I labskala har ett dränkt biofilter testats med avseende på separation av kväve och organiskt material. Endast övre delen av filtret, av puzzolanmaterial, luftades. Goda resultat erhölls vid ammoniumhalter > 2 mg N/l. Parallell kolreduktion, nitrifikation och denitrifikation påvisades i filtret.
Av: Jörgen Hanaeus
Vatten med måttliga kvävehalter, såsom flod-, sjö- eller behandlat avloppsvatten kan behöva polering. Ett sätt är att låta dem passera ett dränkt biofilter, med eller utan luftning. Här har ett sådant filter, av puzzolanmaterial, belastats med syntetiskt avloppsvatten, där främst kväve (ammoniumklorid) och organiskt material (natriumacetat) tillsatts för att nå varierande N och C/N-värden. 50-70 % av ammoniumreduktionen skedde i den översta delen av filtret där syrehalten var 2,1 g O2/m3. Biofilmtjockleken var där 0,4-0,6 mm. C/N-kvoten 2 gav bättre ammoniumreduktion än kvoten C/N = 20. I biofiltrets nederdel förekom parallell reduktion av ammonium och nitrat vid syrehalter ca 0,5 g O2/m3.
Bakgrund
På många håll i världen ställs krav på begränsade kväveutsläpp; t ex i EU 10-15 mg N/l och i vissa regioner i USA 3 mg N/l. Kvävehaltiga ytvatten kan kräva förbehandling inför rening till dricksvatten. Konventionell avloppsrening kan behöva förstärkas inför sådana krav Ytvatten och behandlat avloppsvatten kan då renas i ett dränkt aerobt biofilter. Dessa kan som minusposter ha högt energibehov för luftningen samt vara känsliga för igensättning. Bestämning av lämplig spolfrekvens och minskning av tillförd luftmängd är optimeringssträvanden som undersökts i ett lab filter av puzzolanmaterial som tillförts ammonium och acetat.
Försöksutförande
Försöken har utförts i ett dränkt biofilter med diametern 7 cm och en materialhöjd av 40,5 cm.
Filtermaterialet bör ha en specifik yta mellan 500 m2/m3 och partikelstorlek 1-4 mm för att ge god filterhydraulik. Erfarenheter säger att sådana filter kan drivas med hastigheter 1-10 m/h. Här valdes ett puzzolanmaterial (naturligt vulkaniskt material) för ändamålet och försöken syftade till att med en begränsad del av filtret luftad avlägsna ammonium i halter upp till 30 mgN/l.
Det valda materialet hade en effektiv diameter om 4 mm, specifik yta om 1740 m2/m3 och porositeten 52 %. Fem provtagningspunkter inrättades längs filterhöjden. Till filtret hörde också en luftpump, qmax = 150 l/h, som mynnade 8 cm under filterytan via en finporig diffusor.
Översta delen av filtret luftades på detta sätt till en syrehalt av minst 2 mg O2/l. En spolpump anslöts till botten av filtret med rotameter för flödesmätning. Luft kunde även tillföras vid spolningen.
Det syntetiska avloppsvattnet, tilllverkat med kranvatten, höll normalt 100 mg COD/l och 10 mg NH4-N/l. Acetat- och ammoniumkloriddoseringen varierades vid försök till C/N-värden 2-20. Reaktorn inokulerades med aktivt slam från ett kommunalt avloppsverk.
I försöksserie 1 undersöktes när stationära förhållanden inträdde och när dessa avbröts pga igensättningar. Med lärdomar från serie 1 kördes serie 2 med lämplig spolfrekvens för att upprätthålla stationära förhållanden vid olika C/N-kvoter. Efter 5 dygn behövdes spolning och 8-10 timmars drift för att återta stationära förhållanden.
Förutom vattnets näringsparametrar provtogs fyra filterkorn för bestämning av biofilmtjockleken. Lufttillförseln var 20 l/h. Filterhastigheten var (1 l/h) ca 0,25 m/h.
Resultat
Efter försöksserie 2, drygt 3 månader, noterades att vid låga inkommande COD-halter (<11 mg/l) eller NH4-N-halter (<2,1 mg/l) skedde ingen ammoniumavskiljning.
Alkaliteten ökade längs filtret, indikerande att oxidationen av acetat producerade mer alkalitet än vad ammoniumavskiljningen konsumerade. Syrehalten varierade från ca 3,5 mg O2/l högst upp till ca 0,5 mg O2/l längst ner i filtret. Huvuddelen av ammoniumreduktionen skedde högt i filtret, uppemot 75 %, och nitratproduktionen var följdaktligen också högst där. Niratreduktion inträffade sedan i den lägsta tredjedelen av filtret där upp till 30% avskiljdes. Samtidig nitrifikation (4-18% ammoniumreduktion) och denitrifikation försiggick i filtrets nedre del.
Ammoniumavskiljningen ökade med lägre C/N-värde. Totalt varierade avskiljningen mellan 14 och 564 g NH4-N/m3,d. Biofilmtjockleken varierade från 0,5 mm uppe till 0,02 mm nere i filtret.
Slutsatser
Den dränkta och delvis luftade biofilmreaktorn avskiljde under de provade belastningsförhållandena COD upp till 80% och ammonium upp till 75%. Samtidig nitrifikation och denitrifikation försiggick i filtrets nedre del (O2 ca 0,5 mg/l). Ammoniumreduktionen avtog vid mycket låga ingående halter; ca 2 mgN/l. Filtret kan vara ett användbart polersteg vid långtgående ammoniumreduktion. De parallella nitrifikations- och denitrifikationsprocesserna kan vara värd en fördjupning.
Källa: Albuquerque, Aa)., Makinia, Jb)., Pagilla,Kc) : Impact of aeration on the removal of low concentrations of nitrogen in a tertiary partially aerated biological filter. Ecological Engineering 44 (2012) pp 44-52.
a) Civ Eng and Arch. Department, University of Beira Interior, Covilha, .Portugal.
b) Faculty of Civ and Env Eng, Gdansk University of Technology, Gdansk, Polen
c) Civ, Arch and Env Eng Department, Illinois Institute of Technology, Chicago, USA
Korrespondens: ajca@ubi.pt Antonio Albuquerque.
