Change search
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf
Kemisk fällning av fosfor med tvåvärt järn i kombination med aktivslam eller membranbioreaktor
KTH, School of Chemical Science and Engineering (CHE).
2017 (Swedish)Independent thesis Basic level (professional degree), 10 credits / 15 HE creditsStudent thesisAlternative title
Chemical precipitation of phosphorus with ferrous iron in activated sludge or membrane bioreactor (English)
Abstract [sv]

Stockholm Vatten AB (SVAB) behöver utöka kapaciteten på avloppsreningsverket i

Henriksdal. Därför kommer en membranbioreaktor (MBR) att implementeras i dagens

befintliga aktivslamanläggning. Den nya anläggningen dimensioneras för att kunna hantera

det förväntade flödet år 2040. Det framtida verket kommer dessutom behöva rena

avloppsvatten som i dagsläget behandlas i verket i Bromma. Ytterligare förväntas

utsläppskraven för fosfor (P), kväve (N) och organiskt material (BOD7) att skärpas.

 

För närvarande bedriver SVAB i samarbete med IVL (Svenska miljöinstitutet) en

pilotanläggning i Sjöstadsverket för att undersöka hur tekniken effektivt kan implementeras i

Henriksdal. En stor utmaning för att optimera driften är reningsprocessen av fosfor. Som

alternativ till efterfällning av fosfor önskar Henriksdal att simultanfälla fosfor med tvåvärt

järn (Fe2+) i MBR:en.

 

I följande arbete utreds hur kemisk fällning av fosfor med Fe2+ fungerar i kombination med

aktivslam och mer specifikt, med MBR. Syftet med arbetet är att bidra med kunskap till

fortsatta studier i Sjöstadsverket inför implementeringen av MBR i Henriksdal. Arbetet

utreder delar inom den kunskap och forskning som finns gällande området idag och

identifierar kunskapsluckor inom studiet. Fokus har bland annat legat på att beskriva;

mekanismer och reaktionskinetik; utreda vilka parametrar som styr utfällningen; hur slammet

och den biologiska aktiviteten påverkas; samt hur dosering av järn inverkar på MBR.

 

Få studier har gjorts inom området och i många fall varierar resultaten studierna emellan.

Detta beror sannolikt på två faktorer: 1) Vattenmatrisen i avloppsvattnet är komplex. 2)

Avloppsvattnets innehåll kan variera mycket.

 

Exakta reaktioner och mekanismer för hur fosfor avskiljs med järn(II)dosering är ännu inte

fullständigt klarlagt. En stor del av Fe2+ som tillsätts kommer att oxideras till trevärt järn

(Fe3+). Oxidationshastigheten av Fe2+ styrs främst av pH och syretillgänglighet i vatten och

hastigheten varierar kraftigt med avseende på dessa parametrar. Fe2+ kan även oxideras

biologiskt under anoxiska förhållanden av denitrifierare. Fosfor avskiljas i sin tur antingen

direkt genom utfällning med Fe2+ eller Fe3+, eller genom adsorption till järnhydroxider.

 

Järn(II)dosering inverkar på slammets morfologi, sedimenteringsindex, storlek och stabilitet.

Dosering med Fe2+ ger kompakta flockar med släta och täta ytor samt få utstickande filament.

Fe2+ kan inverka på den biologiska aktiviteten i slammet, men där finns bevis gällande både

en synergistisk inverkan och en reducerande effekt.

 

Generellt rekommenderas att molförhållanden över 2, Fe2+:P används för att uppnå tillräcklig

avskiljning av fosfor i aktivslam. Liknande molförhållande tycks rekommenderas i MBR.

Utöver doseringshalt kan även doseringspunkt inverka på både avskiljningsgraden av fosfor

och nedsmutsningen av membranen.

 

I studien sammanställdes även en massbalans av flödet och järn i MBR-linjen i

Sjöstadsverket. Ytterligare gjordes analyser på vattnet för att undersöka förhållandet

 

Vid massbalansen uppmärksammades att avskiljningen av fosfor är låg i förluftning (FL) och

försedimentering (FS). Avskiljningsgraden låg under vad som förväntades (uppmätt 18 %,

förväntad 50 %). Den låga avskiljningsgraden beror sannolikt på att FL och Fs är

förhållandevis små. I MBR erhölls ett 40 % större uttag av järn jämfört med inkommande halt

järn till MBR. Det bör kunna förklaras av att järnhalten i slammet under denna period var

ovanligt hög.

 

Förhållandet mellan fria Fe2+- och Fe3+-joner analyserades i tvåpunkter, efter FL (mätpunkt 1)

och efter FS (mätpunkt 2). I mätpunkt 1 hade 80 % av järnjonerna fällt ut och ca 60 %

oxiderat till trevärt järn. Uppehållstiden i FL är ca 13 min.

 

pH mättes i hela MBR-reningslinjen. I FL och FS låg pH kring ungefär 7,5 och i MBR-reaktorerna låg pH omkring 6,5. Det förenklade hastighetsuttrycket för oxidation av järn vid

syrerika förhållanden d[Fe (II)]/dt = -k􁇱[Fe(II)] användes för att beräkna den teoretiska

halveringstiden (t1/2) av Fe2+. t1/2 i FL beräknades till 13 min, i FS till 22 min och i MBR-reaktorerna till omkring 2 h. Den teoretiska t1/2 stämmer relativt bra överens med vad som

uppmättes vid analys av Fe2+: Fe3+. Den slutsats som kan dras är att sannolikt så kommer mer

av järnet att fälla ut i sin trevärda form då järnet doseras i FL och FS, än då järnet doseras i de

luftade biologiska reaktorerna.

 

Sammanfattningsvis, finns få studier som utreder processen för utfällning av fosfor med Fe(II)

i aktivslam eller MBR. Kunskapen inom området är begränsad och det finns ännu många

kunskapsluckor som behöver täckas. På grund av avloppsvattnets komplexitet räcker inte

teoretisk kunskap för en effektiv implementering av MBR.

Abstract [en]

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 Sjöstadsverket. 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 WWTP’s.

 

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 outgoing flow of iron was 40 % larger than the

incoming flow. During the examined weeks the iron concentration in the sludge was higher

than usually. Probably iron had been accumulated in the sludge the weeks before.

 

The ratio between Fe2+-ions and Fe3+-ions was analyzed in two points, in the flow following

the PA respectively the flow following the PS. In the PA 80 % of the ions had precipitated

and 60 % of the free irons had been oxidized to Fe3+.

 

pH was measured in each reactor of the pilot plant. In the PA and the PS the pH was about

7.5, while in the MBR-reactors the pH was around 6.5. The theoretical half-life (t1/2) of Fe2+

was calculated from a simplified rate reaction expression for oxidation of Fe2+ in aerated

waters. t1/2 in the PA was around 13 minutes, in the PS around 22 minutes and the bio reactors

around 2h. The theoretical t1/2 of Fe2+ is relatively close to the measured values of the ratio

between Fe2+-ions and Fe3+-ions. From the results of the studies it is likely that more of the

iron will precipitate as ferric iron in the PA and PS than if the ferrous iron is dosed in the

aerated bioreactors.

 

In conclusion: there are only very few studies that examines the precipitation process of

ferrous iron in activated sludge or MBR. The theoretical knowledge is not wide enough to use

as an only tool when MBR is implanted in new WWTP’s. Due to the complexity of the waste

water empirical studies need to be performed under the actual conditions that prevail at

Henriksdal WWTP.

Place, publisher, year, edition, pages
2017.
Keyword [sv]
Kemisk fällning, järn(II)sulfat, MBR, fosforrening, avloppsvattenrening
National Category
Chemical Engineering
Identifiers
URN: urn:nbn:se:kth:diva-208341OAI: oai:DiVA.org:kth-208341DiVA: diva2:1105668
Educational program
Bachelor of Science in Engineering - Chemical Engineering
Available from: 2017-06-05 Created: 2017-06-05 Last updated: 2017-06-05Bibliographically approved

Open Access in DiVA

fulltext(2492 kB)17 downloads
File information
File name FULLTEXT01.pdfFile size 2492 kBChecksum SHA-512
0e118be1f62ebe9783b88687031287af41fa51bcfb0523555042c81c8928983c2aa7b8a7b1557e36d9f546e13833345283bf419f583db4a9fa1acdf46784ebe0
Type fulltextMimetype application/pdf

By organisation
School of Chemical Science and Engineering (CHE)
Chemical Engineering

Search outside of DiVA

GoogleGoogle Scholar
Total: 17 downloads
The number of downloads is the sum of all downloads of full texts. It may include eg previous versions that are now no longer available

Total: 30 hits
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf