Utvärdering av kvävefraktioner i avloppsreningsprocess med membranbioreaktor Agnes Söderström

(1)

EXAMENSARBETE INOM KEMITEKNIK, GRUNDNIVÅ STOCKHOLM, 2018

KTH ROYAL INSTITUTE OF TECHNOLOGY

Utvärdering av kvävefraktioner i

avloppsreningsprocess

med

(2)

Titel:

Utvärdering av kvävefraktioner i avloppsreningsprocess

med membranbioreaktor

Engelsk titel:

Evaluation of Nitrogen Fractions in A Sewage

Treatment Process with Membrane Bioreactor

Sökord:

Arbetsplats:

Handledare på

arbetsplatsen:

Handledare på

KTH:

Student:

Datum:

Examinator:

MBR, kväverening, avloppsreningsverk,

aktivslamanläggning, Henriksdals ARV, Hammarby

Sjöstadsverk

Hammarby Sjöstadsverk

Klara Westling (IVL), Sofia Andersson (SVOA)

Mats Jansson

Agnes Söderström

(3)

Sammanfattning

Henriksdals avloppsreningsverk genomgår en stor ombyggnation för att kunna hantera både ökad belastning och de strängare reningskrav som förväntas i framtiden. Med anledning att Bromma reningsverk kommer läggas ned, kommer ytterligare avloppsvatten ledas till Henriksdals avloppsreningsverk. Då även en kraftig ökning av befolkningen i upptagningsområdet förväntas behöver reningsverket klara en fördubblad kapacitet jämfört med idag. Dagens reningskrav med avseende på kväve är 10 mg/L och detta förväntas i framtiden skärpas till 6 mg/L. För att uppnå dessa krav kommer den biologiska reningen i den nuvarande aktivslamprocessen kombineras med membranfiltrering i en så kallad membranbioreaktor (MBR). I den biologiska reningen renas vattnet från kväve i två steg med hjälp av bakterier. Dessa steg är nitrifikation och denitrifikation.

På pilotanläggningen vid Hammarby sjöstadsverk har det under året 2018 varit av intresse att studera förekomsten av kvävefraktioner i reningslinjen, då den första av sju MBR-behandlingslinjer kommer att startas upp vid Henriksdals ARV i början av 2020. Vid uppstart av denna linje finns vissa begränsningar vad gäller dosering av kemikalier för fosfor- och kväverening. Ingen kolkälla eller fällningskemikalie kommer att kunna doseras, då tankar för dessa ej kommer vara färdigbyggda.

(4)

4 (86)

Abstract

Henriksdals sewage treatment plant is undergoing a major reconstruction in order to handle increased load as well as the stricter cleaning requirements expected in the future. Due to the planned shutdown of Bromma treatment plant, additional wastewater will be led to Henriksdals sewage treatment plant. When a significant increase in population in the catchment area is also expected, the treatment plant will need a doubling of its capacity compared to today. Today's nitrogen treatment requirements in the effluent wastewater are 10 mg/L and this is expected to be 6 mg/L in future. To achieve these requirements, the biological treatment step of the current active sludge process will be combined with membrane filtration in a so-called membrane bioreactor (MBR). In the biological treatment, the nitrogen removal is a two-step process using bacteria. These steps are nitrification and denitrification.

In the pilot plant at Hammarby Sjöstadsverk, in 2018, it is of interest to study the presence of nitrogen fractions in the process, since the first of seven MBR treatment lines will be started at Henriksdals WWTP early 2020. At the start of this line there are some limitations regarding dosage of chemicals for the removal of phosphorus and nitrogen. No carbon source or precipitation chemicals will be possible to add, since the storage for these will not be constructed in time for the startup.

(5)

Innehållsförteckning

1. Inledning ... 7 1.1 Bakgrund... 7 1.2 Mål ... 9 1.3 Utförande ... 9 1.4 Avgränsningar ... 9 2. Teori ... 10 2.1 Aktivslamprocessen ... 10 2.2 Kväverening i en aktivslamanläggning ... 10 2.3 MBR ... 11 2.4 Slamhydrolys ... 12 3. Metod ...13 3.1 Pilotlinjen ... 13 3.1.1 Membranen ... 14 3.2 Provtagningskampanj ... 15 3.2.1 Provtagning ... 17 3.3 Analys ... 19 3.4 Massbalanser ... 20

4. Resultat och diskussion... 21

4.1 Felkällor ... 21

4.2 Provtagningstillfälle 1 ... 22

4.3 Provtagningstillfälle 2... 32

4.4 Provtagningstillfälle 3... 42

4.5 Provtagningstillfälle 4 ... 52

4.6 Utgående halter av N-tot ... 61

4.7 Jämförelse mellan provtagningskampanjerna ... 62

5. Slutsats ... 64

6. Referenser ... 66

Bilaga 1. Beskrivning av analys ... 67

Bilaga 2. Data provtagningstillfälle 1 ... 70

(6)

(7)

1. Inledning

1.1 Bakgrund

Henriksdals avloppsreningsverk genomgår en stor ombyggnation för att kunna hantera både ökad belastning och de strängare reningskrav som förväntas i framtiden. Med anledning att Bromma reningsverk kommer läggas ned, kommer ytterligare avloppsvatten ledas till Henriksdals avloppsreningsverk. Detta, i kombination med att en kraftig ökning av befolkningen i upptagningsområdet förväntas, leder till att reningsverket behöver klara en fördubblad kapacitet jämfört med idag [1]. Henriksdals avloppsreningsverk är i dagsläget redan Sveriges största ARV och tar emot avloppsvatten från cirka 950 000 personekvivalenter. Efter ombyggnationen kommer kapaciteten ha ökat till att kunna behandla avloppsvatten från 1,6 miljoner personer [2].

Dagens reningskrav med avseende på kväve är 10 mg/L men förväntas i framtiden skärpas till 6 mg/L. För att klara den fördubblade kapaciteten och de skärpta kraven kommer reningsverkets biologiska rening byggas om. Aktivslamprocessen kommer att kombineras med membranfiltrering och blir världens största membranbioreaktor (MBR) där dagens utrymmeskrävande eftersedimentering byts ut mot ca 1,6 miljoner kvadratmetermembranyta [1].

MBR är en platseffektiv teknik som möjliggör att Henriksdals ARVs kapacitet kan ökas utan att någon större ytterligare markyta behöver tas i anspråk. Detta är en viktig förutsättning för just Henriksdals ARV då hela reningsverket ligger insprängt i berg och möjligheterna till ökad markanvändning är ytterst begränsade [2].

Sedan 2013 genomför IVL Svenska Miljöinstitutet och Stockholm Vatten och Avfall försök i pilotskala på IVLs forskningsanläggning för avloppsvattenrening; Hammarby Sjöstadsverk, som ligger i anslutning till Henriksdals ARV. Försöken finansieras gemensamt av IVL och Stockholm Vatten och Avfall. Syftet med försöken är att öka kunskapen om membrantekniken och undersöka hur väl den fungerar under svenska förhållanden som karaktäriseras av bland annat låg vattentemperatur. Dessutom utförs tester för att utvärdera möjligheter till resurseffektivisering och undersöka möjliga bi-effekter.

Pilotförsöken genomförs i en process som är en nästan identisk kopia av framtida processen på Henriksdals ARV och den har utvecklats i takt med att processutformningen för framtida Henriksdals tagits fram. Ett av avloppsreningsverkens huvudsyfte är att avskilja största mängden kväve/ammonium i det inkommande vattnet. Detta görs i två steg; nitrifikation och denitrifikation. I nitrifikationssteget oxideras ammonium (NH4+) till nitrat (NO3-). I denitrifikationssteget reduceras sedan nitrat via nitrit (NO2-) till kvävgas (N2) vilket utan negativa effekter kan släppas till atmosfären. För reduktion av NO3- till N2 behövs någon typ av kolkälla (COD) finnas tillgänglig. Denna kan antingen finnas naturligt tillgänglig i inkommande avloppsvatten eller tillsättas i processen (extern kolkälla).

(8)

(9)

1.2 Mål

• Att undersöka huruvida det går att uppnå önskad kväverening vid maximal belastning under omständigheter liknande de som råder vid uppstart av den första reningslinjen i fullskala på Henriksdals ARV.

• Öka förståelsen vad som händer med kvävet i de olika zonerna

1.3 Utförande

• Litteraturstudie kring kvävereningsprocessen i avloppsreningsverk • Planering av provtagningskampanj

• Genomförande av provtagningskampanj, det vill säga provtagning i olika punkter samt analys av tagna prover på internt laboratorium

• Sammanställning av resultat från provtagningskampanj • Sammanställning av slutrapport

• Slutpresentation på Hammarby Sjöstadsverk alternativt Henriksdals ARV

1.4 Avgränsningar

• Nitritjoner är ett mellansteg i nitrifikationsprocessen. Halten av NO2-N har undersökts och presenteras i massbalanserna i resultatet men koncentrationerna är så pass låga att dess effekt inte kommer att diskuteras ytterligare.

• För att underlätta presentationen av resultatet har antagandet gjorts att all NO3-N som förbrukats har bildat N2.

• Rejektvattenflödet, som levereras från Sickla till pilotlinjen, har provats och

analyserats, men detta visade sig vara onödigt då detta flöde redan är inbakat i inflödet. Resultatet av dessa provtagningar kommer inte att diskuteras vidare.

• Med avseende på totalkväve presenteras och diskuteras utgående halter i permeatet. Vad gäller massbalanser över totalkväve så presenteras dessa i resultatdelen men kommer inte att diskuteras vidare.

(10)

10 (86)

2. Teori

2.1 Aktivslamprocessen

I en aktivslamprocess leds avloppsvattenflödet genom luftade och oluftade zoner. Här arbetar olika slags mikroorganismer med att bryta ned det organiska innehållet i avloppsvattnet. I processen bildas ny cellmassa som även kallas slam. I en traditionell aktivslamanläggning leds avloppsvattnet efter dessa zoner vidare till sedimenteringsbassänger. Där tillåts det aktiva slammet, det vill säga flockar av bakterier och organiskt material sjunka till botten och på så sätt separeras från det renade vattnet. En del av detta slam tas ut som överskottsslam men en stor del av slammet pumpas tillbaka i form av returslam till början av processen för att upprätthålla bakteriekulturen och en hög koncentration av aktiv biomassa i zonerna [3].

Figur 1. Traditionellt aktivslamsteg

2.2 Kväverening i en aktivslamanläggning

I det kommunala avloppsvattnet återfinns kväve till störst del som ammoniumjoner eller i form av ämnen som sönderfaller till ammonium. En viss kvävereduktion sker genom assimilation, dvs genom att organismer binder in kväve i sin cellstruktur, men denna reduktion uppgår endast till ca 10-20% av kvävemängden [3]. För att uppnå reningskraven krävs ytterligare reduktion av kväve. En aktivslamanläggning är en biologisk process, där olika bakterier utnyttjas för att reducera mängden kväve i avloppsvattnet. Reningen sker i två steg, nitrifikation och denitrifikation.

En förenklad beskrivning av processen för nitrifikation visas i ekvation 1 och 2. Nitrifikation:

𝑁𝐻_#$_{+ 1,5 𝑂}

+ → 𝑁𝑂+-+ 𝐻+𝑂 + 2𝐻$ (1)

(11)

I nitrifikationsprocessen hjälper nitrifikationsbakterier till att omvandla ammoniumjoner till nitrat, vätejoner och vatten under syreförbrukning. De tankar i avloppsvattenreningen där denna process sker måste därför ha god luftning för att säkerställa att bakteriernas syrebehov uppfylls. De vätejoner som produceras i processen kan sänka pH-värdet, vilken ger en negativ effekt på omvandlingen då nitrifikationsbakterier är känsliga för lägre pH-värden. Detta löses ibland genom tillsats av en buffert för att hålla pH stabilt. Till skillnad från denitrifikationsbakterier behöver nitrifikationsbakterierna inte organiskt material.

Nitrifikationsbakterier är långsamt växande och tillväxtens hastighet påverkas till stor del av vattnets temperatur. Nitrifikationen blir därför lidande under vinterhalvåret då vattnets temperatur är så pass låg att bakterietillväxten hämmas och en stabil nitrifikationsprocess uppnås först då slammet uppnått en ålder på >20 dygn [3].

En förenklad beskrivning av processen för denitrifikation visas i ekvation 3. Denitrifikation:

𝑂𝑟𝑔𝑎𝑛𝑖𝑠𝑘𝑡 𝑚𝑎𝑡𝑒𝑟𝑖𝑎𝑙 + 2𝑁𝑂₀-+ 𝐻₊𝑂 → 2,5 𝐶𝑂₊+ 2𝑂𝐻-_+ 𝑁

+ (3)

Denitrifikationsbakterier kan jobba både anaerobt och aerobt. Om syre finns tillgängligt kommer denitrifierarna föredra att oxidera syre hellre än nitrat, då det är mer energieffektivt. Produkterna är koldioxid, hydroxidjoner samt kvävgas, som släpps ut till luften. Denitrifikationsbakterierna kräver organiskt material som elektronacceptor i denitrifikationsprocessen samt för att bygga ny biomassa, denna tillsätts i vissa fall externt i form av metanol [3]. Den teoretiska förbrukningen av kolkälla vid denitrifikation är 2,8 g COD/ g NO3- som denitrifieras men man räknar ofta med en förbrukning av 4 g COD/ g NO3-. [4]

En förenklad beskrivning av processen för denna reaktion visas i ekvation 4.

𝑁𝑂₀- _{→ 𝑁𝑂}

+- → 𝑁𝑂 → 𝑁+𝑂 → 𝑁+ (4)

Om denitrifikationsprocessen är ofullständig, på grund av exempelvis låg tillgång på COD, kort uppehållstid eller lågt pH kan bildning av lustgas N2O ske. Detta är en kraftig växthusgas och ingen önskvärd produkt [5].

2.3 MBR

(12)

12 (86) olika typer av membran med olika för- och nackdelar. De membran som används vid Hammarby Sjöstadsverk beskrivs kort i avsnitt 3.1.1.

2.4 Slamhydrolys

(13)

3. Metod

3.1 Pilotlinjen

Pilotlinjen är utformad som en mindre kopia av framtida Henriksdals reningsverk i skala 1:6700, se figur 3. Inkommande avloppsvatten till pilotanläggningen pumpas från Danvikstunneln [1]. De två reningsstegen nitrifikation och denitrifikation kan kombineras på olika sätt för att uppnå olika resultat. I framtida Henriksdals ARV, och därför även i pilotlinjen på Hammarby sjöstadsverks, har man valt att inleda aktivslamanläggningen med fördenitrifikation, följt av nitrifikation och slutligen efterdenitrifikation. Då ett denitrifikationssteg placeras först minskar behovet av en extern kolkälla då ingående vatten har ett högt innehåll av organiskt material. Eftersom nitratjoner omvandlas till kvävgas i detta steg, men nitratinnehållet är mycket lågt i ingående vatten, recirkuleras stora mängder nitratrikt vatten från nitrifikationssteget i BR5 och även via returslamflödet från RAS-DeOxen. Då de två första tankarna, BR1 och BR2, inte är luftade, har ett högt COD-innehåll och nitratrikt vatten, är förutsättningarna goda för en fördenitrifikationsprocess.

(14)

14 (86) Efter fördenitrifikationen sker den syreförbrukande nitrifikationen i efterföljande två och en halv tank; BR3, BR4 och ena halvan av BR5. Dessa tankar är luftade och de ammoniumjoner som passerat opåverkade genom de två första tankarna omvandlas här till nitratjoner. Från Deox-zonen i BR5, går som tidigare nämnts ett recirkulationsflöde av nitratriktvatten till tank ett. Detta flöde är dubbelt så stort som det inkommande flödet.

Efter nitrifikationen sker en s.k deox i andra halvan av BR5, som ej luftas, där syret minskar eller allra helst förbrukas helt. I efterföljande tank, BR6, sker efterdenitrifikation. Här råder syrefattiga förhållanden och nitratjoner som bildats i nitrifikationen omvandlas till kvävgas. I detta steg skall tillsats av kolkälla ske för att möjliggöra denitrifikation. Extern kolkälla kommer dock inte kunna tillföras under uppstart av den första MBR-linjen i Henriksdals avloppsreningsverk och pilotanläggningen har därför under försökets period körts utan tillsats av kolkälla.

Efter de sex tankarna med nitrifikation och denitrifikation leds vattnet vidare till två parallella membranbioreaktorer. I en konventionell aktiv-slamanläggning är detta steg sedimentering. I membranbioreaktorerna filtreras vattnet, varvid slammet avskiljs från det renade avloppsvattnet. För att membranen inte skall sättas igen sker hela tiden luftning av membranen. Från de två membrantankarna leds de separata permeatflödena samman till ett utflöde.

Till zonen som kallas RAS-DeOx leds returslam (RAS, Return Activated Sludge) från membrantankarna. Syftet med zonen är att förbruka syret i returslamflödet så att fördenitrifikationskapaciteten inte minskar. Detta är en omrörd zon dit även rejektvatten med hög ammoniumhalt från slamavvattning skall ledas för att möta syrerikt slam från de luftade membrantankarna. Detta för att nitrifiera delar av ammoniumkvävet samt för att förbruka syret så att syrefattig miljö råder i BR1 dit returslamflödet leds. Rejektvattenflödet har dock ej varit igång under provtagningsperioden. En liten del av returslammet tas ut som överskottsslam. Överskottsslamuttaget reglerar slamhalten i linjen och även slamåldern.

3.1.1 Membranen

(15)

Figur 4. Membrankasett med tre membranmoduler [1]

3.2 Provtagningskampanj

Tolv olika provpunkter valdes ut. Dessa har markerats med röd prick i figur 5 och listas i tabell 2 nedan. För att kunna följa vattnets flöde genom linjen beräknades provtidpunkterna med hjälp av flödeshastighet och uppehållstid i respektive tank. Vid varje provpunkt togs ett prov ur vilket fem parametrar analyserades. Nitrit-N, nitrat-N, ammonium-N, total-N och COD. Vid varje punkt mättes även pH och temperatur.

Figur 5. Flödesschema samt provtagningspunkter

Provtagningen genomfördes under fyra veckor, med en provtagning per vecka. Insamlande av prover skedde en dag och analys av prover nästkommande dag. Proverna förvarades i kylskåp över natten. Provtagningsomgång ett och tre utfördes efter lunch och provtagningsomgång två och fyra utfördes på morgonen. Detta för att halterna varierar över dygnet.

(16)

16 (86) cirkulationsflödet av nitratrikt vatten från BR5 till BR1, QRAS är returslamflödet, QWAS överskottsslamflödet och SS i BR4 och RAS-DeOx är halten suspenderat material i dessa tankar. Syrehalten i RAS-DeOxen visar hur mycket syre som leds in i BR1 som skall vara syrefri och ammoniumhalten i BR5 ger en indikation om vilket analysintervall som skall användas vid analys av NH4-N.

Tabell 1. Noterade värden från on-linegivare vid varje provtagningsomgång

(17)

3.2.1 Provtagning

Inför provtagning förbereddes en mall med alla parametrar som skulle undersökas, se tabell 2 nedan. I kolumnen planerad tidpunkt visas de tidpunkter proverna skulle tas för att följa samma vattenflöde genom linjen. I kolumnen faktisk tidpunkt ifylldes de tidpunkter då proven faktiskt togs. Detta för att få en överblick i hur stor avvikelsen från de beräknade provtiderna var och för att kunna undersöka ytterligare parametrar i efterhand. Den provvolym som behövdes för analys varierade i de olika provpunkterna. Detta på grund av att de fem parametrarnas analysmetoder påverkades av vilket koncentrationsintervall som undersöktes.

Tabell 2. Mall för provtagning

Samtliga prover var stickprover. De filtrerades på plats genom ett 0,45µm filter (ej permeatprovet) och placerades i kylväska tills provtagningen var genomförd. Proverna förvarades därefter i kyl vid +8°C till dess att analyserna utfördes.

Provpunkt 1 i inflödet togs i ett skåp vid sidan av övriga reningslinjen. Ett stickprov på 30 ml togs med hjälp av automatisk provtagare.

Stickprover från provpunkt 2-7 i BR1-BR6 togs direkt ur respektive tank med hjälp av en halv flaska fastsatt på en stav, se figur 6. Omrörare i tankarna slogs av och på före och efter provtagning.

(18)

18 (86) Provpunkt 10, utflödet togs i toppen av en tank där permeatet samlades upp. Provet togs i toppen för att säkerställa dess färskhet. Provet togs direkt i en ren bägare utan att filtreras.

Provpunkt 11, RAS-DeOx, befanns i samma tank som membrankassetterna men i en separat kammare. Provet togs ur en slang kopplat i ett rör från tanken.

Provpunkt 12, rejektvatten från Sickla, togs med hjälp av en slang kopplad till en stor tank.

(19)

3.3 Analys

Alla prover analyserades på Hammarby Sjöstadsverks laboratorium. Proverna förvarades över natten i kylskåp och analyserades dagen efter provtagning. Detta för att 60 analyser utfördes vid varje analystillfälle och en del av analyserna var mycket tidskrävande. De olika kvävefraktionerna analyserades spektrofotometriskt med hjälp av celltest från WTW. Celltesten hade olika analysintervall och en del prover fick spädas för att hamna i ett lämpligt intervall. För att underlätta vid analys upprättades ett analysschema med de olika substansernas analysintervall och spädningsförhållande, se tabell 3. Proverna analyserades enligt beskrivning från tillverkaren av celltesterna, se bilaga 1.

Tabell 3. Analysintervall samt spädningsförhållandet. Spädningsförhållande visas till vänster i rutan för de ämnen med andra förhållanden än 1:1. Till höger visas analysintervall i mg/l.

Provtagningspunkt NO2-N [mg/l] NO3-N [mg/l] NH4-N [mg/l] N-tot [mg/l] COD [mg/l]

Inflöde (FV) 0,02-1 0,5-25 4-80 10-150 10-150 BR 1 0,02-1 0,5-25 0,5-16 1:2 0,5-15 10-150 BR 2 0,02-1 0,5-25 0,5-16 1:2 0,5-15 10-150 BR 3 0,02-1 0,5-25 0,5-16 1:2 0,5-15 10-150 BR 4 0,02-1 0,5-25 0,5-16 1:2 0,5-15 10-150 BR 5 0,02-1 0,5-25 0,5-16 1:2 0,5-15 10-150 BR 6 0,02-1 0,5-25 (0,2-8)(0,01-2)* 1:2 0,5-15 10-150 MBR 1 0,02-1 0,5-25 (0,2-8)(0,01-2)* 0,5-15 10-150 MBR 2 0,02-1 0,5-25 (0,2-8)(0,01-2)* 0,5-15 10-150 Utflöde 0,02-1 0,5-25 (0,2-8)(0,01-2)* 0,5-15 10-150 RAS-DeOx 0,02-1 0,5-25 (0,2-8)(0,01-2)* 0,5-15 10-150 Rejektvatten från Sickla 0,02-1 0,5-25 1:10 4-80 1:10 10-150 10-150

(20)

20 (86)

3.4 Massbalanser

Vid varje provomgång har ingående flöde från Danvikstunneln, nitratrecirkulationsflödet samt recirkulation av aktivt slam inhämtats från styrsystemet i enheten m3_{/h. I BR1 går alla dessa tre} flöden in. Detta är flödet i BR1-BR5. Ut ur BR5 går två flöden. Dels recirkulationsflödet av nitratrikt vatten till BR1 och dels flödet som går vidare i processen till BR6. Genom BR6 går alltså ett mindre flöde än genom BR1-BR5. Detta flöde delas sedan upp i två flöden som leds vidare till MBR1 och MBR2. I membrantankarna delas flödet upp ytterligare och två flöden går ut. Dels det renade permeatet och dels det uppkoncentrerade retentatet som leds vidare till RAS-Deoxen. Ur RAS-DeOxen går också två flöden. Recirkulationsflödet av aktivt slam till BR1 samt ett uttag av överskottsslam.

Halterna för de undersökta ämnena i ingående vatten från Danvikstunneln har uppmätts i provpunkt 1, inflöde. Halterna i nitratrecirkulationsflödet är desamma som i provpunkt 6, BR5 och halterna i returslamflödet är desamma som i provpunkt 11, RAS-DeOxen. Prover tagna i de olika tankarna visar koncentrationen i utflödet ur samma tank och koncentrationen i inflödet för efterföljande tank.

För att få fram massbalanser över de olika tankarna har enheten för flöde omvandlats till L/dygn och koncentration till kg/L. Detta ger massflöden i kg/dygn. För inflödet i BR1 har tre separata massbalanser ställts upp för de tre olika flödena och dessa har sedan adderats. I beräkningar har ett medelvärde på uppmätta koncentrationer i MBR1+2 multiplicerats med det totala inflödet till MBR1+2 för att ge massflöden in i membranbioreaktorn. Inga beräkningar har utförts på uttaget av överskottsslam ut ur RAS-DeOxen då detta flöde är så pass litet att osäkerheterna vid provtagning och analys blir för stor.

De olika fraktionerna presenteras som NO2-N, NO3-N samt NH4-N. Detta innebär att massbalanserna visar massan av kväve som finns bundet i de olika fraktionerna. I de olika tankarna sker många kemiska reaktioner. De reaktioner som är av intresse för denna rapport är nitrifikation, denitrifikation och hydrolys. Antaganden har gjorts att allt NO3-N som förbrukats har bildat N2O-N via denitrifikationsprocessen och att det NH4-N som förbrukats har bildat NO3-N samt bundits upp i ny cellmassa. Differenser, där mer ammonium-kväve förbrukats än vad nitrat-kväve bildats, kan bero på att ammonium-kväve frigjorts vid hydrolys men även på att lustgas bildats enligt ekvation 4. Det är svårt att veta exakt vilka reaktioner som sker i tankarna och därför har frågetecken satts vid antaganden om lustgasbildning. Differenser kommer finnas i massbalanserna då ytterligare reaktioner, som ej tas hänsyn till, förekommer genom hela pilotlinjen.

(21)

4. Resultat och diskussion

Resultatet presenteras i form av massbalanser för de fyra olika provtagningstillfällena. Dessa provtagningstillfällen presenteras var för sig. För varje tillfälle redovisas först en överskådlig bild över hela den biologiska reningslinjen med in- och utflöden för varje tank. Efter detta redovisas mer detaljerade massbalanser för varje separat tank. Massbalanserna är upprättade utifrån de uppmätta halterna av de undersökta ämnena för varje provtagningstillfälle samt uppmätta flöden för varje provtillfälle. Ifyllda provtagningsmallar med respektive ämnes halt i varje provpunkt finns presenterade i bilagor 2-5.

Då nitrat omvandlas till kvävgas förbrukas ca 4 g COD/g NO3-N. Av denna anledning kommer mängden COD i de oluftade tankarna, där denitrifikation sker, att minska. Men på grund av den hydrolys som sker frigörs nytt organiskt material, vilket innebär en ökning av COD. I de oluftade zonerna borde denna ökning och minskning överlappa varandra, framförallt i de tidiga zonerna med gott om tillgängligt lättnedbrytbart organiskt material. I senare zoner har den största mängden lättnedbrytbart redan förbrukats och en ökning av COD på grund av hydrolys borde inte vara lika tydlig som i tidigare tankar. Lättnedbrytbart organiskt material kan dessutom användas av bakterierna utan att hydrolys eller omvandling av molekylerna sker, så en minskning av COD på grund av bakterietillväxt borde också kunna observeras, framförallt i de oluftade zonerna. I de luftade zonerna sker också hydrolys men här förbrukas hydrolysprodukterna snabbt i närvaron av syre och COD-mängden borde därför minska. På samma sätt som för de oluftade tankarna bör minskningen vara mer markant i de tidigare tankarna än de senare på grund av att större delen COD som finns kvar består av svårnedbrytbart organiskt material.

Mängden NO3-N förväntades minska i de oluftade tankarna där denitrifikation sker och öka i de luftade nitrifikationstankarna. Detta innefattar även de luftade membrantankarna presenterade som MBR1+2. Förbrukade mängder NO3-N förväntades bilda N2-N. I de oluftade tankarna med denitrifikation förväntades mängden av NH4-N vara oförändrad, eller öka på grund av att ammonium-kväve frigörs vid hydrolys, för att sedan minska i de luftade tankarna för nitrifikation. Mängden NH4-N som förbrukats borde teoretiskt ha varit större än mängden NO3-N som bildats i dessa tankar till följd av assimilation, dvs att en del av ammonium-kvävet binds upp i ny biomassa.

4.1 Felkällor

• Det faktum att tiden för provtagning tagit längre än den teoretiskt bestämda tiden för att följa samma vattenflöde genom hela linjen. Framförallt vid de mätpunkter vars provtid är densamma. Detta gäller inflöde till försedimentering och utflöde ur BR1, samt MBR1, MBR2 och utflöde.

• Osäkerheter vid provtagning, så som mätdjup och ojämn omblandning.

(22)

22 (86) • Förvaring av prov. Proven bör allra helst analyseras direkt efter provtagning. En del av

analyserna är temperaturberoende och i vissa fall är det oklart om korrekt temperatur hunnit uppnås innan analys.

• Osäkerheter i analysen. Varje analys har sin egen standardavvikelse presenterad i bilaga 1.

4.2 Provtagningstillfälle 1

Första provtagningen utfördes efter lunch med start 12.35 den 26e april. Den ingående halten av ammonium-N är hög vid denna tid på dygnet och medeltemperaturen i pilotlinjen var vid tillfället 17,8°C. Beräknat tidsspann för provtagningen för att följa samma vattenflöde genom linjen var 78 min. Den faktiska provtagningstiden var 102 minuter. Mätdata som använts för framtagandet av de massbalanser som presenteras nedan finns att se i bilaga 2.

(23)

B R1 BR2 BR3 BR4 BR5 BR6 RA S -De Ox M B R 1+ 2 NO 3 -N 2, 7 NH 4 -N 5, 3 N -to t 8 ,9 CO D f 86, 8 N2 -N = 2, 3 NO 3 -N 0, 4 NH 4 -N 5, 5 N -to t 8 ,9 CO D f 69, 5 NO 3 -N 0, 4 NH 4 -N 5, 7 N -to t 7 ,9 CO D f 80, 6 N2 -N = 0 NO 3 -N 0, 7 NH 4 -N 4, 9 N -to t 8, 4 CO Df 77 ,6 NO 3 -N 0, 7 N 2 O -N = 0, 5? NO 3 -N 3, 1 NH 4 -N 2, 1 N -to t 8, 7 CO Df 66, 5 N2 O -N = ? NO 3 -N 2, 8 NH 4 -N 0, 9 N -to t 6, 5 CO Df 51, 9 NO 3 -N 1, 3 NH 4 -N 0, 4 N -to t 2, 9 CO Df 23, 5 NO 3 -N 2, 0 NH 4 -N 1, 0 N -to t 4, 0 CO Df 54, 0 N2 -N = 0, 8 NO 3 -N 0, 6 NH 4 -N 0, 1 N -to t 0, 8 CO D f 4, 0 NO 3 -N 0, 9 NH 4 -N 0, 5 N -to t 3, 7 CO Df 46, 0 NO 3 -N 1, 4 NH 4 -N 0, 4 N -to t 4, 1 CO Df 46, 2

(24)

24 (86) En överskådlig bild över reningslinjens massbalanser vid provtagningstillfälle 1 visas i figur 7 ovan.

I BR1 sker fördenitrifikation. I figur 8 nedan visas massflödena separat för de tre flöden som går in i BR 1 och ett totalt inflöde i figur 9. Enligt massbalansen nedan har ca 2,3 kg NO3-N denitrifierats på ett dygn, vilket teoretiskt innebär att ca 2,3 kg N2-N har bildats under dygnet. Detta är en förväntad reaktion i tanken. Skillnaden i NH4-N kan anses vara obetydlig. Mängden COD har minskat med ca 17 kg/dygn.

Den teoretiska minskningen av COD vid denitrifikation är i denna tank ca 9,2 kg. Samtidigt bör en ökning av mängden COD ha skett då hydrolysprodukter ackumuleras i den anaeroba miljön. Den kraftiga minskningen av COD kan då bero på att en stor mängd lättnedbrytbart organiskt material förbrukats vid bakterietillväxt.

I tanken syntes en minskning på ca 2,3 kg NO3-N/dygn vilket överensstämde med förväntade reaktioner i tanken. Temperaturen i tanken är 17,7°C och pH-värdet 7,0.

Ämne kg/dygn NO2-N 0,00 NO3-N 0,02 INFLÖDE NH4-N 4,42 N-tot 5,48 CODf 17,14 N2-N = 2,29kg/dygn UT Ämne kg/dygn

Ämne kg/dygn NITRATRECIRK. NO2-N 0,10

NO2-N 0,07 NO3-N 0,37 NO3-N 1,27 BR1 NH4-N 5,47 NH4-N 0,41 N-tot 8,87 N-tot 2,95 CODf 69,49 CODf 23,48 RAS-RECIRK. Ämne kg/dygn NO2-N 0,11 NO3-N 1,38 NH4-N 0,43 N-tot 4,15 § CODf 46,19

Figur 8. Massbalans över BR1. Provtagningstillfälle 1. Rådata återfinns i bilaga 2.

Ämne kg/dygn NO2-N 0,18 NO3-N 2,66 NH4-N 5,27 N-tot 12,58 CODf 86,80

(25)

I BR2 skall ytterligare denitrifikation ske. Massbalansen i figur 10 nedan visar dock att inget ytterligare nitrat denitrifierats, vilket innebär att denitrifikationen i denna tank ej är effektiv.

Mängden COD har ökat med ca 11 kg/dygn. Inget nitrat har omvandlats till kvävgas i tanken vilket innebär att inget COD förbrukats på grund av denna process. Ökningen i mängden COD kan antas bero på ansamlande av hydrolysprodukter i den anaeroba miljön.Mängden NH4-N var i stort sett oförändrad, vilket överensstämmer med teorin. Temperaturen i tanken är 17,8°C och pH-värdet 7,1.

Figur 10. Massbalans över BR2. Provtagningstillfälle 1

N2-N = 0 kg/dygn

Ämne kg/dygn IN UT Ämne kg/dygn

(26)

26 (86) I BR3 sker nitrifikation. Enligt materialbalansen i figur 11 nedan har ca 0,30 kg NO3-N bildats under ett dygn, vilket i teorin innebär att 0,30 kg NH4-N förbrukats i nitrifikationsprocessen. Enligt MB nedan har 0,81 kg NH4-N nitrifierats under ett dygn, vilket ger en differens på 0,52 kg. Denna differens kan bero på att en del NH4-N binds upp i ny biomassa. Det kan också bero på att delar av det bildade nitratkvävet har bildat lustgas enligt ekvation 4. Mängden COD har minskat med ca 3 kg/dygn vilket kan antas bero på att hydrolysprodukter genast bryts ned under aeroba förhållanden.

Temperaturen i tanken är 17,8°C och pH-värdet 7,1.

N2O-N = 0,52 kg/dygn ?

NO2-N - NO2-N 0,04 NO3-N 0,37 NO3-N 0,67 NH4-N 5,69 BR3 NH4-N 4,88 N-tot 7,84 N-tot 8,43 CODf 80,57 CODf 77,62

(27)

I den fjärde tanken sker nitrifikation. Enligt materialbalansen i figur 12 har 2,44 kg NO3-N bildats under ett dygn, vilket teoretiskt innebär att 2,44 kg NH4-N nitrifierats under dygnet. Enligt MB nedan har 2,74 kg NH4-N nitrifierats under ett dygn. Detta innebär en differens på ca 0,3 kg/dygn vilket kan antas bero på att delar av ammoniumkvävet har bundits in i ny cellmassa. Nitrifikationsprocessen i tanken kan anses vara mycket effektiv. Mängden COD har minskat med ca 11 kg/dygn. Detta är en oväntat stor minskning och antas bero på en stor felmarginal. Temperaturen i tanken är 17,8°C och pH-värdet 6,8. Att pH-värdet har sjunkit något är väntat vid nitrifikation.

N2O-N = ?

NO2-N 0,04 NO2-N 0,32 NO3-N 0,67 NO3-N 3,11 NH4-N 4,88 BR4 NH4-N 2,14 N-tot 8,43 N-tot 8,72 CODf 77,62 CODf 66,53

(28)

28 (86) BR5 är uppdelad i en luftad och en oluftad zon. I tanken sker nitrifikation i den luftade delen följt av deox i den oluftade zonen där syret minskas, eller allra helst helt försvinner. Figur 13 nedan visar BR5 med sina två separata utflöden och dessas massflöden. I figur 14 visas det totala utflödet ur BR5. Enligt materialbalansen i figur 13 nedan har 0,96 kg NO3-N bildats under ett dygn, vilket teoretisk innebär att 0,96 kg NH4-N nitrifierats på ett dygn. Enligt MB nedan har 0,81 kg NH4-N nitrifierats under ett dygn. Detta ger en differens på 0,15 kg/dygn. Differensen kan bero på att ytterligare organiskt bundet kväve bildat ammonium i tanken eller på osäkerheter vid provtagning och analys. Mängden COD har ökat med ca 9 kg/dygn på grund av att delar av tanken är oluftad och hydrolysprodukter ansamlas i tanken i högre grad än de bryts ned.

Ämne kg/dygn IN TILL BR6 Ämne kg/dygn

NITRATRECIRKULATION Ämne kg/dygn

NO2-N 0,07 NO3-N 1,27 NH4-N 0,41 N-tot 2,95 CODf 23,48

(29)

I BR6 sker efterdenitrifikation. Enligt MB nedan har 0,82 kg NO3-N denitrifierats på ett dygn vilket innebär att 0,82 kg N2-N bildats under dygnet. Mängden COD har ökat med ca 2 kg/dygn. Den teoretiska förbrukningen av COD, till följd av denitrifikation, är ca 3,3 kg/dygn men på grund av den anaeroba miljön har mängden COD ökat med ca 2 kg/dygn till följd av ansamlandet av hydrolysprodukter. Ökningen i COD är lägre än i BR2, vilket är väntat, och beror på att mängden lättnedbrytbart organiskt material minskat och att hydrolysen ej sker i samma utsträckning för svårnedbrytbart material. Temperaturen är 17,9°C och pH-värdet 7,0. pH-värdet har stigit igen, vilket stämmer bra vid denitrifikation.

N2-N= 0,82 kg/dygn

(30)

30 (86) I membrantankarna är huvudsyftet att filtrera vattnet och få ett renat permeatflöde ut från reningsverket. Då membranen luftas för att inte täppas igen kan dock ytterligare processer ske i denna tank. I figur 16 visas MBR1+2 med sina två separata utflöden och dessas massbalanser medan det totala utflödet visas i figur 17. Enligt materialbalansen i figur 16 har 0,34 kg NH4-N förbrukats under ett dygn, vilket tyder på att ytterligare nitrifikation sker vid membranen. Däremot har mängden NO3-N minskat med 0,53 kg/dygn, istället för att öka vilket vore fallet vid nitrifikation.Detta kan tyda på att lustgas produceras eller på osäkerheter i hantering av prov och analys. Mängden COD har sjunkit med ca 4 kg/dygn. Detta kan antas vara den COD som bildades i BR6 och ytterligare organiskt material som frigjorts vid hydrolys i membrantankarna som genast oxiderats i den syrerika miljön. Temperaturen är 17,3°C och värdet 6,9. pH-värdet har sjunkit vilket stämmer vid nitrifikation.

N2O-N?

Ämne kg/dygn IN PERMEAT Ämne kg/dygn

NO2-N 0,23 NO2-N 0,02 NO3-N 1,96 NO3-N 0,56 NH4-N 1,02 MBR1+2 NH4-N 0,14 N-tot 4,99 N-tot 0,79 CODf 53,96 CODf 3,88

RETENTAT Ämne kg/dygn

NO2-N 0,06

NO3-N 0,89

NH4-N 0,54

N-tot 3,67

CODf 45,99

Figur 16. Massbalans över MBR1+2. Provtagningstillfälle 1

(31)

I RAS-DeOx-zonen sker en förbrukning av det syre som tillsats vid luftning av membranen. Detta för att säkerställa en syrefri miljö i BR1 dit returslammet leds. En förbrukning av 0,1 kg NH4-N kan ses i materialbalansen nedan och samtidigt en ökning av ca 0,5 kg NO3-N. Massflödet av COD anses vara oförändrat i tanken men troligtvis sker lite hydrolys även i denna tank och den COD som frigjorts bryts sedan direkt ned under syrerika förhållanden. Under hydrolys frigörs även NH4-N vilket kan förklara differensen på 0,4 kg mellan minskat NH4-N och ökat NO3-N. Skillnader kan också bero på mätfel.

Temperaturen är 18,4°C och pH-värdet 6,9. Det minskade pH-värdet indikerar att nitrifikation sker i tanken.

NO2-N 0,06 NO2-N 0,11 NO3-N 0,89 NO3-N 1,38 NH4-N 0,54 RAS-DeOx NH4-N 0,43 N-tot 3,67 N-tot 4,15 CODf 45,99 CODf 46,19

(32)

32 (86)

(33)

(34)

I BR1 sker fördenitrifikation. Figur 20 visar massbalansen över BR1 med inflödet separerat i tre olika flöden. Figur 21 visar det totala inflödet i BR1. Enligt massbalansen har 1,66 kg NO3-N denitrifierats under ett dygn vilket innebär bildandet av 1,66 kg N2-N under dygnet. Däremot syns även en förbrukning av ca 0,4 kg NH4-N/dygn, något som tyder på att syre funnits i tanken. Enligt syremätare i utgående flöde från RAS-DeOxen, se tabell 10 i bilaga 3, var syrehalten i detta flöde 0,38 mg/l vilket är en ovanligt hög syrehalt. Mängden COD har ökat med ca 2 kg/dygn. Den teoretiska minskningen av COD vid denitrifikation är i denna tank ca 6,6 kg/dygn. Samtidigt har en ökning av COD-mängden skett, då hydrolysprodukter ackumuleras i den anaeroba miljön, som är större än förbrukningen av COD i denitrifikationsprocessen.

Ämne kg/dygn NO2-N 0,01 NO3-N 0,06 INFLÖDE NH4-N 3,32 N-tot 3,79 CODf 10,55 N2-N = 1,66 kg/dygn UT Ämne kg/dygn

NO2-N 0,02 NO3-N 0,52 NO3-N 0,94 BR1 NH4-N 3,03 NH4-N 0,06 N-tot 6,35 N-tot 1,69 CODf 66,49 CODf 17,56 RAS-RECIRK. Ämne kg/dygn NO2-N 0,01 NO3-N 1,19 NH4-N 0,06 N-tot 2,57 CODf 36,43

(35)

I BR2 sker ytterligare fördenitrifikation. Enligt figur 22 har 0,15 kg NO3-N denitrifierats under dygnet vilket innebär bildandet av 0,15 kg N2-N. Detta tyder på att denitrifikationen i denna tank ej är särskilt effektiv. Massflödet av NH4-N anses vara oförändrat, vilket överensstämmer med teorin. Mängden COD har minskat med ca 3 kg/dygn. Den teoretiska minskningen av COD vid denitrifikation är i denna tank ca 0,6 kg/dygn. Att mängden COD minskat ytterligare kan bero på att lättnedbrytbart organiskt material förbrukas vid bakterietillväxt eller att syre funnits i tanken. Temperaturen i tanken var 16,7°C och pH-värdet 7,0.

N2-N = 0,15 kg/dygn

(36)

36 (86) I BR3 skall nitrifikation ske. Under provtagningstillfälle 2 gav analysen av utflödet ur tanken ett svar utanför analysmetodens detektionsgräns för NO3-N så ingen förändring kunde registreras. Under nitrifikationen bör en minskning av NH4-N observeras men istället visas i figur 23 en svag ökning av denna kvävefraktion, vilket var oväntat. Detta kan innebära att nitrifikationen är extremt låg och att organiskt bundet kväve bildar ammoniumkväve snabbare än nitrifikationen sker. I mängden COD ses en svag minskning som antas bero på att hydrolysprodukter genast bryts ned under aeroba förhållanden samt att organiskt material förbrukas under nitrifikationen. Temperaturen i tanken är 16,7°C och pH-värdet 7,0. Det oförändrade pH-värdet indikerar att varken nitrifikation eller denitrifikation sker i tanken.

NO2-N 0,02 NO2-N - NO3-N 0,37 NO3-N - NH4-N 3,10 BR3 NH4-N 3,18 N-tot 4,73 N-tot 5,76 CODf 63,53 CODf 62,79

(37)

I BR4 sker nitrifikation. På grund av att resultatet hamnade utanför analysresultatet för nitrat-kväve i BR3 kunde ökningen av NO3-N ej registreras, men figur 24 visar att 2,36 kg NH4-N förbrukats under dygnet. Då utgående massflöde av NO3-N uppmättes till 1,85 kg/dygn ger detta en differens på 0,52 kg/dygn av NH4-N som ej bildat NO3-N. Detta kan bero på att delar av ammonium-kvävet inkorporerats i ny biomassa eller att delar av bildats nitratkväve omvandlats enligt ekvation 4. I tanken sker en ökning av mängden COD, vilket är märkligt då zonen är luftad. Detta kan tyda på dålig luftning eller dålig omblandning vilket skapar anaeroba zoner i tanken. Däremot så är nitrifikationen god vilket tyder på att luftningen sker i god utsträckning. Temperaturen är 17,2°C och pH-värdet 6,8. Ett minskat pH-värde indikerar nitrifikation.

N2O-N= 0,52 kg/dygn?

NO2-N - NO2-N 0,14 NO3-N - NO3-N 1,85 NH4-N 3,18 BR4 NH4-N 0,81 N-tot 5,76 N-tot 6,06 CODf 62,79 CODf 63,53

(38)

38 (86) I BR5 sker nitrifikation i den luftade delen följt av deox i den oluftade zonen där syret minskas, eller allra helst helt försvinner. I figur 25 visas en massbalans över BR5 med två separata utflöden. I figur 26 visas det totala utflödet ur BR5. Enligt materialbalansen har 1,18 kg NO3-N bildats under ett dygn, vilket innebär en teoretisk förbrukning av 1,18 kg NH4-N på ett dygn. Enligt MB nedan har 0,61 kg NH4-N förbrukats/omvandlats under ett dygn. Detta ger en differens på 0,57 kg/dygn. Detta kan bero på att ytterligare organiskt bundet kväve, som frigjorts vid hydrolys, bildat ammonium. Mängden COD har minskat med drygt 6 kg/dygn. Detta tyder på att hydrolysprodukter förbrukats i den luftade delen i större utsträckning än de ansamlas i den oluftade delen. Temperaturen i tanken är 17,4°C och pH-värdet 6,8.

(39)

I BR6 sker efterdenitrifikation. Enligt figur 27 har 0,51 kg NO3-N denitrifierats under dygnet, vilket innebär bildandet av 0,51 kg N2-N. Massflödena av NH4-N samt COD är i princip oförändrade. Den teoretiska förbrukningen av COD vid denitrifikation i denna tank är ca 4 kg/dygn men på grund av den anaeroba miljön har mängden COD ökat med ungefär samma mängd till följd av ansamlandet av hydrolysprodukter. Temperaturen i tanken är 17,2°C och pH-värdet 6,8.

N2-N= 0,51 kg/dygn

(40)

40 (86) I figur 28 visas MBR1+2 med sina två separata utflöden och dessas massbalanser medan det totala utflödet visas i figur 29. Enligt materialbalansen har 0,12 kg NH4-N förbrukats under ett dygn, vilket kan tyda på att ytterligare nitrifikation sker vid de luftade membranen. Då förändringen är väldigt liten kan resultatet även bero på mätfel. Mängden NO3-N har ökat med 0,05 kg/dygn, vilket är en obetydlig skillnad. Mängden COD har ökat med ca 4 kg/dygn. Detta är märkligt då zonen är syresatt och eventuella hydrolysprodukter därför borde förbrukas. Temperaturen är 16,4°C och pH-värdet 6,8.

N2-N?

N2O-N?

_Ämne _kg/dygn NO2-N 0,02 NO3-N 1,63 NH4-N 0,07 N-tot 3,5 CODf 43,53

(41)

I RAS-DeOx-zonen sker en förbrukning av det syre som tillsats vid luftning av membranen. Detta för att säkerställa en syrefri miljö i BR1 dit returslammet leds. Endast marginella förändringar i massflödet av NO3-N och NH4-N kan observeras i figur 30, vilket tyder på mätosäkerhet snarare än kemiska reaktioner i tanken. Mängden COD har minskat med 3 kg/dygn till följd av oxidation av hydrolysprodukter. Då det snabbt skapas en syrefri miljö borde rent teoretiskt denitrifikation ske i tanken. Att detta ändå inte sker kan bero på att den COD som finns tillgänglig består av svårnedbrytbara organiska ämnen. Temperaturen i tanken är 17,5°C och pH-värdet 6,8.

NO2-N 0,02 NO2-N 0,01 NO3-N 1,31 NO3-N 1,19 NH4-N 0,07 RAS-DeOx NH4-N 0,06 N-tot 3,03 N-tot 2,57 COD 39,40 COD 36,43

(42)

42 (86)

Tredje provtagningen utfördes efter lunch med start 12.45 den 7e maj. Ammoniumhalten i inkommande avloppsvattenflöde var högt vid tidpunkten för provtagning. Medeltemperaturen i reningslinjen var 19,4°C. Beräknat tidsspann för provtagningen för att följa samma

vattenflöde genom linjen var 78 min. Den faktiska provtagningstiden var 96 minuter (plus ytterligare 10 min för prov på rejektvattenflödet från Sickla). Mätdata och uträknade

(43)

BR1 BR2 BR3 BR4 BR5 BR6 RA S -De Ox M B R 1+ 2 NO 3 -N 3, 0 NH 4 -N 6, 1 N -to t 12 ,0 CO D f 75, 8 N2 -N = 2, 8 NO 3 -N 0, 2 NH 4 -N 6, 9 N -to t 9, 5 CO Df 60, 6 NO 3 -N 0, 4 NH 4 -N 6, 7 N -to t 7, 7 CO Df 62, 0 N2 -N = 0 NO 3 -N 1, 6 NH 4 -N 5, 1 N -to t 9, 2 CO Df 60, 6 N2 O -N = 0, 3? NO 3 -N 4, 4 NH 4 -N 2, 4 N -to t 9, 2 CO D f 66, 8 NO 3 -N 3, 0 NH 4 -N 1, 5 N -to t 5, 4 CO D f 43, 4 NO 3 -N 1, 3 NH 4 -N 0, 7 N -to t 2, 4 CO Df 19, 4 NO 3 -N 2, 0 NH 4 -N 1, 7 N -to t 5, 5 CO D f 49, 0 N2 -N = 0, 9 NO 3 -N 0, 6 NH 4 -N 0, 2 N -to t 0, 9 CO Df 4, 8 NO 3 -N 1, 8 NH 4 -N 0, 8 N -to t 3, 8 CO D f 40, 4 NO 3 -N 1, 7 NH 4 -N 0, 7 N -to t 3, 9 CO Df 39, 2 N2 O -N = 0, 4?

(44)

I BR1 sker fördenitrifikation. Figur 32 visar en massbalans över BR1 där inflödet delats upp i tre delströmmar. Figur 33 visar det totala inflödet till BR1. Enligt massbalansen har 2,82 kg NO3-N denitrifierats under ett dygn, vilket innebär bildandet av 2,82 kg N2-N. Detta innebär även en teoretisk förbrukning av COD, i denitrifikationsprocessen, på 11,3 kg/dygn. Den faktiskt mängden COD som förbrukats är ca 15 kg/dygn. Den kraftiga minskningen av COD kan då bero på att en stor mängd lättnedbrytbart organiskt material förbrukats vid bakterietillväxt. Mängden NH4-N har ökat med ca 0,8 kg/dygn, något som tyder på att ammonium-kväve frigjorts vid hydrolys. Temperaturen är 19,3°C och pH-värdet 7,0.

Ämne kg/dygn NO2-N 0,01 NO3-N 0,06 INFLÖDE NH4-N 4,76 N-tot 5,76 CODf 17,17 N2-N = 2,82 kg/dygn UT Ämne kg/dygn

(45)

I BR2 skall ytterligare fördenitrifikation ske. Enligt figur 34 har dock 0,15 kg NO3-N bildats per dygn, tvärtemot förväntat resultat. Samtidigt visas en minskning i mängden NH4-N, vilket också är ett oväntat resultat. Detta kan tyda på osäkerheter vid provtagning och analys eller att syre funnits i tanken vilket lett till en viss nitrifikationsprocess. Denitrifikationsprocessen är ej effektiv i denna tank. Mängden COD har ökat med ca 1,5 kg/dygn. Inget nitrat har omvandlats till kvävgas i tanken vilket innebär att inget COD förbrukats på grund av denna process. Ökningen i mängden COD kan antas bero på ansamlande av hydrolysprodukter i den anaeroba miljön. Temperaturen i tanken är 19,3°C och pH-värdet 7,0.

N2-N = 0 kg/dygn

(46)

46 (86) I BR3 sker nitrifikation. Enligt figur 35 har 1,26 kg NO3-N bildats och 1,55 kg NH4-N förbrukats under ett dygn. Detta ger en differens på 0,29 kg/dygn som kan bero på att ammonium-kväve frigjorts vid hydrolys eller eventuellt att viss nitrat-kväve omvandlats till lustgas enligt ekvation 4. Mängden COD har minskat med ca 2 kg/dygn, vilket antas bero på att hydrolysprodukter genast bryts ned under aeroba förhållanden. Temperaturen i tanken är 19,1°C och pH-värdet 6,8. Det minskade pH-värdet indikerar att nitrifikation skett.

N2O-N = 0,29 kg/dygn ?

(47)

I BR4 sker ytterligare nitrifikation. Enligt figur 36 nedan har 2,81 NO3-N bildats och 2,74 NH4 -N förbrukats under ett dygn. -Nitrifikationen i denna tank är mycket effektiv. Mängden COD har ökat med drygt 5 kg/dygn. Detta är märkligt då zonen är luftad. Detta kan tyda på dålig luftning eller dålig omblandning vilket skapar anaeroba zoner i tanken. Temperaturen i tanken är 19,3°C och pH-värdet 6,7. pH-värdet har minskat, vilket stämmer överens med teorin för nitrifikation.

(48)

48 (86) I BR5 skall nitrifikation ske i den luftade delen följt av deox i den oluftade zonen där syret minskas, eller allra helst helt försvinner. Figur 37 visar materialbalansen över BR5 med de två utflödenas massflöden redovisade separat. I figur 38 visas det totala utflödet ur BR5. Enligt figur 37 nedan har mängden NO3-N minskat med 0,15 kg under ett dygn istället för att öka, vilket borde ske vid nitrifikation. Detta kan tyda på att denitrifikation skett i den oluftade delen av tanken. Samtidigt syns en förbrukning av 0,22 kg NH4-N vilket tyder på att viss nitrifikation skett eller att ammonium-kväve bundits upp i ny cellmassa. Osäkerheter vid provtagning och analys gör det svårt att avgöra i vilken utsträckning nitrifikation har skett, men nitrifikationen kan ej anses vara särskilt effektiv i denna tank. I BR5 har mängden COD minskat med ca 3 kg/dygn. Detta tyder på att hydrolysprodukter förbrukats i den luftade delen i större utsträckning än de ansamlas i den oluftade delen. Temperaturen i tanken är 19,3°C och pH-värdet 6,7.

N2-N?

N2O-N

(49)

I BR6 sker efterdenitrifikation. Enligt figur 39 nedan har 0,92 kg NO3-N förbrukats under ett dygn, vilket teoretiskt innebär bildandet av 0,92 kg N2-N /dygn. Mängden NH4-N har ökat med 0,25 kg/dygn, vilket antas vara till följd av att ammonium-kväve frigjorts vid hydrolys. Mängden COD har ökat med ca 6 kg/dygn. Den teoretiska förbrukningen av COD till följd av denitrifikation är i tanken ca 3,7 kg/dygn men på grund av den anaeroba miljön har mängden COD ökat till följd av ansamlandet av hydrolysprodukter.

Temperaturen i tanken är 20,1°C och pH-värdet 6,8. pH-värdet har ökat vilket indikerar denitrifikation i tanken.

N2-N = 0,92 kg/dygn

(50)

50 (86) I membrantankarna är huvudsyftet att filtrera vattnet och få ett renat permeatflöde ut från reningsverket. Då membranen luftas för att inte täppas igen kan dock ytterligare processer ske i denna tank. I figur 40 visas MBR1+2 med sina två separata utflöden och dessas massbalanser medan det totala utflödet visas i figur 41. Enligt materialbalansen har 0,71 kg NH4-N förbrukats under ett dygn, vilket tyder på att ytterligare nitrifikation skett vid membranen. Mängden NO3 -N har ökat med 0,33 kg/dygn. Detta ger en differens på 0,38 kg/dygn som kan bero på att ammonium-kväve bundits upp i ny cellmassa eller eventuellt att delar av bildat nitrat-kväve reagerat enligt ekvation 4 och bildat lustgas.

COD-mängden har minskat med ca 4 kg/dygn till följd av att membranen luftas och hydrolysprodukter bryts ned i aerob miljö. Temperaturen är 18,8°C och pH-värdet 6,8.

N2O-N = 0,38

kg/dygn?

NO2-N 0,03

NO3-N 1,82

NH4-N 0,78

N-tot 3,80

CODf 40,39

(51)

I RAS-DeOx-zonen sker en förbrukning av det syre som tillsats vid luftning av membranen. Detta för att säkerställa en syrefri miljö i BR1 dit returslammet leds. Endast marginella förändringar i massflödet av NO3-N och NH4-N kan observeras i figur 42, vilket tyder på mätosäkerhet snarare än kemiska reaktioner i tanken. Temperaturen är 19,6°C och pH-värdet 6,8.

(52)

52 (86)

(53)

(54)

I BR1 sker fördenitrifikation. Figur 44 visar en massbalans med inflödet uppdelat i tre olika delströmmar och i figur 45 visas det totala inflödet. Enligt figur 44 har 1,57 kg NO3-N denitrifierats under ett dygn, vilket teoretiskt innebär bildandet av 1,57 kg N2-N. Detta överensstämde med förväntade reaktioner i tanken. Massbalansen visar även en minskning av 0,48 kg NH4-N/ dygn. Detta kan tyda på att syre finns närvarande i tanken och att nitrifikation sker i viss utsträckning. Enligt syremätare i utgående flöde från RAS-DeOxen, se tabell 16 i bilaga 5, var syrehalten i detta flöde 0,08 mg/l vilket är en låg syrehalt. Detta innebär att resultatet kan bero på diverse mätfel. Mängden COD har minskat med ca 9 kg/dygn. Den teoretiska minskningen av COD vid denitrifikation är i denna tank ca 6,3 kg. Samtidigt bör en ökning av COD-mängden ha skett då hydrolysprodukter ackumuleras i den anaeroba miljön. Minskningen av COD kan då bero på att en stor mängd lättnedbrytbart organiskt material förbrukats vid bakterietillväxt. Temperaturen i tanken är 19,8°C och pH-värdet 7,1.

Ämne kg/dygn NO2-N 0,05 NO3-N 0,18 INFLÖDE NH4-N 3,07 N-tot 3,78 N2O-N = 0,48 kg/dygn CODf 9,62 N2-N = 1,57 kg/dygn UT Ämne kg/dygn

(55)

I BR2 sker ytterligare fördenitrifikation. Enligt figur 46 nedan har 0,15 kg NO3-N denitrifierats under ett dygn vilket motsvarar bildandet av 0,15 kg N2-N/dygn. Detta tyder på att denitrifikationen i denna tank ej är särskilt effektiv. Samtidigt visas en något större sänkning, på 0,22 kg/dygn, av NH4-N, vilket inte borde ske. Detta kan bero på mätfel eller osäkerheter i analysen. Mängden COD är oförändrad. Den teoretiska förbrukningen av COD i tanken är ca 0,6 kg/dygn. Att mängden COD är oförändrad beror förmodligen på att hydrolys inte sker i någon större utsträckning i tanken. Temperaturen i tanken är 19,6°C och pH-värdet 7,1.

N2-N = 0,15 kg/dygn

N2O-N = ?

(56)

56 (86) I BR3 sker nitrifikation. Enligt figur 47 nedan har 0,15 kg NO3-N bildats och samma mängd NH4-N förbrukats vilket överensstämmer med teorin. Däremot visar de små skillnaderna på att nitrifikationen i tanken ej är särskilt effektiv. Mängden COD har minskat något, vilket antas bero på att hydrolysprodukter genast bryts ned under aeroba förhållanden. Temperaturen i tanken är 19,8°C och pH-värdet 7,0. pH-värdet har minskat vilket stämmer med nitrifikation.

I BR4 sker ytterligare nitrifikation. Enligt figur 48 nedan har 2,22 kg NO3-N bildats på ett dygn och motsvarande siffra för förbrukning av NH4-N är 2,15 kg/dygn. Nitrifikationen i denna tank är mycket effektiv. Mängden COD har minskat med nästan 6 kg/dygn till följd av att hydrolysprodukter genast bryts ned under syrerika förhållanden. Temperaturen i tanken är 19,3°C och pH-värdet 6,9. pH-värdet har minskat ytterligare, vilket stämmer med teorin.

(57)

I BR5 skall nitrifikation ske i den luftade delen följt av deox i den oluftade zonen där syret minskas, eller allra helst helt försvinner. Figur 49 visar en massbalans över tanken med de två utflödena redovisade separat. I figur 50 visas det totala utflödet ur BR5. Enligt figur 49 har inget NO3-N bildats men en minskning på 0,15 kg NH4-N per dygn har skett. Osäkerheter vid provtagning och analys gör det svårt att avgöra i vilken utsträckning nitrifikation har skett, men nitrifikationen kan ej anses vara särskilt effektiv i denna tank. Mängden COD har minskat med drygt 5 kg/dygn. Detta tyder på att hydrolysprodukter förbrukats i den luftade delen i större utsträckning än de ansamlas i den oluftade delen. Temperaturen i tanken är 19,7°C och pH-värdet 6,9.

N2O-N= 0,15?

(58)

58 (86) I BR6 sker efterdenitrifikation. Enligt figur 51 nedan har 0,82 kg NO3-N denitrifierats under ett dygn vilket motsvarar bildandet av samma mängd N2-N. Samtidigt visar materialbalansen en ökning av 0,36 kg NH4-N. Detta kan bero på att ammonium-kväve frigjorts vid hydrolys. Mängden COD har ökat med ca 4 kg/dygn. Den teoretiska förbrukningen av COD är ca 3,3 kg/dygn men på grund av den anaeroba miljön har mängden COD ökat till följd av ansamlandet av hydrolysprodukter. Temperaturen i tanken är 20,3°C och pH-värdet 6,9.

N2-N= 0,82 kg/dygn

(59)

I figur 52 visas MBR1+2 med sina två separata utflöden och dessas massbalanser medan det totala utflödet visas i figur 53. Enligt massbalansen har mängden NH4-N minskat med 0,29 kg under ett dygn, vilket tyder på att ytterligare nitrifikation skett vid membranen. Ökningen i mängden NO3-N kan anses vara i proportion till denna minskning. Mängden COD har ökat något. Detta är märkligt då zonen är syresatt och eventuella hydrolysprodukter därför borde förbrukas. Temperaturen är 19,3°C och pH-värdet 6,9.

NO2-N 0,05 NO3-N 0,99 NH4-N 0,20 N-tot 2,57 CODf 36,04 Ämne kg/dygn NO2-N 0,05 NO3-N 1,33 NH4-N 0,23 N-tot 2,98 CODf 40,84

(60)

60 (86) I RAS-DeOx-zonen sker en förbrukning av det syre som tillsats vid luftning av membranen. Detta för att säkerställa en syrefri miljö i BR1 dit returslammet leds. Endast marginella förändringar i massflödet av NO3-N och NH4-N kan observeras i figur 54. En svag minskning i mängden COD har skett i tanken. Detta är troligtvis till följd av att viss hydrolys sker i tanken och att hydrolysprodukterna genast oxideras i närvaro av syret i flödet från MBR1+2. Temperaturen är 20°C och pH-värdet 7,0.

(61)

4.6 Utgående halter av N-tot

Vid de fyra provtagningstillfällena lades extra vikt vid halter i det utgående permeatet. I tabell 4 nedan, som är ett urklipp ur tabell 19 i bilaga 6, visas alla utgående halter för respektive provtillfälle. Halterna av totalkväve har fetmarkerats.

I tabell 4 utläses tydligt att halten av totalkvävet i det utgående permeatet ligger under dagens krav på 10 mg/L i årsmedelvärde. Två av resultaten visar dessutom halter långt under det framtida kravet på 6 mg/L. Provtagning genomfördes vid dessa tillfällen på morgonen och de prover som togs vid lunchtid visar något sämre resultat på grund av högre belastning. Medelvärdet för de fyra provomgångarna visar en utgående halt av totalkväve på ca 5,7 mg/L, vilket ligger under det framtida kravet. Då provtagningarna genomfördes under våren väntas likvärdiga eller bättre resultat under resten av sommarhalvåret och sämre resultat under vinterhalvåret till följd av att framförallt nitrifikationen fungerar bättre vid högre temperaturer.

Tabell 4. Utgående halter av alla undersökta ämnen för de 4 provtagningstillfällena