Analysis of municipal wastewater sand filtration with denitrification, phosphorus removal, and suspended solids separation

QC 20241128

Abstract

Utsläpp av höga koncentrationer av näringsämnen till hav och sjöar leder till övergödning och därmed ökad tillväxt av alger i vattnet. Vattendragen tar emot näringsutsläpp från flera källor t.ex. jordbruksverksamhet och avloppsreningsverk. Trots ansträngningar för att minska utsläppen från reningsverk till Östersjön kommer 16 % av fosfor och 33 % av kväve av de totala antropogena utsläppen från kommunala reningsverk.

Henriksdals reningsverk i Stockholm beslutade redan för 25 år sedan att förbättra kvävereningen. För att åstadkomma både nitrifikation och denitrifikation i verket, var den hydrauliska uppehållstiden i biosteget nödvändig att förlängas. Luftningsbassängernas volym ökades från 65 000 m3 till 204 000 m3 genom att fördjupa dem från 4,9 m till 12,0 m. Ytterligare tre luftningsbassänger byggdes också till ett totalt antal av 14 st. För att ytterligare öka kvävereduktionskapaciteten, ökades susphalten (SS) i luftningsbassängerna från 1250 mg SS/L till 2500 mg SS/L. Detta skulle komma att överbelasta eftersedimenteringsbassängerna och därför byggdes de tre nya eftersedimenteringsbassängerna. Vid högflöden till verket kommer trots detta slamflykt att ske i eftersedimenteringsbassängerna. Därför byggdes 60 st. djupa tvåmedia nedströmsfilter med längden 10 m och bredden 6 m som ett slutsteg i verket. Detta gav 60 m2 filteryta per filter och en total filteryta på 3600 m2. Varje filter består av 0,5 m undre sandlager och ett 1,0 m övre bestående av filtermaterialet Leca®. Reningsverkets utsläppskrav är ≤10 mg N-tot/L som årsmedelvärde, ≤3 mg NH4-N/L som medelvärde under tiden juli – oktober, och ≤0.3 mg P-tot/L och ≤8 mg BOD7/L som kvartalsmedelvärden. Verket har idag ett medelflöde på 328 500 m3/d och 884 000 personer anslutna.

En pilotstudie genomfördes innan filtren byggdes och en fullskalestudie utfördes efter några års drift av de nybyggda filtren. Målet var att undersöka samtidig kväve-, fosfor- och SS-reduktion i filtren. Resultaten från fullskalestudien, som genomfördes med ett konstant flöde på 3,3 m/h, visade att det var möjligt att erhålla filtrathalter med järndosering oftast på ca 0,01 – 0,17 mg PO4-P/L, 0,09 – 0,70 mg P-tot/L, 0,5 – 6,1 mg NOx-N/L med kolkälladosering, och 2 – 7 mg SS/L. Med en hög kolkällados kan halten minska till 0,2 mg NO3-N/L i filtratet, men då finns det en risk att få oförbrukad kolkälla i filtratet och därmed höga halter av BOD7.

Det är mycket viktigt att erhålla filtercykler med långa gångtider för att filtren inte ska läggas i backspolningskön. Åtminstone två backspolningssekvenser under en backspolning behövs för att spola bort den SS som fastnar i filtret under drift. Kvarvarande SS efter backspolning kommer annars att minska gångtiden hos efterkommande filtercykel. Om det är slamflykt i eftersedimenteringsbassängerna, behövs minst tre backspolningssekvenser för att rengöra filtren. Gångtiden blev 16 – 27 timmar med Fe- och kolkälladosering, men utan kolkälladosering blev gångtiden 36 – 72 timmar i fullskalefiltret vid 3,3 m/h. Utan både Fe- och kolkälladosering kan gångtiden överskrida 200 timmar beroende på SS-halten i inkommande flöde till filtren. Den hydrauliska belastningen på filtren påverkade gångtiden mindre än Feoch kolkälladoseringen. Under fullskalestudien doserades filtren i medeltal med 2 g Fe/m3.

Denitrifikationshastigheten beräknades till 13,1 g NOx-N/(m3·h) och 19,6 g NOx-N/(m2·h) i fullskalestudien. I pilotstudien beräknades denitrifikationshastigheten till 21,3 g NOx-N/(m3·h) och 30,5 g NOx-N/(m2·h). Det är troligen lättare att övervaka och finjustera pilotfilter och Lena Jonsson TRITA-ABE-DLT-2439 iv därmed erhålla bättre resultat. Dessa värden erhölls i ”steady state” dvs. mot slutet av filtercykeln. Under de första 1 – 2 timmmarna i filtercykeln har inte denitrifikationsprocessen startat fullt ut och denitrifikationshastigheten blev 6,4 g NOx-N/(m3·h) och 9,7 g NOx-N/(m2·h) i fullskalestudien dvs. ca hälften av hastigheten i ”steady state”.

Filtercykelns gångtid är totalt beroende av det dynamiska tryckfallet som utvecklas i filtren under drift. Filtren sätter huvudsakligen igen av SS från biosteget, SS i försedimenterat vatten från förbigång av biosteget under inkommande högflöden, och kvävgas- och koldioxidbubblor som produceras i filtren vid denitrifikation. SS produceras också vid denitrifikation i filtren, men denna SS hittades inte i fullskalefiltret vid utgrävning av bädden efter studien. Dessa gasbubblor satte igen filtret abrupt, medan SS sakta satte igen filtret proportionellt mot inkommande SS-belastning. Kemisk SS huvudsakligen bestående av järnfosfat som fällts ut i filtren när Fe doserats kan eventuellt också sätta igen filtren, men detta undersöktes inte i studien.

Ett ”bestående” initialt tryckfall, som sakta ökar under flera års drifttid mättes i filtren. Detta tryckfall består huvudsakligen av oorganiska utfällningar i filterdysornas slitsar och på ytan av filterbäddens Leca-korn. För att minska detta tryckfall byttes dysorna ut till nya rena dysor eller skrubbades rena med en borste. Detta tryckfall kan också uppstå när filterbäddkorn ansamlas i utloppskanalen under filterbotten, vilket satte igen dysorna underifrån. Detta stoppade delvis vattnet vid backspolning och fluidisering av filterbädden. Högen med sand- och Leca-korn togs bort om det vid inspektion bedömdes att den översteg 0,1 m3. Oftare backspolning eller fler backspolningssekvenser motverkade också detta initiala tryckfall.

urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:kth:diva-356921