Slutrapport - Reaktiv filterbäddsteknik - innovativ rening och återvinning av Ett samarbetsprojekt mellan Bioptech AB, KTH och VINNOVA Claes Thilander, Bioptech AB Gunno Renman, Mark- & vattenteknik, KTH 2008-01-29
Sammanfattning Under projektets gång har Bioptech tillsammans med systerbolaget Hallstaviks Mekaniska Maskinmontage AB(HMM) tillverkat och placerat ut Biop (Kretsloppsbrunn) i Vallentuna, Norrtälje, Ekerö, Borgholm, Östhammar, Trosa, och Vetlanda. På alla ställen förutom Vetlanda och Trosa är kretsloppsbrunnen installerade för 1 fastighet. I Vetlanda finns en större anläggning som klarar ett flöde motsvarande 6 fastigheter. Kretsloppsbrunnen Biop fungerar idag endast där BDT och WC ansluts till samma slamavskiljare, alltså inte enbart för BDT. De ursprungliga kretsloppsbrunnar som satts ner har i efterhand modifierats för att optimera processen. Dock har resultaten varit väldigt övertygande och det som främst undersökts är fosforreduktionen eftersom fosfor är den främsta orsaken till övergödning och detta ämne är viktigt i kretsloppet. I snitt har vi uppnått en fosforreduktion på 94 % (Vetlanda ej inräknat) viket motsvarar hög skyddsnivå enligt de nya allmänna råden i miljöbalken. Bakom dessa siffror finns en anläggning som i början var något felkonstruerad och gav en avskiljning på endast 73,5 %. Denna är nu åtgärdad och den senaste analysen från anläggningen visade på 99 % rening av fosfor. Provtagningsintervallen var olika för kretsloppsbrunnarna, vissa provtogs en gång i månaden medan andra varje vecka.. I Vetlanda finns kontinuerlig mätning av systemet. Ansvarig för projektet har varit Claes Thilander på Bioptech AB och ansvarig på KTH var Docent Gunno Renman. En referensgrupp har följt projektet och dessa har varit Hans Finndin (Norrtälje Kommun), Ola Palm (JTI) och Johan Lundgren (Karby Steninge VVS). Anläggningarna har gått under projekttiden och de provtagningar som gjorts är BOD 7, P tot (totalfosfor), N tot (totalkväve) samt bakterier. I snitt har anläggningarna reducerat 57 % BOD 7, 30 % Kväve samt 90 % fosfor (Inklusive Vetlanda). Fosfor är det enda resultatet som egentligen klarar hög skyddsnivå enligt naturvårdsverkets allmänna råd. Men en anläggning kunde modifieras och där installerades fler moduler (70 % ytterligare) för den biologiska reningen och då erhölls en högre avskiljning (sista provet ca 80 %). I den produkt, kretsloppsbrunnen Biop, som nu kommer att lanseras finns 167 % mer tillgänglig yta för BOD 7 än i de brunnar som ursprungligen fanns i detta projekt. Den mikrobiologiska undersökningen har omfattat e-coli, koliforma bakterier samt enterokocker och här har vi en reduktion på mellan 99 och 100 % för de förstnämnda två grupperna och 90 % för enterokocker. På KTH har inom ramen för ett doktorandprojekt fosforbemängd Polonite från ett enskilt avlopp använts för att utföra studier av odlingsväxters upptag av fosfor samt effekter på marken. De första resultaten tyder på att fosforn är växttillgänglig och att marken och grödan reagerar positivt på tillförseln av det kalkrika materialet. 2
Innehållsförteckning Sammanfattning... 2 Bakgrund... 4 Polonite... 5 Bio-Blok... 5 Kretsloppsbrunnen Biop... 5 Ursprunglig Biop... 6 Mobil Biop... 6 Anläggningarna... 7 Norrtälje... 7 Vallentuna... 7 Östhammar... 8 Ekerö... 8 Borgholm... 9 Trosa... 9 Fosforrening Vetlanda...10 Provtagning och analyser...10 Analysresultat...11 Fosfor (P tot )...11 BOD 7...12 Kväve (N tot )...12 Bakterier...13 Diskussion funktion Biop...13 Utförande Biop efter utvärdering...14 Kretslopp av fosfor fältstudier...14 Fortsatt arbete...15 3
Bakgrund Bioptech har via sitt systerbolag, Hallstaviks Mek. Maskinmontage AB(HMM), erhållit ett bidrag från Vinnova och tillsammans med Mark- och vattenteknik på KTH utfördes ett projekt under 15 månader. Titeln på projektet var Reaktiv filterbäddsteknik - innovativ rening och återvinning av och har sin grund i den forskning som pågått under drygt 10 års tid vid nämnda institution under ledning av Docent Gunno Renman. På HMM och Bioptech har en produkt, kretsloppsbrunnen Biop, tagits fram under de senaste åren där det reaktiva filtermaterialet Polonite ingår och arbetet har skett under ledning av Hans-Olof Thilander. Orsaken till utveckling av kretsloppsbrunnen Biop är att hitta betydligt effektivare metod att rena vatten än traditionella infiltrationer där stora mängder sand och grus har väldigt varierande grad av rening. Polonite som använts är ett material som är betydligt bättre för infångandet av fosfor än sand och grus och fosfor som binds till Polonite kan användas för gödning i jordbruket. Förutom rening i detta filtermaterial avskiljs syretärande ämnen (BOD 7 ) i kretsloppsbrunnen Biop. Grunden för detta projekt var dels att optimera processen i kretsloppsbrunnen utifrån reningsprestanda men även att studera anläggningen ur ett brukarperspektiv. Kretsloppet av fosfor från Polonite har också undersökts av KTH men här kvarstår mer arbete efter detta projekts avslutande även om hittills framkomna resultat redan är mycket lovande. 4
Polonite Detta material heter i sin naturliga form Opoka och återfinns på många ställen i östra Europa och Asien, dock av varierande kvalitet. Opoka upphettas för att få fosforreducerande förmåga vid bland annat avloppsvattenrening och efter denna behandling får den namnet Polonite. Vid upphettningen ökar även materialets ph till ca 12 och detta ph får även vattnet initialt som filtreras genom Polonite. Materialet har även förmåga att uppta vissa tungmetaller, har starkt bakteriereducerande förmåga och framförallt är den lämpad för gödning av jordbruksmark. Opoka är ett kalciumsilikat och fyndigheten där Bioptechs material kommer ifrån är beläget i södra Polen. Bioptech AB är ägare av varunamnet Polonite. Bio-Blok Det material som valts för BOD 7 är rörformade nät i materialet polyetylen som är sammansvetsade för att passa Bioptechs behållare. Dessa har bevisad avskiljande effekt på främst BOD 7 men även kväve. Orsaken till val av denna produkt är att ingen pump behövs för att hålla bärarmaterialet svävande i vattnet för att erhålla avskiljningen. De tillgängliga ytor som materialet har vid torrt tillstånd (Dessa siffror anges i denna rapport) samt vid användning framgår av nedanstående tabell. Biologisk hinna (biohud), tjocklek Torrt tillstånd 1 mm 2 mm 3 mm 4 mm 100 m 2 /m 3 165 m 2 /m 3 233 m 2 /m 3 299 m 2 /m 3 366 m 2 /m 3 Kretsloppsbrunnen Biop Tabell 1: yta Bio-Blok Denna är utvecklad av HMM och Bioptech AB vid fabriken i Hallstavik. Vid utvecklingsarbetet har fokus legat på att minimera antalet rörliga delar och processer som kräver tillförsel av el, allt för att användningen skall bli så bekymmersfri som möjligt och användaren. Kretsloppsbrunnen Biop kan användas helt utan el om tillräckligt lutning finns på fastigheten. Ett antal sådana installationer finns redan. De flesta behöver dock en nivåstyrd pump som pumpar ut vattnet till recipienten. Före det att avloppsvatten behandlas i en Biop måste slamavskiljning ske i lämplig slamavskiljare. I kretsloppsbrunnen rinner vattnet från slamavskiljaren (Blandat WC och BDT) först in i den anaeroba BOD-reningen där bland annat BOD 7 reduceras, därefter rinner vattnet in i filtersteget där främst fosfor avskiljs av reaktiv Polonite. Här nedan visas hur den ursprungliga kretsloppsbrunnen var konfigurerad och därefter hur den ser ut som kommersiell produkt. 5
Ursprunglig Biop Vid projektets början var kretsloppsbrunnen konfigurerad med BOD-behållare på sammanlagt 550 L och dessa innehöll Bio- Blok moduler med en sammanlagt ursprunglig yta på ca 28 m 2. Polonitevolymen var 350 kg (500 L). Dessutom fanns olika typer av pumpar för utpumpning på anläggningarna i detta projekt. På utloppsröret från BODbehållarna fästes en påse för att flyktslam inte skulle kontaminera Poloniten. Denna Biop fanns på fyra av de anläggningar som ingick i projektet. Bild 2: Ursprunglig konfiguration Mobil Biop Denna Biop var under utvärderingen placerad på en fastighet i Borgholms kommun och den hade följande konfiguration ursprungligen: BOD-behållare: 700 L med Bio-Blok moduler med en sammanlagt yta på 40 m 2. Polonite: 350 kg (500 L). Bild 3: Mobil Biop 6
Anläggningarna I detta projekt installerades kretsloppsbrunnen i totalt sju kommuner samt en fosforrening i ytterligare en kommun. En kretsloppsbrunn kom dock aldrig igång innan projektets provtagning avslutades (anläggningen i Trosa). Norrtälje Denna anläggning ligger strandnära med begränsad infiltrationsmöjlighet eftersom en vattenbrunn ligger i nära anslutning till slamavskiljaren. Ingen el inkopplad då tillräckligt fall finns på fastigheten. Typ av fastighet: Fritidsboende Antal Personer: 2-10 (under året) Slamavskiljare: 3 kamrar. Betong ca 10 år gammal. 3 m 3 Efterpolering ingen, direktutsläpp i vattnet. Installation Januari 2007 Bild 4: Biop Norrtälje Vallentuna Detta är den första Biop som installerades och den är något mindre i diameter än de övriga samt tillverkad i rostfritt material. Typ av fastighet: Året runt boende Antal personer: 3 Slamavskiljare: Plast 2 m 3 Efterpolering: Ingen, direktutsläpp i dike Installation: 2005 Bild 5: Biop Vallentuna 7
Östhammar En fastighet som ligger ca 200 meter från vattnet. Pump installerad för utpumpning av vatten. Typ av fastighet: Fritidsboende Antal personer: 2-10 Slamavskiljare: 2 stycken seriekopplade Efterpolering: Befintlig infiltration Installation: Vår 2007 Bild 6: Biop Östhammar Ekerö Denna fastighet ligger nära vatten och är granne med sötvattenlaboratoriet på Drottningholm. Vattnet pumpas både in och ut ur anläggningen. Typ av fastighet: Året runt boende Antal personer: 5 Slamavskiljare: 2 stycken seriekopplade Efterpolering: Befintlig infiltration Installation: Vår 2007 Bild 7: Biop Ekerö 8
Borgholm På öns norra del installerades en mobil Biop för denna utvärdering. Fastigheten ligger ungefär mitt på ön. Vattnet pumpades in till Biop från utgående vatten på slamavskiljare. Renat vatten pumpades ut till befintlig infiltration. Typ av fastighet: Året runt boende Antal personer: 2 Slamavskiljare: Tre kamrar, betong Efterpolering: Befintlig infiltration Installation: Vinter 2007 Bild 8: Biop Borgholm Trosa Denna anläggning har ej provtagits. Polonite 500 kg (715L) finns i en brunn medan Bio- Blok med total tillgänglig yta på ca 176 m återfinns i den första. 3 stycken året runt boende Antal personer: 15 Slamavskiljare: Tre kamrar, betong 6 m 3 Efterpolering: Ingen, utsläpp i Dike Installation: Vinter 2007 Bild 9: Biop Vallentuna 9
Fosforrening Vetlanda Vid reningsverk i Vetlanda kommun testades Polonite som fosforrening. Detta reningsverk tar emot vatten från ca 70 personer och Bioptech placerade först en behållare med ca 2500 L Polonite sist i reningsverkets process. Efter en första utvärdering sattes en till lika stor behållare in så att den totala volymen blev ca 5000 L. Reningsverkets ordinarie rening stängdes av under försöket. Bild 10: Fosforrening Vetlanda Provtagning och analyser Provtagning har gjorts av olika deltagare i detta projekt och under olika tider på dygnet (morgon, lunch, kväll). Prover togs på inkommande vatten till kretsloppsbrunnen och på utgående efter filterbehållaren. Dessa prover och de resultat som presenteras i denna rapport är således bara en del av den totala reningen som sker i dessa enskilda avlopp (slamavskiljare, Biop, eventuell efterpolering). Proverna har analyserats av följande laboratorier: Bild 11: Prover BOD 7 N tot P tot Bakterier ALS Scandinavia AB i Täby, Eurofins Sverige AB i Kalmar ALS Scandinavia AB i Täby, Eurofins Sverige AB i Kalmar ALS Scandinavia AB i Täby, Eurofins Sverige AB i Kalmar, KTH Mark och Vattenteknik. Smittskyddsinstitutet Solna På anläggningen i Vetlanda har kommunen själva svarat för provtagning och analyser. 10
Analysresultat Provtagning har främst skett på totalfosfor och totalt provtogs kretsloppsbrunnarna 58 gånger exklusive prover på Vetlandaanläggningen där 14 prover är medtagna i denna rapport. Provtagningen gjordes under perioden januari 2007-december 2007. Fosfor (P tot ) Ingående koncentration varierade mellan 4 mg/l och 21 mg/l och medelvärdet var ca 12,4 mg/l. Utgående totalfosforkoncentration varierade mellan 0 mg/l och 1,55 mg/l (2,6) och medelvärdet var 0,73 mg/l. Den genomsnittliga reduktionen var således 94 %. Detta värde inkluderar även en anläggning som initialt hade problem i början med fosforsteget. Fosforreduktion Biop 25 20 15 mg/l P in P ut 10 5 0 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39 41 43 45 47 49 51 53 55 57 Prov nr Diagram 1: Fosforreduktion Biop I ovanstående siffror ingår inte Vetlandas fosforrening. Vid denna anläggning låg ingående halter mellan 2,1 mg/l och 5,2 mg/l. Medelvärdet var 3,1 mg/l. Utgående fosforkoncentration varierade mellan 0,2 mg/l och 2,1 mg/l och medelvärdet var 0,82 mg/l. Genomsnittlig fosforreduktion låg på 76 %. Totalt togs 14 prover vid Vetlanda. Orsaker till sämre reduktion vid anläggningen i Vetlanda är dels en underdimensionering till en början samt att mycket slam kommer in till Poloniten vilket är negativt för fosforreduktionen. 11
BOD 7 BOD 7 hade en ingående variation på mellan 55 mg/l och 320 mg/l och medelvärdet var 195 mg/l. Utgående variation på 14 mg/l till 182 mg/l och ett medelvärde på 84 mg/l. En reduktion på 57 % erhölls i snitt. En anläggning vid Borgholm kunde modifieras så att fler BOD 7 -behållare installerades. Totalt erhölls därvid ytterligare ca 28 m 2 yta för BOD 7 och då blev de 4 sista proverna betydligt bättre med utgående halter på 33 mg/l till 57 mg/l vilket innebar en snittreduktion på mellan 70 % och 80 % för dessa prover. BOD-reduktion mg/l 350 300 250 200 150 100 50 0 1 3 5 7 9 11 13 15 17 prov nr Ingående BOD7 Utgående BOD7 Diagram 2: BOD 7 -reduktion Biop Kväve (N tot ) N tot undersöktes vid några tillfällen och variationen på ingående halt var mellan 55 mg/l och 202 mg/l. Snittreduktionen var 34,5%. Det som framkom vid ökningen av den tillgängliga ytan för BOD 7 vid anläggningen på Borgholm var att även kvävereningen ökade och på de sista proverna erhölls en reduktion på 57 % (2 sista proverna i diagrammet). Kvävereduktion Biop 250 200 mg/l 150 100 Ingående Tot-N Utgående Tot-N 50 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Prov nr Diagram 3: Kvävereduktion Biop 12
Bakterier Prover togs på 3 anläggningar (Östhammar, Ekerö och Vallentuna) och de bakterier som undersöktes var E-Coli, Koliforma samt Enterokocker. Bakteriereduktion Koliforma E-Coli Enterokocker Ekerö 100,00% 99,23% Östhammar 99,42% 99,99% 78,00% Vallentuna 100,00% 99,98% 99,83% Medelvärde 99,81% 99,73% 88,92% Tabell 2: Bakteriereduktion Biop Diskussion funktion Biop Funktionen hos de installerade kretsloppsbrunnarna har varit bra beträffande avskiljningen av P tot och med avseende på den robusta tekniken. Detta beror väldigt mycket på att ingen elektronik finns installerad eller kemikalier som behöver doseras. Vattnet har runnit med gravitationens hjälp och genom konstruktionen med hävert har filterbädden fungerat under mättade förhållanden vilket motverkat risken för kanalbildningar. De ändringar som gjordes under försöket är på den mobila anläggningen på Öland, där den tillgängliga ytan för BOD 7 ökades till totalt 68 m 2. Vid denna ändring blev resultatet att BOD 7 avskiljningen bättre och kvävereningen ökade också. 13
Utförande Biop efter utvärdering Den Biop som nu börjar lanseras på marknaden innehåller 500 kg Polonite och har en tillgänglig yta för BOD 7 som totalt är 167 % större än den som användes i början av projektet (nu totalt 72 m 2 ). Installationer av denna typ finns nu utförda i Borgholm och Värmdö kommuner. De övriga krav och önskemål som finns i Naturvårdsverkets allmänna råd klarar denna produkt sedan tidigare: Robust teknik(ingen el eller kemikalier för processens funktion), minimalt underhåll, provtagningsmöjligheter och kretslopp av näringsämnen. Modellen finns nu tillgänglig i två utföranden, en för en fastighet (Typ 1-1 & 2-1) och en variant för två fastigheter (typ 1-2 & 2-2). Antalet behållare där BOD 7 reduceras utgör skillnaden mellan dessa typer. Dessutom har typ 1-2 samt 2-2 en pump installerad för utpumpning av vattnet från kretsloppsbrunnen. Bild 12: Kretsloppsbrunnen Biop Bild 13: Biop 1-1 Bild 14: Biop 1-2 Bioptech AB säljer sin produkt via återförsäljare och med denna försäljning erbjuds slutkunderna ett serviceavtal där bland annat byte av Poloniten ingår. Beräknad livslängd på detta material är 2 år för en typ 1-1 och 2-1 medan materialet räcker 1 år för typ 1-2 och 2-2. Kretslopp av fosfor fältstudier Filterteknikens bärande idé är att filtermaterialet är utbytbart och kan återföras till jordbruket som gödnings- och jordförbättringsmedel. Efter det att försök utförts i växthus i avsikt att studera hur odlingsväxter reagerar på Polonite och andra mineralbaserade filtermaterial, har testerna nu förlagts till fält utomhus. I krukförsök inomhus påvisades att nära hälften av den bundna fosforn var direkt tillgänglig för växters upptag. I fältförsöken som pågår sedan april 2007 har en odling med rajgräs gödslats. Om kväve och kalium tillförts samtidigt med Polonite har skördeutbytet tenderat att bli bättre än vid jämförande gödsling med konventionell mineralgödsel (NPK). Detta anses bero på den kalkningseffekt som Polonite samtidigt ger upphov till i jorden. 14
Fortsatt arbete Kretsloppsbrunnen Biop lanseras just nu (Jan 2008) på marknaden. Den Polonite som så småningom byts ut kommer att användas enligt de instruktioner som framkommer i det arbete som utförs av KTH. Detta sker givetvis i samråd med respektive kommuner. Denna rapport kan även fås via: www.bioptech.se Tel:0175-230 23 info@bioptech.se 15