Avdrivng av ammoniak vid luftng av lakvatten i luftade dammar RVF Utvecklg 2003:06 ISSN 1103-4092 RVF Utvecklg
RVF Utvecklg 2003:06 ISSN 1103-4092 RVF Service AB Tryck: Daleke Grafiska 2003 Upplaga: 1000 ex
FÖRORD Lakvatten från kommunala deponier nehåller i de flesta fall höga koncentrationer av ammoniumjoner. Lakvattnet måste därför renas nan det kan släppas i en recipient. Vid lokal lakvattenreng är behandlg i luftade dammar är den vanligast förekommande metoden i Sverige. Det nebär dock en risk att ammoniak avgår till luften. Det är därför viktigt att förhållandena i dammen optimeras för att mimera avgången av ammoniak. I detta projekt beskrivs en del av mekanismerna för ammoniakavdrivngen och hur man kan undersöka försättngarna för avdrivng i specifika projekt. Projektet har genomförts av Renova AB. Författare till rapporten är Ulrika Welander, Avd. för Bioteknik, Kemicentrum vid Lunds Tekniska Högskola, Camilla Jönsson och Lennart Mårtensson, båda från Institionen för teknik, Högskolan Kristianstad, samt Mal Carlsson, Renova AB. Malmö i mars 2003 Anders Assarsson Ordf. i RVFs Utvecklgskommitté Wee Wiqvist VD för RVF 1
INNEHÅLLSFÖRTECKNING Förord...1 Innehållsförteckng...2 Sammanfattng...3 Inledng...3 Utförande...4 Laboratorieförsök...4 Ammoniakavdrivng...4 Biologisk aktivitet i lakvattnet...4 Provtagngar i dammen...5 Beskrivng av dammen...5 Provtagng, Lakvattendamm Tagene...5 Flöde...5 Resultat...6 Laboratorieförsök...6 Ammoniakavdrivng...6 Biologisk aktivitet i lakvattnet...7 Provtagngarna i dammen...7 Diskussion...9 Ammoniakavdrivng...9 Biologisk aktivitet i lakvattnet...9 Provtagngar i dammen...9 Några råd till den som funderar på att undersöka omfattngen av avdrivngen av ammoniak från en luftad lakvattendamm...10 Slsatser...11 Referenser...11 2
SAMMANFATTNING Lakvatten från dammen vid Renova AB:s deponi Tagene i Göteborg användes i projektet Avdrivng av ammoniak vid luftng av lakvatten i luftade dammar i syfte att studera risken för ammoniakavdrivng till luft. Lakvatten till och från dammen provtogs och analyserades. Dessom genomfördes laboratorieexperiment med lakvatten från dammen. Syftet med provtagngarna i dammen var att kunna undersöka kvävebalansen under realistiska förhållanden såsom olika temperaturer. Laboratorieförsöken genomfördes för att kvävebalansen skulle kunna studeras under mer kontrollerade förhållanden. Ammoniakavdrngen uppskattades genom en jämförelse mellan totalkvävekoncentrationerna i lakvattnet före och efter luftng. Resultaten från såväl provtagngarna i dammen som laboratorieförsöken dikerar att avdrivngen av ammoniak till luft är begränsad. Lakvattnets totalkvävekoncentration sjönk med maximalt 23,8% från loppet till loppet av dammen. Detta träffade vid den sista provtagngen. Vid några av provtagngarna mskade totalkvävekoncentrationen te alls. Vid laboratorieförsöket pendlade både ammoniumkvävekoncentrationerna och totalkvävekoncentrationerna något upp och ner och gen tydlig mskng kunde urskiljas. INLEDNING Luftade dammar används i stor sträckng för behandlg av lakvatten från kommunala deponier. Det är därför av stor vikt att reda effektiviteten hos dessa dammar med avseende på olika kemiska parametrar. Ett av syftena med luftngen är att förse aeroba mikroorganismer med en tillräcklig mängd syre. Om uppehållstiden i dammen är tillräckligt lång och lakvattnet te nehåller nitrifikationshämmande ämnen kan ammonium nitrifieras till nitrat av nitrifierande bakterier. Kväve tas också upp av mikroorganismer för att de ska kunna växa till. Lakvatten nehåller ofta en hög koncentration av ammonium. Detta medför en risk för att ammoniak kan strippas från lakvattnet till luften. Den kemiska jämvikten mellan ammoniak och ammonium är ph-beroende. Andelen ammoniak ökar med ökande ph-värde. Undersökngar har visat att ammoniumkoncentrationen mskar mer i vissa dammar när ph-värdet på vattnet är högt varför det är mycket angeläget att reda hur denna mskng sker (Naturvårdsverket 1993). Reduktionen av totalkvävekoncentrationen vid behandlg av lakvatten i luftade dammar har rapporterats ligga mellan 20 och 40 % (RVF 1996). Syftet med detta projekt var att uppskatta risken för ammoniakavgång från luftade lakvattendammar vid olika ph-värden och temperaturer. Försök har därför genomförts på laboratoriet såväl som i en damm vid Tagene avfallsupplag, Renova AB, Göteborg. 3
UTFÖRANDE Laboratorieförsök Ammoniakavdrivng Två liter lakvatten från den luftade dammen vid Tagene luftades under 23 dagar i en glasflaska, se figur 1. Förhållandet mellan yta och volym i flaskan var 0,57. Luftflödet hölls konstant vid 80 ml/m. Flödet mättes med hjälp av en flödesregulator. Vattnet analyserades vid sex tillfällen med avseende på O2- koncentration, ph, kemisk syreförbrukng (COD), totalt organiskt kol (TOC), total-kväve, ammonium-kväve, nitrit-kväve, nitrat-kväve, Fe 2+ samt Fe 3+. Temperaturen låg under försökets gång mellan 19,2 och 21,7 C. Efter 23 dagars luftng undersöktes det om en algtillväxt hade förekommit genom att vattnet studerades i mikroskop. Figur 1. Bilden visar försöksuppställngen under ammoniakavdrivngsförsöket. En av flaskorna nehåller lakvatten från dammen vid Tagene. Biologisk aktivitet i lakvattnet Obehandlat lakvatten mättades med syre varefter syrgashalten samt temperaturen mättes med jämna tidstervall under en vecka. Mätngarna fördes med hjälp av en syrgasmätare (Orion dissolved oxygen meter model 835). När syrehalten sjunkit under 2 mg/l luftades vattnet igen och samma procedur upprepades. Temperaturen låg under hela försöket mellan 20 och 22 C. Syreförbrukngen mättes sedan på samma sätt i det vatten som hade luftats under 23 dagar. Syftet med detta försök var att få en uppskattng av mängden syreförbrukande ämnen samt den biologiska aktiviteten i lakvattnet. Den mikrobiologiska aktiviteten är av tresse för bedömngen av möjligheterna till nitrifikation och denitrifikation i lakvattnet. 4
Provtagngar i dammen Beskrivng av dammen Dammen är en nästan rektangulär lakvattendamm med lera som bottenmaterial. Den är ca 1,65 meter djup och har en yta på ungefär 670 m 2 vilket ger en volym på ca 1100 m 3. Till dammen leds två olika lakvattenflöden som går ihop i en brunn och sedan leds i dammen. Provtagng, Lakvattendamm Tagene Provtagngen genomfördes på - och flöde från lakvattendammen. Proverna på kommande vatten togs direkt efter brunnen då flödena blandats. Proverna togs i tre olika omgångar. Avsikten med detta var att få så stort temperaturtervall som möjligt på gående vatten då vi ville undersöka om temperaturen påverkar eventuell avdrivng av ammoniak till luft. En provomgång varade i tre veckor då prov togs en gång i veckan. Proverna analyseras med avseende på följande kvävefraktioner total-kväve, ammonium-kväve, nitratkväve, nitrit-kväve och Kjeldahl-N. I varje provomgång analyserades också vid ett provtagngstillfälle total-fosfor, COD-Cr och BOD7. ph mättes på alla prover. Flöde I samband med varje provtagng mättes vattenflödet i dammens lopp samt i en brunn nedanför dammen (i tabellen beskrivet som flöde, stuga ), tabell 1. Till brunnen nedströms dammen leds tre olika vattenflöden, men flödet från dammen är det domerande. Anledngen till att flödet mättes på två ställen var att flödesmätngen till dammen endast fördes med hk och klocka och alltså te är så exakt. I brunnen nedströms dammen sitter en aomatisk flödesmätare. 5
Tabell 1. Temperaturer, flöden och ph-värden vid provtagngarna i lakvattendammen. Provplats Datum Temperatur ( C) Flöde, dammlopp (l/s) Flöde, stuga (l/s) Provtagngsomgång 1 Inlopp 20020321 22 5 6 7,3 Utlopp 20020321 13,1 7,3 Inlopp 20020327 22,5 7,0 Utlopp 20020327 14,2 7,6 Inlopp 20020404 21,5 4 4 7,2 Utlopp 20020404 16,7 7,6 Provtagngsomgång 2 Inlopp 20020604 22,9 2 3 6,9 Utlopp 20020604 22,4 7,8 Inlopp 20020614 24,1 3 3 7,5 Utlopp 20020614 21,2 8,0 Inlopp 20020624 3 3 Utlopp 20020624 Provtagngsomgång 3 Inlopp 20020722 19,3 3 5 7,6 Utlopp 20020722 21,1 7,3 Inlopp 20020729 23,8 7,5 Utlopp 20020729 22,8 7,8 Inlopp 20020805 23,0 1,6 2 7,2 Utlopp 20020805 22,5 7,6 ph RESULTAT Laboratorieförsök Ammoniakavdrivng Syrehalten såväl som ph steg från gångsvärdena under luftngen medan Fe 2+ - och Fe 3+ -koncentrationerna sjönk, tabell 2. Ammoniumkväve- såväl som total-kvävekoncentrationerna pendlade något upp och ner, tabell 2. Totalkvävekoncentrationen sjönk med ca 12% under försökets gång. Totalkvävekoncentrationen dag 1 motsvarar total-kvävekoncentrationen i obehandlat lakvatten. Total-kvävekoncentrationerna vid de två sista mätngarna har sedan jämförts med detta ursprungsvärde. Detta visar att den maximala avdrivngen av ammoniak-kväve var 23 mg/l under hela perioden. TOC- och COD-koncentrationerna sjönk till en början för att sedan öka igen medan nitratkväve- respektive nitritkvävekoncentrationerna låg relativt konstanta under försökets gång med undantag av det sista mättillfället då både nitratkväve- och nitritkvävekoncentrationerna hade ökat, tabell 2. Lakvattnet visade sig vid mikroskoperg nehålla såväl tomma kiselskal från alger som bakterier och några encelliga djur. 6
Tabell 2. Resultat från luftngsförsök av lakvatten från lakvattendammen vid Tagene. Datum dag O 2 ph COD TOC Tot-N NH 4 + -N Fe 2+ Fe 3+ NO 2 - -N NO 3 - -N 020424 1 2,3 7,1 716 206 192 166 0,21 0,40 0,12 1,2 020426 3 6,7 8,4 660 103 156 112 0,17 0,11 0,13 1,1 020429 6 7,2 8,9 656 85 179 141 0,23 0,02 0,13 1,1 020502 9 8,9 8,8 608 100 173 158 0,25 0,02 0,14 1,1 020510 17 8,4 8,8 912 108 169 158 0,15 0,06 0,35 1,2 020516 23 8,6 9,2 900 169 169 147 0,17 0,07 6,3 2,1 Biologisk aktivitet i lakvattnet Syreförbrukngen i lakvattnet var långsam. Tiden för att förbruka det tillgängliga syret var vid de första mätngarna 80 timmar, figur 2. Lakvattnet luftades igen vilket kan ses som en topp i diagrammet. Lakvattnet nehöll fortfarande syreförbrukande ämnen efter sju dagar då försöket avbröts, figur 2. 12 10 8 6 4 2 0 0 14 28 Syrgashalt 42 56 70 84 98 112 126 140 154 168 182 Tid (h) Figur 2. Resultatet från luftng av obehandlat vatten. Försöket med luftng av lakvatten som luftats under 23 dagar visade att syrehalten sjönk från 8 mg/l till 0 mg/l under 12 timmar. Syreförbrukngen gick betydligt snabbare i detta vatten än i obehandlat vatten. Provtagngarna i dammen Proverna tagna i dammen visar också att ammoniak-avgången till luft är relativt begränsad, tabell 3. Nitratkväve- och nitritkväve-koncentrationerna låg genomgående högre i loppet än i loppet under den första provtagngsomgången. Andelen av lakvattnets total-kvävekoncentration som förelåg i ammoniumform varierade mellan 69 och 100 %. Inga betydande skillnader kunde urskiljas mellan loppet och loppet. Maximalt avdrevs 24 % av ammonium-kvävekoncentrationen i detta försök. Beräkngen har gjorts på samma sätt som vid laboratorieförsöket. Totalkvävekoncentrationen i lakvattnet i loppet jämfördes med total-kvävekoncentrationen i lakvattnet i lop- 7
pet från dammen vid de olika provtagngarna. Beräkngen av den maximala avdrivngen bygger enbart på en provtagng (den 5 augusti 2002 då störst mskng av totalkvävekoncentrationen erhölls) varför det är rimligt att anta att den verkliga avdrivngen ligger på lägre nivåer. Detta styrks av att totalkvävekoncentrationen i lakvattnet i dammen till och med varit något högre än i lakvattnet i loppet till dammen vid några provtagngar. Dessa resultat beror troligen på ett visst fel i analyserna. Tabell 3. Resultat från lakvattenprovtagngar i dammen på Tagene. Datum ph/ temp. ( o C) 020321 7,3 22 020321 7,3 14,3 020327 7,0 22,5 020327 7,6 14,2 020404 7,2 21,5 020404 7,6 16,7 020604 6,9 22,9 020604 7,8 22,4 020614 7,5 24,1 020614 8,0 21,2 020624 7,1 23 020624 8,0 22,5 020624 7,0 23 020624 8,0 22,5 020722 7,3 21,1 020722 7,6 19,3 020729 7,5 23,8 020729 7,8 22,8 020805 7,2 020805 23,0 7,6 22,5 Total-N NH + 4 - N NO - 3 - N NO 2 - -N 200 170 0,5 0,1 200 170 140 45 4,2 160 190 150 0,11 0,19 180 170 140 26 2,3 160 Kjeldahl-N Total-P COD (Cr) 160 130 <0,01 0,13 160 0,58 490 13 170 130 23 5,0 170 0,55 470 11 200 200 0,14 0,06 210 190 180 0,05 0,45 190 180 180 0,17 0,07 190 180 150 0,15 0,66 180 140 140 0,38 0,08 150 150 150 <0,01 1,3 150 150 130 <0,01 1,2 0,77 130 100 1,4 0,38 0,66 180 160 0,29 0,046 0,88 150 150 0,06 0,14 0,93 210 170 0,29 0,09 0,89 160 110 <0,01 0,02 0,75 0,44 750 18 0,32 730 15 BOD 7 8
DISKUSSION Ammoniakavdrivng Det är anmärkngsvärt att ammoniak-avdrivngen te är större trots att ph har stigit till 9,2 vid den sista mätngen i laboratorieförsöket. Detta ph-värde kan jämföras med pka-värdet för ammonium som är 9,25. Teoretiskt är koncentrationerna av ammonium och ammoniak lika stora vid ph 9,25. Detta borde medföra att ammoniak kan drivas av i avsevärda mängder. Resultaten visar dock att så te är fallet. En teori är att ammonium bds i metallkomplex. Detta måste dock undersökas i praktiska experiment. Fe 2+ - koncentrationen sjunker troligen på grund av att järnet oxideras till Fe 3+. Fe 3+ kan sedan falla som järn(iii)hydroxid. Denna teori stöds av att en synlig fällng bildades i botten på flaskan. COD- och TOC-värdena sjunker till en början för att sedan öka igen vilket tyder på en biologisk aktivitet t.ex. algtillväxt. Flaskan var placerad i ett dragskåp varför vattnet har satts för dagsljus. Lakvattnet nehöll rikligt med kväve och luft nehållande koldioxid har hela tiden tillförts vilket kan ha bidragit till att alger kan ha producerat organiskt kol ur oorganiskt kol. Detta skulle också kunna förklara ökngen av syreförbrukande ämnen. Biologisk aktivitet i lakvattnet Försöket med mätng av syreförbrukande ämnen visade att syreförbrukngen var långsam i obehandlat vatten medan den var betydligt snabbare i vatten som luftats i 23 dagar. Detta kan troligen förklaras av en ökad biologisk aktivitet på grund av att olika organismer har fått tid att växa till. De ökade koncentrationerna av nitrat-kväve och nitrit-kväve vid det sista mättillfället tyder på att nitrifikationen börjat ta fart. Nitrifikationen medför en mskande ammoniumkoncentration och kan därmed hjälpa till att mska mängden ammoniak som avdrivs. En möjlighet fns att en del av den bildade nitraten denitrifieras i bottenslammet på dammen om temperaturen te är alltför låg (>=5-6 C) och uppehållstiden är mst några dygn. Detta medför att ammoniakavdrivngen kan överskattas eftersom nitrat och nitrit reduceras till kvävgas vid denitrifikation. För att denitrifikation skall kunna ske krävs att det i botten på dammen fns tillgång till nedbrytbart organiskt material. Provtagngar i dammen Resultaten från de första provtagngarna i dammen visar att en kraftigare nitrifikation sker under de förhållanden som råder där än under de förhållanden som rådde i flaskan. Detta kan eventuellt förklaras av att det fns sediment i dammen och därmed en högre koncentration av nitrifierande bakterier. Nitrifikationen i dammen verkar dock ha avstannat i dammen vid den andra provtagngsomgången vilket med stor sannolikhet kan förklaras av att luftaren varit trasig under veckorna 21 och 22 (20 maj till 2 juni 2002). De resultat som erhållits tyder på att temperaturen har en relativt liten betydelse för ammoniakavgången då ga avgörande skillnader fns mellan provomgångarna. 9
COD- och BOD-analyserna på lakvatten till och från dammen under de båda provtagngsomgångarna visar att reduktionen av koncentrationerna av organiska ämnen i dammen är låg. Detta överensstämmer med den låga BOD/COD kvoten (0,02-0,03) som visar att lakvattnet nehåller en stor andel svårnedbrytbara organiska ämnen. NÅGRA RÅD TILL DEN SOM FUNDERAR PÅ ATT UNDERSÖKA OMFATTNINGEN AV AV- DRIVNINGEN AV AMMONIAK FRÅN EN LUFTAD LAKVATTENDAMM För att en uppskattng av avdrivngen av ammoniak från en luftad damm skall kunna erhållas behövs en kvävebalans. De olika kvävefraktionerna analyseras i lakvattnet vid loppet till och loppet från dammen. Totalkvävekoncentrationerna jämförs varvid den maximala avdrivngen kan uppskattas. Ammonium-, nitrit- och nitrat-kväve fraktionerna är av tresse för en bedömng av den biologiska aktiviteten i dammen i form av nitrifierande och denitrifierande bakterier. Ammonium kan frigöras genom mikrobiell nedbrytng av organiska kvävenehållande förengar. Hur stort detta tillskott av ammonium maximalt kan vara bestäms genom en jämförelse mellan totalkvävekoncentrationen och summan av ammonium-, nitrat- och nitritkvävekoncentrationerna i gående lakvatten. Om total-kvävekoncentrationen är högre än summan av de oorganiska kvävefraktionerna så fns det en kvävefraktion som sitter bunden i organiska ämnen. En god dikation på risken för ammoniakavdrivng kan erhållas genom en jämförelse av total-kvävekoncentrationerna i lakvattnet i loppet till dammen och i lakvattnet i loppet från dammen. Är total-kvävekoncentrationen i lakvattnet i dammen lägre än i lakvattnet i loppet till dammen vid flera provtagngar är det av vikt att starta en djupare redng av risken för ammoniakavdrivng. Mängden kväve som avges per år kan teoretiskt uppskattas genom att medelvärdet av skillnaderna i total-kväve koncentrationerna i lakvattnet i loppet till dammen och i lakvattnet i dammen multipliceras med det årliga lakvattenflödet. Detta kräver att uppehållstiden i dammen är maximalt ett år och att skillnaderna i total-kvävekoncentrationerna mellan lakvattnet i loppet till dammen och lakvattnet i dammen te varierar för mycket mellan de olika provtagngarna. Vid Tagene ger en sådan beräkng en kväveförlust på cirka 2,7 ton/år. Beräkngen bygger på lakvattenflödet 5 l/s och en skillnad i lakvattnets total-kväve koncentration mellan loppet till dammen och i dammen på 17 mg/l. Detta är medelvärdet mellan de olika provtagngarna. Denna beräkng kan förom ammoniakavdrivng teoretiskt kludera kväveupptag i slam som sedimenterat, avdrivng av kvävgas som bildats genom denitrifika- 10
tion samt en viss frigörelse av ammonium genom mikrobiell nedbrytng i bottenslammet, figur 3. Bottenslammet från dammen vid Tagene nehöll 930 mg total-kväve per kg prov. N-Tot NH3? N-Tot NO3 - N 2 denitrifikation NH4 + Kväveackumulerg i slammet Figur 3. En illustration över kvävebalansen i en damm. SLUTSATSER Då både laboratorieförsöket och provtagngarna i dammen visar att ammoniak strippas till luften i relativt begränsad omfattng vore det av stort tresse att försöka reda vad som bder ammoniaken i vattnet. Det vore också tressant att veckla ett system för kontuerlig mätng av ammoniak i gasfasen. Dessom är luftngstervallets betydelse för ammoniakavdrivngen en annan parameter som borde redas. Analyser från fler dammar skulle vara av tresse för att reda hur dammens design påverkar resultatet. REFERENSER Naturvårdsverket (SNV) Lokal lakvattenbehandlg, Erfarenheter från 42 svenska deponier, Rapport 4228, 1993. RVF Lokal lakvattenbehandlg en vägledng för val av behandlgsmetod för lakvatten från kommunala avfallsuplag, Svenska Renhållngsverksförengen. Rapport 1996:4, 1996. 11
Rapporter från RVF 2003 2003:01 Reng av lakvatten i markbaserade växtsystem. Vägledng vid dimensionerg 2003:02 Karakteriserg av lakvatten med Nitocra Spipes 2003:03 Karakteriserg av dioxnehåll i avfall - en litteratursammanställng (RVF-Rapport) 2003:04 Svensk avfallshanterg. Statistik 2001 (RVF-Rapport) 2003:05 Behandlg av lakvatten med hjälp av sulfatreducerande bakterier 2003:06 Avdrivng av ammoniak vid luftng av lakvatten i luftade dammar RVF - Svenska Renhållngsverksförengen och RVF Service AB. Prostgatan 2, 211 25 Malmö. Tel 040-35 66 00. Fax 040-35 66 26. Hemsida www.rvf.se E-post office@rvf.se