Nya processlösningar för resurseffektiv kväveavskiljning

Transkript

1 Nya processlösningar för resurseffektiv kväveavskiljning Elzbieta Plaza VA-teknik, Institutionen för hållbar utveckling, miljövetenskap och teknik (SEED) - KTH SE Stockholm, Sweden elap@kth.se Avlopp & Miljö Örebro Januari 2015

2 Avloppsvattenrening i framtiden Hög kvalitet på behandlat vatten: avlägsnande av partiklar, organiskt material, näringsämnen, mikroföroreningar, mikrobiella föroreningar Resurs återvinning: energi och näringsämnen Låg energiförbrukning Minskad användning av kemikalier Låga utsläpp av växthusgaser Mål Utveckla innovativa hållbara processlösningar Ändra ARV från energikonsumenten till energiproducent

3 Kväveavskiljning med anammox Rejekvatten från avvattning av rötslam Varmt vatten + hög N koncentration = på väg att bli etablerad teknik 15-20% minskning av N belastning till avloppsverk 3 anläggningar i Sverige: Baserat på MBBR (Moving Bed Biofilm Reactor) teknik med Kaldnes bärare Stockholm Himmerfjärden (2007), 480 kgn/d Malmö Sjölunda (2010), 200 kgn/d Växjö (2012), 430 kgn/d Nästan 100 i bl.a Nederländerna, Österike, Schweiz, Kina, Japan och USA K1 500 m 2 /m 3 K5 800 m 2 /m 3

4 Kväveavskiljning med anammox I huvudlinjen för avloppsvattenrening Låga temperaturer och koncentrationer = Anammox bakterier identifierats trots svåra tillväxtförhållanden Var finns de och hur vi kan stimulera dem? Hur skapar goda förutsättningar för väl fungerande system? Kan anammox tillämpas i huvudlinjen med framgång?

5 Fördelar ANAMMOX 5 Sparar energi! Ingen extern kolkälla! O 2 NO 3 -N NO 2 -N C org NO 2 -N NH 2 OH N 2 H 4 N 2 O 2 NH 3 Nitritation Nitratation Denitrifikation Nitrifikation Anammox Anaerobic ammonium oxidation Energi Kemikalier (metanol) CO 2 emission Lustgas emission Traditionell teknik 1,3 kwh/kg N 2,3 kg/kg N 3,5 ton/ton N Hög Deammonifikation (Anammox) 0,5 kwh/kg N 0 kg/kg N 0,4 ton/ton N Låg

6 Från laboratorieskala (2 x 8 liter) sedan 1999 vid KTH Himmerfjärdsverkets pilotanläggning (2 x 2,1 m 3 ) åren till fullskala 2007 Första fullskaleanläggningen i Sverige med deammonifikation

7 FoU av anammoxtekniken Hammarby Sjöstadsverk Effektivare rejektvattenbehandling Vid höga temp. (25-30 C) och koncentrationer ( mg NH 4 -N) Höga belastningar 3,5-5 g NH 4 -N/m 2 d Enkel kontroll med on-line mättningar (syre, ph, redox, konduktivitet, NH 4 -N, NO 3 -N) Bättre syrestyrningsstrategi NH 4 -N, NO 3 -N (mg/l) Modelleringsstudier av anammoxprocessen Inverkan på global uppvärmning: växthusgasemmissioner Underlag för fullskalegenomförande vid kommunala reningsverk NO3-N NH4-N NH4-N influent NO2-N Days NO 2 -N (mg/l)

8 FoU av anammoxtekniken Hammarby Sjöstadsverk Tillämpning i huvudströmmen Vid låga temperaturer (13-17 C) Vid låga koncentrationer (30-50 mg NH 4 -N/l) Nya systemlösningar baserade på anammoxprocessen: - System med UASB och anammox - IFAS system Övervakning av den mikrobiella aktiviteten i biofilmen Experiment i pilot skala i 2,5 år

9 Studerade system med anammox i huvudlinje MBBR efter UASB (Stockholm) MBBR efter HRAS (Malmö) IFAS efter UASB (Stockholm) IFAS efter HRAS (planeras) MBBR Moving Bed Biofilm reaktor UASB Upflow Anaerobic Sludge Blanket reaktor PN/A Partiell nitritation/anammox IFAS Integrated Fixed-Film Activated Sludge reaktor HRAS Högbelastad Aktivslamprocess PS Primärsedimentering AB Aktivslamreaktor SS Sekondärsedimentering SCR Grovrensgaller GC Sandfång FS Slutlig sedimentering

10 Anammox i huvudströmmen Utmaningar Låg temperatur Behålla tillräcklig aktivitet av AOB och anammoxbakterier Utkonkurrera NOB Möjliga lösningar på problemet Undertrycka NOB-aktivitet : periodvis syrefritt (intermittent luftning) AOB och NOB-affinitet till syre (DO-koncentration i luftad fas) maximera fri ammoniakoncentration (ph-kontroll, SBR, intermittent matning), irreversibel hämning av kemiska faktorer (FA, FNA) Öka aktivitet AOB, anammoxbakterier och bioreaktorns kapacitet: adaptering, andra parametrar (totalt oorganiskt kol, fri ammoniakoncentration), högre koncentration av biomassa (IFAS).

11 Enstegs nitritation/anammox AOB Anammox Bacteria Other Bacteria 11

12 Deammonifikation i huvudström MBBR och IFAS Förhållandet mellan AOB:NOB aktivitet i suspenderad biomassa var alltid högre än i biofilm utspolning från biofilm av AOB är högre än NOB; Recirkulation av AOB med aktivslam ökar AOB:NOB förhållande, ger lägre nitratproduktion; NOB är lättare att styra i suspenderad biomassa på grund av lägre DO diffusion. 75% N borttagning uppnåddes.

13 Avloppsverk med Anammox mer biogas! Energikonsumption för 3 alternativ avloppsrening: A) konventionell B) konventionell med anammox för rejektvattenbehandling; C) med anammox i huvudlinjen Syre- och energibehov Massflöde (g p -1 d -1 ) Energi (Wh p -1 d -1 ) Alt. A Alt. B Alt. C Alt. A Alt. B Alt. C Luftning, C avskiljning Luftning, N b avskiljning Energi för pumpning /omrörning Metan-COD och elektricitet från biogas a Netto Energi a lägre pga inget recirkulationsflöde b Nitrat i utfföde för A och B: 2,5 g p -1 d -1 ; för C 1.1 g p -1 d -1 Ref: S1. H. Siegrist et al., Water Sci. Technol.57, 57, 383 (2008)

14 250 N 2 O emissioner - SYVAB Deammonifikation i fullskala 1,6% N (kgn/d) ,4% 1,2% 1,0% 0,8% 0,6% 0,4% 0,2% 0,0% Days N load N removal rate N2O-N/N load (%) N 2 O/N load (%) 0,51% av den totala kvävebelastningen 0,62% av avlägsnad kväve omvandlas till lustgas % av utsläppen av dikväveoxid i gasform, och resten i vätskan. Fullskala MBBR reaktor: Volym: 700m 3 Kaldnesbärare: 32% Rejektvattenbehandling SYVAB (Himmerfjärdsverket), Stockholm

15 N 2 O emissioner - SYVAB Deammonifikation i fullskala

16 TACK! KTH/IVL Jozef Trela Andriy Malovanyy Razia Sultana Jingjing Yang Karol Trojanowicz Elzbieta Plaza Chalmers tekniska högskola Britt-Marie Wilén Frank Persson Trela, J., Malovanyy, A., Yang, J., Plaza, E., Trojanowicz, K., Sultana, R., Wilén, B- M., Persson, F., Baresel, C Deammonification Synthesis report Nr B2210, Oct 2014, Swedish Environmental Research Institute (IVL).