Sekventiell biofiltrering – En ny tillämpning för ökad

Sekventiell biofiltrering är en ny tillämpning för ökad avskiljning av organiska spårämnen från ett utgående avloppsvatten. Sekventiell biofiltrering med oxiska och oligotrofa förhållanden i det andra steget visade att en ökad avskiljning av organiska spårämnen kunde uppnås jämfört med enstegsfiltrering vid samma uppehållstid.

Av: Bengt Andersson

Nya upptäckter har visat att den biologiska nedbrytningen av organiska spårämnen (TOrC, trace organic chemicals) i hög grad beror på omgivningsförhållandena. I en lösning, som kallats SMART (sequential managed aquifer recharge technology), användes sekventiell infiltration för att etablera oxiska och oligotrofa förhållanden vid grundvatteninfiltration. Ursprungsvattnet rikt på nedbrytbart organiskt kol (BDOC) infiltrerades i en första infiltrationsbädd, där mikrobiell nedbrytning av BDOC ledde till en snabb syrebrist och ökade redoxförhållanden. Efter återvinning av vattnet tillfördes syre genom passiv återluftning och vattnet infiltrerades igen i ett andra infiltrationssteg vid oxiska och oligotrofa (substratfattiga) förhållanden. Avskiljningen av TOrC förbättrades väsentligt vid sekventiell infiltration jämfört vid en normal infiltration och små driftsförändringar kunde ställa in det biologiska systemet för en utökad avskiljning av föreningar, som normalt har en hög persistens.

Syftet med refererad undersökning var att utveckla ett nytt koncept för sekventiell biofiltrering med etablering av oxiska och oligotrofa förhållanden vid väsentligt kortare uppehållstider än vid grundvatteninfiltration. Avsikten med det första filtersteget var att bryta ned det lättnedbrytbara organiska substratet och därmed skapa oxiska och oligotrofa förhållanden i det efterföljande andra steget. Målsättningen var att kunna uppnå en högre avskiljning av TOrC även i en teknisk reningsprocess med kortare uppehållstider.

Genomförande

Försöken genomfördes i fem nedströms filterkolonner i pilotskala. Två kolonner med antracit 1,4 – 2,5 mm användes som första filtersteg och kolonnerna backspolades ungefär var 4 – 6 vecka. Tre kolonner med sand 0,2 – 1,0 mm användes som andra steg och filtrena ympades med 5 % material från en flodbank med infiltration. Filtrena beskickades med ett nitrifierat utgående kommunalt avloppsvatten. De TrOC-halter, som fanns i utgående avloppsvatten, utnyttjades utan ökning genom spikning.

Genom de fem filterkolonnerna kunde driftförhållanden och inställningar varieras beroende på vilka aspekter som skulle undersökas. Uppehållstiden EBCT (empty bed contact time) var som grund 90 minuter i första och 200 minuter i andra steget. För en jämförelse mellan enstegs och sekventiell filtrering ökades uppehållstiden i enda steget till 290 minuter medan uppehållstiden vid tvåstegsfiltreringen fortsatt var 90 resp. 200 minuter i första och andra steget. För att undersöka effekten av uppehållstiden i andra steget användes tre parallella linjer, där uppehållstiden i andra steget varierades mellan 200 och 2000 minuter.

Redox, ammonium, nitrat, organiska ämnen och TrOC analyserades i inkommande och i utgående avloppsvatten från filterkolonnerna. Förändringar av avskiljningen av organiska ämnen bestämdes genom analys av DOC och UV absorbansen vid 254 nm (UVA₂₅₄). TrOC bestämdes genom vätskekromatografi kopplad till tandem masspektrometri (LC-MS/MS).

Resultat

Genomförda pilotskaleförsök visade att en sekventiell biofiltrering kunde öka avskiljningen av flera TrOC i ett utgående avloppsvatten även vid en dramatiskt kortare uppehållstid jämfört med grundvatteninfiltration. En sekventiell filtrering med två filter i serie med luftning mellan filtren skapade erforderliga oxiska och oligotrofa förhållanden i det andra filtersteget.

Korttidsförsök visade att systemet var robust även vid plötsliga variationer i inkommande belastning. Vid kortare uppehållstid och högre belastning minskade förbrukningen av löst syre, DOC, UVA₂₅₄ och några TrOC över det första filtret men oxiska förhållanden kunde ändå upprätthållas i det andra steget utan negativ effekt på avskiljningen av TrOC.

En jämförelse mellan enstegs och sekventiell filtrering med samma totala uppehållstid visade att sekventiell filtrering gav en högre avskiljning av DOC och UVA₂₅₄ samt olika TrOC som ibuprofen, naproxen, citalopram, klimbazol, benzotriazol, gabapentin, metoprolol och sulfametoxazol. Även om en hög avskiljning (> 80 %) av många TrOC kunde uppnås fanns några ämnen med en hög persistens som inte kunde brytas ned i någon större grad som t.ex. diklofenak och karbamazepin.

Långtidsförsök med varierande uppehållstid i det andra filtersteget visade att avskiljningen av DOC inte påverkades av uppehållstiden medan avskiljningen av UVA₂₅₄, DO och TrOC som diklofenak, metoprolol och sulfametoxazol ökade. Uppehållstiden hade således en positiv inverkan på resultatet vid oligotrofa förhållanden.

Försöken med sekventiell filtrering visade att systemet hade en potential för utnyttjas som ett avancerat reningssteg för en ökad avskiljning av TrOC i utgående avloppsvatten. Vid en jämförelse med andra metoder konstaterades att biofiltrering hade vissa fördelar mot aktivt kol genom att polära föreningar som acesulfam och gabapentin kunde avskiljas, vilket inte är fallet vid aktivt kol. Dessutom bildades inga toxiska omvandlingsprodukter som vid oxidation med ozon eller andra kraftiga oxidationsmedel.

Försöken i pilotskala med sekventiell biofiltrering visade att processen kunde implementeras med väsentligt kortare uppehållstider än vid grundvatteninfiltration. Dock är det fysiska fotavtrycket viktigt och en optimering av den hydrauliska uppehållstiden är avgörande för processens utveckling och etablering i full skala.

Slutsatser

Studier av sekventiell biofiltrering, där förhållandena i andra steget var oxiska och oligotrofa visade att

Källa: J. Müller, J.E. Drewes, U. Hübner. Sequential biofiltration – A novel approach for enhanced removal of trace organic chemicals from wastewater treatment plant effluent. Water Research 127 (2017), pp 127 – 138.

Hela artikeln från Water Research finns att köpa här.