Kemisk fällning av fosfor med tvåvärt järn - Simple 1105668/  · Bromma. Furthermore,

  • View
    213

  • Download
    0

Embed Size (px)

Text of Kemisk fällning av fosfor med tvåvärt järn - Simple 1105668/  · Bromma. Furthermore,

  • EXAMENSARBETE INOM KEMITEKNIK, GRUNDNIV STOCKHOLM, 2017

    KTH ROYAL INSTITUTE OF TECHNOLOGY KTH KEMIVETENSKAP

    Kemisk fllning av fosfor med tvvrt jrn I kombination med aktivslam eller membranbioreaktor _______________________________________________

    Paulina Sandberg Birgersson

  • EXAMENSARBETE Hgskoleingenjrsexamen

    Kemiteknik Titel: Kemisk fllning av fosfor med tvvrt jrn i

    kombination med aktivslam eller membranbioreaktor Engelsk titel: Chemical precipitation of phosphorus with ferrous

    iron in activated sludge or membrane bioreactor Skord: Kemisk fllning, jrn(II)sulfat, MBR, fosforrening,

    avloppsvattenrening. Arbetsplats: Stockholm Vatten AB Handledare p arbetsplatsen: Sofia Andersson, Erik Lindblom Handledare p KTH: Mats Jansson Student: Paulina Sandberg Birgersson

    Datum: 2017-04-04 Examinator: Mats Jansson

  • Frord Examensarbetet har utfrts inom Hgskoleingenjrsprogrammet i Kemiteknik vid Kungliga Tekniska Hgskolan. Arbetet har utfrts p uppdrag av Stockholm Vatten AB fr att bist med kunskap infr implementeringen av deras nya reningsteknik membranbioreaktor (MBR). Studier har utfrts vid MBR-pilotanlggning i Sjstadsverket som bedrivs i samarbete med Stockholm Vatten och IVL Svenska miljinstitutet.

    Jag skulle vilja ge ett stort tack till mina handledare p Stockholm Vatten Sofia Andersson och Erik Lindblom som har bisttt med std och kunskap under arbetets gng. Likas skulle jag vilja ge ett stort tack till min handledare och examinator p KTH, Mats Jansson, som ven han bisttt med std, kunskap och gett mig goda rd p vgen. Slutligen skulle jag ven vilja tacka personal frn IVL Svenska miljinstitutet som hjlpt mig att utfra de analyser som utfrts vid Sjstadsverkets MBR-pilotanlggning.

  • i

    Sammanfattning Stockholm Vatten AB (SVAB) behver utka kapaciteten p avloppsreningsverket i Henriksdal. Drfr kommer en membranbioreaktor (MBR) att implementeras i dagens befintliga aktivslamanlggning. Den nya anlggningen dimensioneras fr att kunna hantera det frvntade fldet r 2040. Det framtida verket kommer dessutom behva rena avloppsvatten som i dagslget behandlas i verket i Bromma. Ytterligare frvntas utslppskraven fr fosfor (P), kvve (N) och organiskt material (BOD7) att skrpas.

    Fr nrvarande bedriver SVAB i samarbete med IVL (Svenska miljinstitutet) en pilotanlggning i Sjstadsverket fr att underska hur tekniken effektivt kan implementeras i Henriksdal. En stor utmaning fr att optimera driften r reningsprocessen av fosfor. Som alternativ till efterfllning av fosfor nskar Henriksdal att simultanflla fosfor med tvvrt jrn (Fe2+) i MBR:en.

    I fljande arbete utreds hur kemisk fllning av fosfor med Fe2+ fungerar i kombination med aktivslam och mer specifikt, med MBR. Syftet med arbetet r att bidra med kunskap till fortsatta studier i Sjstadsverket infr implementeringen av MBR i Henriksdal. Arbetet utreder delar inom den kunskap och forskning som finns gllande omrdet idag och identifierar kunskapsluckor inom studiet. Fokus har bland annat legat p att beskriva; mekanismer och reaktionskinetik; utreda vilka parametrar som styr utfllningen; hur slammet och den biologiska aktiviteten pverkas; samt hur dosering av jrn inverkar p MBR.

    F studier har gjorts inom omrdet och i mnga fall varierar resultaten studierna emellan. Detta beror sannolikt p tv faktorer: 1) Vattenmatrisen i avloppsvattnet r komplex. 2) Avloppsvattnets innehll kan variera mycket.

    Exakta reaktioner och mekanismer fr hur fosfor avskiljs med jrn(II)dosering r nnu inte fullstndigt klarlagt. En stor del av Fe2+ som tillstts kommer att oxideras till trevrt jrn (Fe3+). Oxidationshastigheten av Fe2+ styrs frmst av pH och syretillgnglighet i vatten och hastigheten varierar kraftigt med avseende p dessa parametrar. Fe2+ kan ven oxideras biologiskt under anoxiska frhllanden av denitrifierare. Fosfor avskiljas i sin tur antingen direkt genom utfllning med Fe2+ eller Fe3+, eller genom adsorption till jrnhydroxider.

    Jrn(II)dosering inverkar p slammets morfologi, sedimenteringsindex, storlek och stabilitet. Dosering med Fe2+ ger kompakta flockar med slta och tta ytor samt f utstickande filament. Fe2+ kan inverka p den biologiska aktiviteten i slammet, men dr finns bevis gllande bde en synergistisk inverkan och en reducerande effekt.

    Generellt rekommenderas att molfrhllanden ver 2, Fe2+:P anvnds fr att uppn tillrcklig avskiljning av fosfor i aktivslam. Liknande molfrhllande tycks rekommenderas i MBR. Utver doseringshalt kan ven doseringspunkt inverka p bde avskiljningsgraden av fosfor och nedsmutsningen av membranen.

    I studien sammanstlldes ven en massbalans av fldet och jrn i MBR-linjen i Sjstadsverket. Ytterligare gjordes analyser p vattnet fr att underska frhllandet

    Vid massbalansen uppmrksammades att avskiljningen av fosfor r lg i frluftning (FL) och frsedimentering (FS). Avskiljningsgraden lg under vad som frvntades (uppmtt 18 %, frvntad 50 %). Den lga avskiljningsgraden beror sannolikt p att FL och Fs r frhllandevis sm. I MBR erhlls ett 40 % strre uttag av jrn jmfrt med inkommande halt

  • ii

    jrn till MBR. Det br kunna frklaras av att jrnhalten i slammet under denna period var ovanligt hg.

    Frhllandet mellan fria Fe2+- och Fe3+-joner analyserades i tvpunkter, efter FL (mtpunkt 1) och efter FS (mtpunkt 2). I mtpunkt 1 hade 80 % av jrnjonerna fllt ut och ca 60 % oxiderat till trevrt jrn. Uppehllstiden i FL r ca 13 min.

    pH mttes i hela MBR-reningslinjen. I FL och FS lg pH kring ungefr 7,5 och i MBR-reaktorerna lg pH omkring 6,5. Det frenklade hastighetsuttrycket fr oxidation av jrn vid syrerika frhllanden d[Fe (II)]

    dt= -k [Fe(II)] anvndes fr att berkna den teoretiska

    halveringstiden (t1/2) av Fe2+. t1/2 i FL berknades till 13 min, i FS till 22 min och i MBR-reaktorerna till omkring 2 h. Den teoretiska t1/2 stmmer relativt bra verens med vad som uppmttes vid analys av Fe2+: Fe3+. Den slutsats som kan dras r att sannolikt s kommer mer av jrnet att flla ut i sin trevrda form d jrnet doseras i FL och FS, n d jrnet doseras i de luftade biologiska reaktorerna.

    Sammanfattningsvis, finns f studier som utreder processen fr utfllning av fosfor med Fe(II) i aktivslam eller MBR. Kunskapen inom omrdet r begrnsad och det finns nnu mnga kunskapsluckor som behver tckas. P grund av avloppsvattnets komplexitet rcker inte teoretisk kunskap fr en effektiv implementering av MBR.

  • iii

    Summary To expand the capacity of the Stockholm Vatten AB (SVAB) municipal waste water treatment plant (WWTP) Henriksdal a membrane bioreactor will be implemented in the existing activated sludge process. The new WWTP is dimensioned to handle the expected flow of year 2040. The future WWTP will also need to treat waste water is currently treated in Bromma. Furthermore, the effluent treatment requirements for phosphorus (P), nitrogen (N) and organic substituents is expected to become stricter.

    In cooperation between SVAB and IVL (The Swedish Environmental Institute) the new treatment process is being tested in a pilot plant in Sjstadsverket. One of the challenges in the new project is to achieve sufficient removal of phosphorus. Today Henriksdal WWTP removes phosphorus through post-precipitation with ferrous iron (Fe2+). When the MBR is implemented SVAB wants to use simultaneous precipitation in the MBR.

    In this report the chemical precipitation of Fe2+ in combination with activated sludge and MBR is examined. The aim of this thesis is to aid SVAB by contributing with knowledge in the mentioned area. The report examines the knowledge and research available about the area today and identifies if there are any gaps of knowledge. Focus of the study is among other things: the reaction mechanisms and kinetics; what parameters favor efficient precipitation; how does ferrous iron integrate with the sludge; how to efficiently combine ferrous iron precipitation in MBR.

    There are only a few studies in the field and the results often contradict each other. It is likely due to two factors: 1) the matrix of waste water is complex. 2) the matrix varies considerably between different areas and different WWTPs.

    The exact mechanisms and kinetics of phosphorus removal with chemical precipitation of ferrous iron are not fully understood. A lot of the Fe2+ will oxidize to ferric iron (Fe3+). The oxidation rate is mainly dependent on the pH and oxygen concentration in the water. Fe2+ can also be oxidized through biological oxidation in anoxic environments. The phosphorus is removed by direct precipitation with Fe2+ and Fe3+, or through adsorption to iron hydroxides.

    Fe2+ can influence the characteristics of the sludge by changing the morphology, the size and the stability of the flocs and the settleability of the sludge. Dosing Fe2+ gives more compact flocs, with smooth surfaces and few filaments. Fe2+ can also influence the biological activity in the sludge. Some studies states the iron contributes to synergistic effects, some claim it reduces the activity.

    For efficient phosphorus removal in activated sludge ratios of Fe:P > 2 mole /mole is mostly used. The recommendations seem to be the same for MBR. The dosing point also seem to be of importance to achieve sufficient removal, and furthermore to prevent fouling of the membranes.

    Material balances for phosphorous and for iron, as well as analyses to examine the oxidation rate and pH of the waste water in the MBR-pilot plant were also performed.

    The material balance showed that the removal of phosphorous in the pre-aeration (PA) and the pre-sedimentation (PS) was low. The expected removal was 50 % while the achieved removal 18 %. This is probably due to the relatively small size of the PA and PS compared to the rest of the pilot-plant. In the MBR the outg