Temadag Vandbehandling i recirkulerede opdrætsanlæg Biologisk rensning i recirkulerede opdrætsanlæg - Kinetik i biofilter anlæg Kenneth Janning DHI Recirkulation i fiske opdrætsanlæg Qind TAN Qud mg (NH4-N+NH3-N)/l Fiskekar Qind m3/d Problemstilling: Filtrering Biologisk rensning • Vandkvalitet i opdrætsvand • Vandkvalitet ved udledning til recipient Processer og kinetik i biologiske filtre • Hvad er en biofilm? • Hvorfor anvende biofilm teknologi som rensning i fiske opdrætsanlæg? • Biologiske processer i biofiltre • Biofilm kinetik – procesbeskrivelser og omsætningshastigheder • Vandkvalitetskrav’s betydning for design af biofiltre • Populationsdynamik i biofiltre – konkurrencen om ilten Hvad er en biofilm? • Et biofilter består af et medie (plast, sten, træ, metal…) med stor overflade hvorpå en ”biofilm” af bakterier sidder fasthæftet og fikseret i et fintmasket netværk (EPS) • Biofilmen tilføres næring når filtret beskylles med opdrætsvand indeholdende stoffer som primært udskilles fra fiskene. Stofferne transporteres ind i biofilmen ved molekylær diffusion Hvad er en biofilm? • Bakterierne i biofilmen formerer sig ved næringstilførslen, hvilket får biofilmen til at vokse sig tykkere • Bakterierne i biofilmen lever i en økologisk balance som får de hurtigst voksende til at udkonkurrere de langsommere voksende, afhængigt af den næring og koncentrationen hvormed næringen tilføres Hvorfor anvende biofilm teknologi til fiske opdrætsanlæg? Fordele ved anvendelse af biofiltre til fiske opdrætsanlæg • Biofiltre ideelle til biologisk rensning af opløste stoffer • Biofiltre kan opretholde en høj celleopholdstid • Langsomt voksende bakterier (nitrifikanter) udvaskes ikke • Processtabil… • Beskyttelse i biofilm • Kan udsættes for en høj og variabel hydraulisk belastning • Kompakt og ofte simpelt design • Selvrensende… • Mulighed for integreret løsning af CO2-fjernelse, iltning, køling samt nitrifikation (Rislefiltre) Hvorfor anvende biofilm teknologi til fiske opdrætsanlæg? Risici ved anvendelse af biofiltre til fiske opdrætsanlæg • Følsomme overfor overbelastning (rislefiltre) • Manglende biofilmkontrol • Ukontrollabel biofilmafrivning • Tilstopning af biofiltre • Lang oppodningstid (nitrifikation) • Forskellig populationdynamisk vækst giver risiko for overbegroning af nitrifikanter • Diffusionsbegrænset omsætning resulterer i lav omsætningshastigheder ved rensning i lave koncentrationer Stoffjernelse i recirkulerede fiske opdrætsanlæg • Partikler (ned til 40-60 μm) • Total Ammoniak, TAN (NH4++NH3) → Biofilter • Nitrit, NO2- → Biofilter • Nitrat, NO3- → Biofilter • Opløst omsætteligt COD → Biofilter • CO2 → Biofilter/udluftning → Filtrering Biofiltrene er den mest følsomme procesenhed, som sammen med den fysiske filtrering udgør kernen i den rensningsmekanisme som kan opretholde en god og ensartet vandkvalitet i et recirkuleret fiske opdrætsanlæg. Nitrifikationen – nøgleprocessen i det biologiske renseanlæg Problemstillinger ved nitrifikation i biofiltre • Nitrifikanter er langsomt voksende → lang oppodningstid • Nitrifikanter skal konkurrere med hurtigere voksende bakterier om den tilstedeværende ilt i biofilmen → overbegroning • Vandkvalitetskravet til TAN er ofte meget lavt → lav omsætningshastighed • Meget følsomme overfor fald i alkalinitet, pH og temperatur → lav omsætningshastighed • Kan under ”stressede” forhold producere nitrit → toksisk i vandmiljø • Er følsomme overfor partikler i vandet, som kan ”afskærme” bakterierne i at få tilstrækkelige iltbetingelser → Filtrering foran biofiltre ofte påkrævet Nitrifikationen – nøgleprocessen i det biologiske renseanlæg O2 Nitrosomonas bakterier NH4+ Nitrobakter bakterier NO2O2 HCO3+ HCO3+ H2CO3 AUTOTROFE BAKTERIER KRÆVER: • + NH4+ (elektrondoner, energikilde) • + O2 (elektron acceptor, iltningsmiddel) • + Alkalinitet • + Uorganisk kulstof • ÷ Organisk stof (COD) NO3H2CO3 Denitrifikationen –processen som sikrer fuld kvælstoffjernelse Problemstillinger ved denitrifikation i biofiltre • Kræver organisk kulstof • De fleste DN bakterier kan både bruge ilt og nitrat som iltningsmiddel for omsætning af COD. Er både ilt og nitrat tilstede vil de først omsætte ilten pga. et større energiudbytte • Kulstofkilden skal være på opløst form og være letomsættelig • Iltfølsom • Kan under ”stressede” forhold producere nitrit Denitrifikationen – processen som sikrer fuld kvælstoffjernelse Toksiske i vandmiljø O2 NO3- NO2- NO COD N2O N2 Næringsstoffer H+ HETEROTROFE BAKTERIER KRÆVER: • + Organisk stof (COD) • + NO3- og O2 • + Aciditet • + Næringsstoffer, N, P, K, Fe, … CO2 Nitrifikation – Denitrifikationen Problemstillinger ved kombineret nitrifikation (N) – denitrifikation (DN) i biofiltre • N kræver ilt, DN tåler ikke ilt • DN kræver organisk stof, organisk stof er en trussel mod N • DN bakterier vokser væsentligt hurtigere end N bakterier • Heterotrofe bakterier vil helst omsætte ilt og COD. Dermed kan COD kilden let reduceres til skade for de denitrificerende bakterier Kinetik i biofiltre Omsætning i den enkelte bakterie: Væksthastighed, μ d-1 μmax μ obs = μ max μmax/2 S S + KS Substratkoncentration g/m3 KS KS-værdier, nitrifikation (Nitrisomonas) • KS,NH4 = 0,3-0,7 g NH4-N/m3 • KS,O2 = 0,5-1,0 g O2/m3 KS-værdier, nitrifikation (Nitrobakter) • KS,NH4 = 0,8-1,2 g NH4-N/m3 • KS,O2 = 0,5-1,5 g O2/m3 Henze et al. (2000) Wastewater Treatment, Treatment, biological and chemical processes Kinetik i biofiltre Omsætning i en biofilm: Omsætning i biofilmen : rVf = ∂N ; ∂x Transport af stof ind i biofilmen : N = − D ∂S f ∂x ; ∂2S f ∂N = −D Omskrivning : ; 2 ∂x ∂x Omsætning af stof i biofilmen med stoftransport (diffusion) : Beskrivelse af rvf ? ∂2 S f ∂x 2 =− rvf D Kinetik i biofiltre Omsætning i biofilmen: Væksthastighed, μ d-1 μmax 1. orden 0. orden μmax/2 KS 2KS Substratkoncentration g/m3 1. ordens tilfældet : rvf = k1 f ⋅ S vf 0. ordens tilfældet : rvf = k0 f Kinetik i biofiltre 1. ordens proces i biofilm Omsætning i vandfasen udenfor biofilmen: 1. ordens tilfældet : S < 2 ⋅ K S rA = k1 f ⋅ L ⋅ tanh α α α= − ⋅ S, k1 f ⋅ L2 D rA = arealspecifik omsætningshastighed i vandfasen gS/m 2 /d [ ] k1 f = 1.ordens hastighedskonstant d -1 L = biofilm tykkelsen [m] [ D = diffusionskonstant, S m 2 / d ] Henze et al. (2000). Wastewater treatment, biological and chemical processes [ ] Kinetik i biofiltre 0. ordens proces i biofilm Omsætning i vandfasen udenfor biofilmen: 0. ordens tilfældet : S > 2 ⋅ K S Indtrængnings dybde i biofilmen : β = − 2⋅ D⋅ S k0 f ⋅ L2 β > 1 : Biofilmen fuldt penetreret (S2) β < 1 : Biofilmen delvist penetreret (S1) Henze et al. (2000). Wastewater treatment, biological and chemical processes Kinetik i biofiltre 0. ordens proces i biofilm Omsætning i vandfasen udenfor biofilmen: 0. ordens tilfældet : β > 1 rA = k0 f ⋅ L [ rA = arealspecifik omsætningshastighed i vandfasen gS/m 2 / d [ k 0f = omsætningshastighed i biofilmen g/m 3biofilm / d L = biofilmens tykkelse [m ] ] ] 0. ordens tilfældet : β < 1 rA = k½ A ⋅ S , k½ A = 2 ⋅ D ⋅ k 0 f [ rA = arealspecifik omsætningshastighed i vandfasen gS/m 2 / d [ k ½A = ½.ordens hastighedskonstant gS½ ⋅ m -½ ⋅ d -1 [ S = substrat koncentrationen i vandfasen gS/m 3 [ D = diffusionskonstant, S m 2 / d ] [ ] ] k 0f = omsætningshastighed i biofilm gS/m 3biofilm / d ] ] Henze et al. (2000). Wastewater treatment, biological and chemical processes Kinetik i biofiltre Problemstillinger, diffusionsbegrænset omsætning i biofilm • Stofkoncentrationen i vandfasen af det substrat som styrer omsætningshastigheden (nitrifikation: ilt, TAN?) bestemmer reaktionshastigheden og reaktionsordnen (1. orden, ½. orden, 0. orden) i vandfasen af biofiltret • Ved rensning ned til meget lave stofkoncentrationer (< 1mg NH4-N/l) bliver reaktionshastigheden i biofiltret meget lav • Ved rensning ned til meget lave stofkoncentrationer (< 1mg NH4-N/l) vil kun en meget lille del af biofilmen være aktiv (10 – 20μm) • Ved rensning ned til meget lave koncentrationer er det kun relevant at operere med en meget tynd biofilm • Ved rensning nede i lave koncentrationsregimer kompliceres kinetikforholdene væsentligt, hvilket vanskeliggøre analytisk fortolkning af forholdene i biofiltret Kinetik i biofiltre Direkte gennemstrømmet biofilter 0. ordensreaktion : S ⋅V ⋅ ω ⋅ k 0 a S ud = ind Q ½. ordensreaktion : S ud ⎛ ω ⋅ k½ a ⋅ V = ⎜⎜ S ind + 2⋅Q ⎝ ⎞ ⎟⎟ ⎠ 2 1. ordensreaktion : S ud = S ind ⋅ e V ⋅ω ⋅k1a Q Henze et al. (2000). Wastewater treatment, biological and chemical processes Kinetik i biofiltre Ideelt opblandet biofilter 0. ordensreaktion : k ⋅A S ud = S ind − 0a Q ½. ordensreaktion : S ud ⎛ ⎜ =⎜ ⎜ ⎝ 2 ⎛ k½ a ⋅ A ⎞ ⎜⎜ ⎟⎟ + S ind ⋅ Q 2 ⎝ ⎠ ⎞ k½ a ⋅ A ⎟ − 2 ⋅ Q ⎟⎟ ⎠ 2 1. ordensreaktion : Q ⋅ S ind S ud = Q + k1a ⋅ A Henze et al. (2000). Wastewater treatment, biological and chemical processes Vandkvalitetskrav, fiskeopdræt Vandkvalitetskravenes betydning for omsætningshastigheden i biofiltre? E.H.Eding et al. (2006). ”Design and operation of nitrifying trickling filters in recirculating aquaculture: aquaculture: A review” review”. Aquaculture Engineering, vol.34, pp. pp. 234234-260 Omsætningshastigheder fiskeopdrætsanlæg rA= 0,25 gTAN/m2/d rA= 0,22 gTAN/m2/d rA= 0,14 gTAN/m2/d ⇒ ΑNødvendigt = 100 m2 ⇒ ΑNødvendigt = 113 m2 ⇒ ΑNødvendigt = 178 m2 E.H.Eding et al. (2006). ”Design and operation of nitrifying trickling filters in recirculating aquaculture: aquaculture: A review” review”. Aquaculture Engineering, vol.34, pp. pp. 234234-260 2 komponent diffusion Nitrifikation Iltbegrænsning eller ammoniumbegrænsning? NH4+ + 1,86 O2 + 1,98 HCO3- → 0,020 C5H7NO2 + 0,98 NO3- + 1,98 H2CO3 + 1,04 H2O νO2,NH4 = 4,25 g O2/g NH4-N S O2 STAN = ν O2 ,TAN D ⋅ TAN DO2 gO2 / m 3 ≈ 3,4 − 3,6 gTAN / m 3 SO2 > 3,4 − 3,6 ⋅ STAN ⇒ ammonium begrænsning (eller 0. ordens kinetik ) SO2 < 3,4 − 3,6 ⋅ STAN ⇒ ilt begrænsning (eller 0. ordens kinetik ) Rensning til 1 g TAN/m3 → 3,4 g O2/m3 nødvendig i vandfase Rensning til 2 g TAN/m3 → 6,8 g O2/m3 nødvendig i vandfase Rensning til 3 g TAN/m3 → 10,2 g O2/m3 nødvendig i vandfase 2 komponent diffusion Nitrifikation Iltbegrænset nitrifikation Ammoniumbegrænset nitrifikation Populationsdynamik i biologiske filtre Problemstillinger, populationsdynamik • Ved tilledning af opløst letomsætteligt COD vokser heterotrofe bakterier hurtigt op (enten med ilt eller med nitrat) • Når BOD5 > 5⋅O2 trænger det organiske stof længere ind i biofilmen en ilten, hvilket fuldstændigt fjerner de nitrificerendes bakteriers mulighed for at få ilt • De heterotrofe bakterier vokser 10 gange hurtigere end de autotrofe bakterier, hvilket dels resulterer i en hurtigere voksende biofilm og dels resulterer i at de heterotrofe bakterier vil sætte sig i et lag yderst på biofilmen og omsætte al ilten Populationsdynamik i biologiske filtre Overbevoksning af nitrificerende bakterier i en biofilm Populationsdynamik i biologiske filtre Bovendeur et al. (1990). ”FixedFixed-biofilm reactors in aquacultural water recycle systems: Effect of organic matter elimination on nitrification kinetics. Water Research, vol.24, No. 2, pp. pp. 207207-213 Populationsdynamik i biologiske filtre Ændret reaktionskinetik i en RBC reaktor Henze et al. (2000). Wastewater treatment, biological and chemical processes Omsætningsvariationer i praksis Fodringens betydning for stofvariationer? (TAN, NO3, NO2, CO2) E.H.Eding et al. (2006). ”Design and operation of nitrifying trickling filters in recirculating aquaculture: aquaculture: A review” review”. Aquaculture Engineering, vol.34, pp. pp. 234234-260 Konklusion • Biofiltre er den mest velegnede biologiske proces til fjernelse af opløste stoffer i recirkulerede fiskedambrug • Partikelfjernelse og opløst organisk stoffjernelse er et væsentligt element i opnåelsen af en sikker og effektiv nitrifikations proces • Behov for effektiv rensning i meget lave koncentrationsområder resulterer i en komplicering af biofilmkinetikken (O2/TAN begrænsning, 0., ½. og 1. ordens kinetik) • Kun tynde biofilm! Tykkere biofilm (mere end 100-200 μm) er unødvendig og kan føre til forstoppelse af biofiltre når biofilmen afrives i store kager • Samspillet mellem fiskefodring og dimensionering/drift af biofiltre er væsentlig for undgåelse af stoffluktuationer i fiske karrene • Modellering og styring af samspillet mellem fiskeproduktion og vandrensning vil kunne føre til en mere ensartet og optimal vandkvalitet i fiske karrene • Samspillet mellem partikelfjernelse, biologisk rensning og kemiske oxidations metoder (for fjernelse af geosminer, rest-COD og hygiejnisering) er væsentlig for opnåelse af en driftssikker produktion
© Copyright 2024