Rening av avloppsvatten och mikroorganismerna som gör det möjligt

Transkript

1 Rening av avloppsvatten och mikroorganismerna som gör det möjligt Projektledare Fanny Gelotte Kajsa Bondesson Ylva Andersson Tommy Westerback Per Wennström VM-9 Blue Peak AB Reningsteknik 1 och Mikrobiologi Handledare: Martin Lundh och Mikael Waltner 1

2 Sammanfattning Ett avloppsvatten innehåller en mängd olika ämnen som ska avskiljas innan vattnet återförs till recipienten. Det är bland annat suspenderad substans, nedbrytbara organiska ämnen, sjukdomsalstrande bakterier samt växtnäringsämnen som kväve och fosfor som ska reduceras. Restprodukten slammet som blir vid reningen ska också på bästa möjliga sätt tas om hand för att skydda människor och miljö från skadliga ämnen men på ett sådant sätt så man kan återvinna de ämnen som är nyttiga. Under hela processen tar man olika prover för att kunna styra sin process på ett så effektivt sätt som möjligt. I Naturvårdsverkets föreskrifter SNFS 1990:14 finns det beskrivet vilka kontrollparametrar man ska ta hänsyn till, vilka typer av prov man ska göra samt hur ofta. Den mekaniska reningen är det absolut enklaste och mest grundläggande sättet att rena avloppsvatten då man bara använder sig av fysikaliska metoder. Vid inloppet har man ett galler eller sil som avskiljer de större föroreningarna och partiklarna för att sedan föras till ett luftat sandfång där sanden avskiljs. Efter det tar den biologiska reningen vid och man har flera olika metoder att välja mellan som till exempel aktivslam, biorotor eller biobädd. Det gemensamma med dessa metoder är att det är de små mikroorganismerna mikrodjuren, bakterierna, arkaerna som gör grovjobbet. De lever i en komplicerad miljö och kräver stor omsorg och idealiska förhållanden för att vara så effektiva som möjligt. Det innebär att man måste vara noggrann med deras levnadsbetingelser: energi, syre, ph och temperatur och som drifttekniker bör man ha kunskap om hur de kan skapa störningar i processen samt hur man åtgärdar dessa. Om det är för stor halt kväve i vattnet som ARV släpper ut kan det orsaka övergödning och syrebrist i recipienten. Det blir allt vanligare att ARV måste reducera kvävehalten och det gör man då i det biologiska reningssteget. I en luftad bassäng oxiderar ammoniumkvävet till nitrat och nitrit för att därefter, i en syrefri bassäng, omvandlas till kvävgas. Denna process kallas nitrikfikation-denitrifikation och är en del av kvävets kretslopp. För att på ett effektivt sätt kunna avlägsna fosfor ur vattnet använder man sig av kemisk fällning. De järn- och aluminiumsalter som man använder sig av kan tillsättas vid olika punkter i reningsprocessen. Man kallar det: direktfällning, förfällning, simultanfällning samt efterfällning och beroende på flera olika faktorer så väljer man den metod som är mest optimal för just sitt ARV. Slammet är den restprodukt man får när man renar ett avloppsvatten och dess sammansättning beror till stor del på vilka tidigare processer som använts i reningen. Slambehandlingen har som syfte att ta bort det vatten som är bundet i slamaggregaten och även att bryta ned och stabilisera det organiska materialet. När man renar vatten kan det krävas en del kemikalier och de som används är kontrollerade hos KemI som har den centrala kontrollen av dessa i Sverige. Det är lag på att till varje kemikalie ska det finnas ett säkerhetsdatablad som bland annat beskriver dess egenskaper och påverkan på människan och miljö. Det är bra att veta hur ett säkerhetsdatablad är utformat och hur man kan göra sin arbetsplats säkrare med hjälp av dessa. 2

3 Innehållsförteckning Projektbeskrivning 4 Mekanisk rening 5 Grovrening 5 Sedimentering 7 Flotation 9 Försedimentering 9 Driftstörningar 10 Biologisk rening 11 Aktivslam 11 Biologiska bäddar 15 Andra biofilmssystem 17 Kväveavskiljning 18 Kemisk rening 22 Slam 31 Allmänt om slam 31 Förtjockning 32 Stabilisering 34 Avvattning 37 Kemikaliehantering 38 Provtagning 42 Dimensionering 45 Processchema 47 Maskinlista 48 Mikroorganismer 50 Slutsats 57 Källförteckning 58 3

4 Projektbeskrivning Bakgrund och syfte Vi är fem stycken studenter på Vatten- och Miljöteknikutbildningen i Hallsberg som sammanställt en rapport om två kurser vi genomfört. Det är kurserna Mikrobiologi, 15 YHpoäng, samt Reningsteknik del 1, 25 YH-poäng. Syftet med detta projekt är att grundlägga våra kunskaper i avloppsvattenrening och mikrobiologi. Det har vi gjort genom att upprätta en drift- och skötselinstruktion för ett avloppsreningsverk med mekaniskt, biologiskt och kemiskt reningssteg samt krav på kväverening och slambehandling med förtjockning, stabilisering samt avvattning. Drift- och skötselinstruktionen innehåller även: dimensioneringsberäkningar för pe både inkommande belastning hydrauliskt och föroreningsmässigt samt dimensioneringsgrunder för behandlingsstegen processchema checklista vid driftstörningar med åtgärdsförslag provtagningsschema för inkommande och behandlat vatten specifikation över ingående maskin- och instrumentutrustning i anläggningen kemikaliehantering Vi har beskrivit vad som händer i respektive reningssteg och vad som avskiljs och även gett alternativa förslag på andra metoder för respektive reningssteg. Vi har i området Mikrobiologi beskrivit de mikroorganismer som kan finnas i ett biologiskt reningssteg, deras levnadsbetingelser samt de eventuella driftstörningar de kan förorsaka. Organisation Projektledare Fanny Gelotte och övriga deltagare Per Vennström, Kajsa Bondeson, Tommy Westerback och Ylva Andersson Projektplan Vi har grovplanerat i MS Project som följts upp vid varje basgruppsmöte 1gång/vecka. Vi har även haft en detaljplanering som uppdaterats fortlöpande av projektledare. Metod Arbetet har skett enligt PBL-metoden med basgruppsmöte 1gång/vecka samt gruppmöten vid behov. Vi har använt den rekommenderade kurslitteraturen, varit närvarande vid föreläsningar, använt internet och varit på studiebesök. Vi har lagt upp våra individuella arbeten på Googledocs och på så sätt fortlöpande kunnat hjälpa varandra. Dokumentation Handledaren har fortlöpande fått loggböcker från projektledaren och gruppmedlemmarna samt även detalj- och grovplanering. Protokoll har förts vid alla träffar som sedan varit tillgängliga på Googledocs. Utkastet ligger på Googledocs och rapporten har slutligen sänts till handledaren och en muntlig redovisning har förberetts. 4

5 Mekanisk rening Mekanisk rening är det absolut enklaste och mest grundläggande sättet att rena avloppsvatten, då man bara använder sig av fysikaliska metoder. I en process där man använder sig av ett rensgaller, sandfång och försedimentering kan man avskilja ca % av SS och ca 30 % av BOD. 1 Det är en betydande mängd, men inte tillräcklig med avseende på vilka krav det finns på utsläpp till mark och vatten idag, så det måste kompletteras med biologisk och kemisk rening. Den mekaniska reningen är dock den första i ett reningsverk, och syftar framförallt till att ta bort det värsta av SS och BOD som annars kan försvåra de efterföljande processerna. Grovrening Galler/sil Det första reningssteget är att ta bort större föroreningar och partiklar som papper, tamponger, bomullspinnar och liknande saker. Detta görs för att inte efterföljande reningssteg ska belastas i onödan. För att rensa vattnet använder man sig av antingen ett galler eller en sil, som släpper igenom vatten och mindre partiklar men fångar upp renset och för det vidare till ett avskiljt ställe. Det finns flera olika typer av galler och silar, till exempel: - Steggaller. Är en form av fingaller och är utformat som en trappa som steg för steg rör sig uppåt vid behov. Renset som har lagt sig på trappan följer då med upp, medan vattnet spolas igenom gallret. Efter en tid byggs en tunn matta av rens upp på gallret, som hjälper till att avskilja mindre partiklar. - Renssil/hålgaller. Fungerar ungefär på samma sätt om ett steggaller, men består inte av en trappformad anordning utan är mer jämn. Silplåten går runt, runt, och renset fastnar på det och följer med upp, medan vattnet kan passera igenom. Renset kan sedan avskiljas från silplåtarna med hjälp av sprutande vatten eller en stor borste som roterar i motsatt riktning. - Trumsil. Vattnet leds i en kanal, och tvingas passera trumsilen. Silen släpper igenom vattnet som kan fortsätta i kanalen, men renset med större storlek än silens hål stannar kvar i trumman. Trumman börjar snurra vid en viss vattennivå, vilket gör att renset följer med upp och kan ledas bort med hjälp av till exempel en skruvpump. Rensgodsbehandling Renset består ofta av mycket vatten och organiskt material som följt med, till exempel fekalier. Av estetiska, ekonomiska, miljövänliga och praktiska skäl vill man ha ett så rent och torrt rens som möjligt. Genom att tvätta renset sköljer man ur en stor del av det organiska materialet, och rejektvattnet kan sedan ledas tillbaka till reningen. Tvätten sker oftast under hög turbulens så att renset blir ordentligt genomsköljt. För att få bort vattnet används ofta någon typ av skruv som kompakterar renset. Vattnet pressas ut ur renset och TS-halten ökar. Dessa två behandlingssteg kan ofta sitta i en och samma maskin. 1 Kemira, Konsten att rena vatten 2003, sidan 44. 5

6 Luftat sandfång I ett sandfång avskiljs den sand som har följt med avloppsvattnet antingen tillsammans med drän- eller dagvatten från marken eller genom trasiga rör. Sanden avskiljs för att undvika slitage på annan utrustning eller att den lägger sig på botten av bassänger. För att inte organiskt material också skall sjunka luftar man oftast bassängen, så att små och lättare partiklar hålls flytande. Detta görs för att få en så ren sand som möjligt, som sedan kan användas som deponimaterial. Långsandfång Ett långsandfång är en fyrkantig bassäng där sanden sedimenterar, alltså avskiljs med hjälp av tyngdkraften. Sand har hög densitet, och är därför lättsedimenterat. Uppehållstiden i bassängen är i regel kort, cirka 20 minuter, men beror på sandkornens storlek. Sanden ackumuleras på bassängens botten, som förslagsvis är lutad så att sanden koncentreras lättare. Den tas sedan bort med hjälp av skrapor eller en transportsskruv. Dessa kan användas med eller utan luftning. Luftning kan till exempel ske genom tallriksluftare på botten av bassängen. Rundsandfång I ett rundsandfång avskiljs sanden med hjälp av centrifugalkraft. Sandfånget är runt och vattnet rörs om, och pressas utåt sidorna. Sanden som är tyngre dras in mot mitten och kan avskiljas med pumpar. Sandfånget kan vara luftat, med en gardin av bubblor som omger centrumet. Sanden kan passera genom denna men det organiska materialet stannar utanför. Sandbehandling Även om man har använt sig av ett luftat sandfilter, är sanden oftast kraftigt kontaminerad med organiskt material. För att kunna använda sand till fyllnadsmaterial vill man ha en så ren sand som möjligt så den måste tvättas och urvattnas, vilket görs på ett sätt mycket likt det man gör med rensgodset. Driftstörningar och problem som kan uppstå Vatten i rensgallercontainern. Detta beror på att rensgodset har blivit för dåligt dränerat och kan åtgärdas genom att justera frekvensen på skrapan som för renset till transportören eller containern. Om problemet kvarstår och om man inte redan har en, bör man överväga att skaffa en rensgodspress. Lukt från rensgodscontainern. Beror antingen på att renset innehåller för mycket organiskt material eller att en nedbrytning hinner påbörjas. Detta kan undvikas genom att tvätta renset eller genom att köra bort rensgodset oftare. Dålig sandavskiljning i sandfånget. Beror på en för kort uppehållstid eller en alltför kraftig luftning. Justeras genom att förlänga uppehållstiden eller minska luftningens kraft. För mycket slam/organiskt material i sanden. Beror på för lite luftning. Antingen får man öka luftningen eller installera en sandtvätt. Svårt att pumpa ut sand från sandfånget. Sanden lägger sig som en kaka på bassängens botten. En lösning är att luckra upp sandkakan med hjälp av tryckluft eller vatten, och i fortsättningen pumpa ut sanden oftare. Sanden luktar. Beror på för mycket slam i sanden, och bör åtgärdas redan innan den når containern (se för mycket slam/organiskt material i sanden ). Man kan också köra bort sanden oftare så att den inte hinner börja lukta. 6

7 Sedimentering Sedimentering är en metod som är vanlig i reningsverk, och går ut på att partiklar som man vill avlägsna sjunker till botten på en bassäng och på så sätt kan avskiljas från vattnet. Sedimentering sker normalt sett efter varje reningssteg i reningsverket och kallas för-, mellaneller slutsedimentering, beroende på var i processen den befinner sig. För att en partikel ska kunna avskiljas genom sedimentering krävs det att den har högre densitet än vattnet, och man måste dimensionera sedimenteringen så att partiklarna faktiskt hinner sjunka innan vattnets har runnit igenom bassängen. För att kunna veta hur stor bassäng och yta man behöver måste man ta hänsyn till partikelns sjunkhastighet. Den påverkas av framför allt två saker förutom densiteten; partikelstorleken och vattnet viskositet. En högre densitet och en större partikelstorlek ökar sjunkhastigheten medan en högre viskositet sänker den. Detta beskrivs i Stokes lag 2, som anger att sjunkhastigheten är proportionell mot differensen i densiteten och kvadraten på partikelstorleken, samt att den är omvänt proportionell mot viskositeten. Stokes lag är dock i stort sett oanvändbar när det gäller användning i praktiken, då den endast gäller för sfäriska och mycket små partiklar, men den hjälper en att förstå hur sjunkhastigheten påverkas av olika faktorer. Det finns tre sorters sedimentering: - Diskret. Innebär att partiklarna sedimenterar var och en för sig, utan inverkan på varandra. Exempel: när sand avskiljs i sandfånget. - Flockulent. Partiklarna flockas under sedimenteringen och fälls snabbare. Exempel: kemisk fällning. - Hindrad. Hög partikelkoncentration, och partiklarna fixerar varandra, och stannar antingen kvar där de är eller sedimenterar som en enhet. Konventionell sedimentering Sedimenteringsbassänger är antingen i en rektangulär eller i en cirkulär form. De består helt enkelt av en bassäng som vattnet får rinna igenom, och under tiden det tar ska partiklarna hinna sjunka till botten, där de skrapas till en slamficka för att sedan pumpas ut ur bassängen. Det finns olika utformningar på sedimenteringsbassänger: S1 bassäng - horisontalströmningsbassäng med rektangulär planform är en äldre modell. De är oftast grunda och har en avdragsränna i bakre änden. S2 bassäng - vertikalströmningsbassäng med rektangulär planform är en nyare modell som strömmar horisontellt men är djupare och har flera avdragsrännor. S3 bassäng - cirkulär planform är vanlig utomlands och kan ha en diameter på upp till 75 meter. S4 bassäng - bassäng med cirkulär eller kvadratisk planform med starkt lutande väggar cirka 60º slammet transporteras bort ur bassängen med hjälp av lutningen. Passar vid ARV med ett par tusen pe. 2 George Gabriel Stokes,

8 Lamellsedimentering Enligt ytbelastningsteorin ökar sedimenteringsbassängens kapacitet med ytan, varför man har försökt olika metoder att öka sedimenteringsytan inom en bassäng. Detta kan göras genom dubbla bottnar, men mer effektivt är att använda lameller. Lameller är snedställda skivor som placeras i bassängen för att skapa fler bottnar, alltså yta där partiklar kan sedimentera. Lamellerna har en lutning på cirka grader för att partiklarna ej ska lägga sig på dem, utan glida ner till botten, där de sedan kan skrapas ihop med slamskrapor. Sedimenteringsytan ökar nu betydligt, och beräknas på den horisontella ytan varje lamell tar upp. Den totala sedimenteringsytan beror på bassängens storlek samt lamellernas lutning och täthet. När sedimenteringsytan ökar, ökar även bassängens arealbelastning, och det krävs en mindre bassäng för samma mängd sedimenterat material. Detta gör lamellsedimenteringen mycket utrymmeseffektiv. I Sverige är det vanligaste användningsområdet för lamellsedimentering vid avskiljning av slamflockar efter kemisk fällning. Att tänka på vid utformning: Vattnet bör fördelas jämnt över alla lameller, inte mer på de i början. Inkommande vatten bör inte heller möta det sedimenterade slammet. Vattnet kan föras in från lamellernas sidor och strömma uppåt och slammet sjunker neråt. Ett problem med lamellsedimentering är att det lätt bildas beläggning på lamellernas ytor som är svår att få bort. Slamtömning Slammet sedimenterar och lägger sig på botten av bassängen men det kan även bildas en liten mängd ytslam som flyter på ytan. Avlägsningen av detta slam sker vanligtvis med någon form av skrapor eller pumpar till slamfickan i bassängen. Kedjeskrapor. Denna typ av skrapa är vanlig i rektangulära bassänger, och består av ett antal skrapblad som sitter ihop i kedjor och bildar ett så kallat skrapspel. Detta skrapar slammet längs med botten till slamfickan, men även längs ytan till en flytslamränna. Skrapspelet går långsamt runt, runt. Cirkulär skrapa. Används i cirkulära bassänger, och snurrar runt, runt, långsamt och skrapar slammet inåt mitten ner i slamfickan. Skraporna är vanligtvis snedställda så att slammet leds inåt. 8

9 Flotation Flotation är motsatsen till sedimentering; partiklarna flyter istället för att sjunka. För att detta ska kunna uppnås måste partiklarna ha lägre densitet än vattnet. Flotation lämpar sig bäst för vatten med lågt partikelinnehåll, men kan fungera bra vid ett mycket fettrikt vatten. För att få enskilda partiklar eller flockar att flyta blåser man in små luftbubblor underifrån i bassängen, vid vilka partiklarna fäster och därmed lyfts till ytan. Det är mycket lättare att få luftbubblorna att fästa vid flockar vid än enskilda släta partiklar, så metoden passar bäst vid avskiljning av små flockar efter den kemiska fällningen. Luftbubblorna bildas genom att man löser luft i vatten under högt tryck. Då vatten kan lösa mer luft under högt tryck, frigörs sedan denna luft när trycket sänks och små luftbubblor bildas. Detta vatten med luft i kallas dispersionsvatten. Vattnet blåses in i bassängen genom munstycken som bör vara utspridda i bassängen. Partiklarna fäster vid bubblorna och bildar ett tjockt slamlager på ytan. Slammet skrapas bort efter hand eller avlägsnas genom bräddning. Försedimentering Efter grovreningen med galler och sandfång är det dags för försedimenteringen, som syftar till att avlägsna de avsättbara partiklar som inte har kunnat avskiljas i grovreningen. Detta görs för att minska belastningen på kommande reningssteg och undvika eventuella driftstörningar. Försedimenteringen görs i en sedimenteringsbassäng i något slags utförande och vanligtvis uppkommer även en liten del flytslam på ytan. Slammet som bildas kallas för primärslam eller mekaniskt slam. Försedimenteringen kan i teorin avlägsna 100 % av de avsättbara partiklarna, men eftersom många av dem är små och sjunker långsamt, är det inte effektivt att ha bassänger i den storlek som skulle krävas. Reningsgraden man kan räkna med är ungefär % suspenderad substans, 30 % organiska ämnen och % fosfor och kväve. För ökad avskiljningsgrad kan man tillsätta kemikalier före försedimenteringen, och det blir då en så kallad förfällning. Driftstörningar och problem som kan uppstå Hög vattenhalt i det utpumpade slammet. Vatten följer med det förtjockade slammet, och kan åtgärdas på flera sätt. Framför allt handlar det om att justera utpumpningen av slammet från bassängen. Man kan behöva minska gångtiden på pumparna eller låta det gå längre tid mellan varje utpumpning. Att installera omrörare som sakta rör om slammet i sedimenteringsbassängen kan också vara till hjälp då det underlättare slammets förtjockning. Flytslam, gasbildning och lukt. Beror på att slammets uppehållstid i bassängen är för lång. Det kan också vara så att allt slam inte pumpas ut, utan stannar kvar på någon svåråtkomlig yta. Detta åtgärdas genom att pumpa ut slammet med högre frekvens och att köra slamskrapan oftare. Det är också viktigt att se till att skrapan tar ända ut i kanterna, så att inget slam blir liggande och bildar slamkakor som i sin tur producerar gas. Slammet är svårt att pumpa ut. Beror troligtvis på att slammet är för tjockt eller innehåller sand och trasor. Här bör man kontrollera funktionen hos rensgaller och sandfång, för att se till att de processerna avskiljer till den grad som det ska. Man kan även pumpa ut slammet oftare. 9

10 Slammet fastnar på lamellerna i lamellsedimenteringen. Vanligt problem som kan vara svårt att åtgärda, då det är krångligt att komma åt att rengöra lamellernas ytor. Man bör dock se till att de har en tillräcklig lutning, cirka grader, så att slammet lättare glider neråt och av dem. Dålig avskiljning i försedimenteringen. Beror vanligtvis på att den hydrauliska belastningen är för stor, vilket kan vara svårt att åtgärda om bassängerna är för små. Det man bör tänka på är dock att se till att vattnet fördelas jämt i alla bassänger och över hela bassängbredden. Det kan också bero på att det tillförs för mycket överskottsslam till vattnet. Då kan man eventuellt förtjocka detta slam i en egen process eller bara tillsätta det vid en i övrigt låg belastning på bassängen. Dålig avskiljning vid flotation. Beror vanligtvis på att dispersionsvattenflödet är för lågt eller ojämnt och kan då åtgärdas genom att reglera detta. Slam kan även ackumuleras på botten, och då får man helt enkelt köra bottenskrapan lite oftare. För låg TS-halt i slammet. Beror på att för mycket vatten följer med slammet. Åtgärdas genom att justera skrapan. Den skall bara ta det översta lagret av slammet och kan behöva gå med längre intervall. 10

11 Biologisk rening Efter försedimenteringen följer normalt den biologiska reningen. Detta reningssteg är primärt till för att avskilja organiskt material. Man brukar ange detta som halten av BOD 7 i avloppsvattnet. I de fall reningsverket har krav på kväveavskiljning sker även detta i det biologiska reningssteget. Vid gynnsamma förhållanden kan man även avskilja en hög andel fosfor ur avloppsvattnet. Man använder sig av flera olika tillvägagångssätt, aktivslammetoden, biobädd eller biodammar, inom biologisk rening. Mikroorganismer utnyttjas för reningen och inom avloppsrening är det främst bakterier som används. Bakterierna kan vara frisvävande, suspenderande eller fastsittande på ett bärarmaterial. För att bakterierna ska få energi tillsätter man syre och bakterierna förbränner, eller oxiderar, sedan organiskt material. Aktivslam - Princip Detta är den vanligaste biologiska reningsmetoden som avloppsreningsverk i Sverige använder sig av. Det försedimenterade avloppsvattnet blandas med en befintlig bakteriekultur som är bunden i slammet och denna process kallas aktivt slam. För att oxidationen ska fungera och bakterierna ska kunna tillväxa, måste man tillsätta syre och det sker i en luftningsbassäng. Efter några timmars luftning leds blandningen in i en sedimenteringsbassäng där slammet sjunker till botten. Det renade vattnet dras av, dekanteras, från ytan och pumpas vidare till nästa steg i reningsverket. En del av slammet pumpas tillbaka till luftningsbassängen där det åter blandas med inkommande avloppsvatten. Man brukar kalla detta flöde returslam. Detta görs för att bibehålla en likartad koncentration av bakteriekultur i processen. I och med att bakterierna tillväxer får man även överskottsslam och det leds oftast vidare till reningsverkets slambehandling. Vid gynnsamma förutsättningar och om belastningen är låg kan man med aktivslam-metoden avskilja mer än 90 % av andelen organiskt material (BOD 7 ) i avloppsvattnet. Det innebär att koncentrationen av SS, suspenderat material, är under mg/l. I en normal och väl fungerande process, utan särskild kväveavskiljning, avskiljs ungefär 10-40% av kväve och fosfor. Processen - Inlopp Oftast utformas processen så att man tillför avloppsvattnet och returslammet i inloppet av luftningsbassängen, men det finns även andra metoder. Det brukar kallas beskickning, det finns några olika varianter, stegbeskickning, kontaktbeskickning och beskickning genom kontaktor. Vid stegbeskickning innebär det att man fördelar avloppsvattnet över en större sträcka av bassängen istället för vid inloppet som är vanligt. Returslammet tillförs här normalt vid början 11

12 av luftningsbassängen. Följden blir att man får en högre slamhalt i början av bassängen och mot slutet får man en tunnare slamblandning. Resultatet blir att bassängen kan rymma en större slammängd men ändå hålla samma slamhalt vid utloppet. Man får även en jämnare syreförbrukning i bassängen eftersom förloppet sker i hela bassängen. När man använder kontaktbeskickning så tillförs avloppsvatten och returslam vid inloppet. Skillnaden här är att returslammet har luftats i en aktiveringsbassäng innan det tillsätts och man kan därigenom bryta ner partikulärt BOD som normalt är svårare att bryta ned. En annan fördel med denna metod är att man kan hålla en hög medelslamhalt. En selektor kan påverka sammansättningen av bakterier i slammet. Selektorn är ett utrymme före luftningsbassängen där man påverkar slamsammansättningen. Genom detta kan man även styra slammets sedimenteringsegenskaper. De filamentbildande (trådbildande) bakterierna kan hållas på en lagom nivå så de inte stör slambildningen. Filamentbakterierna gillar inte hög slamvolym och genom att hålla en hög nivå i selektorn kan man hålla ned dessa. Processen - Bassänger Man använder sig av olika teoretiska beskrivningar för att beräkna slamflödet. Det som används alltmer idag är totalomblandning. Definitionen för detta är att man har en process där avloppsvatten blandas fullständigt med bassängens slaminnehåll. Fördelar med detta är att man får enklare styrning av processen och man slipper oftast variationer i dosering samt utsläpp. Pluggflöde är en äldre metod som håller på att utrangeras i våra reningsverk. Det kan beskrivas som att det finns volymer (pluggar) i bassängen där avloppsvatten och slam ej är omblandat. I pluggarna blir följaktligen koncentrationen av ett ämne eller ett organiskt material högre jämfört med vad som är fallet vid totalomblandning. Processen - Luftning I luftningsbassängen tillför man syre till den biologiska processen. Syresättningen gör att man får en aerob process. Det gör att mikroorganismerna, bakterier i detta fall, kan tillgodogöra sig substratet snabbare och oxidera den biologiska massan. Man använder även syresättning för att hålla slammet suspenderat. En luftningsbassäng är oftast utformad som en rektangulär 12

13 kanal med en bredd på 3-10 meter och ett djup på 3-12 meter. Om det behövs större volymer brukar man dela upp detta i flera mindre bassänger. I Sverige används oftast bottenmonterade membranluftare för att blåsa in luft i aktivslambassängen. Luften fördelas genom perforerade gummimembran och drivs av en blåsmaskin. Det kan vara en vridkolvsmaskin, fläktar eller en turbokompressor. Man kan även sprida luft med perforerade rör, plattor och roterande blåsluftare. Ytluftning kan också användas, men det är en äldre och ineffektiv metod som är sällsynt i svenska reningsverk. Eftersom luftblåsningen är väldigt energikrävande gäller det att dimensionera luftningen väldigt noggrant till det behov som reningsverket kräver. Syrehalten i processen, andelen O 2, bör hållas så låg som möjligt för att få en fungerande process, men bör inte understiga 1-2g O 2 /m 3. Den bör ej heller överstiga 4g O 2 /m 3 då det kan medföra en kraftigt ökad energiförbrukning. Bästa effekten uppnås genom att syret tillsätts med små bubblor(ex.membranluftare). Härigenom får man en större kontaktyta mellan luft och vatten och omblandningen blir fullständig. Beroende på temperatur kan syresättningsbehovet variera i en bassäng och man kan även behöva öka syresättningen för att motverka slamsättningar. Även slambelastningen har stor betydelse för syreförbrukningen. Vid låga slambelastningar krävs det en större mängd syre för att reducera en viss halt av BOD 7. Det kan även ske en viss nitrifikation, (se kväverening), vid låga belastningar och det spär på syrebehovet ytterligare. Vid en normalbelastad reningsanläggning kan det genomsnittliga energibehovet ligga på 0,9-1,3 kwh/kg BOD 7. Processen - Sedimentering Efter luftning skall slammet sedimenteras. I sedimenteringssteget, som även kallas mellansedimentering, vill man avskilja det kemiska och det biologiska slammet. Returslammet kan också förtjockas i sedimenteringen. Slammet bildar flockar genom att bakterierna tillväxer vid förbränning av organiskt material. Flockarna har även förmåga att uppta kolloidala partiklar som inte kan sedimentera av egen kraft. Detta steg är det absolut viktigaste i hela processen och här visar det sig om man har en väl fungerande aktivslamprocess. Slammets egenskaper bör vara följande: Det ska sedimentera med en hög hastighet Vara kompakt och hålla en liten volym Ge en ren och god klarfas Skall inte ge ett slamtäcke på ytan Vid sedimenteringen är det flera olika faktorer som spelar in i slutresultatet. Mikroorganismerna och deras levnadsbetingelser men även bassängens utformning vad gäller returslamskonstruktionen har betydelse. De flockbildande bakterierna är de som är viktigast och de återförs i processen med returslammet. Det finns även frilevande bakterier och dessa försvinner oftast med det utgående vattnet. En del bakterier har förmåga att bilda extracellulära polymerer och detta fungerar som ett lim när flockarna bildas. Filamentbildande; trådbildande, bakterier kan fungera som en förstärkning av flocken och 13

14 därför eftersträvar man att ha en andel av dessa i slammet. En för hög andel av filamentbakterier i slammet kan dock skapa problem med slamsvällning; för stora flockar, i processen. När flockarna har sjunkit till botten av sedimenteringsbassängen, var i bassängen kan bero på utformning och den metod som används, tar ett skrapspel och för slammet till en ficka där det pumpas vidare. Det renade ytvattnet dekanteras och går vidare till nästa reningssteg. En andel slam går i retur för att säkerställa att slamhalt och bakteriekultur behålls i den biologiska processen. Överskottsslammet pumpas vidare till reningsverkets slamhantering. Returslam Från sedimenteringsbassängen pumpas slam i retur till luftningsbassängen och detta sker oftast med ett konstant flöde. Man bör använda detta sätt för att undvika slamflykt som kan uppstå vid höga flöden. Det är även önskvärt att kunna reglera slampumpningen för att kunna hantera flödesvariationer. I luftningsbassängen brukar den önskvärda slamhalten ligga mellan mg SS/l. Variationen beror på vilken processlösning man har använt och det kan skilja mycket från en anläggning till en annan. Slamålder och slamvolym När man vill ange total slamålder så anges den tid som en slampartikel befinner sig i aktivslambassängerna. Om man talar om aerob slamålder så avses den tid som slammet befinner sig i den luftade delen av processen. Den aeroba slamåldern är en viktig parameter för en fungerande process. För att kontrollera slamvolymen hälls aktivt slam i ett mätglas och får sedimentera i 30 minuter. Därefter kan man se hur stor andel av volymen som det sedimenterade slammet upptar angett i ml/l. Om volymen är större än 300 ml/l kan det påverka mätningen genom att slam fastnar på mätglasets väggar. Det kan motverkas genom utspädning eller omrörning, man måste då ta med detta i beräkningen av slamvolymen. Problempunkter - aktivslam Eftersom biologisk rening med aktivt slam är en väldigt komplex process så kan det uppstå driftsstörningar och olika problem. Luftningsproblem Vid problem med luftningen får man oftast en högre energiförbrukning och svårighet att hålla rätt syrehalt. Det kan bero på att luftningssystemet är igensatt och detta kan orsakas av yttre 14

15 luftföroreningar eller av själva avloppsvattnet. Igensättning drabbar oftast system med finblåsiga luftare, eftersom de är känsligare för yttre påverkan, men även blåsmaskineriet kan påverkas. Åtgärder: Rengöring och byte av membran i luftare, används rör bör även de få en översyn. Fläktar behöver regelbunden service och det kan behöva bytas luftfilter i kompressorn eller vridkolvsmaskinen. Sedimenterings - och slamproblem De flesta problemen här är relaterade till mikroorganismerna och det är viktigt att man har en god balans mellan olika bakterier för att processen ska fungera problemfritt. Orsakerna kan bero på en för hög andel av filamentbildande bakterier med en försämrad flockbildning som följd. Mikroflockar, slamsvällning, flytslambildning och skumning är även det problem som kan orsaka driftsstörningar. Åtgärder: Mikroflockar och flytslam Här kan man öka flödet av returslam och överföra en större andel slam till överskottslammet. För att komma tillrätta med mikroflockar bör man behandla slammet försiktigare. Luftningen kan vara för våldsam och skraporna kan skapa turbulens som slår sönder flockarna. En minskning av luftningen och långsammare hastighet på skrapor brukar lösa problemet. Man bör även tillse att slampumpningen sker på rätt sätt utan onödiga strypningar. Slamsvällning och skumning (filamentös och viskös) Filamentös: Man bör undvika stegbeskickning och tillsätta allt avloppsvatten vid en punkt i bassängen. Det kan även vara lämpligt att minska slammängden i luftningsbassängen. Att desinfektera returslammet kan också minska den filamentösa tillväxten. Tillsats av flockningsmedel eller annat tyngande medel är också något man använder sig av, man kan även införa en selektor i luftningsbassängen. Viskös: Vid tillsats av ett oxiderande ämne, till exempel klor, kommer de ämnen som binder vattnet att oxideras så att vattnet frigörs från slammet. Man kan även tillsätta flockningsmedel eller ett tyngande medel för att på så sätt undantränga vattnet och öka densiteten på slammet. Biologisk rening med biologiska bäddar Denna metod är mindre vanlig än aktivslam och lämpar sig oftast bättre för mindre anläggningar. Här använder man sig av ett biofilmssystem som har tillväxt på en yta. Det kan vara suspenderade bärarmedia eller flytande plattor som tillväxten sker på. Fördelen med denna metod är att man klarar ökade flöden och belastningar väldigt bra. Metoden är dock ganska utrymmeskrävande. Biofilmen bildas genom att mikroorganismer tillväxer på en yta. Det är en geléartad hinna som består av bakterier, svampar, alger, protozoer och andra organismer. Normalt tar det ungefär 2-3 veckor av tillväxt innan en biofilm har tillräcklig effekt. Vid högre temperaturer 15

16 kan det gå snabbare då tillväxten ökar. Den biologiska reningen, upptaget och förbränningen av näringsämnen, är effektivast i den översta delen av bädden då den största andelen mikroorganismer finns där och näringsämnena har förbrukats. En högbelastad biobädd kan normalt avskilja 80-90% av BOD 7. Högbelastad biobädd För att avloppsvattnet ska fördelas jämt över biobäddens yta använder man sig av spridare. Det förorenade vattnet skall långsamt rinna genom bäddens yta och fördelas på biofilmen. Luftningen av bädden sker genom naturlig cirkulation, grovblåsiga bottenluftare eller tillsats av fläktar. Bädden är uppbyggd så att luften kommer in på undersidan och fördelas uppåt genom biobädden. Själva bäddmaterialet består ofta av makadam med en storlek av mm, men man kan även använda olika plastmaterial. En bädd är 3-4 meter hög och det är för att säkerställa att luftningen blir tillräcklig. Slammet spolas av från bärarmaterialet och leds vidare till slamhantering. Det renade vattnet går vidare till nästa reningssteg, om det är nödvändigt, annars pumpas det ut till recipienten. Det finns även lågbelastade bäddar för BOD-avskiljning men dessa är föråldrade och ersätts numer med modernare lösningar. Funktionsprincipen är dock densamma som vid högbelastade biobäddar. Cirkulationspumpning För att kunna höja reningseffekten har man även infört returpumpning av renat avloppsvatten, så kallad cirkulationspumpning. Man tillför alltså en ökad mängd avloppsvatten till biobädden men minskar andelen föroreningar, procentuellt, i det tillsatta vattnet. Fördelar: Det går att hålla en konstant och hög belastning på bädden så att man får en jämn och effektiv bortspolning av slam. De djupare delarna av biobädden kommer att få en högre belastning. Biofilmen hålls fuktig hela tiden Obehaglig lukt minskar eftersom avloppsvattnet syresätts på ett effektivare sätt. De mikroorganismer som är önskvärda i processen behålls vilket förbättrar reningen. Uppbyggnad av biobädden Väggar och botten: En biologisk bädd är nästan alltid rund och väggarna gjuts av armerad betong. Botten har ett fall för att samla upp avloppsvatten och slam från den ovanliggande biobädden. Man har även en filterbotten som har till uppgift att hålla kvar filtermediet som kan vara makadam. Filterbotten ska vara utformad så att den säkerställer en tillräcklig luftning och låter slam rinna igenom. En viktig faktor att ta hänsyn till är att kontaktytan blir så stor som möjligt mellan bäddmaterialet och avloppsvattnet då detta har stor betydelse för reningsresultatet. Bäddmaterial (bärarmaterial) För att reningsprocessen ska vara effektiv vill man ha ett material med stor hålrumsvolym och 16

17 stor kontaktyta. Detta för att biofilmen ska få en god tillgång på syre. Bäddmaterialet är också avgörande för bäddens kapacitet. Olika material som används: Plastskivor som är korrugerade och har limmats ihop till block Plastelement som är runda(diskformade) med hålrum Sten, med mindre kornstorlek uppnås en större kontaktyta. Vid kornstorlekar mindre än 50 mm kan dock syretillförseln bli för dålig. Gnejs och granit används för lång hållbarhet. Spridare Denna ska sprida avloppsvattnet så jämnt som möjligt över biobäddens yta. Spridaren måste vara inställd och rätt dimensionerad för vattenmängden/tidsenhet som ska spridas över bädden. Det finns både fasta och rörliga spridare men det vanligaste är roterande spridare för runda biobäddar. Munstycken placeras på ett roterande rör som sedan fördelar avloppsvattnet under ett lågt tryck (0,5-1 m/vattenpelare). Har man för högt tryck i munstyckena finns risk att avloppsvattnet sprids ojämnt, på grund av stänk, och delar av bädden, oftast centrumdelen, blir därmed obelastad. Idag monterar man oftast elmotordrivna spridare som håller ett jämnare tryck och hastighet till skillnad från dem som drivs av vattentrycket. Andra biofilmssystem Suspenderade bärare När man använder sig av detta system leds avloppsvattnet in till en reaktor där det finns bärare som är 1-5 cm i storlek. Bärarna hålls i rörelse av ett grovblåsigt bottenluftarsystem och på så sätt får mikroorganismerna syre. I slutet av reaktorn finns ett galler som fångar upp bärarna men låter restslammet passera. Biorotorer En biorotor består av vertikalt monterade plastskivor på en axel som är delvis nedsänkt i avloppsvattnet. Genom att skivorna sakta roterar tillförs syre till de mikroorganismer som växer på skivorna. När skivan befinner sig under ytan bidrar bakterierna till nedbrytningen av organiskt material. Om man använder sig av denna metod bör avloppsvattnet förbehandlas då 17

18 rotorerna är mycket känsliga för igensättning. Problem och driftsstörningar - Biobädd En biobädd kan drabbas av en rad olika problem. För hög BOD-halt i utgående vatten Här bör man kontrollera syrehalten och belastningen. Det kan även vara giftiga eller okända ämnen som påverkar processen. Se till att bärarsystemet fungerar som avsett. Igensättning av biobädden Kontrollera att bärarmaterialet är rätt utformat och dimensionerat. För hög slamproduktion som kan bero på för hög belastning. Om avloppsvattnet har en hög andel partiklar kan bädden bli igensatt. Åtgärder kan vara att minska belastningen och spola igenom bädden. Kraftig lukt Kan bero på en felaktig syrehalt eller att ventilationen är otillräcklig. Isbildning Spridarna kan behöva justeras så att avloppsvatten spolar över isen. I vissa fall kan det även behövas uppvärmning. Igensättning av spridare på biobädden En dålig försedimentering kan göra att material och föremål stoppar flödet. Man kan montera en sil på inkommande vatten för att förbigå detta problem. Biologisk rening med kväveavskiljning En för hög andel kväveföreningar och fosfor i utsläpp av vatten kan orsaka en rad olika problem i kretsloppet och därför blir det allt vanligare att avloppsreningsverk har krav på kväveavskiljning. Kväve i höga koncentrationer kan skapa övergödning och syrebrist, eutrofiering, i recipienter. Det kan även förorena dricksvattnet med hälsovådliga konsekvenser. En annan viktig orsak till att införa kväverening är övergödningen i delar av Östersjön och Kattegatt. Detta problem kan bero på en ökad kvävetillförsel från jordbruk och avlopp som har samlats i sediment. De kustnära reningsverken har till stor del fått högre krav på kväveavskiljningen och tillförseln av kväve från avlopp har minskat betydligt sedan dess. Kväve förekommer i en rad olika former och föreningar. Nitrat är en av dessa och det kan vara skadligt för vår hälsa om det förekommer i större mängd och övergår till nitrit. De största problemen med detta återfinns i jordbruksbygder där halterna av nitrat är väldigt höga. Det kan påverka grundvattnet och vattentäkter så allvarligt att man förmodligen måste införa kväveavskiljning som reningsmetod även vid dricksvattenproduktion. I de fall där kvävet förekommer som ammonium eller ammoniak kommer det att oxidera till nitrat och nitrit vid syrekontakt. Om det sker i en recipient innebär det minskade syrenivåer i denna och det kan få negativa följder för vattenkvaliteten och djurlivet. 18

19 Den största källan till kvävet som tillförs till kommunala reningsverk är människans konsumtion av proteinrik föda. Dessa bryts ned till urinämnen och fekalier och utsöndras som kväve och ammonium. Kvävet omvandlas på naturlig väg mellan olika oxidationsstadier och vid avloppsrening använder man sig av- och styr dessa omvandlingar för att avskilja kvävet. Olika kväveformer: Princip för kväverening Vid normal biologisk rening assimileras en del av kvävet på naturlig väg då bakterierna i aktivt slam behöver kväve för sin tillväxt. Det innebär att en viss andel, mellan 10-40%, bortförs av den inkommande kvävemängden som till exempel överskottsslam. Om man vill öka mängden avskiljt kväve i processen måste man tillgripa andra metoder. Det innebär att man omvandlar kvävet till kvävgas. Gasen stiger och upptas av atmosfären som ändå består av 80 % kvävgas. För att uppnå detta använder man sig av nitrifikation och denitrifikation. Processerna för kväveavskiljning är del av en befintlig biologisk rening med aktivt slam eller biofilm. Nitrifikationsprocessen De ammoniumoxiderande bakterierna omvandlar ammoniumjoner till nitritjoner, sedan tar nitritoxiderande bakterier vid och omvandlar nitritjonerna till nitratjoner. Denna omvandling kräver syre och är därför en aerob process. Bakterierna som utför detta är nitrifierare och skaffar sig energi genom att förbränna ammonium eller nitrit. Här skiljer de sig från majoriteten av bakterier som lever på att oxidera organiskt material. De nitrifierande bakterierna måste uppta koldioxid för att kunna föröka sig och tillväxa. Det innebär att de kommer att ha en långsammare tillväxt än andra bakterier, men höga temperaturer och syresättning kan påverka tillväxttakten positivt. Det är även viktigt att phvärdet håller sig inom 7,5 8,6. I denna process måste man kontrollera att slamåldern hålls på en sådan nivå att tillväxten av nitrifikationsbakterierna är lika med uttaget av överskottsslam och eventuell slamflykt. Bakterierna kan även ta skada av gifter som finns i avloppsvattnet. Denitrifikationsprocessen Denna process föregår i en anoxisk miljö, vilket innebär att det saknas tillgång på syre. När bakterierna saknar syrgas kommer de istället att reducera kvävet i nitraten som har tillförts från nitrifikationen. Bakterierna får näring och energi från kolkällor. De bakterier som utför detta brukar kallas heterotrofa bakterier och processen kallas denitrifikation. För att det hela skall fungera krävs en rad olika saker: Man måste säkerställa att det finns tillgång på nitrat, det vill säga att nitrifikationen fungerar problemfritt. 19

20 För en fungerande process krävs en syrefri miljö. Det får ej finnas löst syre i vattnet. Tillgång till goda kolkällor. (Metanol, CO 2 ) Lämplig temperatur. Bakteriernas respiration, en process där elektroner från bakteriernas energikälla upptas av ett oxidationsmedel, till exempel nitrat eller syre, innebär att energi lagras i bakteriernas celler. En effektiv respiration kommer att ge en högre denitrifikationshastighet. Kvävgasen som bildas vid nedbrytningen har inga negativa effekter. Det kan även bildas lustgas i mindre mängder, lustgas är en stark växthusgas, men mängderna som bildas är försumbara och bör inte ha någon miljöpåverkan. En annan faktor som har stor betydelse för processerna i kväveavskiljningen är alkaliniteten. Eftersom nitrifikationen kommer att bilda vätejoner behövs det vätekarbonatjoner för att motverka detta. Om alkaliniteten sjunker kommer ph-värdet att sjunka och det kommer i sin tur att medföra att de nitrifierande bakteriernas aktivitet minskar. Vid denitrifikationen kommer vätejoner att förbrukas så det motverkar nitrifikationens ph sänkning till en viss del. Om man använder sig av fördentrifikation måste man pumpa nitratslam i retur till nitrifikationen för att säkerställa en lämplig bakteriekultur och slamhalt. Vid efterdenitrifikation behövs inte detta förfarande då returslam pumpas från mellansedimenteringen. Alternativa metoder för kväveavskiljning Separering Det finns toaletter med speciell urintank och genom att samla in detta kan man till exempel använda urinen som gödning. Man kan även skilja på toalettvatten och BDT-vatten; Bad, Disk och Tvätt, för att kunna behandla endast toalettvattnet för kväveavskiljning. Att införa separering i större skala skulle dock vara ytterst kostsamt. Man kan även få en minskning av kvävemängden genom att befolkningen äter mindre mängder mat som innehåller äggviteämnen. Det är främst kött, mjölk och ägg som innehåller dessa ämnen. Ammoniakutdrivning När man höjer ph-värdet, till exempel med kalk, kommer de olika ammoniumföreningarna att övergå i gasform. Genom att använda en luftström kan man driva av gasen. För att gasen ska absorberas krävs ett absorptionssteg där gasen upptas av ett ämne, syra i detta fall. Det som 20

21 bildas är en koncentrerad ammoniumsulfat- eller ammonuimnitratlösning som kan användas som gödningsmedel. Denna metod används för vatten med höga ammoniumhalter, det kan vara rejektvatten eller industriellt avloppsvatten. Jonbyte Det behandlade avloppsvattnet kan ledas till en jonbytarmassa som avskiljer ammoniumjoner. Massan regenereras; laddas, genom att tillsätta kalk och det kommer att bildas ammoniakgas. Gasen drivs av med luft och går genom ett absorptionssteg på samma sätt som vid utdrivning. Problem som kan uppstå vid kväveavskiljning Driftstörningar vid nitrifikation med aktivt slam Inaktivitet på grund det är en för låg syrenivå. Luftningen bör justeras. En för låg slamålder kan kompenseras med ett mindre uttag av överskottsslam. För låg alkalinitet kan avhjälpas med tillsats av alkaliniseringsmedel eller en processförändring. En låg aktivitet kan bero på att det har kommit oönskade ämnen i systemet. Driftstörningar vid denitrifikation Bakterierna har för dålig tillgång på fosfor och det medför en sämre nedbrytning av organiskt material. Genom tillsats av fosforsyra eller en minskning av fosforavskiljningen kan problemet avhjälpas. En för liten tillförsel av kolkällor kan åtgärdas genom att dosera detta externt. Syre i den anoxiska delen kräver en översyn av cirkulationsströmmar med syre och en kontroll om syre tillförs från den aeroba zonen. Driftproblem med nitrifierande biobäddar För mycket insekter som äter upp- eller orsakar igensättning av biofilmen, det kan vara snäckor eller mygglarver. Åtgärdas genom spolning eller en belastningsökning. Om inte de uppsatta reningskraven uppnås Den sammanlagda kvävebelastningen på reningsverket kan vara för hög. Processen är inte rätt dimensionerad för kraven som ställs. 21

22 Kemisk rening Syfte Tanken med den kemiska reningen är främst att avlägsna grundämnet fosfor. Avloppsvattnet innehåller 2-3 gram av detta per dag och pe*. Större delen kommer främst från fekalier (avföring) samt urin. 33 % av innehållet är från tvättmedel. När fosforbelastningen räknas ut så används totalhalten av tre olika fraktioner: ortofosfat, polyfosfat, dessa är oorganiska och organiskt bunden fosfor. I tvättmedel finns fosforn som polyfosfater. Dessa omvandlas ganska snabbt till ortofosfat i avloppsvattnet. Det sker i en kemisk process kallad Hydrolys, vilket innebär en delning av en molekyl efter att en vattenmolekyl tillagts. Större delen av fekalier och urin är redan omvandlad till ortofosfater. Den organiskt bundna fosforn står för % i kolloidala (partikeldiameter på mindre än 0,1 mikrometer) eller suspenderad substans (fasta partiklar i avloppsvatten, SS). ph-värdet styr de olika formerna av ortofosfaten. Vid ph under 2,1 kallas den för fosforsyra i starkt sur lösning. I ph intervallet 2,1-7,2 uppträder divätefosfatjon i svagt sur lösning. I ph intervallet 7,2-12,3 återfinns vätefosfatjonen i svagt basiskt miljö. I ph värdet över 12,3 uppträder fosfatjonen i starkt basiskt miljö. Det förekommer även andra ämnen i det orenade vattnet där den kemiska reningen kommer till nytta. Den reducerar bland annat biokemiskt syreförbrukande material BOD 7 samt belastningen från industriella spillvatten med giftigt innehåll. BOD 7 innebär hur stor del av nedbrytbart material det finns i vatten. Det är en kemisk analys där resultatet visar på hur snabbt organismerna förbrukar antal ml syrgas i bestämd mängd vatten och dagar. I Sverige används 7 dagar (BOD 7 ) för denna process men i andra länder förekommer fortfarande den gamla principen för 5 dagar. Obehandlat avloppsvatten innehåller hela 600 mg BOD 7 /l. Hårt belastade reningsverk har 3 mg BOD 7 /l i behandlat vatten. Sverige har en maxgräns på 10 mg BOD 7 /l. Vid dimensionering av reningsverk så har Naturvårdsverket räknat ut att varje pe* står för 70 gram BOD 7 /dygn till avloppsvattnet. Pe* står för person ekvivalent vilket motsvarar den tillåtna belastningen från en genomsnittlig person. Tillvägagångssättet Rening med kemisk fällning innebär att ett fällningsmedel tillsätts i vatten för att fälla ut önskat ämne. Vid denna process används olika salter av metall. Det brukar vara antingen trevärda aluminium- eller järnsalter. De är mest lämpliga tack vare sin förmåga att bilda olösliga ortofosfatfällningar och geléliknande hydroxidfällningar. Tvåvärda järnjoner och kalciumjoner förekommer också men nackdelen är att de inte kan bilda hydroxidfällningar utan att först oxideras till trevärda-joner. Det sker tre olika processer vid fällningen: fosfatutfällning, partikelfällning och hydroxidfällning (svepkoagulering). Trevärda järn- eller aluminiumsalter skapar järn- eller aluminiumfosfater av ortofosfaten. Det innebär att denna fosfat blir svårlöslig samt partikelbildande. Dessa salter bildar även 22

23 metallhydroxiner. De har förmågan att samla ihop fosfatpartiklarna samt övrig SS i form av flockar. Utöver dessa olika reaktioner bör Adsorption nämnas. Det innebär att ett gasformigt ämne eller i det här fallet ett ämne löst i en vätska fastnar i ytan på ett fast ämne. Då uppstår en attraktion som är molekylbindande. Det aktuella ph värdet styr hur effektiv fosfatutfällningen blir med ett givet fällningsmedel. Reaktionstiden för bildande av metallfosfat och partikelneutralisering tar oftast under 1 sekund. Nästa moment är bildande av hydroxidflockar vilket tar 1-7 sekunder. Viktig faktor är en snabb inblandning av kemikalien för ett gott reningsresultat. En turbulens skapas för att påskynda processen. Det kan ske med hjälp av omrörare, i en pump, tillsättning av luftinblåsning med kompressor eller tillvaratagande på rörelseenergin hos vattnet. Erhålls en dålig inblandning bildas enbart metallhydroxid vilket innebär att en fosforutfällning uteblir. I efterhand kan situationen förbättras med ökad doseringsmängd. Följderna blir då en högre slamproduktion vilket även drabbar verket rent ekonomiskt. Efter att kemikalien blandats, förs vattnet vidare till en flockningsbassäng där partiklarna byggs upp till partikelaggregat med tillräcklig hög densitet för att kunna avlägsnas i sedimenteringsbassäng, flotationsbassäng eller filtrering. Det sker med hjälp av automatiskt styrda omrörare med låg hastighet. Fällningskemikalier För kommunala avloppsvatten finns följande kemikalier avsedda för fällning. Aluminiumsalter (sulfat, klorid samt polyaluminiumklorid) Trevärda järnsalter (klorid, sulfat samt järnkloridsulfat) Tvåvärda järnsalter (järnsulfat) Polymer (katjon-, anjon- och nonjon-aktiva). Kombinationer av dessa kan förekomma. Polyaluminiumklorid med innehåll av järn. Polyaluminiumklorid där olika varianter av katjonpolymer förekommer. Kalk Järnsalter Järnsalterna består av sulfat, klorid eller nitrat eller blandning av dessa. Metallsalter består av en positiv respektive negativ jon. Den positiva jonen är en metalljon. Järnsalt ger bra resultat av ortofosfat- och polyfosfatfällning vid ph-området 4-8 med närmare 90 % rening. Vid spannet 5-6 uppnås bästa resultatet då hydroxidfällningen är mest effektiv. Även höga ph-värden ger tillräckligt bra resultat. Avlägsnandet av 1 gram fosfor kräver 2,7 gram järn eller 1,3 gram aluminium. Vid fällningen förbrukas hydroxidjoner vilket resulterar i surare avloppsvatten. Ett alternativ är att utföra detta i ett högre ph-värde. Då erfordras en tillsättning av kalk eller natriumhydroxid. Aluminiumsalter Aluminiumsalter är det effektivaste medlet för fällning av fosfatfosfor. Tidigare användes sulfat i högre utsträckning men har fått konkurrens av polyaluminiumklorid. Sulfat kan se lite olika ut. De kan ha formen av en genomskinlig kristall eller grovkornig sand på 0,5-2 mm. Det är den sistnämnda som används för vattenrening. Framställningen sker genom en reaktion mellan aluminiumhydroxid och svavelsyra. Innehållet består av ca 9 % Al. Med sulfat uppnås bästa resultat inom ett snävt område mellan 5,7 och 6,5. Med hänsyn till 23

24 fosforn ska ph-värdet inte överskrida 6,5. Polyaluminiumklorid har högre jonladdning än trevärda-salter och kan bestå av uppemot 15 plusladdningar per jon. Fördelen med polymer (långkedjiga organiska ämnen) är att det kan användas i ett bredare spektrum av ph-värdet. Vanligtvis ligger detta värde mellan 6-7,5. Ytterligare argument för polyaluminiumklorid är dess styrka att avlägsna partiklar, samt mindre känslighet för vattnets temperatur vid flockning. Dock ger den sämre fosforutfällning. Sulfat och klorid i vatten frigör deras joner. Olika fällningsföranden Fällningen kan ske med fyra olika metoder beroende på var kemikalien tillsätts i reningsverket. Flerpunktsfällning kallas det när en kombination av två eller fler av dessa utnyttjas. Förbättrad rening eller kemikalieförbrukning ligger i grund för denna metod. Dock så kräver alternativet en större mängd styr- och regleringsprocesser. Följande alternativ finns att tillgå. Direktfällning Sista reningsprocessen efter mekanisk rening. Förfällning Fällningen sker på samma sätt som vid direktfällning med efterföljande biosteg. Simultanfällning Kemisk samt biologisk rening med aktiv slam sker i samma bassäng. Efterfällning Effektivaste metoden för fosforrening. Separat rening av biologiskt renat vatten. Direktfällning Innebär att kemikalien tillsätts direkt efter den mekaniska reningen och före den första flockningsbassängen. Det är det enda reningssteget efter föregående process. I de flesta fall består inblandnings- och flockningskammare som en enda enhet. Denna metod är det snabbaste av de olika alternativen. Vanligaste fällningskemikalien är trevärda aluminiumeller järnsalter. Tvåvärda järnsalter fungerar inte. Största fördelen är att kostnaderna blir låga. Därför används detta alternativ av flera storstäder runt om i världen och är vanligt förekommande på reningsverk i Norden. Den reducerar fosforn med mer än 90 % samt organisk substans BOD 7 med 75 %. Total hydraulisk uppehållstid ligger på 3-4 timmar vilket innebär vattnets uppehållstid i reningsprocessen. Förfällning Kemikalien tillsätts i inloppsrännan alternativt i rännan mellan sandfång och försedimentering. I normala fall förekommer inte inblandnings- och flockningskammare. Denna metod har tillkommit för att underlätta processen i det biologiska steget med minskad produktion av slam samt en lägre energiförbrukning. Grunden till detta är en god reducering av BOD 7 i försedimenteringen. Det är stor skillnad på fördelning av organiskt material med denna metod kontra utan. Utan förfällning återfinns ca 60 % av organiskt material i det biologiska steget vilket kräver runt 1,3 kwh per kg BOD 7. Energiförbrukningen per person 24

25 blir då ungefär 20kWh. Med förfällning reduceras belastningen med ca 75 %. Fällning med tvåvärda järnsalter är vanligt förekommande. Då oxideras en del av salterna till trevärda i sandfånget. Den bildade jonen kan sedan fälla ut fosfat i försedimenteringen. När vattnet rinner vidare till det biologiska steget finns fortfarande tvåvärda salter kvar. Dessa oxideras på samma sätt och bildar även fosfatfällning i biosteget. Denna metod är vanligt förekommande på svenska reningsverk. Total hydraulisk uppehållstid är runt 9 timmar. Simultanfällning Ordet simultan betyder samtidigt och syftar i detta fall på en gemensam process i samma reningssteg. Här sker både den kemiska samt biologiska reaktionen i samma bassäng. Kemikalien tillsätts antingen före luftningsbassängen eller i denna anordning. Vid inblandning direkt i bassäng skapas även flockbildning. I efterföljande sedimentering avlägsnas både bio- och kemslammet vilket har en påverkan på det biologiska slammet med ökat oorganiskt innehåll. Det betyder att slamhalten eventuellt måste ökas för att bibehålla biologiskt verksamt slam. Vid fällning med aluminiumsulfat i kombination med denna metod, har det konstaterats en högre turbiditet (FNU) på utgående vatten. Även ökade BOD 7 halter har uppmätts. Därför är aluminiumsulfat inte direkt lämplig i samband med simultanfällning. Kalk är också ett fällningsmedel men kräver ett för högt ph-värde, vilket resulterar i inaktivering av den biologiska reningen. Kostnadsmässigt är denna typ av fällning positivt eftersom tvåvärda järnsalter kan användas. Dessa kemikalier är den billigaste varianten på marknaden. Energiförbrukningen kommer dock att stiga då ökad mängd luft måste tillsättas på grund av krav på ökad slammängd. Används tvåvärda salter förbrukas en viss mängd syre för oxidering till trevärda. Total hydraulisk uppehållstid är ca 11,5 timmar med aktivslambassäng. Efterfällning Används i verk med mekanisk, biologisk samt kemisk rening. Som namnet antyder, sker fällningen efter biosteget. Kemikalietillsättningen styrs beroende på val av antingen biobädd eller aktivslamanläggning i ett reningsverk. Tillsättningen i biobädd sker i utloppet av bädden utan föregående avskiljning av slam. När det gäller aktivslamanläggning måste vattnet rinna igenom en mellansedimenteringsbassäng först. Anledningen till detta är att det skapas returslam som färdas tillbaka till biosteget. Detta 25

26 slam får inte innehålla kemikalier då ett fällningsmedel skulle ha alltför negativ påverkan på biosteget. Alla tillgängliga fällningsmedel kan användas. Detta förfarande ger den effektivaste reningen, med halt av totalfosfor under 0,3 g/m 3 samt BOD 7 under 10g/m 3. Total hydraulisk uppehållstid är ca 12 timmar. Kontaktfiltrering Ger ytterligare reducering av fosfor i utgående vatten. Kontaktfilter påminner om ett snabbfilter, där fällningsmedlet tillsätts i inloppet i anslutning till filtret. Fosforn och andra partiklar fäster sig sedan i filtermaterialet. Modifierade driftsätt Allt eftersom kunskapen om de olika fällningsförfarandena ökat, har olika sätt att styra dessa fällningar tillkommit. Syftet med det har varit att förbättra reningen samt driftekonomin. Ett praktiskt exempel är justeringar av efterfällningen. Här har ett experiment gjorts med att pumpa avskiljt slam direkt till luftningsbassängens inlopp. Resultatet av detta blev en reducering av fosforn i biosteget samt minskad doseringsbehov av vald fällningskemikalie. Ett typiskt sätt att styra efterfällningen i en process är att pumpa kemslam till inloppet från försedimenteringsbassängen. Då uppnås en lägre fosforreduktion i försedimenteringen. Största fördelen är att slammet blir lättare att förtjocka och avvattna än rent kemslam. Dosering Kemikaliemängden styrs till största delen av vattnets alkalinitet, det vill säga en egenskap att motstå ph-förändringar och benämns som buffertkapacitet. Koncentrationen av vätekarbonatjoner styr alkaliniteten. Vattnets buffertsystem utgörs av vätekarbonat samt motsvarande syra (kolsyra). För kunna bilda flockar vid lågt ph-värde måste en del av vätekarbonatjonerna neutraliseras. Det sker i en reaktion mellan en syra och en bas där vatten samt ett salt bildas. När det gäller aluminiumsulfat ligger dosen på 60-90g/m 3. Mängden räcker till själva utfällningen av fosfat men totala åtgången är runt det dubbla. Vid vissa situationer krävs en överdosering av sulfat. Det beror på att själva vattnet har en hög alkalinitet och behöver en större mängd kemikalier för att hamna i rätt ph-värde för önskad utfällning. Alternativt är att tillsätta svavelsyra. Gränsen för denna tillämpning brukar vara om vätekarbonathalten stiger 150 HCO₃/m 3. När det kommer till polyaluminiumklorid så är ämnet inte lika känslig för alkalinitet och ph. Det betyder att ett större ph-intervall kan utnyttjas vilket vanligen ligger mellan 6-7,5. Ämnet är i vätskeform och mäts i ml/m 3. 26

27 Lägst behov har en efterfällning med ml/m 3. Därefter kommer en förfällning med en dos på cirka ml. En direktfällning kräver den största halten av fällningsmedel eftersom det saknas ett assisterande biosteg, cirka ml/m 3. Polyaluminium ger det en ökad rening av suspenderad substans (SS) och tack vare en bättre förmåga att skapa flockar så behövs inte lika stor dos kontra alusulfat. En annan positiv följd är en lägre slambildning. Utformning av bassäng Typiskt förekommande flockningsenhet består av två till fyra seriekopplade bassänger. Enheten kan också utgöras av endast en bassäng men bara när direktfällning eller efterfällning tillämpas. I dessa bassänger finns vertikala grindomrörare, horisontella paddelomrörare eller långsamgående propelleromrörare. Finns varianter där luftinblåsning används men de skapar dålig flockbildning. När en ny bassäng tas fram ska den vara konstruerad på så sätt att flocken inte slås sönder av kraftig turbulens. Felaktig utformning av de mekaniska funktioner så som kanaler och rör kan utgöra en stor risk för denna händelse. Polymer ökar styrkan i flocken vilket kan undvika detta. Högsta omrörningshastigheten återfinns i första bassängen. Det är för att skapa en god kontakt och adsorption mellan flockarna. Farten på omrörarna sjunker för varje bassäng och i den sista så får omrörarens periferihastighet inte passera 0,1 m/s. Vid alltför låg hastighet sedimenterar flockarna i kammaren. Uppehållstiden avgörs av vattnets karaktär samt dess aktuella temperatur. Den ska vara mellan minuter. Noterbart är att uppehållstiden inte får bli för lång. Då finns det en risk att flockarna river av finsuspenderat material från varandra. Konsekvensen blir en sämre avskiljning när sedimentering används. Sedimentering - Funktion Syftet är att avlägsna flockar som bildats med hjälp av fällningskemikalie. Avgörande faktor är skillnaden mellan flockarnas och vattnets täthet och benämns som densitet. Vid val av förfällning, avlägsnas kemslammet i försedimenteringen. Vid simultanfällning återfinns både kemslammet och det aktiva slammet i eftersedimenteringen. Driftparametrar För kunna avlägsna bildade kemflockar får ytbelastningen inte vara höge än tiden det tar för en flock att sjunka. Den styrs av hur tidigt en avskiljning kan ske. Tidig avlägsning i processen betyder att ytbelastningen kan vara högre. I vanliga sedimenteringsbassänger brukar ytbelastningen vara högst 1 m/h. Detta gäller vid förfällning och normal flöde. Ytbelastningen kan vara uppemot 3-5 h om bassängen är väl konstruerad samt om en polymerdosering inblandas. När det kommer till eftersedimentering ska värdet vara ca 0,5 m/h. Även i detta fall ökar ytbelastningen vid polymertillföring. Normaldrift En vanlig sjunkhastighet är mellan 2-4 m/h och styrs av hur välbildad en flock är. God flockbildning har högre densitet och avskiljs snabbare. Det kommer inte att ske en sedimentering om ytbelastningen är högre än sjunkhastigheten. Strömningshastigheten bör inte överstiga 0,1 m/s då vattnet passerar från sista kammaren till inloppet i sedimenteringsbassängen. 27

28 Det bildade slammet skrapas bort med en så kallad slamskrapa till en närliggande slamficka. Hastigheten på skrapan får max vara 0,1 m/s. Driftstörningar Vid hög halt av suspenderat material (SS) i utgående vatten ska följande punkter kontrolleras. Strömningshastigheten får inte vara för hög eftersom det ökar risken för sönderslagning av flockar. Flockbildningen Dålig inblandning av fällningskemikalien ger svåråtskiljda flockar. Uppehållstiden får inte vara för lång då det kan innebära att finsuspenderat material avskiljs från flockarna. Detta material är svårt att avlägsna. Ytbelastningen där höga samt väldigt skiftande flöden ger sämre avskiljning. Pumpning och skrapning av slam. Ska hålla tillräcklig god hastighet så att inte slammet lagras i bassängen och transporteras vidare med utgående vatten. Inkommande mängd av slam. Slamflykt från biologiska reningen kan resultera i ökad mängd slam från kemsteget. Att funktionen hos slamskraporna håller måttet. Att korrekt mängd dosering erhålls. Flotation Funktion Tillsättning av luftbubblor via tryckluftkompressor. Tanken är att dessa gasbubblor ska fastna på flockarna och skapa partikelaggregat som ska väga mindre än omgivande vatten. Alltså det motsatta gentemot sedimentering. Övrig genomförande är likvärdig. Denna metod används vid direktfällning och efterfällning. Driftparametrar För att kunna avlägsna bildade flockar får inte ytbelastningen vara högre än partikelaggregatets stigningshastighet. Normaldrift Först ska flödesfördelningen kontrolleras och justeras. Därefter ska ventilerna för dispersionsvatten kalibreras, så en jämn fördelning uppnås i avloppsvattnet. Dispersionsvatten innebär ett luftövermättat vatten som frigör mikroskopiska luftbubblor vid trycksänkning. Ytbelastningen ska helst inte vara över 5-6 m/h om en god avlägsning eftersträvas. Slammet tas bort med ytskrapor i ett förlopp med återkommande avbrott (intermittent). En timer styr händelsen och brukar pågå 2-3 min varannan timme. Önskad tjocklek på slamskiktet bör vara mellan 5-10 cm. En viss del av slammet sedimenterar i bassängen och avlägsnas med bottenslamskrapa 1-2 gånger per dygn. All uppsamlad slam pumpas eller skruvas vidare till ett slamlager. Driftstörningar Vid hög halt av suspenderat material (SS) i utgående vatten ska följande punkter kontrolleras. Tillförseln av dispersionsvatten. Ytbelastningen - För att hålla god nivå på avskiljningen bör ytbelastningen inte vara alltför hög. Stora variationer i flöden påverkar också avskiljningen av flockar negativt. Sammansättningen av vattnet - Vid tillföring av luftblåsor kan dessa ha svårt att fästa sig på flockarna. Orsaken till detta är att vissa ytaktiva ämnen förhindrar förloppet. 28

29 Fällningsdammar På mindre orter med få anslutna finns denna metod där slammet samlas i dammar istället för bassänger. Den stora skillnaden är att slammet lagras och inte avlägsnas fortlöpande. Fördelen är att skötseln blir lättare och driften enklare. De behöver dock en relativt stor yta. Vid flera dammar ihopkopplade kan fällningen ske både i den första samt mellan de två första dammarna. Resultat av reningen är likvärdig jämfört med direktfällning. Polymer Ibland erhålls en dålig flockbildning vid fällningen. Då kan en tillsättning av polymer vara nödvändig. De består av organiska ämnen och finns som anjon (negativ), katjon (positiv) och nonjonaktiva (oladdad) jon. Polymer har en förmåga att bilda större och starkare partikelaggregat genom hopslagning, även kallad koagulering. Finns i pulver eller flytande form och löses upp, respektive spädes ut innan det tas i bruk. Vanligaste genomförandet är att polymeret tillsätts efter fällningskemikalien. Det sker i näst sista eller sista flockningskammaren. Det förekommer ett system med både katjon samt anjonaktiv polymerdosering. Katjon bidrar till starkare flockar samt minskar mängden fällningskemikalie. Efter detta tillsätts en anjonaktiv polymer vilket har förmågan att bygga större och mer lättavskiljda flockar. Detta system är mer krävande när det gäller styrning och övervakning. Finns ett antal polymerer på marknaden med olika egenskaper vilket ställer krav på noggrann utprovning innan lämpligt medel väljs. Kemikaliekostnad Avgörande faktorer för själva kostnaden är valet av fällningskemikalie och verkets krav på reduceringen av fosforn. Billigaste medlet är tvåvärt järn därefter trevärt järn och aluminium. Vid kalkylering av lämplig kemikalie, ska även andra faktorer tas till hänsyn än enbart den faktiska kostnaden för själva medlet. Kemikalieförbrukningen står för ca % av den totala driftkostnaden. Att enbart titta på priset för själva kemikaliet vore helt fel då andra viktigare faktorer bör påverka beslutet. Det gäller vilka åtgärder det behövs för styrning och övervakning samt sammansättningen av slammet. Vid val av järn erhålls en större mängd slam än vid aluminium. Järnslam kan dock avvattnas på ett mer effektivt sätt än aluminiumslam. Det förekommer även användande av kalk men det anses idag olämpligt på grund av hantering och den stora mängden slam den avger. Slammängden i TS vid efterfällning beräknas till 200 gram TS/p, d vilket är hela 8 gånger högre än för aluminium. Faktorer vid val av fällningskemikalie Vattenflöde och dess variationer. Variationer av vattnets sammansättning. Nödvändig dosering av kemikalie under dygnets lopp. Styr/regleringen på flödet, ph och belastningen. Även vilka behov för susphaltsmätare samt laddningsmätare det finns. Justering av ph med syra och överdosering av fällningsmedel. Behovet av koagulantmedel. Innehållet av tungmetaller i fällningsmedel. Vilken fällningsmetod reningsverket använder. Doseringsutrustning kemikaliehantering. 29

30 Utformning och storlek av bassäng. Flockningshastighet. Flockens avskiljningsegenskaper. Slammängd. Slammets egenskaper när det gäller förtjockning och avvattning. Vattnets och slammets hygieniska och toxikologiska egenskaper. 30

31 Slam Allmänt om slam Råslam är den gemensamma benämningen på slammet från de olika reningsstegen i vattenverket. Råslammet är uppdelat i: mekaniskt slam/primärslam kommer från för sedimenteringen i den mekaniska reningen (grovreningen). bioslam kommer från mellansedimentering i den biologiska reningen. Man skiljer på biobäddsslam från biobäddar och biorotor samt överskottsslam från aktivslammetoden. kemiskt slam/kemslam kommer från sedimenteringen i den kemiska fällningen. Det kemiska slammet delas in i 3 olika slamtyper beroende på vilken kemikalie man använder: aluminiumslam, järnslam samt kalkslam. Blandslam som utgörs av blandningar av mekaniskt, biologiskt och/eller kemiskt slam. Om man till exempel förfäller till försedimenteringen så får man en blandning av kemiskt och mekaniskt slam alltså blandslam. Ett slam utgörs av vatten och organiskt och oorganiskt material i olika former (partiklar). Ett av syftena med slambehandlingen är att reducera slammets innehåll av vatten och hur mycket vatten ett slam innehåller beror bland annat på torrsubstansens (TS) sammansättning, storleksfördelningen hos slampartiklarna och vilken metod som har använts för att avskilja slammet ur avloppsvattnet. Vattnet i slammet består av: Hålrumsvatten kan avskiljas genom tyngdkraften (metod förtjockning) Kapillärvatten kan avskiljas genom vakuum, tryckkraft eller centrifugalkraft (metod mekanisk avvattning). Adsorptionsvatten och cellbundet vatten kan avdrivas genom uppvärmning (metod torkning). Nedanstående figur, som är hämtad ur Avloppsteknik 3 (sidan 10, figur 1), visar hur vattnet är bundet till olika slampartiklar. 31