Kemisk modifieringav avloppsvatten för effektivare syresättning

Avdelningen för energi-, miljö- och byggteknink

Ecaterina Brici Ksenia Bergstedt

Kemisk modifiering av avloppsvatten för effektivare

syresättning

Changes in oxygenation of wastewater by chemical modification

Examensarbete 15 poäng

Energi- och miljöingenjörsprogramet

Datum/Termin: 2006-06-01

Handledare: Ola Holby Maria Sandberg

Examinator: Fredrik Wikström

Sammanfattning

Vid syresättning av avloppsvatten i biologisk rening förbrukas stora mängder energi. Den biologiska reningen svarar för 80 % av den totala elanvändningen för ett reningsverk och svarar därmed för den största delen av energikostnaderna. Idag när energipriserna ökar blir energieffektiviseringen av den biologiska reningen en högaktuell fråga.

Syftet med studien är att undersöka syresättning av avloppsvatten från pappersindustrin, med avsikt att energieffektivisera den biologiska reningsanläggningen. Studien begränsas till avloppsvatten från Gruvöns bruk.

Experimentstudien har utförts i laboratorieskala. Syresättningen skedde m h a ytluftare av typen airTURBO från Eden Aquatech. Företaget strävar efter innovativ teknik för

luftning, syrgasinblandning och omrörning av vatten. Företaget är intresserat av att vidareutveckla energisnål teknik för de processerna samt att energieffektivisera sina produkter.

Studien utfördes med rent vatten, industriellt avloppsvatten och modifierat industriellt avloppsvatten. Modifieringen av industriellt avloppsvatten skedde genom att tillsätta salter (MgCl2, NaCl) och att ändra pH genom att tillsätta bas respektive syra (NaOH, H2SO4).

Utifrån resultaten inses att kemisk modifiering av avloppsvatten genom att tillsätta salt har väsentlig påverkan på syresättningen. Den kemiska modifieringen resulterar i sänkning av energiförbrukning för syresättningen.

Kvantifiering av energiåtgång för syresättningen har utförts. Kvantifieringen visar en minskning med 17 % för syresättningen av kemisk modifierad avloppsvatten med salt jämfört med obehandlat avloppsvatten.

Att modifiera avloppsvatten genom att höja pH-värde till 11 visar ingen positiv påverkan på systemet utan kräver mer energi.

Abstract

Biological wastewater treatment processes consume large quantities energy in the aeration processes. The biological treatment is responsible for 80 % of the total consumption of electricity and thereby responsible for the biggest part of the energy costs. Today when the energy prices increase the energy efficiency of the wastewater treatment is a question of high priority.

The aim with this study is to study oxygen transfer in to the wastewater from paper industry with the intention to make the biological wastewater treatment more energy efficient. Studies are limited to wastewater from Gruvöns mill.

The study has been carried out in lab scale. The oxygenation has been conducted by using a surface aerator of the type airTURBO from Eden Aquatech. The company strives for innovative technology for aeration, oxygen involvement and mixing of waters. This company is interested to further develop technology for these processes and to make products more energy efficient.

The study was carried out with clean water, industrial wastewater and modified industrial wastewater. The modification of industrial wastewater has been done by adding salts and by changing the pH.

It is realized that chemical modification of wastewater by adding salts has important impact of the aeration. The addition of salts into wastewater results in a reduction of energy consumption for the aeration.

Quantification of energy consumption for aeration has been carried out.

The quantification shows a reduction of 17% for aeration of chemical modified wastewater with salts compared to unmodified wastewater.

To modifying wastewater by raising pH-value to 11 shows no positive impact on the system, it requires more energy.

I

SAMMANFATTNING...2

ABSTRACT ...3

1. INLEDNING...6

1.1 BAKGRUND...6

1.2 SYFTE...6

1.3 MÅL...6

1.4 AVGRÄNSNINGAR...6

2. TEORI ...7

2.1 BIOLOGISK RENING...7

2.2 SYRESÄTTNINGSTEORI...7

2.3 LUFTARE...8

2.4 VATTNETS PH-VÄRDE...10

2.5 VATTNETS JONSTYRKA...10

2.6 VATTNETS HÅRDHET...10

2.7 BERÄKNING AV SYRESÄTTNINGENS HASTIGHET,K-VÄRDE...10

3. GENOMFÖRANDE ...11

3.1 METOD...11

3.2 MATERIAL...11

3.3 BESKRIVNING AV SYSTEMET...12

3.4 SYREREDUCERINGEN...13

3.5 EXPERIMENT FAS...13

3.5.1 Del 1- Rent vatten ...13

3.5.2 Del 2 - Avloppsvatten ...13

3.5.3 Del 3 - Modifierat avloppsvatten ...14

3.6 BERÄKNINGAR...15

3.6.1 Riktningskoefficient, k-värde: ...15

3.6.2 K_La ...15

3.6.3 α- värde...16

3.6.4 rm...16

3.6.5 NaCl, MgCl₂...16

4. RESULTAT ...17

4.1 RENT VATTEN...17

4.1.1 Syresättningen...17

4.1.2 Syresättningens hastighet...17

4.1.3 Kvantifiering av energiåtgång ...18

4.2 AVLOPPSVATTEN...19

4.2.1 Syresättningen...19

4.2.2 Syresättningens hastighet...21

4.2.3 K-värde...22

4.3 MODIFIERAT AVLOPPSVATTEN...23

4.3.1 Syresättningen: pH 4.8 och pH 11...23

4.3.4 Syresättningen, MgCl2ochNaCl...24

4.3.5 Syresättningens hastighet...25

4.3.6 K-värde...26

4.4 K_LA -VÄRDE...27

4.4.1 Rent vatten...27

4.4.2 Avloppsvatten ...29

4.4.3 Modifierat avloppsvatten: pH 4.8 och pH11...30

4.4.4 Modifierat avloppsvatten: MgCl₂ och NaCl...31

4.5α^-VÄRDE...32

4.6 ENERGIÅTGÅNG FÖR SYRESÄTTNINGEN I OMRÅDET MELLAN 4MG/L OCH 5.5MG/L...32

5. DISKUSSION ...33

5.1 RENT VATTEN...33

5.2 AVLOPPSVATTEN...34

5.3 MODIFIERAT AVLOPPSVATTEN...35

5.4 α^-VÄRDET...36

6. SLUTSATSER...37

7. FÖRSLAG TILL VIDARE STUDIER...37

8. TACKORD...38

REFERENSER ...39

Bilaga 1: Syresättning av rent vatten Bilaga 2: Syresättning av avloppsvatten

Bilaga 3: Syresättning av modifierat avloppsvatten

1. Inledning

1.1 Bakgrund

Vid syresättning av avloppsvatten i biologisk rening förbrukas stora mängder energi.

Detta bidrar till stora kostnader för industrier och kommuner att driva dessa anläggningar.

Idag när energipriserna blir högre och högre blir energieffektiviseringen av den biologiska reningen en högaktuell fråga.

Total energiförbrukning i en biologisk rening är 0.4-0.7 kW/kg COD. Luftningen står för 80 % av detta, resten går till omröring, pumparbete mm.[Maria Sandberg]

Som exempel reducerar Billerud AB - Gruvöns bruk 50 ton COD/dygn.

Energiförbrukningen för bruket är ca 25 MWh per dygn, vilket ger en årsförbrukning på ca 9000 MWh. [Maria Sandberg] Minskning av energiförbrukning för luftningen med 1

% resulterar i sparande av 90 MWh per år.

Företagets, Eden aquatech AB, huvudsyfte är att tillverka, marknadsföra och sälja utrustning för syresättning av syrefattiga vattenmiljöer. Användningsområde för deras luftare är restaurering av sjöar och dammar med låg syrehalt, syresättning i fisk- och kräftodlingar, gasinblandning i industriella vätskeprocesser och behandling av lakvatten.

[1]. Företaget strävar efter innovativ teknik för luftning, syrgasinblandning och omröring av vatten. Företaget är intresserat av att vidareutveckla energisnålteknik samt att

energieffektivisera sina produkter.

1.2 Syfte

Att studera syresättning av avloppsvatten från pappersindustri med avsikt att energieffektivisera den biologiska reningsanläggningen.

1.3 Mål

Att mäta upp skillnaden i syresättning mellan avloppsvatten och modifierat avloppsvatten.

Att kvantifiera energiåtgång vid syresättningar av rent vatten, avloppsvatten och modifierat avloppsvatten.

1.4 Avgränsningar

Studier kommer att begränsas till avloppsvatten från pappersindustri (Gruvöns bruk).

Avloppsvatten kommer att modifieras på två olika sätt. Studier kommer att utföras i laboratorieskala. Vid luftning av vatten används en typ av ytluftare.

2. Teori

2.1 Biologisk rening

Reningsmetoder brukar delas in i biologisk, kemisk och mekanisk rening.

Vid biologisk reningen av avloppsvatten utnyttjas mikroorganismer som t ex bakterier, svampar och protozoer.[2] Mikroorganismerna är en viktig del av reningsverket för att de lever på det organiska material som finns kvar i vattnet dvs. de bryter ned vattnets innehåll av organiska föroreningar genom att använda dessa som föda.

De vanligaste biologiska reningsmetoderna där mikroorganismerna tar bort

syreförbrukande substans är luftad damm, aktivslam och biobädd. I de två första utnyttjas levande mikroorganismer i suspenderad form. Den sista är en biofilmsprocess, där

mikroorganismerna växer på ett bärarmaterial.[3]

Luftad damm är ett exempel på aerob process, där organiska kolföreningar bryts ned till koldioxid och vatten samt cellmassa bildas. Viktigt för aerob nedbrytning är att

mikroorganismerna får tillgång till fritt syre. [2]

(CH2O)n+ O2 CO2+ H2O + slam + energi

Bakterierna och mikroorganismerna kräver syre för att kunna leva, föröka sig och arbeta.

Dessa mikroorganismer bildar, levande som döda ett slam som sjunker till botten. Om inte tillräckligt syre tillförs blir den biologiska aktiviteten för låg, därför är det viktigt att överföra syre till avloppsvattnet på ett effektivt sätt. Luften tillförs oftast med hjälp av olika typer av luftare, vilka regleras så att det alltid finns tillräckligt med syre oavsett halten av föreningarna.

2.2 Syresättningsteori

Luftning och syresättning av vatten är en viktig process vid biologisk rening av avloppsvatten. Som gas är syrets löslighet låg. Vid 20 ⁰C och atmosfärstryck är mättnadskoncentrationen 9.4 mg O2/l.[4]

Mättnadskoncentrationen för en gas beror på vattens temperatur och gasens partialtryck i atmosfären vid kontakt med vatten. Enligt Henrys lag ökar gasens löslighet med ökat partialtryck. Vid konstant partialtryck minskar lösligheten med ökad temperatur. För att kunna överföra gasmolekyler från gasfasen till vätskefasen måste en

koncentrationsgrandiet finnas i den riktningen som överföringen ska ske. Enligt Whitman och Lewis (1924) tvåfilmsteori, uppstår motstånd för massöverföring av gasmolekylerna i två laminera gränsskikt där massöverföring sker via molekylär diffusion.[5]

Ett viktigt antagande i tvåfilmsteori är att jämvikt råder vid fasgränsytan och då gäller Henrys lag. [4]

Det totala massöverföringstalet betecknas KL och den specifika syreöverförande ytan för anläggningen med a.

Produkten KLa är en karakteristisk massöverföringskoefficient och är beroende av utrustningen som används för massöverföringen och vattenkvalitetsfaktorer.

För icke- stationär syresättning, av rent vatten, utan in- och ut flöde kan KLa beräknas med hjälp av ekvationen:

(^{K a})^t

s t

s _L

C e C

C

C *

0

= −

−

− Där:

KLa = hastighetskonstanten för syreöverföringen C0 = syrehalt vid försökets början, mg/l

Ct = det nya syrekoncentrationen efter en viss tid, mg/l

Cs= mättnadskoncentration för gas givet av Henry’s lag, mg/l

I beräkningen av KLa för avloppsvatten tas hänsyn till den mängd syre som

mikroorganismerna förbrukar. Den syrenivån som vanligtviss hålls i reaktorerna är mellan 1 och 3 mg/l och mikroorganismerna förbrukar syret lika fort som den tillsätts.

KLa för avloppsvatten beräknas med ekvationen:

(

)

La C C r

dt K

dC = − −

Där:

C = koncentrationen av syre i reaktorn

rm= mikroorganismernas syreförbruknings hastighet

KLa är temperaturberoende. Normeringen brukar ske vid 20ºC och beräknas med ekvationen:

20 )

20 ( )

(T = L _°C *1.024^T−

La K a

K

Beräkning av α - värde

För att relatera syrets löslighetsförmåga i avloppsvattnet till löslighetsförmåga i rent vatten beräknas α - värdet enligt ekvationen nedan [5]

) (

) (

rentvatten a

K

ten avloppsvat a

K

L

= L

α

2.3 Luftare

Det finns olika sorter av luftningssystem för behandling av avloppsvatten. Valet av luftningsystem beror på vilken funktion den ska uppfylla, utformningen av bassängen och kostnaden för installation och drift.

spridare, bottenluftare. Den andra är att blanda om vatten på mekanisk väg så att atmosfärsluften kommer i kontakt med vatten, ytluftare. [5]

Bottenluftare

De finns i ett flertal varianter. Indelningen görs i:

- porösa eller finporösa luftare, - icke-porösa luftare,

- övriga luftare, exempelvis jetluftare, blåsmaskiner.

Porösa luftare finns i flera olika varianter och material. De vanligaste är diskar, membran eller kupolliknande former. I de flesta system sätts flera diskar eller membran ihop i ett nät av luftare som fästes i botten av bassängen. Luften sugs in i ett rörsystem, leds ner till botten av bassängen och sprids ut i små bubblor via luftarna till vatten.

För alla porösa luftare är det viktigt att inkommande luft är ren, fritt från dammpartiklar som kan orsaka täppning av luftarna.

Vid användning av icke-porösa luftare, som fungerar på samma sätt som porösa, erhålls större bubblor. Detta innebär lägre luftningseffekt än med porösa luftare. Fördelarna med dessa luftare är att kostnaden och underhållet är betydligt lägre. De vanligaste icke- porösa luftare är munstycke och perforerade tuber.

Jetluftare tillhör kategorin övriga bottenluftare. Den blandar vatten och komprimerad luft som sprids ut genom ett jetmunstycke. Jetluftare används i bassänger med djup större än 8 m. Vid luftning med hjälp av blåsmaskiner tillförs luften vid ett djup av flera meter genom speciella luftningsdon.[5]

Ytluftare

Med ytluftare sker syretillförseln vid vattenytan på mekanisk väg. Där sker även omblandningen av bassängens innehåll och förhindrar slamavlagringar.[6]

Ytluftarna delas in i:

- mekaniska ytluftare med vertikal axel, där en impeller skapar ett uppåtriktad eller neråtriktad flöde,

- mekaniska ytluftare med horisontell axel, där en cylinder med borst som är placerade ovanför vattenytan roterar och drar ner luft i vatten.

En annan typ av mekanisk luftare är kaskadluftare. Principen är att låta vatten rinna som en tunn film utför en trappa av betong. När vatten träffar betongen bildas turbulens i vatten och ökar syresättningen.[5]

Eden Aguatech Airturbo 101 är en ytluftare som blandar atmosfärisk luft i vatten. En elmotor driver impellern skapar en luftvirvel från vattenytan ned i vatten. Luften sugs ned i virveln och finfördelas till små gasbubblor i vatten. Det gashaltiga vattnet fördelas ut i den behandlade vattenmassan. [1]

Det är viktigt att känna till den korrekta syreöverföringsförmågan hos luftningssystem.

Ett underskattat värde på syreöverföringen kan leda till ett överdimensionerat

luftningssystem som blir energimässigt ineffektivt. Ett överskattat värde leder till för låg syre överföring och minskad effektivitet för hela processen. [4]

2.4 Vattnets pH-värde

pH är ett mått på koncentrationen av vätejoner (H⁺) i vatten. Kallas även vattnets surhetsgrad. pH mäts i en skala från 0 till 14 där pH 7 står för neutralt vatten, över 7 är alkaliskt och under 7 är surt. [7]

2.5 Vattnets jonstyrka

Jonstyrkan är ett mått på mängd lösta salter i vattnet. När saltet löses upp i vatten binds vattenmolekylerna upp av saltjonerna. Ju mer koncentrerad saltlösningen är desto högre dess jonstyrka. Men även saltjonernas laddning påverkar jonstyrka. För envärda joner är jonstyrkan lika med koncentrationen för saltet men ingår flervärda joner så blir jonstyrka högre än saltlösningens koncentration. [8]

Fettsyra är en typ av organisk syra som består av en polär huvudgrupp (hydrofil) och hydrokarbon-svans (hydrofob). Wanner konstaterade att fettsyror försvårar

syreöverföring [9]. Genom att tillsätta salt till avloppsvatten saltas fettsyrorna bort och hindret för syres diffusion i vattnet minskas. Syreöverföringen underlättas och snabbare syresättning sker.

2.6 Vattnets hårdhet

Vattnets hårdhet är ett mått på mängden multivalenta katjoner. Oftast tas hänsyn endast till kalcium- och magnesiumjoner. Ju fler joner, desto hårdare är vatten. I ett hårt vatten binder kalcium- och magnesiumjoner fettsyrorna ihop. [7]

2.7 Beräkning av syresättningens hastighet, k-värde

Med hjälp av MATLAB funktionen diff(x) räknas k-värdet fram för alla försök.

Funktionen diff(x) i MATLAB används som approximationen av derivatan. Den ger för en vektor x med längden n en vektor med längden n-1 av differenser mellan närliggande element i x. [10]

3. Genomförande

3.1 Metod

Experimentstudien har utförts i laboratorieskala. Syresättningen skedde m h a ytluftare av typen airTURBO från Eden Aquatech.

Studien utfördes med tre olika typer av vatten:

• rent vatten,

• industriell avloppsvatten

• modifierat industriell avloppsvatten.

Del ett av studien innehöll experiment med rent vatten.

För att se hur syresättningen sker i rent vatten utfördes fem experiment med tre olika effekter. De första tre experiment utfördes med samma effekt.

För att utföra experimentstudier av syresättning av rent vatten med olika effekt på motorn har den amerikanska standarden (ANSI/ASCE 2-91) som är framtagen av Amerikan Society of Civil Engineers använts. [5] Metoden går ut på att syre bortförs och sedan återluftas vattnet till mättnadsvärde för syre. Reduktionen av syrgashalten har skett genom natriumsulfit tillsats (Na2SO3) och efterföljande avluftning med hjälp av kvävgas (N2).

Del två av studien innehöll experiment med industriellt avloppsvatten. Ingen förbehandling av avloppsvatten behövdes.

Under del tre av experiment studien modifieras vatten genom att tillsätta salter (MgCl2- magnesiumklorid, NaCl- natriumklorid) och att ändra pH genom att tillsätta bas och syra (NaOH- natriumhydroxid, H2SO4- svavelsyra).

Med hjälp av MATLABs funktion ”diff” räknas fram k-värden för alla försök.

3.2 Material

Vid syremätningen användes en digital syremätare av modell HACH. Denna mätare gav även temperaturen på vatten.

Effekten på motorn mättes med en digital Multifunktionstång MX240/2040.

Som syrereducerande medel användes natriumsulfit, Na2SO3, kvävgas användes för att avlufta vatten.

pH mätare

Natriumhydroxid, NaOH

Magnesium klorid, MgCl2 och NaCl

3.3 Beskrivning av systemet

Experimentanläggningen består av:

- akvarium med dimensionen, L, B, H: 690, 220, 190 mm,

- cylindern med dimensionen, H, botten d, D:

90, 25, 55 mm. Intaget av vatten i cylindern sker via små hål med

diametern 5 mm, på en höjd av 35 mm från

botten av cylindern, - stöd för cylinder, - impeller, - drivmotorn, - regulator,

Bild 1. Experimentanläggningen.

Cylindern är fastmonterad ovanför impellern med ett mellanrum på 0.5 mm. Det minimala avståndet behövs för att undvika att vatten sugs in där och inte genom de avsedda hålen i cylindern.

Impellern är designad och patenterad av Svend Petersen, VD för företaget Eden Aquatech. Den drivs av en

elmotor och skapar en

luftvirvel från vattenytan ned i vatten. Luften sugs ned till botten av cylindern och impellern genom det skapande undertrycket i virveln och finfördelas sedan i små

gasbubblor i vatten. Vattnet tas in genom hålen i cylinder och blandas med luft.

Det gashaltiga vattnet fördelas ut horisontellt och blandas med resten av vattnet. [1]

3.4 Syrereduceringen

Den behövda mängden av natriumsulfits beräknas ur reaktionen.

2 Na2SO3 + O2 2 SO4

2-+ 4 Na⁺

Mättningen av syrekoncentration i kranvatten gav 7 mg O2/l. Reduktionen av syre gjordes i behållare. Behållare fylldes med 11 liter vatten. Total syre mängd per behållare

beräknades till 77 mg. Syre har molvikt 32 g/mol (16x2).

77 mg O2 / 32 g/mol = 2.4 mmol O2

2 * 2.4mmol Na2SO3= 4.8 mmol Na2SO3

För att neutralisera 2.4 mmol syre krävs det 4.8 mmol natriumsulfit, enligt ovanstående formel. Natriumsulfit har molvikt på 126 g/mol (2x23 + 32 + 16x3). För att reducera 77 mg syre går det 606 mg (126x4.8) natriumsulfit.

Avluftningen av vatten stoppades när syrehalten kom ner till 0.2 mg/l.

3.5 Experiment fas

Del ett av experimentstudien inleds med försök av syresättningen på rent vatten. Fem experiment utfördes med tre olika effekter på motorn. De första tre experimenten genomfördes med samma effekt.

Den experimentala bassängen fylldes med avluftat vatten genom att hälla i det från behållaren. Mängden vatten i bassängen var 19.5 liter. Under återluftningen har syrehalten mätts var 30:e sekund.

Av tre försök på rent vatten med motoreffekt 0.024 kW valdes försöket med start temperaturen 17.1 ºC för jämförelse med försök med högre effekt.

Data från försöken (se bilaga 1) bearbetades i MATLAB, matematisk beräknings- program, och redovisas i form av grafer i Resultat.

3.5.2 Del 2 - Avloppsvatten

Del två av experimentstudien utfördes med avloppsvatten från Gruvön pappersfabrik.

Avloppsvatten som användes under del två hämtades 14 mars. COD prov, ett mått på syreförbrukande organiskt material, utfört av Maria Sandberg gav ett värde av 1304 mg/l.

Avloppsvattens pH-värde var 6.5. Vattnet hämtades från kyl- och frysrum på

universitetets forskningsavdelning. Efter att avloppsvatten nådde rumstemperatur var syremängden i behållarna tillräckligt låg. Försök kunde därför utföras utan att först avlufta avloppsvattnet. Effekten på motorn var 0.024 kW.

Två serier med två försök (försök 1 och försök 2) vardera utfördes. I serie 1 försök 1 användes avloppsvatten från behållarna. Experimenten följde samma tillvägagångssätt som del ett av experimentstudien. Efter syresättningen av vatten i försök 1 fick vatten vara kvar i bassängen som täcktes med plastöverdrag för att förhindra att syre från luften skulle komma i kontakt med avloppsvattnet.

Efter 18 timmar var syremängden i bassängen tillräckligt låg. Serie 1 försök 2 kunde utföras på samma vatten. Ändringen i syre koncentrationen under 18 timmar gav hur mycket syre mikroorganismerna som finns i avloppsvatten förbrukar, rM. Det

karakteristiska värdet på rMvarierar mellan 2 till 7 g/dygn. Beräkningarna gjorda på rM

för experiment systemet gav ett värde av 0.18 g/dygn. Det är relativ litet i jämförelse med det karakteristiska värdet för rM. Därför försummas rMi beräkningarna av KLa för

avloppsvatten.

Serie 2 utfördes på samma sätt som serie 1.

Data från försöken (se bilaga 2) bearbetades i MATLAB och redovisas i form av grafer i Resultat.

3.5.3 Del 3 - Modifierat avloppsvatten

Under del tre av experimentstudien utfördes försök med avloppsvatten som var modifierad på olika sätt. Först utfördes försök med låg och hög pH och därefter försök med olika saltkoncentrationer.

Avloppsvatten som används under del tre hämtades 7 april. COD prov utfört av Maria Sandberg gav ett värde av 1118 mg/l. Efter upptiningen av vatten visade sig att syremängden var mellan 6.4 mg/l och 7.5 mg/l.

Vid mättning av pH för avloppsvatten upptäcktes lågt pH-värde, 4.13. Normalt pH- värden för Gruvöns bruks avloppsvatten är mellan 6 och 6.5.

För att få ner syrekoncentrationen gjordes en pH justering till ett värde av 5 genom att tillsätta natriumhydroxid. Försök genomfördes vid det här pH-värdet efter att

syremängden minskat tillräckligt.

Hög pH-värde uppnåddes genom att tillsätta natriumhydroxid.

För experiment med olika saltkoncentrationer höjdes avloppsvattnets pH från ett värde runt 4 till det normala pH-värde för Gruvöns bruks avloppsvatten som är mellan 6 och 6.5. Två olika salter användes. MgCl2är en salt som påverkar ytspänningen genom ändringen i hårdheten och bindningen av fettsyrorna i vatten. NaCl påverkar ytspänningen endast genom att binda fettsyror i avloppsvattens. Två olika

saltkoncentrationer användes, 0.01 M och 0.05 M (föreslagna av Maria Sandberg).

Data från försöken (se bilaga 3) bearbetades i MATLAB och redovisas i form av grafer i Resultat.

3.6 Beräkningar

3.6.1 Riktningskoefficient, k-värde:

0 0

t t

c k c

t t

−

= −

ct = koncentrationen av syre, slutvärde för linjärt område c0= koncentrationen av syre, startvärde för linjärt område t0= starttid för linjärt område

tt= sluttid för linjärt område 3.6.2 KLa

För att beräkna kLa värden, karakteristisk massöverförings koefficient, för utförda försök används följande ekvation:

(K a)t s

t

s _L

C e C

C

C _*

0

= −

−

− Där:

KLa = hastighetskonstanten för syreöverföringen C0 = syrehalt vid försökets början, mg/l

Ct = det nya syrekoncentrationen efter en viss tid, mg/l

Cs= mättnadskoncentration för gas givet av Henry’s lag, mg/l

I utförandet av en linjär regression analys skrivs ekvationen på en linjär form.

(

) (

)

log − = − ₀ −

t

s C

C − bestäms för varje mätdata. Resultaten logaritmeras och plottas på y-axel mot tiden med hjälp av MATLAB. Detta görs för hela förloppet och området mellan 4 mg/l och 5.5 mg/l.

Från graferna tas värden för beräkning av KLa med ekvationen nedan.

60 1 *

2

*log 303 .

2 ^{1 2}

t t

C a C

K_L ^{t t}

−

= −

KLa är temperaturberoende. Försöken utfördes vid olika vattentemperatur och för jämförelse beräknas KLa vid 20ºC

20 )

20 ( )

(T = L _°C *1.024^T−

La K a

K

3.6.3 α- värde

För bedömning av KLa värdet för systemet beräknas •-värdet.

) (

) (

rentvatten a

K

ten avloppsvat a

K

L

= L

α

3.6.4 rm

Bakterierna förbrukade 7 mg/l O2under 18 h. Bassängen innehöll 19.5 l vatten vilket ger en total förbrukning av 136.5 mg O2. rMblir då 0.18 g/dygn.

3.6.5 NaCl, MgCl2

NaCl 0.01 M

m = n * Mw= 10 * 10^-3* (58) = 0.58 g/l NaCl 0.05 M

m = n * Mw= 50 * 10^-3* (58) = 2.9 g/l MgCl20.01 M

m = n * Mw= 10 * 10^-3* ( 203) = 2.03 g/l MgCl20.05 M

m = n * Mw= 50 * 10^-3* ( 203) = 10.15 g/l där:

M = molar [mol/l]

Mw= molvikt [g/mol]

n = antal mol m = massa [g/l]

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 0

1 2 3 4 5 6 7 8 9

Syresättning av renvatten

tid, sek

O2, mg/l

0.04 kW T=15ºC

0.024 kW T=17.1ºC 0.034 kW

T=13.4ºC

0.024 kW T=16.8ºC

0.024 kW T=16.6ºC

4. Resultat

4.1 Rent vatten

Grafen nedan visar bearbetningen av data för syresättningen i rent vatten.

Graf 1. Syresättningen av rent vatten med olika effekt på drivmotorn.

4.1.2 Syresättningens hastighet

För att undersöka hur hastigheten på syresättningen förändras med ökande effekt, togs riktningskoefficienten fram från Graf 1. Syreökning mellan tidpunkter 4 min,(240 sek) och 17 min(1020 sek), antogs vara linjärt för alla försök. För kurvorna gäller i detta intervall följande ekvation: y = kx + m. För att ta reda på hur fort vatten syresätts med de tre olika effekter beräknas riktningskoefficienten k.





= min

2 / .

1 0

l

k mg , effekt = 0.024kW





= min

28 / .

2 0

l

k mg , effekt = 0.034kW





= min

33 / .

3 0

l

k mg , effekt = 0.04kW

0.024 0.026 0.028 0.03 0.032 0.034 0.036 0.038 0.04 0.2

0.22 0.24 0.26 0.28 0.3 0.32 0.34

Ökning av syremängd per tidsenhet

effekt, kW

Riktningskoefficient dO2/dt, (mg/l)/min

4.1.3 Kvantifiering av energiåtgång

Riktningskoefficienterna plottas mot effekt i Graf 2 för att se ökningens karaktär.

Graf 2. Grafen ovan visar att en ökad effekt ger högre hastighet på syresättningen och att ökningen sker linjärt.

Riktningskoefficienten av kurvan i Graf 2 ger möjlighet att dimensionera systemet efter önskad syresättningshastighet samt hur mycket energi det krävs för det.

Riktningskoefficient för kurvan.





= kW

l k (mg/ )/min

1 8





= kW

l k (mg/ )/min

3 .

2 8

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 0

1 2 3 4 5 6 7 8

Syresättning av avloppsvatten serie 1, jämförd med rent vatten, effekt 0.024 kW

tid i (s)

syremängd mg/l

rent vatten försök 1 försök 2

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000

1 2 3 4 5 6 7 8

Syresättning av avloppsvatten serie 2,jämförd med rent vatten,effekt 0.024 kW

tid i (s)

syremängd mg/l

rent vatten försök 1 försök 2

4.2 Avloppsvatten

Syresättningen av omodifierat avloppsvatten utfördes med två experimentserier med två försök vardera. Mättresultaten redovisas i bilaga 2.

Graf 3. Jämförelse av syresättningen mellan avloppsvatten serie 1 och rent

vatten.

Graf 4. Jämförelse av syresättningen mellan avloppsvatten serie 2 och rent vatten.

10¹ 10² 10³ 10⁴ 0

1 2 3 4 5 6 7 8

tid,s

syremängd mg/l

Experimentkurvorna (avloppsvatten), ritad med logaritmisk skala i x-led

försök1,serie,2 försök1,serie1 försök2,serie2 försök2,serie1

Kurvornas form för syresättningen av avloppsvatten i Graf 3 och Graf 4, har en karaktär av exponential- funktion. För en närmare undersökning av kurvornas form logaritmeras tidsaxeln.

Graf 5. Experimentkurvorna i logaritmisk skala

Graf 5 visar att syresättnings förlopp inte har en karaktär av ren exponential- funktion utan sammansätts av olika funktioner. Området som följer exponential- funktion ligger mellan 4 mg O2/l och 5.5 mg O2/l. För att jämföra syresättnings hastighet på utförda försök undersöks området närmare.

0 5 10 15 4

4.5 5 5.5

Syresättning av avloppsvatten serie 1, området mellan 4 mg/l och 5.5 mg/l

tid i (min)

syremängd, mg/l

rent vatten försök 1

försök 2

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18

4 4.5 5 5.5

Syresättning av avloppsvatten serie 2, området mellan 4 mg/l och 5.5 mg/l

tid i (min)

syremängd, mg/l

rent vatten försök 1 försök 2

4.2.2 Syresättningens hastighet

För att undersöka hur hastigheten för avloppsvatten och rent vatten skiljer sig undersöks det avgränsade området närmare.

Graf 6. Syresättningen av rent vatten och avloppsvatten serie 1

Graf 7. Syresättningen av rent vatten och avloppsvatten serie 2

4 4.5 5 5.5 0

0.5 1 1.5 2 2.5 3

3.5x 10^-3 Förändringen i syresättningens hastighet, rent vatten

syremängd,i intervalen 4 mg/l och 5.5 mg/l

ändringen i concentrationen i varje mättpunkt

Med hjälp av MATLABs funktion ”diff” räknas k-värden fram för alla försök i det avgränsade området. Graf 8 är ett exempel på hur förändringen i syresättnings hastighet beräknas. Samtliga k-värdena redovisas i Tabell 1.

Graf 8. Skillnaden i värden mellan mätpunkterna visar att syresättningens hastighet är konstant med medelvärde k= 0.0028 Upprepande mätdata vid försök visas som nollpunkter.

4.2.3 K-värde

Tabell 1. Hastighetskoefficient för rent vatten och avloppsvatten i området mellan 4 mg/l och 5.5 mg/l.

Typ av vatten

Rent Avlopp,

serie 1, försök 1

Avlopp, serie 1, försök 2

Avlopp, serie 2, försök 1

Avlopp, serie 2, försök 2

k 0.0028 0.0017 0.0020 0.0020 0.0015

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 0

1 2 3 4 5 6 7 8

Syresättning av modifierad avloppsvatten, pH 11, pH 4.8, jämfört med rent- och avloppsvatten

tid i (s)

syremängd mg/l

pH 11 rent vatten avloppsvatten

pH 4.8

0 5 10 15 20 25

3.8 4 4.2 4.4 4.6 4.8 5 5.2 5.4 5.6 5.8

Syresättning av modifierad avloppsvatten,området mellan 4 mg/l och 5 mg/l

tid i (min)

syremängd mg/l

pH 4.8 pH 11

4.3 Modifierat avloppsvatten

4.3.1 Syresättningen: pH 4.8 och pH 11

Graf 9. Jämförelse av syresättningen mellan modifierat vatten med pH 11 och 4.8, avloppsvatten och rent vatten

4.3.2 Syresättningens hastighet

Undersökning av syresättningens hastighet för modifierat avloppsvatten med olika pH i det avgränsade området.

Graf 10. Syresättningshastigheten i den avgränsade området.

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 0

1 2 3 4 5 6 7 8

Syresättning av modifierat avloppsvatten med MgCl2,jämfört med föregående försök

tid, sek

syremängd, mg/l

rent vatten

MgCl2, 0.05M

MgCl2, 0.01M

avloppsvatten

4.3.3 K-värde

Tabell 2. Hastighetskoefficient för rent vatten avloppsvatten och modifierat avloppsvatten med pH 4.8 och pH 11, i området mellan 4 mg/l och 5.5 mg/l.

Typ av vatten

Rent Avlopp, serie

1, försök 1

pH 4.8 pH 11

k 0.0028 0.0017 0.0018 0.0013

4.3.4 Syresättningen: MgCl2 och NaCl

Graf 11. Jämförelse av syresättningen mellan modifierat vatten med MgCl2, två koncentrationer 0.05M och 0.01M, avloppsvatten och rent vatten

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 0

1 2 3 4 5 6 7 8

Syresättning av modifierat avloppsvatten med NaCl,jämfört med föregående försök

tid, sek

syremängd, mg/l

rent vatten

NaCl, 0.01M

NaCl, 0.05 M

avloppsvatten

0 100 200 300 400 500 600 700 800

4 4.5 5 5.5

Syresättning av modifierat avloppsvatten med MgCl2, området mellan4 mg/l och 5,5 mg/l

tid i (s)

syremängd mg/l

MgCl2, 0.01M MgCl2, 0.05M

Graf 12. Jämförelse av syresättningen mellan modifierat vatten med NaCl, två koncentrationer 0.05M och 0.01M, avloppsvatten och rent vatten

4.3.5 Syresättningens hastighet

För att undersöka hur hastigheten för modifierat avloppsvatten med olika salter och olika koncentrationer skiljer sig undersöks det avgränsade området närmare.

Graf 13. Syresättningshastigheten för modifierad vatten med MgCl2, i den avgränsade området.

0 100 200 300 400 500 600 700 800 4

4.5 5 5.5

Syresättning av modifierat avloppsvatten med NaCl, området mellan4 mg/l och 5,5 mg/l

tid i (s)

syremängd mg/l

NaCl, 0.01M NaCl, 0.05M

Graf 14. Syresättningshastigheten för modifierad vatten med NaCl, i den avgränsade området.

4.3.6 K-värde

Tabell 3. Hastighetskoefficient för rent vatten, avloppsvatten och modifierat avloppsvatten med olika koncentrationer av MgCl₂, i området mellan 4 mg/l och 5.5 mg/l.

Typ av vatten

Rent Avlopp, serie

1, försök 1

MgCl2, 0.01M MgCl2, 0.05M

k 0.0028 0.0017 0.0020 0.0022

Tabell 4. Hastighetskoefficient för rent vatten avloppsvatten och modifierat avloppsvatten med olika koncentrationer av NaCl, i området mellan 4 mg/l och 5.5 mg/l.

Typ av vatten

Rent Avlopp, serie

1, försök 1

NaCl, 0.01M NaCl, 0.05M

k 0.0028 0.0017 0.0023 0.0021

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 10^0.3

10^0.4 10^0.5 10^0.6 10^0.7 10^0.8 10^0.9

Linjär regression analys, olika effekt

tid i (sek)

Cs-Ct, mg/l

0.24 kW 0.034 kW

0.04 kW

4.4 K

a - värde

För beräkning av KLa för försök med effekt 0.024 kW, valdes försöket med start- temperaturen 17.1 ºC

Tabell 5. Visar C_svärden vid temperaturen på vatten som experimenten utfördes och skillnaden mellan C_soch C_tgörs i MATLAB

Effekt 0.024 kW Effekt 0.034 kW Effekt 0.04 kW Temp 17.1 ⁰C Temp 13.4⁰C Temp 15⁰C

Cs=9.65 Cs=10.53 Cs=10.07

Cs - Ct Cs - Ct Cs - Ct

Graf 15. C_s−C_t bestäms för varje mätdata. Resultaten logaritmeras och plottas på y-axel mot tiden. Detta görs för försök på rent vatten med olika effekter på motorn.

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10^0.7

10^0.8

Linjär regression analys,området mellan 4 mg/l och 5.5 mg/l olika effekt

tid i (min)

Cs-Ct, mg/l

0.04 kW

0.034 kW

0.024 kW

Graf 16. C_s−C_t bestäms för varje mätdata. Resultaten logaritmeras och plottas på y-axel mot tiden. Detta görs för försök på rent vatten med olika effekter på motorn i det intressanta området.

Från Graf 16 tas värden för beräkning av KLa för försök med rent vatten med olika effekten.

Tabel 6. K_La för rent vatten med olika effekter.

Rent vatten, olika effekter, kW

0.024 0.034 0.04

KLa, h^-1 2.34 2.27 3.47

KLa, h^-1vid 20ºC 2.5 2.68 3.9

0 5 10 15 10^0.6

10^0.7

Linjär regression analys, serie 1

tid i (min)

Cs-Ct, mg/l

rent vatten försök 2 försök 1

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18

10^0.6 10^0.7

Linjär regression analys, serie 2

tid i (min)

Cs-Ct, mg/l

rent vatten försök 2

försök 1

4.4.2 Avloppsvatten

Graf 17.C_s−C_t bestäms för varje mätdata. Resultaten logaritmeras och plottas på y-axel mot tiden. Detta görs för försök på avloppsvatten serie 1 i det intressanta området.

Graf 18. C_s−C_t bestäms för varje mätdata. Resultaten logaritmeras och

plottas på y-axel mot tiden. Detta görs för försök på avloppsvatten serie 2 i det intressanta området.

0 5 10 15 20 25 10^0.6

10^0.7

Linjär regression analys, modifierat vatten, ändring i pH

tid i (min)

Cs-Ct, mg/l

pH 11 pH 4.8

Från Graf 17 och Graf 18 tas värdena för beräkning av KLa .

Tabell 7. KLa för rent vatten och försök med avloppsvatten

Typ av vatten Rent Serie1, försök1

Serie 1, försök2

Serie 2, Försök1

Serie 2, försök2

KLa, h^-1 2.34 1.34 1.67 1.27 1.13

KLa, h^-1vid 20ºC

2.5 1.44 1.75 1.36 1.18

4.4.3 Modifierat avloppsvatten: pH 4.8 och pH11

Graf 19. C_s−C_t bestäms för varje mätdata. Resultaten logaritmeras och plottas på y-axel mot tiden. Detta görs för försök på modifierat avloppsvatten med olika pH i det intressanta området.

0 2 4 6 8 10 12 14 10^0.6

10^0.7

Linjär regression analys, modifierat vatten med NaCl

tid i (min)

Cs-Ct, mg/l

NaCl 0.05 M NaCl 0.05 M

0 2 4 6 8 10 12 14

10^0.6 10^0.7

Linjär regression analys, modifierat vatten med MgCl2

tid i (min)

Cs-Ct, mg/l

MgCl2, 0.05 M

MgCl2, 0.01 M

4.4.4 Modifierat avloppsvatten: MgCl2 och NaCl

Graf 20.C_s−C_t bestäms för varje mätdata. Resultaten logaritmeras och plottas på y-axel mot tiden. Detta görs för försök på modifierat avloppsvatten med MgCl2i det intressanta området.

Graf 21. C_s−C_t bestäms för varje mätdata. Resultaten logaritmeras och plottas på y-axel mot tiden. Detta görs för försök på modifierat avloppsvatten med NaCl i det intressanta området.

Från Graf 19, 20 och 21 tas värden för beräkning av KLa för modifierat avloppsvatten Resultaten presenteras i tabellen nedan.

Tabell 8. K_La –värde för olika typer av vatten.

Typ av vatten

Rent Avlopp pH 4.8 pH 11 MgCl2

0.01M

MgCl2

0.05M

NaCl 0.01M

NaCl 0.05M

KLa 2.34 1.34 1.33 0.83 1.48 1.6 1.7 1.5

KLa, h^-1 vid 20ºC

2.5 1.44 1.39 0.87 1.55 1.67 1.78 1.57

4.5

- värde

Tabell 9. α–värde för olika typer av avloppsvatten.

Typ av vatten

Avlopp pH 4.8 pH 11 MgCl2

0.01M

MgCl2

0.05M

NaCl 0.01M

NaCl 0.05M

• 0.58 0.56 0.35 0.62 0.67 0.71 0.63

4.6 Energiåtgång för syresättningen i området mellan 4 mg/l och 5.5 mg/l

Tabell 10. Energi som krävs för att syresätta olika typer av vatten i området mellan 4 mg/l och 5.5 mg/l.

Typ av vatten

Rent Avlopp pH 4.8 pH 11 MgCl2

0.01M

MgCl2

0.05M

NaCl 0.01M

NaCl 0.05M Effekt

(kW)

0.024 0.024 0.024 0.024 0.024 0.024 0.024 0.024

Tid (h) 0.15 0.24 0.23 0.34 0.21 0.2 0.19 0.21

Energi (Wh)

3.6 5.8 5.6 8.2 5 4.8 4.6 5

5. Diskussion

5.1 Rent vatten

Experiment delen inleddes med försök på rent vatten. Den experimentala bassängen fylldes med avluftat vatten genom att hälla från behållaren. Det resulterade i att vatten syresatts och syrehalten vid start punkten var i genomsnitt 1.2 mg/l. Eftersom omröringen av vatten inte sker omedelbart, tar det tid för de första syrebubblorna att nå bassängens vägg där sensorn som mätte syrehalten var placerad. Det förklarar fördröjning på syresättning i början av varje försök.

Försöken visar att syresättningshastigheten är samma, kurvorna ligger nära varandra och har samma lutning. Att utföra försök tre gånger med samma startvärde visar att resultat som fås inte är slumpmässigt utan att resultaten blir lika vid upprepande försök.

Graf 1 visar syresättnings kurvor för rent vatten med olika effekter på motorn. Kurvornas utseende ger utryck av en snabbare syresättning vid högre motoreffekt.

Kurvorna ser ut att följa räta linjens ekvation i området mellan 4 min (240 sek) och 17 min(1020 sek). Kurvornas form i Graf 1 och beräkningarna av riktningskoefficienten bevisar att högre motoreffekt ger högre k-värde dvs. syresättnings hastighet ökar med ökad motoreffekt.

Temperaturen påverkar syresättningen av vatten. Vid lägre temperatur löser sig gaserna snabbare än vid högre. [5] Det var svårt att få samma temperatur på vattnet under de utförda försöken, eftersom temperaturen på kranvattnet varierade. De tre försöken med motoreffekt 0.024 kW hade liten skillnad i startvärde på vattnets temperatur.

Temperaturskillnaden i vattnet mellan de olika effekterna var inte stor och hade inte någon betydande påverkan på syresättningen.

Experiment med en lägre effekt än 0.024 kW kunde inte utföras, på grund av att vid lägre effekt blev den skapade virveln instabil. Experiment med högre effekt än 0.04 kW

orsakade en instabilitet i drivremmen som ledde till att den hoppade av. Kontenta blev att syresättningen stoppades.

Graf 2 visar att en ökad effekt ger högre hastighet på syresättningen och att ökningen sker linjärt. Riktningskoefficienten av denna kurva ger möjlighet att dimensionera systemet efter önskad syresättningshastighet och energiåtgång. Detta görs med hjälp av räta linjens ekvation.

5.2 Avloppsvatten

I del två av experimentstudien behövdes inte avloppsvattnet avluftas. Efter upptining visade mätningarna att vid rumstemperatur hade avloppsvattnet en syrekoncentration, mellan 0.2 mg/l och 0.4 mg/l. Även om koncentrationen av bakterierna i avloppsvatten är låg så fanns det tillräckligt med bakterier för att genom sin aktivitet förbruka syre.

Det uppstod skillnad i syrekoncentrationen innan och efter upphällningen av

avloppsvatten i bassängen. Stora behållare med vatten skapade svårigheter i upphällandet i bassängen. Vatten syresatts på grund av stor kontakt med luften under omrörning av vatten vid påfyllnings skede.

Vid beräkning av KLa för avloppsvatten tas hänsyn till rM, den syremängd som

mikroorganismerna förbrukar under processen. Två försök i varje serie utfördes för att få fram rM värdet. Resultaten av rMberäkningen, 0.18 g/dygn, visades vara mindre än de värden som förekommer vid biologisk rening och som varierar mellan 2 till 7 g/dygn.

Därför antogs rM vara försumbart och beräkningen av KLa för avloppsvatten gjordes på samma sätt som för rent vatten. De låga värdena på rMberor på att det var få

mikroorganismer i avloppsvatten. Det innebär också att syresättningen under försöken kunde ske till ett värde av 8 mg O2/l.

Efter upptining hade avloppsvatten rumstemperatur som var runt 17 ºC. Försök 2 i varje serie hade en grad högre temperatur än försök 1. Det förklaras med att

mikroorganismerna aktivitet under tiden mellan de två försöken påverkar temperaturen.

Temperaturskillnaden i vattnet mellan de två olika försöken var inte så stor att syresättningen påverkades väsentligt av temperaturen.

Logaritmeringen av kurvorna för syresättningen av avloppsvatten i Graf 3 och Graf 4 togs fram för att karakterisera förloppet. Graf 5 visar att syresättningsförlopp inte har en karaktär av ren exponential- funktion utan sammansätts av olika funktioner. Första delen av kurvorna i grafen visar att masstransport av vatten dominerar över syresättningen.

Under de första 300 sek i försöken sker omrörning av den heterogena vatten. Sista delen av kurvan visar att syresättningshastigheten börjar avta. Det beror på att

syrekoncentrationen närmar sig mättnadsvärden. Området som har karaktär av exponential- funktion ligger mellan 4 mg O2/l och 5.5 mg O2/l. För att jämföra syresättningshastigheten på utförda försök valdes detta område och resultat av undersökning presenteras i Graf 6 och Graf 7.

Tabell 1 visar att avloppsvatten har sin inverkan på syresättningen.

Hastighetskoefficienten för avloppsvatten är mindre än för rent vatten. Det beror på att avloppsvattens innehåller flera olika komponenter vilka försvårar syresättningen och kräver mer energi.

Kvantifieringen av energiåtgång för syresättningen av olika typer av vatten, i tabell 10, visar en ökning i energi med 60 % för syresättningen av avloppsvatten jämfört med rent

av energiförbrukning för luftningen med 1 % skulle det innebära stora besparingar för papper och massa industrier.

5.3 Modifierat avloppsvatten

Avloppsvattnet som användes till utförandet av försök i del tre av experimentstudien hämtades vid ett annat tillfälle. Vattens pH var lägre än det vanligtvis förekommande värdet. Även vattens färg var ljusare än vanligt. Detta skapade misstankar om att något var annorlunda med avloppsvattens sammansättning. COD prov visade ingen skillnad mellan vattnet. Den ljusa färgen kan bero på att lignin har annan färg vid låg pH. Det är just ligninet som ger den bruna färgen på avloppsvatten. Efter upptiningen visade mätningarna att avloppsvattnet vid rumstemperatur hade oväntad hög syrekoncentration.

Det kan förklaras med att bakterierna inte trivdes i den sura miljön. Höjningen av pH från 4.2 till 5 gjordes för att skapa en bättre miljö för bakterierna. Det tog några dygn innan bakterierna genom sin aktivitet förbrukade syre från 7 mg/l till den låga nivån 0.4 mg/l.

När bakterierna bröt ned organiskt material bildades CO2 som rest produkt, vilket ändrade pH från 5 till pH 4.8. Det nya pH värdet blev det möjliga lägsta för utförandet av

experiment med extrem låg pH.

Det tog kortare tid att få ner syrekoncentrationen vid pH 11 i jämförelsevis med pH 4.8.

Det kan tänkas att bakterierna är mer aktiva vid ett högre pH.

För utförande av experiment med olika salter gjordes en pH höjning till det brukliga värdet av 6 – 6.5.

Ändringen av pH påverkar syresättningen av avloppsvatten, se Tabell 2. Undersökningen av syresättningen genom att ändra avloppsvattnets pH visar på en negativ inriktning, det vill säga att det tog längre tid att öka syremängden från 4 mg/l till 5.5 mg/l. Att modifiera avloppsvatten genom att höja pH-värde till 11 visar ingen positiv påverkan på systemet utan kräver mer energi.

Tillsättning av salter tyder på en snabbare syresättning, Graf 17 och Graf 18, än

syresättningen av vanligt avloppsvatten. Olika koncentrationer av salter ger inte så stor skillnad på syresättningen av modifierat avloppsvatten.K-värdena i intervallet 4 mg O2/l och 5.5 mg O2/l skiljer sig med 10 %. Eftersom syresättningsprocessen med båda salterna beter sig på samma sätt, kan tänkas att det är fettsyrorna som har större betydelse på avloppsvatten än hårdheten har.

En jämförelse av k-värderna mellan avloppsvatten och modifierad avloppsvatten med MgCl2i området mellan 4 mg O2/l och 5.5 mg O2/l visar på en skillnad av 20 %, se Tabell 3. Ur energisynpunkt krävs det mindre energi att syresätta modifierat

avloppsvatten än obehandlat avloppsvatten, se Tabell 10.

Modifieringen av avloppsvatten med NaCl ger en ännu snabbare syresättning av vatten, se Tabell 3. En jämförelse av k-värderna mellan avloppsvatten och modifierad

avloppsvatten med NaCl i området mellan 4 mg O2/l och 5.5 mg O2/l visar på en skillnad

av 23 %. En förbättring av syresättningen visas även som en essentiell minskning av energiåtgång för syresättningen i tabell 10.

Kvantifieringen av energiåtgång för syresättningen av olika typer av vatten, i tabell 10, visar en minskning med 17 % för syresättningen av kemisk modifierat avloppsvatten med salt jämfört med avloppsvatten. För Gruvöns bruk t.ex., kan det innebära en minskning av energiförbrukning för luftningen med 1530 MWh per år.

Om en småhus energiförbrukning är 25 000 kWh per år, kan 60 villor försörja sig med Gruvöns bruks el-besparing. 17 % energibesparing är resultaten från studien i labbskala.

Modifieringen av avloppsvatten i stora anläggningar ger kanske inte samma resultat men några procent minskning av energiåtgång ger ändå stora besparingar för papper och massa industrier.

Däremot ändringen i pH underlättar inte syresättningen. Att modifiera avloppsvatten genom att öka pH-värde till 11 visar ingen positiv påverkan på syresättningen utan kräver mer energi. Sänkning av pH-värde till 4.8 visar ingen påverkan på syresättning.

Användningen av salter vid så låga koncentrationer som 0.01 M och 0.05 M påverkar inte miljön i så stor grad om salterna släps ut i Vänern.

5.4

- värdet

Beräkningen av massöverföring koefficienten, KLa, gjordes för alla typer av vatten. För jämföringen av de olika KLa gjordes korrigeringen till normala förhållanden dvs. KLa20ºC. Från Tabell 8 framgår att saltmodifierat vatten syresätts snabbare än pH modifierat samt vanligt avloppsvatten. Ju högre KLa- värdet ju snabbare syresättningen går.

För att relatera syrets löslighetsförmåga i avloppsvatten till löslighetsförmågan i rent vatten beräknas α - värdet.

Tabell 9 som presenterar α – värde för olika typer av avloppsvatten, visar att det största α – värde fås genom att modifiera avloppsvatten med NaCl med en koncentration av 0.01 M. α – värde för alla fyra försök med salt är ungefär samma, dvs. koncentrationer av salt har inte betydande påverkan på syrets löslighetsförmågan i vatten. Även α – värde precis som k- värdet för modifieringen av avloppsvatten med pH ändring visar på en försämrad syresättning.

6. Slutsatser

Utifrån resultaten inses att kemisk modifiering av avloppsvatten genom att tillsätta salt har väsentligt påverkan på syresättningen. Det resulterar i sänkning av energiförbrukning för syresättningen.

Att modifiera avloppsvatten genom att öka pH-värde till 11 visar ingen positiv påverkan på syresättningen utan kräver mer energi.

7. Förslag till vidare studier

Detta arbete har gett bra förståelse i hur syresättningen i ett biologiskt reningssystem fungerar. Närmare undersöktes hur kemisk modifiering av avloppsvatten påverkar syresättningen. Det som kan tänkas studera vidare är:

– undersökning av syresättningen av kemisk modifierat avloppsvatten med en lägre koncentration av NaCl än 0.01 M

– undersökning av syresättningen av avloppsvatten från olika pappers- och massabruk då bearbetningen av massan sker på olika sätt, kemisk- och mekaniskbearbetning.

– för att undvika syresättningen av vatten under påfyllnings skede en hävmetod kan användas eller skapa en annan lösning med hjälp av t.ex. en pump.

– Avgränsnings område kan ändras till 2 mgO2/l - 3.5 mgO2/l, då start koncentrationen på försök är lägre en 1 mgO2/l.

8. Tackord

Detta examensarbete har utförts vid Avdelningen för energi-, miljö- och byggteknik, Karlstads universitet. Arbetet utfördes i samarbetet med Svend Petersen, Eden aquatech AB och Karlstads universitet.

Examensarbetet är skrivet inom Reningsteknik som ett moment i Energi- och miljöingenjörsprogrammet och omfattar 15 poäng.

Handledare: Ola Holby Universitetslektor, docent,

Energi- och miljöteknik Maria Sandberg Universitetsadjunkt

Energi- och miljöteknik

Ett stort tack till Svend Petersen som har lånat ut utrusningen till oss och gav insikt i anläggningens funktion och uppbyggnad.

Ett stort tack vill vi också rikta till våra två handledare, Ola Holby och Maria Sandberg som har varit ett stort stöd för oss. De har bidragit med värdefulla idéer och kommentarer och tålmodigt svarat på diverse frågor som uppkommit under arbetets gång.

Vi vill även passa på att tacka laboratorieingenjör Lars Pettersson som har hjälpt oss med justering av utrusningen.

Slutligen vill vi tacka Jan Forsberg, universitetsadjunkt, för hans goda råd vid programmering i MATLAB.

Karlstad, juni 2006 Ecaterina Brici Ksenia Bergstedt