Förbehandling av kommunalt avloppsvatten före anaerob behandling

96 Pages·2005·5.13 MB·Swedish

Projektpublikation nr 7 R nr 2, februari 2004
____

1

p
Förbehandling av kommunalt
p
a
avlopp före anaerob behandling
t
e

,
d

a
t
s
ö Jessica Bengtsson, MP/Lunds Tekniska Högskola
j ____
S

y
b
r
a
m
m
a

H

r
ö
f

k
r
e
v
s
g
n
i
n

e
r

t
l
a
k
o
L
Avdelningen för Vattenförsörjnings- och Avloppsteknik

Förbehandling av kommunalt avloppsvatten före
anaerob behandling

Delprojekt inom Hammarby Sjöstad - anaeroba processer,
i uppdrag av Stockholm Vatten AB

Examensarbete av
Jessica Bengtsson, Ekosystemteknik
Lund, juni 2003

Avdelningen för Vattenförsörjnings- Department of Water and Environmental Engineering
Och Avloppsteknik Lund University of Tchnology
Lunds Tekniska Högskola University of Lund, Sweden
Lunds Universitet

Förbehandling av kommunalt avloppsvatten före
anaerob behandling
Delprojekt inom Hammarby Sjöstad - anaeroba processer,
på uppdrag av Stockholm Vatten AB.

Pretreatment of domestic wastewater ahead of
anaerobic treatment

Laboratory study for Hammarby Sjöstad – anaerobic processes,
Stockholm Vatten AB

Master’s Thesis no 2003-03

Bengtsson Jessica, Ekosystemteknik, LTH, Lund

Handledare/ Supervisor: Lars-Erik Olsson, Anox AB
Daniel Hellström, Stockholm Vatten AB
Michael Ljunggren, doktorand, VA-teknik, LTH
Examinator: Professor Erik Särner
Abstract
Laboratory study for evaluation and recommendations of chemical precipitation and
flocculation agents for particle separation. Intended to find out successful pretreatment
processes ahead of anaerobic treatment for the wastewater of Hammarby Sjöstad,
prioritizing environmental costs.

Keywords: flocculants, coagulants, organic polymers, natural flocculants, metal salt,
sedimentation, domestic wastewater, UASB, fluidized bed (FB), environmental costs

Sökord: fällningskemikalier, flockningsmedel, polymerer, naturliga fllockningsmedel,
sedimentering, kommunalt avloppsvatten, UASB, fluidiserad bädd (FB), miljökostnader

Postal address: Visiting adress: Telephone: Telefax
Box 118 John Erikssons väg 1 [phone] [phone]
SE 221 00 Lund Web adress:
Sweden www.vateknik.lth.se

Summary
Summary

Hammarby Sjöstad is a new constructed area in Stockholm with focus on ecological solutions.
The households will have lower water consumption, i.e. 100 l/d/p. For that reason the water will
have a higher concentration of organics and nutrients, and therefore it might be interesting to treat
the water separately. To investigate which treatment process that is suitable for the water in
Hammarby Sjöstad, a pilot-plant has been built where Stockholm Vatten AB will evaluate
different treatment processes. The experiments will continue until 2005, when it will come to a
decision about a full-scale treatment plant. During the experimental work both aerobic and
anaerobic processes will be tested. Two different anaerobic processes are tested, i.e. UASB (Up
flow Anaerobic Sludge Blanket) and FB (Fluidized Bed). Both sedimentation and flotation are
considered as separation processes.

The report is limited to search for and evaluate different precipitation and flocculent aids for
particle separation ahead of anaerobic treatment for the wastewater of Hammarby Sjöstad.

Traditionally precipitation in wastewater treatment processes is focused on phosphate reduction,
for anaerobic processes the reason is another. To maintain a high efficiency of the anaerobic
processes it is important to have a high removal rate of suspended solids. A low retention time in
the reactors and a low temperature, give rise to a low hydrolysis rate and acidification, which
make it impossible to degrade large particles. Therefore they will accumulate in the chamber and
decrease the efficiency of the processes. Suitable precipitation and flocculent aids will obtain a
high removal rate of suspended solids, a low COD-removal, and have a low effect on influent pH
according to dose.

Most applied precipitation and flocculent aids are metal salts of aluminum and ferric and
synthetic polymers. To develop more sustainable systems it is important to find other alternative
products. Former research on tannins, chitosan, starch, surface active proteins and bioflocculants
indicate that natural flocculants have potential to remove both suspended solids and phosphate. A
low inquiry and high cost restrict the development of such products.

Companies which offer flocculation products have been contacted to test their products. Some of
the products tested are suggested by traders and others were explored assuming they were having
lower environmental cost, i.e. an evaluation of their environmental effect. Since there are no
calculations done in the report, the environmental costs are only assumptions based on earlier
references.

A limited offer of natural flocculants are tested, i.e. tannins (Betafloc KGK 20-03, SNF France)
and starch (Purfix 120, Archemi AB, Sweden). Other products are polymerized metal salts of
aluminum (PAX-XL 36, PAX-XL60, PAX-XL100, Ekofloc 71, Ekofloc 91), ferric- and
aluminum products (BAGA 10, Ekomix 1091), ferric chloride (PIX-111), ferric sulphate (PIX-
118), synthetic anionic polymers of polyacrylamide (Superfloc A-150, Fennopol A321, Fennopol
A305, Magnafloc 919, Magnafloc 338, Zetag), and synthetic cationic polymers (Zetag7125,
Zetag 7109 and Superfloc C-577).

All products have been analyzed for removal of turbidity and suspended solids and pH influence.
Most effective products have been further analyzed for COD, TS, VS and sludge production.
Product efficiency is related to dose and environmental costs.

5
Summary
The conclusions are:

• The wastewater of Hammarby Sjöstad has a high pH 8-8.5. A high pH reduces the effect
of precipitation agents, particularly the ferric salts. The polymerized polyaluminum
products still proceed for particle separation.

• PAX-XL36, BAGA 10 and Ekomix 1091 indicated a high reduction of suspended solids
at low doses. Doses of 4.6 mg Al3+/l, 8.3 mg Me3+/l respectively 10.6 mg Me3+/l,
provided 70, 76 respectively 79 % SS-reduction.

• PIX-111 in combination with a cationic polymer is a well functioning alternative to the
aluminum based products.

• Superfloc C-577 and Zetag 7125 provide a high SS-reduction. The experiment at a dose
of 25 mg/l polymer perform 80 respectively 87 % SS-reduction. Both products may be
used on its own or in combination with a metal salt.

• Purfix 120 is a polymer of potato starch, and has a lower effect than the synthetic
polymers. At higher doses it provides a proficient SS-reduction, 92 % reduction at a dose
of 50 mg/l.

• Anionic polymers are added to increase the flocculation rate and create stronger flocks.
The concentration that requires obtaining an effect is low. During the experiments
synthetic anionic polymer was added at a dose of 0.25 mg/l and Betafloc KGK-2003
(tannins) at 10 mg/l.

• Polymers don’t increase the sludge production.

• Metal salts are cost effective products, especially the aluminum based products i.e. PAX-
XL36.

• PIX-111 in combination with cationic polymer or cationic polymer on its own may be a
cost effective alternative as well, due to its lower environmental costs.

• Anionic polymers are cheaper, due to the low dose required. They are a complement to
the cationic products, to create stronger and larger flocks

• Following products are suggested to test in the pilot plant:

- PAX-XL36

- Zetag 7125, Superfloc C-577 and Purfix 120

- PIX-111 in combination with cationic polymer, i.e. Superfloc C-577

- Superfloc A-150, Magnafloc 919 and Betafloc KGK 20-03 indicated to be
successful flocculants and therefore interesting for further experiment, if anionic
polymer needs to be added.
6
Sammanfattning
Sammanfattning

Hammarby sjöstad är en stadsdel i Stockholm som är under ombyggnad. Målsättningen är att
skapa en stadsdel som ska vara dubbelt så bra, vad gäller miljöpåverkan jämfört med normal
nybyggnation under 1990-talet. Delmålen är bla att hushållen ska ha en halverad
vattenförbrukning och lokal hantering av dagvatten. Därför diskuteras det om man för området
ska bygga ett separat reningsverk för att behandla dess avloppsvatten. Inför detta beslut genomför
Stockholm Vatten AB ett demonstrationsförsök för att utvärdera olika reningsprocesser för
behandling av avloppsvatten.

Försöksanläggningen består av fyra försökslinjer, två aeroba och två anaeroba processer. De två
anaeroba processerna som ska testas är Fluidiserad Bädd (FB) och Up flow Anaerobic Sludge
Blanket (UASB). FB har ett bärarmaterial av sand eller lermaterial på vilket bakterierna växer. I
UASB reaktorn bildar bakterierna granuler. För att få en effektiv process är det viktigt att avskilja
suspenderat material innan det fortsätter in i de anaeroba processerna.

Denna rapport syftar till att undersöka olika fällnings- och flockningsmedels potential för
partikelfällning av Hammarby Sjöstads avloppsvatten. Produkter har jämförts med avseende på
dosering, reduktion av SS och COD, slamvolym samt miljöbelastning. Målet är att finna
alternativ som ger en bra partikelreduktion, med en låg COD-reduktion till en låg miljökostnad.

Försöken har utförts i laboratorieskala med Kemira miniflockulatorer som fällnings- och
sedimenteringskammare. Samtliga tester har gjorts med sedimentering som avskiljningsmetod.
Försöken har delats upp i en screeningfas och en optimeringsfas.

Traditionella fällnings- och flockningsmedel utgörs av metallsalter av järn och aluminium och
syntetiska polymerer. För att utveckla mera hållbara system är det intressant att finna alternativ
till dessa. Tidigare forskning och utveckling har gjorts för tanniner, chitosan, stärkelse, ytaktiva
protein och bioflockulenter och indikerar att det finns möjliga alternativ till de kommersiella
produkter som används idag för partikelfällning och fosfatreduktion. Knapp efterfrågan och höga
kostnader medför en olönsam produktutveckling.

Förutom att försöka testa ett varierat utbud av produkter har rekommendationer av
produktleverantörer legat till grund för produkturvalet. De metallprodukter som testats är
polyaluminiumklorider ( Ekofloc 71, Ekofloc 91, PAX-XL36, PAX-XL60, PAX-XL100),
järnklorid(PIX-111), järnkloridsulfat (PIX-118) och två produkter med både aluminium och järn
(Ekomix 1091 och BAGA 10). De polymerer som testats är syntetiska katjoniska polymerer
(Zetag 7125, Zetag 7109 och Superfloc C-577), syntetiska anjoniska polymerer (Magnafloc 919,
Magnafloc 338, Superfloc A-150, Fennopol A321, Fennopol A305), samt två flockningsmedel av
förnyelsebara råvaror (anjonisk polymer av tannin Betafloc KGK 20-03 och Purfix 120 katjonisk
stärkelsebaserad polymer). Produkturvalet visar på att antalet naturliga fällnings- och
flockningsmedel är begränsat.

Samtliga produkter testades under screeningfasen. De katjoniska produkternas effekt värderades
med avseende på reduktion av suspenderat material (SS) och turbiditet. De produkter med hög
SS-reduktion i förhållande till dos testades ytterliggare under optimeringsfasen. De parametrar
som analyserades under optimeringsfasen var SS och COD på klarfasen, slamvolym, TS och VS
på slamfasen.

7
Sammanfattning
Resultaten sammanfattas i följande punkter:

• Vattnet har ett högt pH 8-8.5. Detta missgynnar metallprodukterna, speciellt järnsalterna. Ett
högt pH påverkar även aluminiumprodukterna, men de fungerar likväl för partikelfällning.

• PAX-XL36, BAGA 10 och Ekomix 1091 gav bäst SS-reduktion i förhållande till metalldos.
Produkterna uppnådde 70, 76 och 79 % SS-reduktion vid försök med en metallhalt på 4.6, 8.3
respektive 10.6 mg Me3+/l avloppsvatten.

• PIX-111 i kombination med katjonisk polymer kan fungera som ett alternativ till
aluminiumprodukterna.

• Superfloc C-577 och Zetag 7125 har en effektiv SS-reduktion. Försöken gav 80 och 87 % SS-
reduktion med 15 mg/l av Superfloc C-577 (tetraamin) respektive Zetag 7125
(polyDADMAC). De kan användas enskilt eller i mindre dos tillsammans med metall för att
minska metalldosen.

• Purfix 120 består av potatisstärkelse och har lägre effekt än de syntetiska polymererna. Högre
doser ger bra SS-reduktion. 50 mg Purfix 120 per liter avloppsvatten åstadkom 92 % SS-
reduktion.

• Anjoniska polymerer skapar större flockar som är mindre porösa. Mängden anjonisk polymer
som behöver tillsättas för effekt är mycket liten.. För optmeringsförsöken tillsattes 0.25 mg/l
av de anjoniska polymererna och 10 mg/l Betafloc KGK 20-03.

• PIX-111 i kombination med katjonisk polymer och Ekomix 1091 högst slamproduktion i
förhållande till SS-reduktion, 1.2- 1.4 respektive 1.4.

• Anjonisk polymer påverkar ej slamproduktionen.

• Purfix 120 har lägre slamproduktion än metallprodukterna. Slamproduktionen för enbart
syntetiska katjoniska polymerer har inte analyserats.

• Metallsalter är kostnadseffektiva produkter, framförallt aluminiumprodukterna.

• Kostnaden att använda katjonisk polymer eller en kombination av PIX-111 med katjonisk
polymer kan vara ett kostnadseffektivt alternativ, då det är ett mindre miljöbelastande
alternativ.
8
Sammanfattning
• De anjoniska polymererna är billigare. De används som ett komplement till de katjoniska
produkterna i små doser och kan därför inte jämföras med metallsalterna och de katjoniska
polymererna.
• De produkter som kan vara intressanta att testa i försöksanläggningen är:
- PAX-XL36
- Zetag 7125, Superfloc C-577 och Purfix 120
- PIX-111 i kombination med Superfloc C-577
- För samtliga produkter kan anjonisk polymer ha en positiv inverkan. Superfloc
A-150, Magnafloc 919, alternativt Betafloc KGK 20-03 kan vara intressanta att
testa.

• Fortsatta studier av intresse är doseringsmetod, miljökostnader för de utvalda produkterna
och slambehandling.
9