Aktiverat slam
Aktiverat slam är en del av ett komplext system för rening av avloppsvatten (U.S. EPA 2002) . De används vanligen efter primär rening ( inklusive sortering som avlägsnar sedimenterbara fasta ämnen) , omfattar en eller flera huvudsakliga luftiga behandlingskammare, luftningsanordningar, en anordning för lämplig blandning för att hålla slammet i suspension, en sekundär klarare för att separera biomassan från det behandlade avloppsvattnet och samla upp sedimenterad biomassa, i allmänhet ett icke-linjärt, mycket komplext cirkulationsregim (t.ex. återcirkulationsslingor, förbifart etc.) och följs ibland av ett avslutande poleringssteg (se tertiärfiltrering och desinficering). De biologiska processerna är effektiva när det gäller att avlägsna lösliga, kolloidala och partikulära material. Reaktorn kan utformas för biologisk nitrifikation och denitrifikation samt för biologisk fosforavskiljning.
Designen måste baseras på en noggrann uppskattning av avloppsvattnets sammansättning och volym. Reningseffektiviteten kan allvarligt äventyras om anläggningen är under- eller överdimensionerad. Beroende på temperaturen varierar fastlagstiden (SRT) i reaktorn från 3 till 5 dagar för BOD-avskiljning till 3 till 18 dagar för nitrifikation.
Det överflödiga slammet kräver behandling för att minska dess vatteninnehåll och organiska innehåll och för att erhålla en stabiliserad produkt som lämpar sig för slutanvändning eller slutligt omhändertagande. Det är viktigt att beakta detta steg i planeringsfasen för reningsverket).
Grova mängder tillfört syre gör det möjligt att bibehålla aeroba förhållanden och att på ett optimalt sätt blanda den aktiva biomassan med det avloppsvatten som skall behandlas. För att bibehålla en relativt hög mängd aktiva mikroorganismer som är användbara för att avlägsna organiska ämnen från avloppsvattnet separeras slammet från avloppsvattnet genom sedimentering i en sekundär klarare (UNEP 2004) eller genom membranfiltrering och hålls kvar i processen genom recirkulation till luftningstanken. Flera modifieringar av denna grundläggande process har utvecklats, inklusive olika luftningsanordningar, olika sätt att samla upp slammet och återföra det till luftningstanken eller den primära klararen, och processförbättring genom tillsats av ett område med inert medium på vilket biofilm kan växa (kombinerad process med fast film/suspenderad tillväxt).
Och även om aeroba bakterier är de mest dominerande mikroorganismerna i processen kan andra aeroba, anaeroba och/eller nitrifikationsbakterier tillsammans med högre organismer förekomma. Förutom avlägsnande av organiskt material kan näringsämnen (organisk ammoniak, fosfor) således också avlägsnas biologiskt genom nitrifikation/denitrifikation och biologiskt upptag av fosfor. Den exakta sammansättningen av mikroorganismer beror på reaktorns utformning, miljön och avloppsvattnets egenskaper (TILLEY et al. 2008). För att uppnå optimala förhållanden för både avlägsnande av organiska ämnen och näringsämnen används en sekvens av växlande aeroba och anaeroba kamrar.
Detaljerad behandlingsprocess
När sanden och liknande tunga partiklar har sorterats bort avlägsnas de i en sandkammare där de sedimenterar till marken. Denna kammare vill endast avlägsna grovt grus och avloppsvattnet tillbringar endast en relativt kort tid (några minuter) i den (UNEP & MURDOCH 2004). Mindre fasta ämnen avlägsnas i en sedimenteringstank. I denna enhet tillbringar avloppsvattnet mer tid (cirka en timme) för att möjliggöra en god separation. Slammet från denna mekaniska primärbehandling (inklusive siktning och sedimentering i sandkammaren och sedimenteringsbassängen) kallas primärslam och kräver, som allt överskottsslam, en avancerad vidare behandlingskedja.
Efter denna primärbehandling följer huvudenheten som innehåller det aktiverade slammet. Det förbehandlade avloppsvattnet blandas med det koncentrerade underflödet av aktivt slam från sekundärklaren i en luftad tank. Luftningen sker antingen med hjälp av mekaniska ytomrörare eller med hjälp av nedsänkta diffusorer med tryckluft (WSP 2008). Luftning ger syre till det aktiverade slammet och blandar samtidigt slammet och avloppsvattnet ordentligt (UNEP & MURDOCH 2004). Under luftningen och blandningen bildar bakterierna små kluster eller flocker (TILLEY et al. 2008). Under dessa förhållanden bryter bakterierna i det aktiverade slammet ned de organiska ämnena i avloppsvattnet. De använder det organiska ämnet för energi, tillväxt och reproduktion. Slutprodukterna är koldioxid (CO2), vatten (H2O) och nya celler.
Efter några timmar i luftningskammaren går blandningen sedan in i den sekundära sedimenteringsbassängen (klarare), där de flockade mikroorganismerna sedimenterar och avlägsnas från avloppsvattenströmmen. De sedimenterade mikroorganismerna (det aktiverade slammet) återförs sedan till huvuddelen av luftningstanken för att återigen blandas med avloppsvattnet och fortsätta att växa och bilda nytt slam och bryta ned organiska ämnen. För att bibehålla en optimal mängd slam i systemet varierar återcirkuleringen av sedimenterat slam mellan 20 och 100 %. Det överflödiga slam som produceras varje dag (aktivt slam) måste behandlas i en ytterligare behandlingskedja tillsammans med slammet från de primära reningsanläggningarna. En konventionell behandlingskedja för överskottsslam består av anaerob rötning, förtjockning, förbränning och säkert bortskaffande, t.ex. på en deponi. Ett mer hållbart sätt skulle vara att kompostera slammet (antingen före eller i stället för rötning) för att återanvända näringsämnena i jordbruket.
Hydrauliska retentionstider i hela systemen varierar från några timmar upp till flera dagar för den flytande fasen. Förädling av överskottsslam kan ta något längre tid beroende på vilken typ av förtjockning och anaerob rötning som tillämpas. Utflödet från en anläggning för aktivt slam som utformats och drivs på rätt sätt är av hög kvalitet och har vanligtvis BOD- och TSS-koncentrationer som är lika med eller mindre än 10 mg/L (CRITES & TCHOBANOGLOUS 1998). Avlägsnandet av både biologiskt syrebehov (BOD) och suspenderat material (TSS) ligger i allmänhet mellan 80 och 100 %, beroende på koncentrationerna i inflödet, systemets uppbyggnad och temperatur (UNEP 2004; SANIMAS 2005; WSP 2008).
Näringsämnen som kväve och fosfor avlägsnas också i den aktiverade slamprocessen, men det kräver att olika luftiga och icke-luftfyllda kamrar används i hybrida system med aktiverat slam. Biologisk avskiljning av kväve sker först genom omvandling av organiskt kväve till ammoniak, följt av den aeroba omvandlingen av ammoniak (NH4+) till nitrit (NO2-) och sedan nitrat (NO3-) och den anaeroba omvandlingen av nitrat till gasformigt kväve (N2), som sedan släpps ut i atmosfären. Omvandlingen av ammoniak till nitrat via ett mellansteg av nitrit kallas nitrifikation. Omvandlingen av nitrat till gasformigt kväve kallas denitrifikation. Det krävs alltså en kombination av både aeroba och anaeroba (anoxiska) processer för att uppnå fullständig eliminering av kväve från avloppsvattnet. I många reningssystem med aktiverat slam integreras en anaerob tank antingen efter luftbassängen och före rening (postdenitrifikation) eller strax före luftbassängen (predenitrifikation). Vid fördenitrifikation sker nitrifikationen i den luftade tanken efter den aeroba förtanken. Denitrifikation sker först när utflödet från den luftade tanken, som innehåller nitrit, återcirkuleras som slammet.
För att avlägsna fosfor i aktiverade slamsystem kan det ske kemiskt eller biologiskt. Biologisk eliminering av fosfor i konventionella avloppsreningssystem sker genom att vissa bakterieceller tar upp fosfor. Det är dock endast lite fosfor som kan avlägsnas på detta sätt, eftersom fosformassafraktionen i flyktigt slam endast är cirka 2,5 % (HAANDEL&LUBBE 2007). Detta resulterar i en utgående koncentration på cirka 2 till 7 mg P/L för kommunalt avloppsvatten med en COD-koncentration på 500 mg/L (HAANDEL&LUBBE 2007). Det kommer dock i allmänhet att krävas en sänkning av fosforkoncentrationen i avloppsvattnet till ett värde ≤ 1 mg P/L.
En annan biologisk process är det förbättrade biologiska fosforavskiljandet. Förbättrad biologisk fosforavskiljning bygger på odling av vissa speciella fosforackumulerande bakterier som, jämfört med 2,5 % P i konventionellt aktiverat slam, kan leda till upp till 38 % P-ackumulering i slammet (HAANDEL&LUBBE 2007).
När både kväve och fosfor ska avlägsnas blir kombinationen ännu mer komplex. Förbättrad biologisk fosforavskiljning kräver i allmänhet ett anaerobt skede (för PAO-odling), ett anoxiskt skede (för denitrifikation) och ett aerobt skede (för nitrifikation och fosforackumulering) i serie.
Nuförtiden uppfattas inte aktiverade slamsystem, där värdefulla näringsämnen (fosfor och kväve) och organiskt material förbränns i stället för att återcirkuleras till livsmedelsproduktionen i jordbruket, som hållbara längre. Införandet av kväveavskiljning i en anläggning för aktivt slam ökar reaktorvolymen avsevärt och leder till en högre energiförbrukning på cirka 60-80 % för luftning (MAURER 2003). För att avlägsna fosfor krävs antingen tillsättning av kemikalier och efterföljande bortskaffande av oorganiskt slam eller en ökning av komplexiteten och reaktorvolymen för förbättrad biologisk fosforavskiljning.
För att uppnå specifika utflödesmål för BOD, kväve och fosfor har olika anpassningar och modifieringar gjorts av den grundläggande konstruktionen för aktiverat slam. Välkända modifieringar omfattar sekvenserande satsreaktorer (SBR), oxidationsdiken, djupa schakt, förlängd luftning, rörliga bäddar och membranbioreaktorer.
Sekventiella satsreaktorer (SBR)
Processen kan drivas i satser, där de olika förhållandena uppnås i samma reaktor men vid olika tidpunkter (UNEP & MURDOCH 2004). Behandlingen består av en cykel med fem steg: fyllning, reaktion, sedimentering, dragning och tomgång. Under reaktionstypen tillförs syre genom ett luftningssystem. Under denna fas oxiderar bakterierna det organiska materialet precis som i aktiverade slamsystem. Därefter upphör luftningen för att låta slammet sedimentera. I nästa steg separeras vattnet och slammet genom dekantering och det klara skiktet (supernatanten) släpps ut från reaktionskammaren (METCALF & EDDY 2007). Beroende på hur snabbt slammet produceras kan en del av slammet också rensas. Efter en fas av tomgång fylls tanken med en ny sats av avloppsvatten (UNEP & MURDOCH 2004). Minst två tankar behövs för batchdrift eftersom kontinuerligt inflöde måste lagras under driftfasen. (Mycket) små system (t.ex. som betjänar små tätorter) kan använda endast en tank. I detta fall måste tillflödet antingen hållas kvar i en damm eller kontinuerligt släppas ut i botten av tanken för att inte störa sedimenterings-, dragnings- och tomgångsfaserna. SBR är lämpade för lägre flöden eftersom storleken på varje tank bestäms av den volym avloppsvatten som produceras under behandlingsperioden i den andra tanken (UNEP & MURDOCH 2004). För mer information om SBR-system för aktivt slam, se WSP (2007) eller U.S. EPA (1999).
Oxidationsdiken
Oxidationsdiken är stora runda eller ovala diken (kanalreaktorer) med en eller flera horisontella luftare för att garantera syretillförseln och för att blanda och flytta innehållet runt i diket. Det sorterade inflödet kommer in i oxidationsdiket, luftas och cirkulerar med cirka 0,25-0,35 m/s (SANIMAS 2005). Driften kan vara kontinuerlig eller intermittent. Primärsedimentering behövs vanligtvis inte, men sekundärsedimenteringstankar används i allmänhet. Den erforderliga reningsvolymen per invånare är cirka 1 m³ (SANIMAS 2005). Oxidationsdiken lämpar sig för områden där tillgången på mark är stor. De har fördelen att de är relativt lätta att underhålla och är motståndskraftiga mot chockbelastningar som ofta förekommer i mindre samhällen (t.ex. vid frukosttid och på kvällen). Den typiska hydrauliska retentionstiden är mellan 24 och 48 timmar med en slamålder på 12 till 20 dagar (Wikipedia 2010). För mer information om oxidationsdiken hänvisas till U.S. EPA (2000), WSP (2007) eller WSP (2008).
Djupa schakt
När det är ont om mark kan avloppsvatten behandlas genom att syre injiceras i en tryckt returslamström som injiceras i botten av en djup kolonnformad tank som är nedgrävd i marken. Denna typ av aktivslamreaktor kallas djupschakt. Sådana schakt kan vara upp till 100 meter djupa. När avloppsvattnet stiger uppåt bryts det syre som tvingas in i lösningen genom trycket i botten av schaktet ut som molekylärt syre. Detta ger en mycket effektiv syrekälla för mikroorganismerna i det aktiverade slammet. Det stigande syret och det injicerade returslammet utgör den fysiska mekanismen för blandning. Det blandade slammet och inflödet av avloppsvatten dekanteras vid ytan och separeras i supernatant- och slamkomponenter. Effektiviteten hos behandling i djupa schakt kan vara hög, men de kräver kvalificerad personal för konstruktion, drift och underhåll; och dessutom en stor mängd energi (anpassad från Wikipedia (2012)).
.