SÄTTERSVIKEN - för ekologisk (åter)vinning

Transkript

1 SÄTTERSVIKEN - för ekologisk (åter)vinning LEKMANNA RAPPORT LIFE 03 ENV /S/ 589 LOKALT ÅTERBRUK AV AVLOPPSVATTEN OCH ORGANISK HUSHÅLLSAVFALL

2 BAKGRUND OCH MÅLSÄTTNINGAR Dagens traditionella avfallshantering medför många miljöproblem. Avlopp och avfall kommer ut i våra vattendrag och sjöar som blir övergödda och växer igen. Utsläpp förorenar vårt grundvatten. Hushållsavfall fraktas till förbränning vilket ofta medför långa transporter. Återvinning av näringsämnen som fosfor och andra närsalter, som är livsnödvändiga i naturen, är minimal. Projekteringen av Hammarös nya reningsverk vid Sättersviken innebar en stor utmaning. Målet var att utveckla en kostnadseffektiv lösning med hög reningsgrad och låg energiförbrukning anpassad till vår miljö. Därutöver skulle reningsverket bidra till skapandet av ett ekologiskt hållbart återbruk av avlopp och organisk hushållsavfall. Lösningen fann vi inom projektet Local Recycling. Vi har här skapat förutsättningar för ett lokalt kretslopp med en ekologisk helhetssyn som löser flera miljöproblem samtidigt. Projektets inriktning är i första hand behandling och rening av avloppsvatten, men det löser också hantering av slam och organiskt hushållsavfall. Fördelarna är många jämfört med traditionella reningsverk. Avfallsmängderna minskar och allt i systemet kan återbrukas. Avlopp och organiskt hushållsavfall blir en resurs. Huvudmålsättningen med projektet är att demonstrera ett kretsloppsanpassat koncept för återvinning av näringsämnen i avlopp och organisk hushållsavfall. Genom användning av biologiska teknologier ska alla organiska fraktioner behandlas och omvandlas till användbara resurser. För att demonstrera och utvärdera konceptet har en huvudanläggning, ett avloppsreningsverk med integrerad återvinningsprocess och en lokal minianläggning byggts. Minianläggningen behandlar avloppet från ca 40 hushåll. Slammet som produceras i minianläggningen och sorterad organisk avfall förs till huvudanläggningens återvinningsprocess, Våtkomposten. Huvudanläggning har byggts vid Sättersviken. För att testa den har avloppssystemet från ett område med omkring 450 hushåll kopplats om från det befintliga reningsverket till den nya huvudanläggningen. Avfallskvarnar har installerats i ett antal fastigheter inom det berörda området, avloppsledningar transporterar både avloppsvatten och organiskt hushållsavfall till huvudanläggningen. FÖRVÄNTADE RESULTAT RENINGSGRAD I AVLOPPSRENINGSVERK INKLUSIVE VÅTMARK Fosfor 95 % Kväve 98 % BOD* 99 % * BOD, Biological Oxygen Demand (Avloppsvattnets innehåll av organiska ämnen) ÅTERVINNING AV NÄRINGSÄMNEN I BEHANDLAT MATERIAL Fosfor 95% Kväve 50% Kalium 95% 2 (10)

3 TEKNOLOGISKT KONCEPT Projektet bygger på att två typer av biologiska reningsverk samverkar och bildar en helhet en huvudanläggning och lokala minireningsverk. Huvudanläggningen kombinerar avloppsrening med återvinning av näringsämnen i slam och organisk avfall. Organiskt hushållsavfall mals i kökskvarnar och transporteras med avloppsledningar till huvudanläggningen. Miniverken behandlar avloppsvattnet lokalt, vilket betyder att långa och dyrbara ledningsdragningar i känslig natur undviks. Slammet som produceras i miniverken slutbehandlas i huvudanläggningen. LOKALT VERK LOKALT VERK HUVUDANLÄGGNING LOKALT VERK HUVUDANLÄGGNINGEN kombinerar olika biologiska metoder för behandling av avlopp, slam och organisk material till ett komplett koncept för hantering och återvinning av organiskt avfallsmaterial. Avloppsreningen sker i huvudsak i en processbassäng under kontinuerligt inflöde. Reningsprocessen kontrolleras genom ett nyutvecklat styrprogram baserat på kontinuerliga mätningar av olika parametrar i processen. Bassängen oscillerar under olika långa tidsperioder mellan att vara starkt syresatt till syrefritt. Processen bibehåller sin effektivitet under varierande belastningar. Huvudanläggningen är integrerad med en process för återvinning av näringsämnen, VåtKompost och våtmarker. VÅTKOMPOST är en nyutvecklad metod för att behandla avloppsslam och organiska avfallsfraktioner. Målet med våtkompostering är att hygienisera, bryta ner organiskt material till mineraler och omvandla näringsämnen till närsalter. Allt inkommande material samlas och blandas i det första steget. Det blandade organiska materialet pumpas in i våtkompostreaktorn under kraftig syretillsättning och temperaturen ökas till omkring grader. När det organiska materialet har brutits ner pumpas materialet över till en vassbädd för avvattning. Den näringsrika vätskan samlas i en lagertank. MINIRENINGSVERK baseras på biologisk avloppsrening utan kemikalier där det mesta av fosforn binds i slammet. All slam producerad i miniverken förtjockas till en torrsubstanshalt på omkring 4%. Den koncentrerade slamfasen samlas i en lagertank för transport och behandling i huvudanläggningen, därigenom kan näringsinnehållet i avloppsvattnet som behandlas i miniverket återvinnas. 3 (10)

4 HUVUDANLÄGGNINGEN MED VÅTKOMPOST Anläggningen är dimensionerad för en belastning från avloppsvatten motsvarande 4000 personekvivalenter (pe), organisk avfall från kökskvarnar motsvarande 3000 personekvivalenter och m3/år externslam. Organisk belastning Anslutna Organisk last Enhet Uppstart Utbyggt Avlopp pe Avfall pe BOD 7 mg/l kg/år Ntot mg/l 40,9 39,4 kg/år Ptot mg/l 8,1 7,7 kg/år I huvudanläggningen renas avloppsvattnet från kväve, fosfor, organisk material och partiklar. Behandlingen omfattar både intensiv rening och slambehandling följd av extensiv efterbehandling. Den intensiva reningen består av en aktivslamprocess kombinerad med en luftad biobädd process. Slammet behandlas i en aerob hygieniserings-process, våtkompost och vassbäddar. Den extensiva behandlingen utgörs av slutbehandling av avloppsvattnet i våtmarker. AKTIV SLAM PROCESS BIO BÄDD VÅTMARK AVLOPPS- VATTEN ORGANISKT AVFALL AVLOPPS- LEDNING INLOPPS - PUMPSTATION ANAEROBSTEG AEROBSTEG SEDIMENTERING AEROB & ANAEROB SÄTTERSVIKEN ORGANISKT AVFALL VÅTKOMPOST VASSBÄDD ÅTERBRUK BIO SLAM NÄRINGSRIKT VÄTSKA TILL GÖDNING JORD EXTERN SLAM FÖRLAGER VÅTKOMPOST- REAKTOR PROCESS DIAGRAM - HUVUDANLÄGGNINGEN Slutprodukten från anläggningen är rent vatten, ett gödningsmedel med ofarlig bakteriehalt och en slamrest som kan användas som jordförbättring. 4 (10)

5 HUVUDANLÄGGNINGENS PROCESSER Tre behandlingssteg är integrerade I huvudanläggningen; avloppsrening, slambehandling med våtkompost och våtmarker. AVLOPPSRENING Reningsverket är utformat för mekanisk, biologisk och kemisk rening. Den kemiska reningen används normalt inte i driften utan är endast en stödfunktion vid driftstörningar. Den mekaniska reningen består av avskiljning av grövre partiklar och sand. De biologiska processerna i anläggningen är grunden för minskningen av näringsämnen och organiskt material. En rad biokulturer omvandlar och bryter ned föroreningarna samt producerar ett biologiskt slam i sina livsprocesser. I aktiv slam processen avlägsnas fosfor och kväve i en reaktorbassäng genom biologiska processer, Bio-P för fosfor och Bio-N för kväve. Fosforn avlägsnas genom upptagning i det bildade bioslammet, kväve genom nitrifiering och denitrifiering där kvävet omvandlas till kvävgas. Reaktorbassängen oscillerar mellan att under olika korta perioder vara kraftigt syresatt (aerob) till att vara syrefattig (anaerob). Huvudmekanismen för Bio-P är fosforackumulerande organismer (PAO) som exponeras för växlande anaeroba och aeroba förhållanden. Under aeroba förhållanden lagrar PAO biokemisk energi internt i form av polyfosfater, emedan de under anaeroba förhållanden utnyttjar lagrad energi till att ta upp organiskt material (BOD) samtidigt som fosfat avges i vätskefasen. När PAO utsätts för aeroba förhållanden i den efterföljande sekvensen, har den fördel framför andra organismer p.g.a. upplagrat organiskt material från den anaeroba zonen som här brukas till att växa och på nytt lagra energi som polyfosfater. Genom att separera ut slammet med fosfater lagrat internt i organismerna i den påföljande sedimentationen avlägsnas fosfor från avloppsvattnet. Den biologiska kvävereduktionen i Bio-N processen går från ammoniumkväve via nitratkväve till kvävgas. Huvudmekanismerna är nitrifiering, ammoniumkväve till nitrat (NH 4 + till NO 3 - ) och denitrifiering, nitrat till kvävgas (NO 3 - till N 2 ). De båda reaktionerna utförs av olika bakteriearter. Den första kvävereaktionen åstadkoms av nitrifierare (bakterie) som vid hög syrehalt i vattnet använder ammoniumkväve (NH 4 -N) för tillväxt. En av restprodukterna vid denna tillväxt är nitratkväve (NO 3 ). Den andra kvävereaktionen åstadkoms av denitrifierare (bakterie) som vid låg syrehalt i vattnet använder den tidigare producerade nitratkväve (NO 3 ) och organiskt material, (BOD) för sin tillväxt. Under tillväxten bildas kvävgas, N 2 a och därigenom avlägsnas kvävet från avloppsvattnet. När bassängen omväxlande går igenom aeroba och anoxiska cykler kan aktivslamprocessen nitifiera ammoniumkväve till nitrat och därefter denitrifiera nitraten till kvävgas. Efterföljande sedimentation separerar ut bioslammet genom gravitation i en sedimenteringsbassäng. Separerat slam samlas upp i en slamficka och pumpas tillbaka till den anaeroba zonen med hjälp av returslampumpar. Slamökningen från den biologiska tillväxten samt partikulärt material förs in till våtkompostens förlager för vidare slambehandling. Det är i denna avskiljning av överskottsslam som den biologiskt bundna fosforn tas ut ur avloppsvattnet och blir tillgängligt för återvinning. Aktivslamprocessen med kombinerad Bio-P och Bio-N klarar att nitrifiera ammoniumkväve till nitrat och därefter denitrifiera nitraten till kvävgas i begränsad omfattning. Om både fosfor och kvävereningen samtidigt drivs till låga nivåer är det risk för att processen blir ostabil. För att säkerställa låga kväveutsläpp och en stabil drift följs aktiv slam processen av en luftad biofilm process. Här avlägsnas resterande kväve och även kemiskt fällning av fosforn kan göras i händelse av driftsstörningar. 5 (10)

6 SLAMHANTERING MED VÅTKOMPOST Förlager med förtjockning. Slam från sedimenteringen, externslam från enskilda avlopp och andra reningsverk förtjockas och blandas med sorterat organiskt avfall. Materialet pumpas sedan satsvis till kompostreaktorn. Kompostreaktorn. Det organiska innehållet i materialet bryts ned genom luftinblåsning. Temperaturen stiger till cirka 55 C och sjukdomsalstrande bakterier förstörs. Fosfor i slammet lösgörs och kväve omvandlas till stabila närsalter. Vassbäddar. Materialet från kompostreaktorn pumpas till vassbäddar med dränerade lager för avvattning. Slammet fastnar i vassbädden, där det fortsätter att brytas ned, medan den näringsrika vätskan samlas upp och pumpas till ett lager. VÅTMARKER Målet med våtmarkens funktion är att säkra ett tillräckligt lågt utsläpp av näringsämnen till recipienten samt att vara en buffert för eventuella driftsproblem i reningsverket. Våtmarken är anlagd så att den optimerar hydraulisk och önskad biologisk aktivitet. Genom integrerad biologisk och kemisk omsättning, mekanisk filtrering och absorptionsprocesser avlägsnas föroreningarna. Våtmarken är anlagd som två efter varandra följande steg. Steg 1. Steg 1 består av i huvudsak tillförda massor som avser att bl.a. binda fosfor samt reducera organiskt material. Livslängden för det första steget uppskattas till 30 år innan det mineraliska materialet behöver bytas ut. Våtmarkens anläggningsdjup är ca 1 m och med tät botten. Tillfört avlopp leds in till centrum av våtmarken för att därifrån ledas vidare horisontalt från centrum ut till periferin i marken. Detta säkerställer en jämn fördelning av vattnet ut genom massorna. I periferin besörjer en tröskelkonstruktion uppsamling av vätska i volymen samt begränsar tillrinning från utanförliggande områden. Avloppet förs vidare i kanaler ut i ett sekundärt våtmarksområde (Steg 2). Principen för Steg 1 visas i figuren nedan. Ledning från reningsverket Inloppsbrun Fördelingszon; Bioblock/sten Provtagningrör Grus Stagande massor Schakt för renat avloppsvatten 6 (10)

7 Steg 2. Steg 2 består i huvudsak av befintligt markområde vilket fungerar som våtmark/filteranläggning. Här fortsätter upptaget näringsämnen samt nedbrytning av organiskt material. Den största mängden fosfor kommer att bindas i Steg 1 ovan. LOKALT VERK RENINGSVERK MED SLAMFÖRTJOCKNING Anläggningen är dimensionerad för en belastning från avloppsvatten motsvarande 150 personer/dag. (pe/d) Organisk belastning lokalt verk Enhet Uppstart Full belastning Avlopp pe Anslutna BOD 7 mg/l kg/år Organisk last Ntot Ptot mg/l kg/år mg/l 12,5 12,5 kg/år Processer LOKALT VERK Reningsverket är utformat för mekanisk och biologisk rening. Den mekaniska reningen omfattar stenavskiljning samt finfördelning (malning) av organiskt material. Avloppsvatten och malda föroreningar lagras i en utjämningstank. Från utjämningstanken pumpas avloppsvattnet till en reaktor tank. Processerna i reaktortanken genomgår omväxlande anaeroba, aeroba och anoxiska cykler genom variationer i luftinblåsningen. Den biologiska reningen sker genom aktivslamprocessen där organiskt löst material bryts ner med hjälp av mikroorganismer (bakterier) under syrerika förhållanden. I den biologiska processen omvandlas även organiskt bundet kväve till ammoniumkväve (NH 4 -N). Vid nedbrytningsprocesserna tillväxer mikroorganismer vilka successivt tas bort ur processen i form av ett bioslam. I reningsverket används biologisk fosforrening, Bio-P process, vilket innebär att fosfor reduceras ur avloppsvattnet på biologisk väg utan kemikalier. Bioslammet från det lokala verket innehåller därför höga halter av fosfor. Allt slam som uppkommer vid reningsprocesserna förtjockas till en torrsubstans halt på ca 4%. Därefter mellanlagras slammet i reningsverket för att sedan transporteras till huvudanläggningen, Sättersvikens reningsverk för behandling i våtkompost-processen. På detta sätt kan näringsämnena i avloppsvattnet återvinnas. Utgående vatten från reningsverket genomgår en slutbehandling i ett befintligt, naturligt våtmarksområde vilket också utgör en säkerhet i händelse av driftsstörningar. AVFALLSKVARNAR Den våta, komposterbara delen av hushållsavfallet hamnar ofta av bekvämlighetsskäl i fel behållare. Även om det finns en fungerande sortering och separat behandling av organiska delar av hushållsavfallet så återstår transporterna. Avfallstransporter i sig själv genererar mängder med utsläpp till miljön. 7 (10)

8 En person producerar cirka 70 kg matavfall per år. Det mesta av det kan behandlas i avfallskvarnar. Genom att använda kvarnar transporteras den organiska hushållsavfallet i avloppsledningar utan miljöskadliga utsläpp samtidigt som dess innehåll av näringsämnen görs tillgängligt för återvinning. Kvarnen mal det organiska hushållsavfallet till tunt slam som transporteras genom avloppsledningar till reningsverket. Efter att avfallet lämnat kvarnen är processen densamma som för normalt toalettavfall. Utöver återvinningen av näringsinnehållet i hushållsavfallet och minskade utsläpp bidrar det organiska avfallet även till att underlätta de biologiska processerna i reningsverket genom att bidra med energi genom sitt innehåll av kol. FRAMSTEG OCH RESULTAT Inom projektet har vi utvecklat ett ekologiskt hållbart koncept för återbruk av avloppsvatten lämpligt för både spridd bebyggelse såväl som för andra områden. Konceptet är primärt utvecklat för behandling av avloppsvatten men det hanterar också organiskt hushållsavfall. Konceptet är uppbyggt kring nya kombinationer av befintliga teknologier och komponenter. Vi har projekterat och byggt två typer av avloppsreningsverk med biologiskt fosforrening, en huvudanläggning och ett lokalt miniverk. Huvudanläggningen är integrerad med våtkompostprocessen för återvinning av näringsämnen och våtmarker. I hushållen anslutna till huvudanläggningen har avfallskvarnar installerats för att transportera det organiska hushållsavfallet till reningsverket. Näringsinnehållet i avloppsvattnet och det organiska hushållsavfallet har omvandlats till en gödningsprodukt i vätskefas som kan användas lokalt. Den producerade gödningen har ett ofarligt bakterieinnehåll och det resterande slammet på vassbäddarna blir till jord. Reningsgraden i huvudanläggningen är lika bra som i de bästa biokemiska verken. Konceptet med att integrera avloppsreningsverk med våtmarker ger en mycket hög reningsgrad före utsläpp till recipienten. MILJÖMÄSSIGA FÖRDELAR Projektets miljömässiga fördela kan summeras enligt nedan; Återvinning av näringsämnen i avlopp och organiskt hushållsavfall Föroreningar till mark, grundvatten och vattentäkt minimerats Skador från övergödningen minskats Minskade avfallstransporter och dess utsläpp. Minimerade skador på naturen i känsliga områden. 8 (10)

9 REPRODUCERBARHET OCH ÖVERFÖRBARHET Hela konceptet, eller delar av den kan överföras till alla avloppsreningsverk. Många befintliga reningsverk kan byggas om till biologiska teknologier. Våtkompost-processen för behandling av slam och organiskavfall kan integreras i de flesta reningsverk som använder biologisk fosforrening (BioP processen). Beroende av storleken på reningsverket kan antingen våtkompost eller biogas vara lämpligast. Konceptet med lokala miniverk i samverkan med en huvudanläggning möjliggör effektiv rening även på platser med spridd bebyggelse. Långa och kostsamma ledningsdragningar kan undvikas och man får ändå hög reningsgrad och näringsåtervinning. Konceptet är speciellt lämpligt för exempelvis öar eller platser med svåra och känsliga markförhållanden. Genom att använda kökskvarnar blir ledningsnätet transportör av både avlopp och organiskt hushållsavfall, vilket medför en drastisk minskning av tunga transporter. MILJÖMÄSSIGT KOSTNADSEFFEKTIVITET Direkta jämförelser av kostnader för reningsanläggningar som ingår i projektet med traditionella reningsverk är svåra att göra. Tittar man exempelvis på huvudanläggningen så är den dimensionerad för en organisk belastning (BOD) från 4000 pe/d (personekvivalenter/dag) men också för organisk belastning från avfallskvarnar. Den totala dimensionerande BOD belastningen motsvarar omkring 5500 pe/d i bara avloppsvatten. Kostnader för huvudanläggningen blir då ca 7500 kr/ pe. Tittar man bara på kostnaden för vattenreningen utan våtkompost-processen är kostnaderna omkring 6000 kr/pe. Då ingår även en högeffektiv kväverening, en processdel som normalt inte finns i en anläggning av denna storlek. Kostnaden för det lokala miniverket är omkring kr/pe. Reningsverket har både biologiskt fosfor och kväverening samt slamhantering via förtjockning. Utöver detta så kan en stor del av näringsinnehållet i det behandlade vattnet återvinnas. Sammanlagt blir det så stora skillnader att några kostnadsjämförelser med andra verk i samma storleksklass inte är relevanta. Från samhällsekonomisk synpunkt ger biologiska teknologier betydande fördelar. Hög reningsgrad av avloppsvattnet kan uppnås utan användning av kemikalier. Biologiska teknologier är effektiva och skapar förutsättningar för återvinning. Driftkostnader, som kostnader relaterade till slamhantering minimeras. Biologisk avloppsbehandling kan ha minst samma reningsgrad som de bästa traditionella biologiskt -kemiska reningsverk utan kemikalieanvändning. Det ger lägre driftkostnader och mindre miljöbelastningar. De har samma eller lägre investeringskostnad som traditionella reningsverk. Återvinning från slam och hushållsavfall ger optimalt resursutnyttjande utan negativ miljöpåverkan. Biotekniska metoder ger goda förutsättningar för återvinning av näringsämnen i en form som direkt kan upptas av växtligheten. Detta ger minimalt näringsläckage från jordbruket samt mindre behov av kemiska gödningsämnen och minskade transporter. Utgående vatten från reningsverket håller sådan kvalitet att det kan användas för många ändamål; konceptet kan användas på platser med vattenbrist. Det renade vattnet kan exempelvis användas för vissa bevattningsändamål. Konceptet minskar påtagligt mängden avfall och allt som behandlas i systemet kan återbrukas. 9 (10)

10 INFORMATION LOCAL RECYCLING är ett projekt genomfört med finansiellt stöd från EU s miljöfond LIFE Environment. Stödmottagare och projektets genomförare har varit Hammarö kommun. Partners i projektet har varit den grekiska kommunen Volos och Karlstad Universitet. Önskas mera information om projektet besök hemsidan; eller skicka e-post till hammaro@hammaro.se 10 (10)