spildevandsrensning og kinetikken - AquaCircle

aquacircle.org

spildevandsrensning og kinetikken - AquaCircle

Temadag

Vandbehandling i recirkulerede opdrætsanl opdr tsanlæg

Biologisk rensning

i recirkulerede opdrætsanl opdr tsanlæg

- Kinetik i biofilter anlæg anl

Kenneth Janning

DHI


Recirkulation i fiske opdrætsanlæg

Qind ind

Filtrering

Fiskekar

Biologisk

rensning

Qud ud

TAN

mg (NH 4-N+NH N+NH3-N)/l N)/l

Problemstilling:

• Vandkvalitet i

opdrætsvand

opdr tsvand

• Vandkvalitet ved

udledning til recipient

Qind ind

m3 /d


Processer og kinetik i

biologiske filtre

• Hvad er en biofilm?

• Hvorfor anvende biofilm teknologi som

rensning i fiske opdrætsanl

opdr tsanlæg? g?

• Biologiske processer i biofiltre

• Biofilm kinetik – procesbeskrivelser og

omsætningshastigheder

oms tningshastigheder

• Vandkvalitetskrav’s Vandkvalitetskrav s betydning for design af

biofiltre

• Populationsdynamik i biofiltre –

konkurrencen om ilten


Hvad er en biofilm?

• Et biofilter består best r af et medie (plast, sten, træ, tr , metal…) metal ) med stor

overflade hvorpå hvorp en ”biofilm biofilm” af bakterier sidder fasthæftet fasth ftet og

fikseret i et fintmasket netværk netv rk (EPS)

• Biofilmen tilføres tilf res næring ring når r filtret beskylles med opdrætsvand

opdr tsvand

indeholdende stoffer som primært prim rt udskilles fra fiskene. Stofferne

transporteres ind i biofilmen ved molekylær molekyl r diffusion


Hvad er en biofilm?

• Bakterierne i biofilmen formerer sig ved næringstilf n ringstilførslen, rslen, hvilket

får r biofilmen til at vokse sig tykkere

• Bakterierne i biofilmen lever i en økologisk kologisk balance som får f r de

hurtigst voksende til at udkonkurrere de langsommere voksende,

afhængigt afh ngigt af den næring n ring og koncentrationen hvormed næringen n ringen

tilføres tilf res


Hvorfor anvende biofilm

teknologi til fiske opdrætsanlæg?

Fordele ved anvendelse af biofiltre til fiske opdrætsanl

opdr tsanlæg

• Biofiltre ideelle til biologisk rensning af opløste opl ste stoffer

• Biofiltre kan opretholde en høj h j celleopholdstid

• Langsomt voksende bakterier (nitrifikanter

( nitrifikanter) ) udvaskes ikke

• Processtabil…

Processtabil

• Beskyttelse i biofilm

• Kan udsættes uds ttes for en høj h j og variabel hydraulisk belastning

• Kompakt og ofte simpelt design

• Selvrensende…

Selvrensende

• Mulighed for integreret løsning l sning af CO 2-fjernelse, fjernelse, iltning, køling k ling

samt nitrifikation (Rislefiltre)


Hvorfor anvende biofilm

teknologi til fiske opdrætsanlæg?

Risici ved anvendelse af biofiltre til fiske opdrætsanl

opdr tsanlæg

• Følsomme lsomme overfor overbelastning (rislefiltre)

• Manglende biofilmkontrol

• Ukontrollabel biofilmafrivning

• Tilstopning af biofiltre

• Lang oppodningstid (nitrifikation)

• Forskellig populationdynamisk vækst kst giver risiko for

overbegroning af nitrifikanter

• Diffusionsbegrænset Diffusionsbegr nset omsætning oms tning resulterer i lav

omsætningshastigheder oms tningshastigheder ved rensning i lave koncentrationer


Stoffjernelse i recirkulerede

fiske opdrætsanlæg

• Partikler (ned til 40-60 40 60 μm) m) → Filtrering

• Total Ammoniak, TAN (NH + (NH4

+NH3) +NH → Biofilter

• Nitrit, NO 2- → Biofilter

• Nitrat, NO - NO3

→ Biofilter

• Opløst Opl st omsætteligt oms tteligt COD → Biofilter

• CO 2

→ Biofilter/udluftning

Biofiltrene er den mest følsomme f lsomme procesenhed, som sammen

med den fysiske filtrering udgør udg r kernen i den rensningsmekanisme

som kan opretholde en god og ensartet vandkvalitet i et recirkuleret

fiske opdrætsanl

opdr tsanlæg. g.


Nitrifikationen

– nøgleprocessen i det biologiske renseanlæg

Problemstillinger ved nitrifikation i biofiltre

• Nitrifikanter er langsomt voksende → lang oppodningstid

• Nitrifikanter skal konkurrere med hurtigere voksende bakterier om den

tilstedeværende tilstedev rende ilt i biofilmen → overbegroning

• Vandkvalitetskravet til TAN er ofte meget lavt

→ lav omsætningshastighed

oms tningshastighed

• Meget følsomme f lsomme overfor fald i alkalinitet, pH og temperatur

→ lav omsætningshastighed

oms tningshastighed

• Kan under ”stressede stressede” forhold producere nitrit

→ toksisk i vandmiljø vandmilj

• Er følsomme f lsomme overfor partikler i vandet, som kan ”afsk afskærme rme”

bakterierne i at få f tilstrækkelige

tilstr kkelige iltbetingelser

→ Filtrering foran biofiltre ofte påkr p krævet vet


Nitrifikationen

– nøgleprocessen i det biologiske renseanlæg

NH +

4

HCO +

3

O 2

AUTOTROFE BAKTERIER KRÆVER: KR VER:

• + NH + NH4

(elektrondoner

elektrondoner, , energikilde)

• + O 2 (elektron acceptor, acceptor,

iltningsmiddel)

• + Alkalinitet

• + Uorganisk kulstof

• ÷ Organisk stof (COD)

Nitrosomonas

bakterier

H 2CO

CO 3

NO -

2

O 2

HCO 3 +

HCO

Nitrobakter

bakterier

NO -

3

H2CO CO3


Denitrifikationen

–processen som sikrer fuld kvælstoffjernelse

Problemstillinger ved denitrifikation i biofiltre

• Kræver Kr ver organisk kulstof

• De fleste DN bakterier kan både b de bruge ilt og nitrat som

iltningsmiddel for omsætning oms tning af COD. Er både b de ilt og nitrat

tilstede vil de først f rst omsætte oms tte ilten pga. et større st rre energiudbytte

• Kulstofkilden skal være v re på p opløst opl st form og være v re letomsættelig

letoms ttelig

• Iltfølsom Iltf lsom

• Kan under ”stressede stressede” forhold producere nitrit


Denitrifikationen

– processen som sikrer fuld kvælstoffjernelse

HETEROTROFE BAKTERIER KRÆVER: KR VER:

• + Organisk stof (COD)

• + NO - NO3

og O2 O

• + Aciditet

O 2

COD

NO -

3

Næringsstoffer ringsstoffer

H +

• + Næringsstoffer, N ringsstoffer, N, P, K, Fe, …

Toksiske i vandmiljø

vandmilj

NO - NO2

NO N2O CO 2

N 2


Nitrifikation – Denitrifikationen

Problemstillinger ved kombineret nitrifikation (N) –

denitrifikation (DN) i biofiltre

• N kræver kr ver ilt, DN tåler t ler ikke ilt

• DN kræver kr ver organisk stof, organisk stof er en trussel mod N

• DN bakterier vokser væsentligt v sentligt hurtigere end N bakterier

• Heterotrofe bakterier vil helst omsætte oms tte ilt og COD. Dermed

kan COD kilden let reduceres til skade for de denitrificerende

bakterier


Kinetik i biofiltre

Omsætning Oms tning i den enkelte bakterie:

μmax max

μmax/2 max/2

Væksthastighed, μ

d -1

K S

KS-værdier rdier, , nitrifikation (Nitrisomonas

( Nitrisomonas)

• KS,NH4 S,NH4 = 0,3-0,7 0,3 0,7 g NH 4-N/m N/m3 • KS,O2 S,O2 = 0,5-1,0 0,5 1,0 g O 2/m /m3 KS-værdier rdier, , nitrifikation (Nitrobakter

( Nitrobakter)

• KS,NH4 S,NH4 = 0,8-1,2 0,8 1,2 g NH 4-N/m N/m3 • KS,O2 S,O2 = 0,5-1,5 0,5 1,5 g O 2/m /m3 μ

obs

= μmax

S

S + K

Substratkoncentration

g/m 3

Henze et al. (2000) Wastewater Treatment, Treatment,

biological and chemical processes

S


Kinetik i biofiltre

Omsætning Oms tning i en biofilm:

Omsætning i biofilmen :

Omskrivning

Omsætning af

:

∂N

∂x

stof

r

Vf

2

∂ S

= −D

∂x

∂N

= ;

∂x

Transport af stof ind i biofilmen : N

Beskrivelse af rvf vf ?

f

2

;

∂S

f

= −D

∂x

i biofilmen med stoftransport

(diffusion)

;

:


2

S

∂x

f

2

rvf

= −

D


Kinetik i biofiltre

Omsætning Oms tning i biofilmen:

Væksthastighed, μ

d-1 1. orden

μmax max

μmax/2 max/2

K S

2K S

1. ordens tilfældet :

0. ordens tilfældet :

r

r

Substratkoncentration

g/m 3

vf

vf

=

=

0. orden

k

k

1 f

0 f

⋅ S

vf


Kinetik i biofiltre

1. ordens proces i biofilm

Omsætning Oms tning i vandfasen udenfor biofilmen:

1. ordens

r

r

k

A

A

1 f

=

L = biofilm tykkelsen

D =

= k

1 f

tilfældet :

tanhα

⋅ L⋅

⋅ S,

α

arealspecifik

omsætningshastighed

= 1.ordens

diffusionskonstant,

S < 2⋅

K

hastighedskonstant

[ m]

S

S

α =

2 [ m / d]


k

1 f

-1

[ d ]

⋅ L

Henze et al. (2000). Wastewater treatment, treatment,

biological and chemical processes

D

2

i vandfasen

2 [ gS/m /d]


Kinetik i biofiltre

0. ordens proces i biofilm

Omsætning Oms tning i vandfasen udenfor biofilmen:

0. ordens

Indtrængnings

dybde i

β > 1:

β < 1:

tilfældet :

S > 2⋅

K

biofilmen : β =

Biofilmen fuldt penetreret (S2)

Biofilmen delvist penetreret (S1)

S

2⋅

D ⋅ S

− 2

k ⋅ L

Henze et al. (2000). Wastewater treatment, treatment,

biological and chemical processes

0 f


Omsætning Oms tning i vandfasen udenfor biofilmen:

0. ordens

r

r

A

A

= k

=

0 f

tilfældet

⋅ L

: β > 1

arealspecifik

omsætningshastighed

k 0f = omsætningshastighed

i biofilmen

L = biofilmens tykkelse[

m]

0. ordens

r

r

k

S =

D =

k

A

A

½A

0f

= k

=

½ A

tilfældet

S ,

arealspecifik

omsætningshastighed

= ½.ordens

: β < 1

k

½ A

substrat koncentrationen

diffusionskonstant,

S

=

Kinetik i biofiltre

0. ordens proces i biofilm


=

hastighedskonstant

omsætningshastighed

2⋅

D ⋅k

i vandfasen

2 [ m / d]

0 f

i biofilm

2

i vandfasen [ gS/m / d]

3 [ g/m biofilm / d]

i vandfasen

½ -½ -1

[ gS ⋅m

⋅d

]

3 [ gS/m ]

3 [ gS/m biofilm / d]

2 [ gS/m / d]

Henze et al. (2000). Wastewater treatment, treatment,

biological and chemical processes


Kinetik i biofiltre

Problemstillinger, diffusionsbegrænset diffusionsbegr nset omsætning oms tning i biofilm

• Stofkoncentrationen i vandfasen af det substrat som styrer

omsætningshastigheden oms tningshastigheden (nitrifikation: ilt, TAN?) bestemmer

reaktionshastigheden og reaktionsordnen (1. orden, ½. . orden,

0. orden) i vandfasen af biofiltret

• Ved rensning ned til meget lave stofkoncentrationer

(< 1mg NH 4-N/l) N/l) bliver reaktionshastigheden i biofiltret meget lav

• Ved rensning ned til meget lave stofkoncentrationer

(< 1mg NH4-N/l) NH4 N/l) vil kun en meget lille del af biofilmen være v re aktiv

(10 – 20μm) 20 m)

• Ved rensning ned til meget lave koncentrationer er det kun relevant relevant

at operere med en meget tynd biofilm

• Ved rensning nede i lave koncentrationsregimer kompliceres

kinetikforholdene væsentligt, sentligt, hvilket vanskeliggøre vanskeligg re analytisk

fortolkning af forholdene i biofiltret


Kinetik i biofiltre

Direkte gennemstrømmet

gennemstr mmet

biofilter

0.

ordensreaktion

S

ud

=

S

ind

:

⋅V

⋅ω

⋅k

Q

½.

ordensreaktion

S

ud

S

ud

=




S

S

ind

ind

1.

ordensreaktion

=

⋅e

0a

:

ω ⋅k½

a ⋅V

+

2⋅

Q

V ⋅ω⋅k

Q

Henze et al. (2000). Wastewater treatment, treatment,

biological and chemical processes

:

1a

2




Kinetik i biofiltre

Ideelt opblandet

biofilter

0.

ordensreaktion

S

ud

= S

ind

:

k0a

⋅ A


Q

½.

ordensreaktion

S

ud

S

ud



=



:

2

⎛ k½a

⋅ A ⎞

⎜ ⎟

⎝ 2⋅

Q ⎠

1.

ordensreaktion

Q ⋅ S

=

Q + k

1a

ind

⋅ A

:

+ S

ind


k½a

⋅ A ⎟


2⋅

Q ⎟


Henze et al. (2000). Wastewater treatment, treatment,

biological and chemical processes

2


Vandkvalitetskrav, fiskeopdræt

Vandkvalitetskravenes betydning for omsætningshastigheden oms tningshastigheden i biofiltre?

E.H.Eding et al. (2006). ”Design Design and operation of nitrifying trickling filters in recirculating aquaculture: aquaculture:

A

review”. review . Aquaculture Engineering, vol.34, pp. pp.

234-260 234 260


Omsætningshastigheder

fiskeopdrætsanlæg

rA= = 0,25 gTAN/m 2 /d ⇒

rA= = 0,22 gTAN/m 2 /d ⇒

rA= = 0,14 gTAN/m 2 /d ⇒

⇒ ΑNødvendigt

⇒ ΑNødvendigt

⇒ ΑNødvendigt

dvendigt = 100 m2 dvendigt = 113 m2 dvendigt = 178 m2 E.H.Eding et al. (2006). ”Design Design and operation of nitrifying trickling filters in recirculating aquaculture: aquaculture:

A

review”. review . Aquaculture Engineering, vol.34, pp. pp.

234-260 234 260


2 komponent diffusion

Nitrifikation

Iltbegrænsning

Iltbegr nsning eller ammoniumbegrænsning

ammoniumbegr nsning? ?

NH + NH4

+ 1,86 O2

+ 1,98 HCO - HCO3

→ 0,020 C 5H7NO2 + 0,98 NO - NO3

+ 1,98 H2CO H 3 + 1,04 H 2O νO2,NH4 O2,NH4 = 4,25 g O 2/g /g NH 4-N S

S

S

S

O

O

O

2

2

2

TAN

>

<

= ν

3,

4

3,

4

O , TAN



2

3,

6

3,

6

⋅ S

⋅ S

D


D

TAN

TAN

TAN

O

2


⇒ ilt

3,

4


NO 2

3,

6

⇒ ammonium

begrænsning

3

gO2

/ m

gTAN / m

( eller

3

begrænsning

0.

( eller

0.

ordens kinetik)

Rensning til 1 g TAN/m 3 → 3,4 g O 2/m /m3 nødvendig dvendig i vandfase

Rensning til 2 g TAN/m 3 → 6,8 g O 2/m /m3 nødvendig dvendig i vandfase

Rensning til 3 g TAN/m 3 → 10,2 g O 2/m /m3 nødvendig dvendig i vandfase

CO 3

ordens kinetik)


2 komponent diffusion

Nitrifikation

Iltbegrænset Iltbegr nset nitrifikation Ammoniumbegrænset

Ammoniumbegr nset nitrifikation


Populationsdynamik

i biologiske filtre

Problemstillinger, populationsdynamik

• Ved tilledning af opløst opl st letomsætteligt

letoms tteligt COD vokser heterotrofe bakterier

hurtigt op (enten med ilt eller med nitrat)

• Når r BOD 5 > 5⋅O 5 2 trænger tr nger det organiske stof længere l ngere ind i biofilmen en ilten,

hvilket fuldstændigt fuldst ndigt fjerner de nitrificerendes bakteriers mulighed for at få f ilt

• De heterotrofe bakterier vokser 10 gange hurtigere end de autotrofe

bakterier, hvilket dels resulterer i en hurtigere voksende biofilm biofilm

og dels

resulterer i at de heterotrofe bakterier vil sætte s tte sig i et lag yderst på p biofilmen

og omsætte oms tte al ilten


Populationsdynamik

i biologiske filtre

Overbevoksning af nitrificerende bakterier i en biofilm


Populationsdynamik

i biologiske filtre

Bovendeur et al. (1990). ”Fixed Fixed-biofilm biofilm reactors in aquacultural water recycle systems: Effect of organic matter elimination on

nitrification kinetics. Water Research, vol.24, No. 2, pp. pp.

207-213 207 213


Populationsdynamik

i biologiske filtre

Ændret ndret reaktionskinetik i en RBC reaktor

Henze et al. (2000). Wastewater treatment, treatment,

biological and chemical processes


Omsætningsvariationer i praksis

Fodringens betydning for stofvariationer? (TAN, NO 3, , NO 2, , CO 2) )

E.H.Eding et al. (2006). ”Design Design and operation of nitrifying trickling filters in recirculating aquaculture: aquaculture:

A

review”. review . Aquaculture Engineering, vol.34, vol.34, pp. pp.

234-260 234 260


Konklusion

• Biofiltre er den mest velegnede biologiske proces til fjernelse af opløste opl ste

stoffer i recirkulerede fiskedambrug

• Partikelfjernelse og opløst opl st organisk stoffjernelse er et væsentligt v sentligt element i

opnåelsen opn elsen af en sikker og effektiv nitrifikations proces

• Behov for effektiv rensning i meget lave koncentrationsområder koncentrationsomr der resulterer i

en komplicering af biofilmkinetikken (O 2/TAN /TAN begrænsning, begr nsning, 0., ½. . og 1.

ordens kinetik)

• Kun tynde biofilm! Tykkere biofilm (mere end 100-200 100 200 μm) m) er unødvendig

un dvendig

og kan føre f re til forstoppelse af biofiltre når n r biofilmen afrives i store kager

• Samspillet mellem fiskefodring og dimensionering/drift af biofiltre er

væsentlig sentlig for undgåelse undg else af stoffluktuationer i fiske karrene

• Modellering og styring af samspillet mellem fiskeproduktion og

vandrensning vil kunne føre f re til en mere ensartet og optimal vandkvalitet i

fiske karrene

• Samspillet mellem partikelfjernelse,

partikelfjernelse,

biologisk rensning og kemiske

oxidations metoder (for fjernelse af geosminer, rest-COD rest COD og hygiejnisering)

hygiejnisering)

er væsentlig v sentlig for opnåelse opn else af en driftssikker produktion

More magazines by this user
Similar magazines