Nya processlösningar för resurseffektiv kväveavskiljning Elzbieta Plaza VA-teknik, Institutionen för hållbar utveckling, miljövetenskap och teknik (SEED) - KTH SE-100 44 Stockholm, Sweden e-mail: elap@kth.se Avlopp & Miljö Örebro 20-21 Januari 2015
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
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
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?
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
Från laboratorieskala (2 x 8 liter) sedan 1999 vid KTH Himmerfjärdsverkets pilotanläggning (2 x 2,1 m 3 ) åren 2001 2007 till fullskala 2007 Första fullskaleanläggningen i Sverige med deammonifikation
FoU av anammoxtekniken Hammarby Sjöstadsverk Effektivare rejektvattenbehandling Vid höga temp. (25-30 C) och koncentrationer (800-1200 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) 1200 1100 1000 900 800 700 600 500 400 300 200 100 0 Modelleringsstudier av anammoxprocessen Inverkan på global uppvärmning: växthusgasemmissioner Underlag för fullskalegenomförande vid kommunala reningsverk NO3-N NH4-N NH4-N influent NO2-N 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 Days 100 80 60 40 20 0 NO 2 -N (mg/l)
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
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
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).
Enstegs nitritation/anammox AOB Anammox Bacteria Other Bacteria 11
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.
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 40 30 15-40 - 30-15 Luftning, N b avskiljning 22 22 16-22 - 22-16 Energi för pumpning /omrörning Metan-COD och elektricitet från biogas - 20-20 - 15 a 30 40 55 + 38 + 51 + 70 Netto Energi - 44-21 + 24 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)
250 N 2 O emissioner - SYVAB Deammonifikation i fullskala 1,6% N (kgn/d) 200 150 100 50 0 0 3 6 9 12 15 18 21 24 27 30 1,4% 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. 80-90% av utsläppen av dikväveoxid i gasform, och resten i vätskan. Fullskala MBBR reaktor: Volym: 700m 3 Kaldnesbärare: 32% Rejektvattenbehandling SYVAB (Himmerfjärdsverket), Stockholm
N 2 O emissioner - SYVAB Deammonifikation i fullskala
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. 2014. Deammonification Synthesis report 2014. Nr B2210, Oct 2014, Swedish Environmental Research Institute (IVL).