DW BIOFILTERS: Hvordan fungerer de mikrobiologiske processer i sandfiltre i drikkevandsbehandling? Hans-Jørgen Albrechtsen, Arda Gülay, Carson Lee, Karolina Tatari, Katie Lin, Sanin Musovic, Phillip J. Binning, Barth F. Smets, Rasmus Boe-Hansen, Peter Borch Nielsen DANSK VAND KONFERENCE 213 19-2. November 213 Radisson Blu Scandinavia Hotel, Aarhus
DW Biofilters Sustainable drinking water treatment biological filter De rigtige mikroorganismer for optimal drift af biologiske hurtig sandfiltre Hvem er der brug for? Er de rigtige tilstede? Er de OK? Har de udækkede behov? Kan vi forudsige deres opførsel?
(Biologiske) Processer i hurtig sandfiltre CH 4 + O 2 CO 2 + 2H 2 O H 2 S + O 2 SO 2-4 + 2H+ Fe 2+ +.25 O 2 + 2.5 H 2 O Fe(OH) 3 + 2H + NH + 4 + 2 O 2 NO - 3 + H 2 O + 2H + Mn 2+ +.5 O 2 + H 2 O MnO 2 + 2H + CH 2 O (AOC) + O 2 CO 2 + H 2 O Xenobiotics (e.g. pesticides) + O 2 CO 2
Nitrifikation NH 4 AOBs NO 2 NOBs NO 3.5 mg/l.1 mg/l 5 mg/l
Kontinuert monitoring - men ind - ud
Dybdeprofiler
Depth (cm) Dybdeprofiler.13 mg/l NH 4+ -N NH4 + -N (mg/l)..4.8.12.16. 1 2 3 4 5 6 Filter depth (m).1.2.3 7.4.5.6.7 < D.L. NH 4+ -N
Laboratorieskala kolonner
Laboratorieskala kolonner 1*Increase 5*Increase Steady-statestate 2.5*Increase Influent NH 4 + loading rate Effluent NH 4 + (mg/ L) 1..8.6.4.2. 24 NH4 + effluent NH4 + loading rate 25 48 49 5 51 72 73 74 75 96 168 169 17 171 172 173 192 193 14 12 1 8 6 4 2 Volumetric loading rate (g NH 4 + -N/ m 3 packed sand/ h) Time (h) Tatari K., Smets B., Albrechtsen H.-J. A novel bench-scale column assay to investigate site-specific nitrification biokinetics in biological rapid sand filters. Water Research, 213. 47(16): p. 638-6387.
Ammoniumfjernelse i filtre med forskellig effektivitet Udløbskoncentration Islevbro WW2 - Østlinie WW2 - Vestlinie Removal rate Effluent NH4 + - N (mg/ L) (g NH4 + -N/ m 3 sand/ d) 1. 1. 1..8.8.8.6.6.6.4.4.4.2.2.2... 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 Loading rate (g NH4 + - N/m 3 sand/ d) Loading rate (g NH4 + - N/m 3 sand/ d) Loading rate (g NH4 + - N/m 3 sand/ d) 3-1 -1 cm cm 3 3 2-3 2-3 cm cm 35-5 35-5 cm cm Influent 2 2 2 1 1 1 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 Loading rate (g NH4 + - N/ m 3 sand/ d) Loading rate (g NH4 + - N/ m 3 sand/ d) Loading rate (g NH4 + - N/ m 3 sand/ d)
Bakterier NOB s AOB s Totalt antal bakterier
Celle-specifik aktivitet Cell specific activity(g NH4 + -N/cell/d) 1.6x1-11 1.2x1-11 8.x1-12 4.x1-12 -1 cm 2-3 cm 2-35 cm Increase 6.4 times 1.6x1-11 1.2x1-11 Increase 2.3 times 8.x1-12 4.x1-12 36 9 181 342 35 88 175 35 1.6x1-11 1.2x1-11 8.x1-12 No increase 4.x1-12 35 88 175 35 Loading rate (g NH4 + -N/m 3 /d) Loading rate (g NH4 + -N/m 3 /d) Loading rate (g NH4 + -N/m 3 /d)
Pilotskala kolonner
Ammoniumfjernelse - load og flowrate 4. NH 4 -N load removed [g NH 4 -N m -3 h -1 ] 3.5 3. 2.5 2. 1.5 1..5 1:1 removal Nitrification capacity of the filter 3.9 m h -1 7.8 m h -1. 2 4 6 8 1 12 Volumetric NH 4 -N loading rate [g NH 4 -N m -3 h -1 ] NH 4 -fjernelse er en funktion af loading rate - hverken indløbskoncentration eller flowrate alene
Kontinuert forhøjet NH 4 load (1 mg/l) 6.5 NH 4 removal rate Ammonium fjernelse øges Total nitritfjernelse øges, men udløbskoncentration af nitrit øges også Volumetric removal rate [g N m -3 h -1 ] 5 4 3 2 1 NO 2 removal rate Eff. NO 2 5 1 15 2.4.3.2.1. Effluent NO 2 -N [mg L -1 ] Days after start
Kontinuert forhøjet NH 4 load 2 23 days 2 Start After 23 days Depth [cm] 4 6 Start Depth [cm] 4 6 8 8 1..2.4.6.8 1. NH 4 -N [mg L -1 ] 1 8e+6 1e+8 2e+8 3e+8 4e+8 AOB [cell copies per gram dww sand]
Tilsætning af PO 4 Effekt på NH 4 -fjernelse ved forøget NH 4 - tilsætning Hurtig forøgelse af raten ved tilsætning af PO 4 Øjeblikkeligt respons Over tid samme opnås samme rate uden PO 4 - tilsætning Volumetric removal rate [g NH 4 -N m -3 h -1 ] 5. 4.5 4. 3.5 3. 2.5 2. 1.5 No PO 4 addition PO 4 addition 1. 5 1 15 2 Days after start
Hvorfor stratificering? Islevbro fuldskala NH4 + -N (mg/l)..4.8.12.16. Filter depth (m).1.2.3.4
Hvorfor stratificering? Islevbro fuldskala NH4 + -N (mg/l)..4.8.12.16. Filter depth (m).1.2.3.4 Marbjerg fuldskala
Stratificering Removal rate g NH 4 + -N/m 3 /d 12 1 8 6 4 2 Nitrifikationsrate Applied loading rate 35 g NH4 + -N/m 3 /d Applied loading rate 35 g NH4 + -N/m 3 /d 57 1 389 456 Mass coating Kg/m 3 Calculated biologically available surface area (m 2 /m 3 ) Overfladeareal af sand 1.2x1 4 5x1 7 BET specific surface area (m 2 /m 3 ) Calculated specific surface area (m 2 /m 3 ) 1 4 4x1 7 8.x1 3 3x1 7 6.x1 3 2x1 7 4.x1 3 1 7 2.x1 3 57 1 389 456 Mass coating (kg/m 3 ) BET estimated surface area (m 2 /m 3 )
Porestruktur af sandkorn fra toplag 5 µm 2 µm Små porer (1-4 µm) homogen fordeling Ingen store og dybe revner 3 µm
Pore structure of sand grains from top layer Pictures from Scanning Electron Microscope (SEM) with high vacuum. 5 µm 2 µm 3 µm Mineral coatings are mainly composed of small pores (1-4 µm), which are homogeneously distributed inside the mineral coatings. Deep and big cracks were not detected. Structures, like organic remainings, were observed inside the pores and speculated as encrusted cells and bioproducts.
Konklusion Værktøjskasse dybdeprofil i fuldskalafiltre ratebestemmelse, aktive lag pilotskala kolonner manipulation, optimering laboratoriekolonner dybdespecifikke undersøgelser kvantificering af specifikke aktive bakterier Load (= C x Q), styrer hastigheden ikke flow eller koncentration alene Øget NH 4 load øget fjernelseshastighed, flere nitrificerende bakterier pas på nitritkoncentration i udløb P tilsætning Stratificering mineral coating og specifikke overfladeareal vigtigt
Mere info www.dwbiofilters.dk