Processcheman för framtida energipositiva avloppsreni

Av: Bengt Andersson

Ett avloppsreningsverk skulle teoretiskt kunna vara energineutralt eller t.o.m. energipositivt eftersom det kalorimetriska energiinnehållet i avloppsvatten är större än den normala förbrukningen av energi. Studier av olika optimeringsåtgärder har visat att det externa elenergibehovet kan minskas med mellan 10 och 50 % genom att minska energiförbrukningen och/eller öka produktionen av biogas, vilket inte har varit tillräckligt för att skapa energipositiva anläggningar. Behov av insatser i form ändrade processutformningar erfordras, där processerna inte behöver vara nya i sig utan processerna utnyttjas på annat sätt. 

Huvudprincipen för en utveckling av energipositiva anläggningar är att maximera energiproduktionen och minimera energianvändningen och detta kan realiseras genom att separera COD-avskiljningen och närsaltavskiljningen. Genom ett högbelastat aktivtslamsteg (HRAS) som ett första steg kan det organiska materialet i avloppsvattnet adsorberas i slammet för en ökad biogasproduktion genom rötning (AD) och en minskad energiåtgång för nedbrytning av COD i den biologiska processen. Alternativt kan kemisk förfällning (CEPT) öka avskiljningen av suspenderat material och COD med samma resultat. Genom att ersätta konventionell nitrifikation/denitrifikation med partiell nitritation/anammox (PNA) kan både energin för luftning och behovet av COD för denitrifikationen minskas. Alternativ kan aktivtslamprocessen drivas för partiell nitrifikation/denitrifikation (PND) genom intermittent luftning för att minska andelen nitritoxiderande bakterier (NOB).

Syftet med genomförd studie var att utveckla enkla simuleringsmodeller för enhetsprocesser som HRAS, CEPT, PNA, PND och AD och att integrera dem i nya kombinationer för energipositiva reningsverk för jämförelse med CAS (konventionell aktivtslam), där utvärderingen tar hänsyn till utgående vattenkvalitet, driftkostnader och energiproduktion.

Genomförande

Tre olika processlayouter jämfördes genom simuleringar, där CAS utgjorde en traditionell layout och där HRAS + PNA och CEPT + PND var layouter för maximerad energiproduktion och minimerad energianvändning. Tillgängliga, väl använda och allmänt accepterade modeller för att beskriva de olika enhetsprocesserna utnyttjades i studien. Flöde och inkommande halter av COD och total-N vid simuleringarna utgjordes av samma parametrar som i Benchmark Simulation Model no 2 (BSM2). 

Modellerna implementerades i Matlab och Simulink och simuleringarna kördes vid stationära förhållanden under 500 dygn och därefter som dynamiska simuleringar för värdering av resultatet. Utgående kvalitetsindex EQI (Effluent Quality Index) beräknades där COD gavs vikten 1, Kjeldahl-N vikten 30 och nitrat vikten 10. Vidare beräknades ett driftkostnadsindex OCI. Utvärdering gjordes även av effekten av en årlig belastningsökning på resultaten, där flödesbelastningen ökades totalt med cirka 40 % under en 30-årsperiod medan inkommande koncentrationer var oförändrade. 

Resultat

Resultatet av simuleringar med indata från BSM2 visade att utgående kvävehalt från CAS i genomsnitt uppgick till 13,5 mg N/l medan utgående vatten från HRAS+PNA resp. CEPT+PND innehöll 4,2 resp. 6,4 mg N/l, vilket innebar en ökad kväveavskiljning med 69 resp. 53 %. Både PNA och PND bygger på genvägar för kväveavskiljningen med ett mindre behov av organiskt kol för denitrifikation och av energi för luftningen för nitrifikation. COD/N-förhållandet i inflödet till processerna var viktigt att kontrollera då processerna utnyttjas som huvudströmsprocesser. Vid simulering av CEPT+PNA erhölls t.ex. lägre kväveavskiljning på grund av inhibering av nitrit vid ett för högt COD/N-förhållande efter CEPT och därför ersattes PNA av PND i detta processchema. Utgående COD-halt var lägst för CEPT+PND med 39 mg COD/l medan utgående halter för CAS och HRAS+PNA uppgick till 49 resp. 67 mg/l. 

Alternativen med CAS och CEPT+PND erfordrade omkring 2,5 gånger större volym än HRAS+PNA beroende på lägre SRT och HRT i HRAS och på en fastbäddsreaktor för PNA. Storleken av PND-reaktorn kunde göras väsentligt mindre om en SBR-process utnyttjades istället. Syftet med studien var dock att maximera potentialen av att utnyttja samma tankar som i CAS för att inte behöva bygga nya reaktorer.

Koncepten med HRAS och CEPT medförde att biogasproduktionen ökade med 53 resp. 35 %. Dessutom innebar genvägarna för kväveavskiljningen genom PNA och PND en minskning av energin för luftning med omkring 25 %. Genom den kombinerade effekten skapades en god potential för framtida energipositiva avloppsreningsverk. De samlade driftkostnaderna för HRAS+PNA indikerade lägst värde medan CEPT-PND hade något högre driftkostnader på grund av erforderlig dosering av järnklorid för förfällningen.

En jämförelse av hur en ökad belastning påverkade resultatet för de olika processvarianterna gjordes för en 30-årsperiod. EQI var ungefär detsamma för alla alternativet under de första 10 åren medan index ökade med 300 resp. 200 % för CAS resp. CEPT+PND vid år 30 jämfört med vid år 0 men bara med 100 % för HRAS+PNA. Den mindre ökningen för HRAS+PNA berodde framför allt på den lägre utgående kvävehalten. Maxvärdet för kvävehalten i utgående vatten i BSM2 var 18 mg N/l och för COD-halten 100 mg COD/l. Utgående kvävehalt var klart lägre än 18 mg N/l för HRAS+PNA medan gränsen överskreds för de andra alternativen. Utgående COD-halt var lägre än 100 mg /l för alla alternativen. Variationerna i OCI var små med låga värden för HRAS+PNA och CEPT+PND och väsentligt högre värde för CAS.

Studien visade att enkla och tillförlitliga modeller för simulering av olika kombinationer av processcheman finns, där hänsyn tagits till bidragande processer och faktorer på tillförlitligt sätt. Erforderliga driftförhållanden för att upprätthålla genvägarna för nitritation och partiell nitritation medför behov av kontroll- och styrstrategier. Det kan även vara av stort intresse att göra simuleringarna med olika parametrar för inflödet eftersom COD/N-förhållandet är en viktig parameter som behöver beaktas.

Slutsatser

Simulering av olika processcheman för framtida energipositiva reningsverk visade att 

Källa: S. Kimberly, M. Jia, E.I.P. Volcke.  Process schemes for future energy-positive water resource recovery facilities. Water Science & Technology 79.9 2019, pp 1808-1820.

Hela artikeln från Water Science & Technology finns att läda gratis här.