1. No category

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