation och nitrifikation. Det har emellertid i flera undersökningar konstaterats att nitrifikationshastigheten i biofilmen varit högre vid simuleringarna än vid de experimentella försöken beroende på att växelverkan mellan partikulär långsamt nedbrytbar COD och biofilmen, som ägde rum vid försöken, inte hade beaktats i modellen.
För att förbättra modelleringen har den s.k. kolloid-modellen föreslagits, där kolloidalt COD i inkommande avloppsvatten samverkar både med biofilmen och de suspenderade flockarna genom fastsättnings- och lösgöringsfenomen. I modellen kan partikulära komponenter ha tre möjliga tillstånd – kolloider, flockar och biofilm.
Modelleringar i refererad studie gjordes för att 1) belysa effekten av löst syre, resthalt av ammonium och koncentrationen lättillgängligt löst organiskt material i vätskefasen på nitrifikationshastigheten i biofilmen, 2) analysera effekten av partikulär långsamt nedbrytbar COD på nitrifikations- och denitrifikationshastigheterna både i en ren MBBR-process och i en IFAS-process och 3) analysera effekten av den aeroba slamåldern (SRT) på nitrifikationshastigheten i det suspenderade slammet (MLSS) och i biofilmen i en IFAS-process. Avsikten var att försöka bestämma de optimala kriterierna.
Genomförande av simuleringarna
Framtagen kolloidmodell har tidigare kalibrerats mot försöksresultat från en IFAS-anläggning i Johannesburg och från flera försök i pilotanläggningar vid universitetet i Navarra i Spanien. Modellen kunde tillfredsställande beskriva inte bara omfattande och varierande försöksresultat med MBBR och IFAS i pilotskala utan även resultat erhållna i andra publicerade studier. Valideringsgraden för modellen kan därför betraktas som hög. Modellen har implementerats i simuleringsplattformen WEST (World Wide Engine for Simulation, Training and Automation).
Den första omgången simuleringar gjordes med ett syntetiskt avloppsvatten för en ren aerob MBBR. Avloppsvattnet innehöll ingen partikulär COD, temperaturen var 10 oC. Den hydrauliska uppehållstiden uppgick till 2 timmar och bärarmaterialets specifika yta var 250 m2/m3. Syftet var att testa effekten av ammoniumhalt, syrehalt och halten löst COD i vätskefasen på nitrifikationshastighet i biofilmen. Den andra omgången simuleringar avsåg att kvantifiera effekten av kolloidalt COD på denitrifikations- och nitrifikationshastigheten i MBBR respektive IFAS. Här användes ett inkommande avloppsvatten från Bilbaos reningsverk till en fördenitrifikationsprocess med en total hydraulisk uppehållstid av 4 timmar vid simuleringarna. I den sista omgången simuleringar studerades effekten av varierande aerob SRT på nitrifikationshastigheten i det suspenderade slammet och i biofilmen. Här var den hydrauliska uppehållstiden 8 timmar och SRT varierades genom att variera MLSS från 1,5 till 5,5 g/l.
Resultat
Nitrifikationshastigheten i biofilmen i en aerob MBBR påverkades av kvarvarande ammoniumhalt i vätskefasen och det fanns två klart differentierade zoner beroende på NH4-N-halten. Då halten översteg 4 mg N/l uppnåddes ett maximalt värde för hastigheten beroende på syrebegränsning i de inre delarna av biofilmen. Med en inkommande COD-halt lika med 0 och en syrehalt av 5 mg/l i vätskefasen uppgick den maximala nitrifikationshastigheten till 1,2 g N/m2*d, vilken halverades (0,6 g N/m2*d) då inkommande löst COD-halt ökade till 50 mg/l. Detta berodde på att en högre tillgänglighet av löst COD inuti biofilmen medförde en ökad tillväxt av heterotrofer på ytan av biofilmen som konkurrerades med nitrifierarna om syret. För samtliga beräkningsfall minskade nitrifikationshastigheten kraftigt då NH4-N-halten understeg 2 mg N/l. För att upprätthålla en hög nitrifikationshastighet i biofilmen rekommenderades att NH4-N-halten i vätskefasen bör vara i området 2 – 3 mg N/l.
Vid simulering av fördenitrifikation med en ren MBBR-process med en anoxisk och två aeroba ökade partikelhalten i reaktorn något jämfört med inkommande halt beroende på släpp av partiklar från biofilmen. Det innebar att av den totala partikelhalten i vätskefasen utgjorde omkring 25 % en kolloidal organisk fraktion, som samverkade med biofilmen i de olika reaktorerna. Merparten av löst COD avskildes i den anoxiska reaktorn medan den kolloidala fraktionen endast avskildes till en del. Ungefär hälften av heterotroferna växte på löst och hälften på kolloidalt COD, vilket resulterade i en denitrifikationshastighet i biofilmen på 0,8 g N/m2*d (200 g N/m3*d). Kolloidalt COD avskildes till en del i de aeroba reaktorerna. I den första reaktorn var koncentrationen av heterotrofer i biofilmen ganska hög och med relativt högt kolloidalt COD i inkommande vattenström uppnåddes en nitrifikationshastighet i biofilmen av 0,6 g N/m2*d (150 g N/m3*d) utan ammoniumbegränsning. I den andra aeroba reaktorn minskade koncentrationen av heterotrofer men hastigheten var ungefär densamma (0,62 g N/m2*d) beroende på en svag begränsning av ammonium.
Vid simulering av fördenitrifikation i IFAS med samma utformning och driftförhållanden som MBBR ovan men med en högre MLSS-koncentration i alla reaktorerna var koncentrationen av kolloidalt COD lägre i reaktorerna (10 – 25 mg/l) än i MBBR (45 – 70 mg/l) beroende på en högre adsorption på de suspenderade slamflockarna. Det innebar att samverkan mellan kolloidalt COD och biofilm var lägre i IFAS än i MBBR, att koncentrationen av heterotrofer i biofilmen var tre gånger lägre och att biofilmen var tunnare i IFAS än i MBBR. Den heterotrofa aktiviteten i IFAS var i huvudsak lokaliserad till det suspenderade slammet medan motsvarande aktivitet fanns i biofilmen i MBBR. Den totala denitrifikationshastigheten i den anoxiska reaktorn i IFAS uppgick till 300 g N/m3*d (1,2 g N/m2*d), varav endast cirka 20 % skedde i biofilmen, vilket medförde att behovet av bärarmaterial i anoxiska reaktorn kunde ifrågasättas ur ekonomisk synpunkt. Nitrifikationshastigheterna i de aeroba reaktorerna var cirka 20 % högre i IFAS än i MBBR på grund av en lägre heterotrof aktivitet. Men även om effekten av kolloidalt COD är lägre i IFAS är den dock inte försumbar.
Den aeroba slamålderns inverkan på nitrifikationshastigheterna visade att hastigheten i biofilmen i den första reaktorn var konstant oavsett slamåldern eftersom ammoniumhalten översteg 4 mg N/l och inga begränsning fanns i biofilmen. Nitrifikationshastigheten i den suspenderade biomassan var beroende av slamåldern. Vid SRT 1,4 dygn, som är lägre än den kritiska slamåldern för nitrifikation, som kunde beräknas till 3,4 dygn vid 10 oC (1/(mA – bA), där mA är maximal tillväxthastighet och bA nedbrytningshastighet för nitrifierarna,), uppgick hastigheten till 40 g N/m3*d. En ökning av slamåldern till 3,5 resp. 6 dygn gav en linjär ökning av hastigheten. Det medförde en lägre NH4-N-halt i vätskefasen i den andra aeroba reaktorn och en kraftig minskning av nitrifikationshastigheten i biofilmen till 30 g N/m3*d, vilket är ett dåligt utnyttjande av bärarmaterialets höga potential för nitrifikation. Vid val av slamålder påpekades dock att det är viktigt att åtminstone den kritiska slamåldern uppnås för att undvika dåliga sedimenteringsegenskaper hos slammet.
Sammanfattningsvis rekommenderades för aktuellt driftfall en aerob slamålder av 3,4 dygn, vilket gav en nitrifikationshastighet i det suspenderade slammet av mellan 60 och 90 g N/m3*d i reaktorerna och en hastighet av mellan 120 och 200 g N/m3*d i biofilmen.
Slutsatser
Studien visade att
- nitrifikationshastigheten i en ren MBBR-process för fördenitrifikation (0,6 g N/m2*d) var hälften av den som skulle uppnås vid efternitrifikation beroende på inverkan av inkommande kolloidalt organiskt material,
- samverkan mellan kolloidalt material och biofilmen var lägre i IFAS än i MBBR beroende på adsorption av kolloidalt material på flockarna men påverkan var dock inte försumbar,
- nitrifikationshastigheten i biofilmen påverkades av syrehalt och ammoniumhalt i vätskefasen och en ammoniumhalt av mellan 2 och 3 mg N/l rekommenderades,
- en aerob slamålder nära den kritiska rekommenderades.
Källa: J. Albizuri, P. Grau, M. Christensson, L. Larrea. Validating the Colloid model to optimise the design and operation of both moving-bed biofilm reactor and integrated fixed-film activated sludge systems. Water Science & Technology 69.7 (2014) pp 1552 – 1557.
Hela artikeln från Water Science & Technology finns att köpa här.
