Ammoniumavskiljning med zeolit i tvåstegs infiltrationsvåtmark

I en tvåårig studie av zeolitlager för ammoniumavskiljning i en fransk infiltrationsvåtmark jämfördes zeolit med Lecamaterial. En 84 %-ig ammoniumreduktion över året uppnåddes för zeolitfiltret.

Av: Jörgen Hanaeus

Syftet med studien var att undersöka om zeolit som påbyggnadsmaterial i en infiltrationsvåtmark av fransk typ skulle ge en god avskiljning av ammonium. Pilotfilter byggdes vid ett avloppsverk i centrala Frankrike och försöken pågick i 27 månader.
Den centrala filterdelen bestod av zeolit och jämfördes med Lecamaterial i en parallell infiltrationsvåtmark. Ammoniumseparationen i enheten med zeolit blev under den varma perioden 94 %, vilket var 9 % mer än för Lecaenheten.

Bakgrund
Kommunalt avloppsvatten innehåller stora mängder kväve. Den främsta källan är humanurin och kvävet kan vara en viktig källa till eutrofiering i recipienter. För små samhällen, <2 000 invånare höjs kraven i Frankrike; sålunda tillåts för BOD 25 mg O2/L, suspenderade ämnen 35 mg/L, och COD 125 mgO2/L men lokalt ställs även krav på totalt Kjeldahlkväve, < 15 mg N/L.
Våtmarker för avloppsbehandling anses vara ett gott alternativ till traditionella verk för avloppsrening, särskilt för små samhällen. Tvåstegs vertikala infiltrationsvåtmarker, ”fransk typ”, har blivit populära i Frankrike, med fler än 4 000 anläggningar. På senare år har också en enstegs, komprimerad anläggningstyp (”Ecophyltre”) blivit populär då den upptar mindre markyta; 1,2 m2/pe.
Nämnda anläggningstyper byggs av flera lager. De två (enstegs) pilotanläggningar som undersöktes och jämfördes hade följande lagerprofiler ovanifrån:

A) Leca

B) Zeolit

Pilotfiltren hade vardera en area av 2,3 m2.

Försök
Bäddesignen var av typ Ecophyltre och försöken bedrevs under 27 månader med underhand ökande organisk och hydraulisk belastning. En inledande tre månaders period med COD-värden ca 78 g O2/m2, d, följdes av en mellanperiod om nio månader med COD-nivån 195 g O2/m2, d och en avslutande period om 15 månader med COD-nivån 300 g O2/m2, d.

Filtren belastades under 3,5 d som följdes av en viloperiod om 7 d. Tillförseln bestod av färskt kommunalt avloppsvatten som pumpades från inkommande till avloppsverket i pulser om 69/L (3 cm på bädden).
Två spårämnesförsök, med fluorescerande spårämne och fluorometer vid utloppet,  utfördes, i månad 12 och 24. Provtagning skedde i regel två gånger per månad och bädd för COD, TSS, Tot-N, NH4-N, NO3-N och NO2-N. Ammoniumadsorptionen mättes via skakförsök med adsorbenten plus att hela zeolitlagret skördades efter försöksserien och analyserades m a p ammoniuminnehållet.

Resultat

Hydraulik: Försöken visade snarlika kurvformer för de två bäddarna även vid båda tidpunkterna. Toppvärdet inföll på mindre än en halvtimme, därefter avklingande, och medelvärdena blev 2,5 h (Lecabädd) och 2,7 h (zeolitbädd) vid första tillsatsen. I den andra blev motsvarande medelvärden 1,7 h (Leca) och 2,6 h (zeolit).

Vattenkvalitet: Under den senaste perioden (månader 12-27) som kördes med den högsta tillåtna (nominella) belastningen blev utgående vattenkvalitet, uppdelad på varm och kall period:

                               In ca        Varm period utgående    Kall period utg.
                                                       Leca/zeolit             Leca/zeolit
TSS, mg/L                400                     64/51                    44/44
COD, mg O2/L          950                   137/113                 126/114     
TKN, mg N/L            110                     23/17                     35/29
NH4-N, mg N/L          85                     18/12                     30/22

Zeolitprofilen gav alltså lägre halter i utgående vatten, med reduktions-% för Kjeldahl-kväve ca 75-85, högre för varmare vatten.

Adsorption: Adsorptionsisotermerna (Langmuir) för zeolitmaterialet före/efter drift visade på en svagt minskande ammoniumadsorption. Maximal kapacitet under perioden var 1 mg NH4-N/g.
Färgbilder på zeolitmaterialet före och efter försöken visades.

Slutsatser
Den förhållandevis långa studien visade att ett enstegs våtmarkfilter med ett 10 cm zeolitlager gav bättre ammoniumreduktion än motsvarande med Lecamaterial. Båda filtren gav bättre separation under den varmare årstiden.

Ökad höjd på zeolitskiktet kan förmodligen öka ammoniumreduktionen. En förbättrad spridning av vattnet på filterytan kan ge ytterligare positiv effekt.

Källa: Ruiz-Ocampo, H.1,2,3), Tondera, K. 4), Paing, J. 2), Molle, P.4) & Chazarenc, F. 4): Long-term investigations on ammonium removal with zeolite in compact vertical flow treatment wetlands under field conditions. Water Science & Technology (2022) 85 (3): 746–755.

Hela artikeln i Water Science & Technology går att läsa gratis här.

1) Institut Mines Telecom Atlantique, GEPEA, UMR CNRS 6144, 4 rue Alfred Kastler, Nantess 44307, France.
2) CREA Step, 49 route de la Borde, Beaumont Louestadt 37370, France.
3) Circular Economy Research Center, Ecole des Ponts, Business School, Business School, Marne-la Vallee, France.
4) INRAE REVERSAAL, Villeurbane F-575CAC7E-04C6-4C12-A43E-B40BAF5B94F8, France.

Kontakt: katharina.tondera [a] inrae.fr