ARP anlæg på Bjergmarke RA

ARP anlæg på Bjergmarke RA Driftserfaringer fra ARP drift 2007-2008 Artiklen er skrevet af René Jakobsen, Bjegmarken renseanlæg og Gert Petersen, EnviDan INDLEDNING Denne artikel omhandler anvendelsen af en ny banebrydende proces indenfor spildevandsrensning: ARP konceptet. ARP er en forkortelse for Aktiv Returslam Proces, som er udviklet af EnviDan gennem de sidste 8 år til forøgelse af anlægskapaciteten, stofmæssigt og hydraulisk, uden behov for anlægs-udvidelser af det aktive slamvolumen eller behov for større overflader på efterklaringstanke. ARP processen er baseret på en forbedret procesmæssig udnyttelse af slamhydrolyseprocessen, der er en essentiel proces i omsætning af organisk stof i et renseanlæg. ARP processen kan anvendes til mange formål: Til forbedring af eksisterende efterklaringstankes hydrauliske kapacitet Til forbedring af eksisterende aktive slamanlægs stofmæssige kapacitet Til forbedring af biologisk fosforfjernelse Til reduktion af overskudsslamproduktionen Til effektiv behandling af kvælstof fra rejektvand Man kan, afhængigt af procesreguleringen af ARP-anlægget og slamkoncentrationen i ARP anlægget og det aktive slamanlæg, favorisere nogle af de mulige anvendelser frem for andre. Artiklen vil fokusere på ARP anvendelsen på Bjermarken Renseanlæg i Roskilde, hvor hovedformålet var en stofmæssig kapacitetsudvidelse, men som en bieffekt er reduktionen af slamtørstofproduktionen blevet en væsentlig økonomisk parameter. Ved brug af ARP anlægget kan man, med den forøgede slamalder, minimere overskudsslam-produktionen på Bjergmarkens renseanlæg, og undgå en investering i en forøgelse af kapaciteten på det eksisterende slamtørreanlæg på Bjergmarken. Spildevand 100% COD Overskudsslam 45% COD Figur 1. Slamhydrolyseprocessen i et aktiv slamanlæg. Adsorption af COD på Aktiv slam Dette var, før brug af ARP anlægget, en nødvendighed i fremtiden, når man centraliserer den fremtidige behandling af overskudsslam fra alle renseanlæg i den nye storkommune på Bjerg-markens renseanlæg. SLAMHYDROLYSEPROCESSEN Biologisk rensning af spildevand er baseret på få (men komplicerede) enhedsoperationer: Omsætning af organisk stof (COD, BOD, SS) til biologisk slam, kuldioxid og vand, ved bug af ilt eller nitrat Omsætning af ammonium-n til nitrat-n med ilt og reduktion til frit kvælstof med forbrug af kulstof (nitrifikation + denitrifikation) Omsætning af fosfor (fosforakkumulering i slam) ved biologisk fosforfjernelse Alle disse processer er afhængige af en effektiv hydrolyseproces i det aktive slam, hvor partikulært og kolloidt organisk stof adsorberes på det aktive slam, omsættes via hydrolyseprocessen til opløst COD, ammonium-n og fosfat-p. Efter hydrolysen kan bakterierne i det aktive slamanlæg omdanne disse stoffer til vand, kuldioxid og frit kvælstof, med en produktion af slam, som igen kan hydrolyseres. Som det ses på Figur 1, er mere end halvdelen af COD i spildevandet afhængig af hydrolyse-processen, før man kan omsætte COD med ilt eller nitrat i løbet af den anvendte slamalder i anlægget. Hydrolysen er en langsom, men stabil proces, og hvis man styrer denne proces optimalt, kan man forbedre udnyttelsen af det tilgængelige COD. Hydrolyseprocessens effektivitet er proportional med tørstofindholdet i det aktive slamanlæg, og det er denne effekt der udnyttes til procesoptimering. HVAD GÅR ARP KONCEPTET UD PÅ? Hydrolyse af COD 55% COD Ilt og nitrat Stofomsætning af COD med ilt og nitrat til CO 2, H 2 O og N 2 Kort fortalt er ARP konceptet en omlægning af væsentlige dele af COD omsætningen i renseanlægget til en del af anlægget, hvor de biologiske processer kan udføres ved en højere slamkoncentration (returslam tørstofkoncentration), hvorved effektiviteten beregnet som omsat stof pr. m 3 anlæg, forøges proportionalt med slamkoncentrationen. Afhængigt af den aktuelle udformning af efterklaringstanken og strategien for returslamsflow i forhold til indløbsflow, kan man forøge 20

slamindholdet i ARP tanken (kg SS/m 3 ) med 2-4 gange indholdet i det aktive slamanlæg. COD omsættes med en ensartet hastighed i løbet af slammets opholdstid i renseanlægget (slamalderen). Dette skyldes, at den hastighedsbegrænsende proces for omsætning af COD netop er hydrolysehastigheden. Ved brug af ARP konceptet kan man flytte væsentlige dele af COD omsætningen fra det oprindelige renseanlæg til en særskilt del af anlægget, hvor der kun tilføres returslam fra efterklaringstanken med højt tørstofindhold. Da den overvejende del af COD nedbrydningen følger slamtørstoffet i renseanlægget, vil volumenkapaciteten i ARP anlægsdelen (kg COD omsat/dag) derfor blive forøget væsentligt i forhold til kapaciteten af et konventionelt aktiv slamanlæg. Ikke kun partikulært COD fra indløbet, men også den overvejende del af det opløste COD fra indløbet akkumuleres på eller i det aktive slamtørstof ved kontakt med returslammet. Ved denne proces oplagres væsentlige dele af det opløste COD i bakterierne i det aktive slam. I praksis er kapaciteten af et renseanlæg knyttet til anlæggets tørstofindhold, idet 85-90% af iltforbruget er knyttet til CODomsætningen. En væsentlig del af kvælstofomsætningen foregår ligeledes i ARP tanken, idet tanken drives procesmæssigt med alternerende aerobe og anoxiske forhold. Dette skyldes igen slamhydrolyseprocessen, hvor ammonium- N frigives fra slammet ved hydrolysen, med et COD/N forhold på 11,4 g COD hydrolyseret/g N hydrolyseret. Med brug af den alternerende drift med og uden beluftning opnås derved en kvælstoffjernelse svarende til den hydrolyserede kvælstofmængde. I perioderne uden beluftning vil man kunne producere letomsætteligt organisk stof til brug for optimering af den biologiske fosforfjernelse og forbedring af kvælstoffjernelsen i hovedanlægget. PRAKTISK UDNYTTELSE AF ARP KONCEPTET ARP konceptet, som kan bruges til forbedring af hydraulisk kapacitet, stofbelastningskapacitet og optimering af biologisk fosforfjernelse, er en del af EnviDans integrerede styringskoncept til optimering af aktive slamanlæg, som ses på Figur 2. ARP Spildevands COD Returslam EnviStyr SSH EKT Figur 2. Udnyttelse af hydrolyseprocessen med ARP, SSH og EnviStyr. w w w. e n v i d a n s e r v i c e. d k Så er den her! Hiller DecaPress centrifuge til slamafvanding EnviDan Service har nu overtaget eneforhandlingen af produkter fra det tyske firma Hiller til spildevandssektoren i Danmark. Derfor tilbyder vi nu vores kunder en første klasses centrifuge til slamafvanding, som med sikkerhed lever op til dine forventninger. Hiller DecaPress har en meget høj centrifugalkraft, alt efter tromlens diameter og omløbstal, hvilket resulterer i en høj og pålidelig tørstofprocent. Samtidig er DecaPress en fuldautomatisk maskine med HMR/BMR 5000 styring, som gør den enkel og nem at betjene. Endelig er energiforbruget lavt i forhold til mange tilsvarende produkter. Hiller DecaPress sætter standarden for nye slamafvandingsmaskiner i dag, så kontakt EnviDan Service på 86 80 63 44 for yderligere information eller se vores nye flotte og brugervenlige hjemmeside www.envidanservice.dk, hvor du også finder en oversigt over alle vores andre kvalitetsprodukter. EnviDan Service A/S Vejlsøvej 23 8600 Silkeborg Tlf.: 86 80 63 44 21

ARP: Aktiv Returslam Proces (beluftning/omrøring N/DN) ARP er implementeret på mere end 20 anlæg i udlandet og der er projekter for 13 anlæg i Danmark, hvoraf 6 er udført i 2008. SSH: Sidestrøms SlamHydrolyse (anaerob proces). Denne proces udnyttes nu i 46 fuldskalaanvendelser i Danmark og i 12 anlæg i udlandet. EnviStyr: Avanceret Online Styring (processtyring af renseanlæg) EnviStyr konceptet er implementeret på mere end 20 anlæg i Danmark. EnviStyr er et standardiseret, modulopbygget styringskoncept for drift af aktive slamanlæg, med moduler for biologisk kvælstoffjernelse, biologisk fosforfjernelse, kemisk fosforfjernelse, dosering af eksternt kulstof og returslamsstyring til forbedring af den hydrauliske kapacitet. Konceptet sikrer en optimal energibesparelse, minimerer kemikaliebehovet og slamproduktionen og sikrer en stabil afløbskvalitet under alle driftsforhold. Styringskonceptet anvender målesignaler for Ammonium-N, Nitrat-N, Fosfat-P, ilt, flow af tilløb og returslam, samt SS i aktiv slam og returslam. Ved procesmæssig kontrol kan den biologiske fosforfjernelse, SSH, integreres i ARP anlægsdelen, og avanceret onlinestyring af næringssaltfjernelsen i hovedanlægget kan forløbe uændret og forstyrres ikke af ARP processen. I ARP anlægsdelen fås den meget høje stofmæssige omsætning, der kan udnyttes med tre forskellige formål: 1. Til sænkning af slamtørstofindholdet i resten af renseanlægget. Dette giver en forhøjet hydraulisk kapacitet af efterklaringstanken, da man sænker slamtørstofbelastningen på klaringstanken. ARP konceptet er, med denne anvendelse, en permanent regnstyringsmetode, der ikke kræver forvarsel for regn, eller procesmæssige omstillinger ved højt flow. 2. Til forøgelse af den stofmæssige kapacitet i anlægget på grund af en forøget slammasse i renseanlægget. 3. Til forøgelse af den totale slamalder i eksisterende anlægsdele, men med uforandret anlægsbelastning af anlægget. Den sidste anvendelsesmulighed giver en formindsket overskudsslamproduktion ved uændret anlægsbelastning på grund af den forøgede slamalder. FULDSKALAANLÆG, MED ARP FØRSTE ANVENDELSER MED FORØGET STOFMÆSSIG OMSÆTNING, REF/3/ Processen er benyttet siden 1995 i Tjekkiet med mere end 20 fuldskalareferenceanlæg, bl.a. på centralrenseanlægget i Prag (1.5 mio.pe). Hovedformålet med de tjekkiske anvendelser af ARP er en forbedring af omsætningen af kvælstof fra rejektvand fra rådnetanke i ARP tanken (Bioaugmentation). Rejektvandet tilsættes returslammet i en ARP tank, hvorved effektiviteten af nitrifikationen af kvælstof forøges, proportionalt med tørstofkoncentrationen i returslammet. I alle de tjekkiske anvendelser har man anvendt 100% beluftningstid af ARP anlægget, og man har aldrig udnyttet konceptet til forøget hydraulisk kapacitet af eksisterende efterklaringstanke. DANSKE ARP REFERENCER, REF /1/ OG /2/ Udnyttelsen af ARP konceptet til kombineret stofmæssig og hydraulisk kapacitetsforøgelse er udviklet i EnviDan i perioden 2001-2008, og anvendelsen til formindsket slamproduktion er udviklet i perioden 2007-2008. (Se skema herunder). Aktiv Returslam Proces (ARP) referencer, 2008 EnviDans fuldskala referencer for ARP processen MEDZEV renseanlæg, Slovakiet, 9000 PE, 2002 RAFEY renseanlæg, Dom. Rep., 260.000 PE, 2005 BJERGMARKEN, DK, Pilotforsøg, 2006 BJERGMARKEN, DK, 125.000 PE, 2007 NYKØBING FALSTER, DK, 50.000 PE, 2007 MOU renseanlæg, DK, 2.000 PE 2007 Nye projekter og projektforslag GLINA renseanlæg, Rumænien, 1.3 mio.pe, 2009 ØRBÆK renseanlæg, 25.000 PE, 2009 LUNDERSKOV renseanlæg, 7.500 PE, 2009 ØLSTED renseanlæg, 2.500 PE, 2009 HILLERØD renseanlæg, 80.000 PE, 2010 NÆSTVED renseanlæg, 100.000 PE Kapacitetsbehov. Forbedret hydraulisk kapacitet. 22

BJERGMARKEN, ARP I FULDSKALA ANVENDELSE PT01 volumen (ARP)= 1.990 m 3, 17 kg SS/m 3 33,8 t TS i ARP Der vil derfor være 24% mere kapacitet i en konfiguration MED ARP i forhold til situationen UDEN, eller svarende til en ekstra middelkapacitet på 23.000 PE. Ved beregningerne er anvendt en total slamalder på 27 døgn i aktiv slamanlægget, og en total slamalder i AS+ARP systemet på 33,5 døgn i vintersituationen. REEL DRIFT 2007/2008 AF ARP TANKEN COD, N og P analyser Data til beregningerne er hentet fra følgende kilder: Egenanalyser fra Bjergmarken driftslaboratorium og officielle analyser (alle flowproportionale analyser), i alt 21 officielle og 244 egenanalyser udført i perioden. 7.2.2 Belastningsoversigt Figur 3. Bjergmarken renseanlæg med ARP anlæg. DRIFTSRESULTATER BJERGMARKEN RENSEANLÆG, 2007-2008 FORUDSÆTNINGERNE FOR DRIFT MED ARP Forudsætningen i 2005/2006 ved dimensioneringen af ARP anlægget var at slamkoncentration i returslammet lå i området 16-18 kg SS/m 3 og med en vinterkoncentration i det aktive slam på 6,5 kg SS/m 3 (svarende til den nødvendige slamkoncentration ved 7 o C i renseanlægget og ved en middelbelastning på 96.000 PE). Bjergmarken er et alternerende anlæg med klassisk anaerob kontakttank (spildevand + returslam blandes før biologisk behandling), og anlægget har 6 procestanke (3 sæt alternerende tanke) LT01-06. På Bjergmarken renseanlæg er en forklaringstank anvendt til ARP tank (PT01). Aktiv slamvolumen (AS) i LT01-06= 21.900 m 3, 6,5 kg SS/m 3 142,4 t TS i AS Periode Kg COD/dag Kg N/dag Kg P/dag 2006 12107 843 163,5 2007 12525 849 163,7 2008 (1.kvartal) 13183 852 160,4 Hele perioden 12433 846 163,2 Tabel 1. Anlægsbelastning, Bjergmarken 2006-2008. Anlægsbelastningen svarer til ca. 96.000 PE (COD), 70.500 PE (N) og 65.000 PE (P). 7.2.3 Slammængder, før og efter rådnetank Der er beregnet slammængder før og efter rådnetank i 2006, 1. og 4. kvartal 2007, samt i perioden 1/1-10/3 2008. Slammængden FØR rådnetank (kg TS/uge) er beregnet som slammængde EFTER rådnetank (kg TS/uge) + 1,15*produceret biogasmængde i m 3 /uge. 1 m 3 biogas produceret (65% metan) svarer til 1,15 kg TS fjernet fra slammet. Det ses. At der er sket en kraftig tørstofreduktion i det sidste halve år, FØR rådnetankssystemet, på 5-12% i forhold til 1.kvartal 2007, og på 10-15% i forhold til hele 2006. Dette svarer til en daglig reduktion i tørstof til rådnetanken på mellem 250 og 550 kg TS/dag efter opstart af ARP anlægget, hvilket passer godt overens med den ekstra forbrugte energimængde til de 2 ARP rotorer. Periode m 3 slam/uge Kg TS/uge Kg TS/uge BIOGAS Spec.BIOGAS til RT FØR RT EFTER RT m 3 /uge m 3 /kg TS til RT 2006 740 36787 24433 10743 0,292 1.kv. 2007 748 34900 24111 9382 0,271 4.kv. 2007 722 33329 21760 10059 0,302 1.kv. 2008 557 31050 20340 9316 0,300 Tabel 1. Massebalancer for slam, Bjergmarken 2006-2008. 23

Bjergmarken Energiforbrug ARP 1600 1400 1200 1000 kwh/dag 800 600 400 200 0 15-09-07 04-11-07 24-12-07 12-02-08 02-04-08 22-05-08 11-07-08 kwh/dag rotorer Totalt energiforbrug kwh/dag FIGUR 4. Rotorenergiforbrug 2007-2008. Denne tørstofreduktion før rådnetankssystemet er sket på trods af en ensartet belastning i hele perioden. Tilsvarende tal for udrådnet slam er 10-15% mindre slam i forhold til 1. kvartal 2007 og 11-17% mindre i forhold til hele 2006, og den marginalt ekstra reduktion kan skyldes den ekstra opholdstid i rådnetankene på grund af den mindre tilførte slammængde. 7.2.4 Reel drift af ARP anlægget 2007-2008 I forhold til forudsætningerne, er der følgende afvigelser ved driften med ARP tanken: Slamkoncentrationen i returslammet har været meget høj i hele driftsperioden, 23-25 kg SS/m 3. Dette betyder, at den totale slamalder i AS+ARP har været meget høj: Slamproduktion før rådnetank 4. kvartal 2007= 4761 kg TS/ dag total slamalder i hele anlægget (AS+ARP) = 40 dage. Aktiv slamvolumen (AS) i LT01-06= 21.900 m 3, 6,5 kg SS/m 3 142,4 t TS i AS PT01 volumen (ARP)= 1.990 m 3, 24 kg SS/m 3 47,8 t TS i ARP Total slammængde AS+ARP = 190,2 t TS omvendt kan man favorisere produktion af letomsætteligt COD ved mindre driftstid af rotorerne. 8.1 TEORETISK MASSEBALANCE AF COD OG N OVER EN ARP TANK Nu gælder det om at holde på hat og briller, for nu går kemiingeniøren i total selvsving! Rotorerne har i sidste halvår 2007, stort set kørt 50% af tiden uden stop, hvilket svarer til en tilført iltmængde på 2*48*12 kg ilt/døgn (SOR), eller en optaget iltmængde på 910 kg ilt/ døgn (AOR, som er det aktuelle iltforbrug). Alfa-værdien er sat til 0,9. Iltforbruget svarer til fjernelse af COD og ammonium-n fra det hydrolyserede organiske stof, der produceres fra slammet, og som kan beskrives på følgende måde. Først hydrolyseres slam-cod til letomsætteligt organisk stof og ammonium-n: C 5 H 7 NO 2 + 3 H 2 O 2,5 CH 3 COOH + NH 3 Derefter fjernes det hydrolyserede COD og ammonium-n med ilt: 2,5 CH 3 COOH + NH 3 + 5,75 O 2 5 CO 2 + 0,5 N 2 + 6,5 H 2 O 8 REGISTRERET KWH FORBRUG ARP Ved brug af ARP-tanken kan man styre slamminimeringsprocessen ved at ændre rotordriften. Ved stor % rotortid vil man kunne fjerne mere tørstof, og Dvs at 184 kg ilt fjerner 160 kg COD og 14 kg N (Aktuelt iltforbrug). Fjernelsesgrader: 0,87 kg COD fjernet/kg ilt forbrugt (ARP) 24

0,0761 kg N fjernet/kg ilt forbrugt (ARP) 1 kg COD tilført et aktiv slam anlæg forbruger 0,5 kg ilt (0,5 kg COD fjernet) og producerer 0,45 kg slam-ss, og 0,05 kg COD går i udløb. Dvs 1PE(COD) (130 g COD/dag) 0,065 kg ilt forbrugt til COD-fjernelse. 1 kg N tilført et aktiv slam anlæg (COD/N = 12) forbruger netto 0,9 kg ilt (0,38 kg indbygges i aktiv slam, 0,1 kg går i udløb og resten fjernes, 0,52 kg N nitrificeres/denitrificeres) Dvs 1PE(N) (12 g N/dag) 0,011 kg ilt forbrugt til N-fjernelse, og 0,00624 kg N fjernes. ARP anlægget kan, ved 50% beluftningstid og den nuværende driftsform med tykt returslam, med de givne beluftere i alt fjerne 910*0,87= 792 kg COD/dag, svarende til en PE(COD) reduktion på 12.200 PE og tilsvarende fjernes 910*0,0761= 69,3 kg N/dag, svarende til en PE(N) reduktion på 11.100 PE. Hvis det antages, at alt hydrolyseret slam-cod er protein = bakterier, vil man da kunne fjerne 113 kg protein med 184 kg ilt.(0,614 kg TS/kg ilt). ARP tanken reducerer altså tørstoffet i slammet med overslagsmæssigt 559 kg TS/dag, og reduktionen er udelukkende begrænset af rotorernes kapacitet, da der er opløst COD tilbage i afløbet fra ARP tanken udover den fjernede CODmængde. Fjernelsen af tørstoffet sker ved brug af elektricitet. Effektiviteten af rotorer er ca. 1,8 kg ilt/kwh (SOR), svarende til et energiforbrug på 640 kwh/dag for de to rotorer. Stofreduktionen bliver da 640 kwh/559 kg TS = 1,145 kwh/ kg TS = 0,82 kr/kg TS. Dette er en betydelig besparelse i forhold til prisen ved tørring af slam, som ligger i området 2,5-3,5 kr/kg TS. Derudover vil det give en tilsvarende større reservekapacitet på det eksisterende tørreanlæg. og dermed forøge stofomsætningen betydeligt. Ønsker man høj hydraulisk kapacitet kan man sænke tørstofindholdet i resten af det aktive slamanlæg væsentligt i forhold til den normale drift. Hvis man har behov for udvidet organisk kapacitet, kan man øge slamindholdet i det aktive slamanlæg. 11 REFERENCER Ref./1/ Bernard, J.L. et al., Key features of successful BNR operation. Wat.Sci.Tech., VOL 53,No.12, pp 1-9 Ref./2/ Vollertsen, J. et al., Hydrolysis and fermentation of activated sludge to enhance biological phosphorus removal Wat.Sci.Tech., VOL 53,No.12, pp 55-64 Ref./3/ Krhutková, O. et al., In situ bioaugmentation of nitrification in the regeneration zone: Practical application and experiences at full-scale plants, Wat.Sci.Tech., VOL 53,No.12, pp 33-49. 9 KONKLUSION, REELLE BESPARELSER Ved at sammenholde slamproduktionen i 1. kvartal 2007, med slamproduktionen i 4.kvartal 2007 + 1. kvartal 2008 kan man se en reduktion af slammængden til rådnetanken på 387 kg TS/dag og til tørreren på 440 kg TS/dag. Denne tørstofreduktion fås ved et energiforbrug på 640 kwh/ dag, svarende til en udgift på 1,65 kwh/kg TS reduceret før RT (1,18 kr/kg TS reduceret). Den mindre effektivitet kan henføres til slamkoncentrationen i ARP-anlægget i forsøgsperioden. Højt tørstofindhold kan sænke belufternes effektivitet (alfaværdi), hvorved energieffektiviteten sænkes tilsvarende. På trods af dette forhold har man kunnet fjerne1 kg tørstof fra det aktive slamanlæg for en pris på 33-50% af behandlingsprisen på tørreanlægget. 10 MASSEBALANCE FOR HELE BJERGMARKEN Med ARP anlægget har driftspersonalet nu endnu et proceshåndtag med mange muligheder. Ønsker man lav slamproduktion kan man forøge den totale slamalder i anlægget, eller forøge andelen af beluftningstid 25