|
Beplantede filteranlæg til rensning af spildevand i det åbne land 4. Eksperimenter i Bjødstrup-Landborup anlægget4.1 Forsøgsanlæg4.1.1 Anlægget opbygningI efteråret 1996 blev der etableret et to-trins beplantet filteranlæg i Ebeltoft kommune til behandling af spildevand fra et lille landsbysamfund, Bjødstrup-Landborup (Figur 4.1 & 4.2). Anlægget blev dimensioneret il 80 PE, men det aktuelle antal tilsluttede personer er ca. 55 PE.
Figur 4.1 Figur 4.2: Spildevandet forbehandles i en 22 m3 trekammer bundfældningstank. Efter bundfældningstanken ledes spildevandet til et beplantet bed, 20 m bredt og 22 m langt, opbygget af filtersand og med horisontal vandstrømning (Figur 4-1). Efter den horisontale sektion ledes det rensede spildevand via en selvstartende sifon til et ca. 30 m2 stort vertikalt bed, hvis primære funktion er at foretage en nitrificering inden afledning til recipienten.
Figur 4.3 Sifonen er en selvstartende hævert bygget ind i en brønd imellem det horisontale bed og det efterfølgende vertikale bed (Figur 4-4). Når vandstanden i brønden stiger til et givet niveau, fyldes sifonen med vand, hæverten går i gang og vand afledes til det vertikale bed. Herved falder vandstanden i brønden til et niveau, hvor der trækkes luft ind i sifonen og hævertvirkningen stopper. Herefter er der ingen afledning af vand før vandstanden i brønden igen når op til det niveau, hvor sifonen fyldes med vand. Sifon-anordningen har til formål at pulsbelaste det vertikale filteranlæg.
Figur 4-4 Efter det vertikale filteranlæg ledes spildevandet til recipient via et målebygværk. Da der ikke er elektricitet på anlægget, skal vandet passere anlægget ved gravitation. Den tilgængelige niveauforskel mellem indløb og recipient har sat en begrænsning på filtertykkelsen af det vertikale bed, som kun er 60 cm (inklusive drænlag). Der har i forsøgsperioden været problemer med opstuvning i anlægget på grund af at vandstanden i recipienten steg som følge af ulovlig opstemning i recipienten. 4.1.2 Dimensionsgivende belastning Renseanlægget betjener landsbyerne Bjødstrup og Landborup, der ifølge kommunens spildevandsplan udleder spildevand svarende til 55 PE. I forbindelse med etableringen af renseanlægget blev der foretaget en omkloakering af området, således at spildevand tilledes renseanlægget, mens regnvand afledes direkte fra de enkelte husstande til recipient. De dimensionsgivende forudsætninger er følgende:
Da udledningen fra anlægget sker til et delvis rørlagt vandløb, der udmunder i Århus Bugt, er der ifølge spildevandsplanen meget lempelige krav for udløb fra renseanlægget:
4.2 Renseeffekt under normal driftI nedenstående Tabel 4-1 er gennemsnitlig tilløbs- og afløbskvalitet i Bjødstrup-Landborup anlægget præsenteret. De gennemsnitlige afløbskoncentrationer af suspenderet stof (TSS), BI5, NH4-N og total-P er påvirket af enkelte forholdsvis høje værdier, som kan skyldes specielle forhold ved prøvetagningen. Generelt er rensegraden for BI5 > 95%. Total-N reduceres med ca. 45% i anlægget, og det ses at ammonium udgør ca. en tredjedel af kvælstofindholdet i afløbet. I det normale analyseprogram analyseres ikke for nitrat-N, men data antyder at ca. 60% af kvælstofindholdet i afløbet er på nitratform. Der sker altså en delvis nitrifikation i anlægget. Fosfor reduceres effektivt i anlægget som følge af binding til grusmediet. Reduktionen af total-P er i størrelsesordnen 95% til og med år 2000. I 2001 har der været observeret øget afløbskoncentration af fosfor (Figur 4-8). Dette kan enten skyldes at fosforbindingskapaciteten er ved at være opbrugt, eller snarere, at der i forbindelse med prøvetagningen er opsuget suspenderet stof indeholdende fosfor. Tabel 4-1
Figur 4-5
Figur 4-6
Figur 4-7
Figur 4-8 4.3 Hydraulisk belastningAnlægget er kraftigt underbelastet, hvilket kan ses på nedenstående Figur 4-9, der viser de målte afløbsmængder i m3/døgn. Den markerede vandrette linie angiver den dimensionsgivende middelbelastning. De meget lave afløbsflow i sommerperioden kan skyldes den lave spildevandstilførsel kombineret med den store fordampning fra sådanne anlæg. Tagrørsbevoksninger kan typisk – afhængigt af vejrforhold - have en fordampning på mellem 4 og 8 mm/døgn i sommerperioden. Dette svarer til en total vandmængde på mellem 2 og 4 m3/døgn.
Figur 4-9 4.4 Rensegrad i anlæggets deleDe normale kontrolanalyser giver ingen oplysninger om hvor effektivt de forskellige komponenter af renseanlægget fungerer overfor spildevandets indhold af forurenende stoffer. Derfor blev der som en del af dette projekt iværksat et prøvetagnings- og analyseprogram med daglig prøvetagning i en 8 dages periode (23.-31. oktober 1997). Også i forbindelse med de andre målekampagner er der blevet målt på de enkelte komponenter renseeffekt. Der blev indsamlet vandprøver på følgende steder i anlægget:
Resultatet af spildevandsanalyserne er summeret i tabel 4.2. Det ses at den væsentligste rensning for organisk stof, total-kvælstof og fosfor sker i de første rensetrin. Det vertikale bed bidrager især med nitrifikation. Tabel 4-2
For COD (Figur 4-10) og total-P (Figur 4-14) har utætheden ikke større betydning for afløbskoncentrationen, idet den væsentligste rensning sker i det horisontale bed.
Figur 4-10
Figur 4-11
Figur 4-12
Figur 4-13
Figur 4-14 4.5 NitrifikationsforholdNitrifikationsprocessen omdanner spildevandet indhold af ammonium til nitrat. Processen er biologisk, og der forbruges ilt (ca. 4.6 kg O2/g NH4-N) og der forbruges alkalinitet (2 ekv/mol N). Det er således en forudsætning for at opnå en vidtgående nitrifikation i beplantede filteranlæg, at filteret er aerobt. De nitrificerende bakterier stiller krav til iltforholdene i den biofilm, hvori nitrifikationen foregår. Dette betyder, at det vertikale filter skal belastes i pulser, dels for at sikre en god fordeling af spildevandet over hele filteroverfladen, men også for at sikre den nødvendige beluftning/iltning af biofilmen i intervallerne mellem belastningerne. Der er udført eksperimenter til belysning af graden af nitrifikation i vertikale anlæg som funktion af arealbelastning, belastningsfrekvens og temperatur af renset – men ikke nitrificeret – spildevand. Forsøgene til belysning af nitrifikationen er foretaget i tre målekampagner i perioden fra februar 1997 til september 2000. Undersøgelserne inkluderer driftsperioder hvor belastningen fordobles ved kun at belaste halvdelen af det vertikale anlæg. 4.5.1 ForsøgsopstillingBelastning af det vertikale filter blev foretaget ved pumpning af vand fra sifonbrønden til det vertikale filter med en flowrate på 1 liter pr sek. (Figur 4-15). Det vertikale filter er opbygget således, at der kan vælges mellem en belastning af hele filterets overflade eller en belastning kun på det halve af filterets overflade. Det vertikale filters samlede areal er 30 m2. Filterets dybde er ca. 0.5 meter. Der er undersøgt for pulsbelastninger af en varighed på 15 min (= 900 l/puls) og 30 min (= 1800 l /puls) fordelt på 30 m2 bed overflade, hhv. 15 m2 bed overflade når kun halvdelen af det vertikale filter belastes. Under forsøgene blev sifonen sat ud af drift. Baggrunden for at pumpe fra sifonbrønden til det vertikale filter var, at det ikke var muligt at måle/kontrollere sifonens belastningen.
Figur 4-15 4.5.2 HydraulikAfstrømningen fra det vertikale filter er vist som funktion af tiden fra start af belastning med 1 liter pr sekund i Figur 4-16. Det ses at 8-10 min efter belastningen påbegyndes stiger afstrømningen kraftigt. Afstrømningsmønsteret afviger ikke fra afstrømningsmønstret når filteret belastes via sifonen. Det kan ses at opholdstiden i det vertikale filter er meget lille, og at ca. 70% af den tilledte vandmængde har passeret filteret under den 30 minutters lange belastningsperiode.
Figur 4-16 4.5.3 Data indsamlingDer blev udtaget spildevandsprøver fra anlæggets bundfældningstank og sifon-brønden som stikprøver hver hele time gennem forsøgsserierne. Disse prøver blev blandet til én samlet døgnprøve. Under belastningsforsøg blev der udtaget prøver i afløb fra det vertikale filter hvert 5. minut i perioden fra 10 minutter efter belastningen påbegyndtes til 10 minutter efter belastningen stoppede (dvs. 7 prøver).. 4.5.4 Nitrifikation som funktion af arealbelastningDet vertikale filters nitrifikationsevne blev undersøgt ved målinger i til- og afløb af NH4-N og NO3-N for følgende belastningsforhold:
Der var ingen signifikant forskel i afstrømningsprofilet mellem de tre belastningsrater. Baggrunden herfor skal dels findes i distributionssystemets ulige fordeling og dels det faktum, at filterhøjden kun er 0.5 meter. Der kunne ikke detekteres nogen signifikant forskel i nitrifikationsgraden ved halvering af belastningsarealet ved samme flow, dvs. ved at belastningsraten øgedes fra 2 l/min/m2 til 4 l/min/m2. 4.5.5 Nitrifikation som funktion af belastningsfrekvens Formålet var at undersøge hvorledes nitrifikationen i det vertikale filter påvirkes af belastningsfrekvensen. Forsøget blev udført ved at belaste filteret med 2 l/m2/min i 30 minutter (60 mm) efterfulgt af en pause på 1 time og 20 min. og derpå igen med 2 l/m2/min i 30 min (60 mm). Denne belastning svarer til ca. 780 mm (= 780 l/m2/døgn) fordelt på 13 pulsbelastninger, hvilket er ca. det dobbelte af den dimensionsgivende belastning for de vertikale bed på Bjødstrup-Landborup anlægget. Resultatet af analyserne fremgår af nedenstående Tabel 4-3. Tabel 4-3
Forsøget blev gentaget dagen efter, den 25/02-1999, med en belastning på 2 l/m2/min i 30 min efterfulgt af en pause på 2 timer og 15 minutter før filteret igen blev belastet med 2 l/m2/min i 15 minutter. Denne belastning svarer til ca. 520 mm (= 520 l/m2/døgn) fordelt på ca. 9 pulsbelastninger Resultatet af analyserne fremgår af nedenstående Tabel 4-4. Tabel 4-4
Det skal bemærkes, at der i anden belastning kan registreres en mindre reduktion i tilledt ammonium samtidig med en mindre forøgelse af nitrat. Dette kan evt. tilskrives den nitrifikation der forekommer i det horisontale beds udløbsende. Når sifonen tømmes, afledes der spildevand fra det horisontale anlægs afløbsfaskine. Dette bevirke at vandspejlet sænkes i det horisontale anlægs nederste del, og der dannes formodentligt mere iltede forhold. I denne zone kan der, når anlægget fyldes op igen, formodentligt ske nitrifikation. Det ses af tabellerne at koncentrationen af ammonium-N reduceres med 15-20 mg/l og nitrat-N koncentrationen øges tilsvarende ved passage gennem det vertikale filter, undtagen ved den første belastning den 24/2, hvor filteret øjensynlig ikke var i ligevægt. Der kunne ikke registreres nogen entydig forskel mellem de undersøgte belastningsfrekvenser. Der kunne ikke opnås fuldstændig nitrifikation pga. af filterets utilstrækkelige dybde (0.5 m). Resultaterne tyder på at hyppige korte pulsbelastninger øger nitrifikationsgraden. Frekvensen bør afpasses efter filterets afstrømningsprofil, således at en ny belastning først påbegyndes når 85-90% af den tilledte vandmængde er strømmet fra filteret. For Bjødstrup-Landborup er pause perioden beregnet til at være minimum 1½ time. 4.5.6 Nitrifikation som funktion af temperaturenDer er udført en række undersøgelser – på forskellige årstider – til belysning af anlæggets nitrifikationsevne som funktion af vandtemperaturen. Resultaterne af undersøgelserne ved 2° C og 10° C er vist i nedenstående Tabel 4-5. Der var ikke recirkulation på anlægget i de viste perioder. Tabel 4-5
Det fremgår af tabellen, at der selv ved meget lave temperaturer sker en nitrifikation i det vertikale filter. For temperaturer under 10° C er der øjensynlig ingen nævneværdig forskel på nitrifikationsevnen. Det vertikale filter nitrificerer ca. 40 % af det tilledte ammonium. I sommermånederne hvor spildevandstemperaturen er >10° C blev der observeret lavere afløbsværdier for såvel ammonium som total kvælstof. Det var ikke muligt at foretage en direkte sammenligning af nitrifikationsevnen over det vertikale filter, da omsætningsforholdene over hele anlægget ændrer sig mellem sommer om vinter. Der blev således observeret at fordampningen i sommermånederne var meget stor; i perioder højere end den tilledte spildevandsmængde. Således kan fordampningen fra det horisontale filter i varme perioder forventes at være op til 8 mm/døgn, hvilket for Bjødstrup-Landborup anlægget svarer til ca. 4 m3/døgn. Den gennemsnitlige tilledning til anlægget er kun 2-4 m3/døgn, hvilket betyder at der i længere perioder om sommeren ikke sker tilledning til det vertikale filter. På baggrund af vore undersøgelser kan det konkluderes, at et pulsbelastet vertikalt filter kan opretholde en vis nitrifikation selv ved meget lave temperaturer. 4.5.7 Effekt af recirkulation på kvælstof fjernelseVed denitrifikation omdannes NO3-N til luftformigt kvælstof (N2 og N2O), der emitteres til atmosfæren. Processen udføres af mikroorganismer under iltfri forhold, idet kvælstoffet i NO3 erstatter ilten i mikroorganismernes åndingsproces. Omdannelsen af nitrat er koblet til en samtidig iltning af organisk materiale, idet der forbruges ca. 4 kg BI5 pr kg NO3-N. Der genereres ligeledes alkalinitet (1 ekv/mol). Recirkulering af nitrificeret afløbsvand tilbage til et horisontalt anlægs indløb eller til bundfældningstanken skaber gunstige forhold for denitrifikation og rensning for total-N. De iltfrie forhold i bundfældningstanken og tilstedeværelsen af rigelige mængder letomsætteligt organisk stof i anlæggets indløbsside bevirker, at nitrat der bliver tilført, hurtigt vil denitrificeres. Ved en recirkulering af en del af afløbsvandet tilbage til bundfældningstanken eller indløbet øges anlæggets hydrauliske belastning imidlertid, hvilket potentielt kan påvirke renseevnen, herunder nitrifikationsgraden, i negativ retning. Med henblik på at undersøge hvorvidt recirkulering af nitrificeret spildevand fra anlæggets udløb tilbage til bundfældningstanken påvirker anlægget renseeffekt for total-N og nitrifikationen, blev der installeret en pumpe i anlægget afløb til at drive recirkuleringen. Da der ikke er installeret elektricitet på Bjødstrup-Landborup anlægget, blev der installeret et sol-panel til at forsyne pumpen med elektricitet. Samtidig blev der installeret et vandur til monitering af recirkulationsgraden, en manuel kontrolleret timer til styring af pumpen samt en niveau-måler i sifon-brønden til registrering af antal tømninger. Anlægget blev drevet med recirkulering i en 4-måneders periode fra maj til august 2000. Det viste sig imidlertid at være umuligt at skabe konstante belastnings- og recirkuleringsforhold i anlægget. I perioden varierede afløbsmængden fra anlægget mellem 0,4 og 2,3 m3/døgn bl.a. på grund af varmt og tørt vejr og deraf følgende høj fordampning fra anlægget. Mængden af afløbsvand recirkuleret tilbage til indløbet varierede mellem 0,2 og 6,3 m3/døgn (typisk dog ca. 2 m3/døgn) bl.a. på grund af driftsproblemer med pumpen samt ustabil strømforsyning fra sol-panelet. Antallet af sifontømninger, hver på ca. 700 liter, varierede mellem 1 og 10 per døgn. På grund af disse store variationer i belastning og recirkuleringsrate samt vandets lange opholdstid i anlægget (af størrelsesorden mange dage), var det ikke muligt at relatere vandkvalitet og renseevne til belastningsforhold. Tabel 4-6
Det kan konkluderes, at recirkulering af nitrificeret afløbsvand tilbage til bundfældningstanken øger reduktionen af total-N i anlægget betydeligt som følge af denitrifikation. Der kræves flere forsøg og mere kontrollerede forsøgs-betingelser for at kunne fastlægge optimal recirkuleringsgrad under hensyntagen til anlæggets drift i øvrigt, herunder påvirkning af bundfældningstank og nitrifikationsgrad i vertikale anlæg. 4.6 Driftsproblemer ved Bjødstrup-Landborup anlæggetEbeltoft Kommune, der ejer og driver anlægget, har i anlæggets driftsperiode registreret en række problemer af driftsmæssig karakter ved anlægget. På trods af disse, har afløbskvaliteten fra anlægget dog – som det fremgår af afsnit 4.2 – været god og stabil. Udløbskrav har generelt været overholdt. Problemerne har især været relateret til de hydrauliske forhold i anlægget. 4.6.1 Tilstopning af tilløbsledning til bundfældningstankTilstopning var oftest forårsaget af ulovlig tilledning af halm og aske til anlægget. Disse er nu bragt til ophør. 4.6.2 Opstuvning fra tilløbskanal tilbage i bundfældningstankKloakforsyningen har registreret problemer med tilklogning af porevolumen i tilløbskanalen, således at fordelingen af spildevandet til det horisontale filter ikke bliver ens over anlæggets bredde. Opstuvningen er vurderet forårsaget af kraftig opbygning af biofilm i tilløbskanalen, evt. forårsaget af den høje kvælstofkoncentration i det tilledte spildevand. 4.6.3 Svigtende funktion af sifonenI perioder synes sifonen ikke at fungere efter hensigten og levere den ønskede pulsbelastning til det vertikale bed. Årsagen til den svigt er den meget lave spildevandstilførsel til anlægget (gennemsnitligt <20% af den dimensionerende belastning). Sifonen skal have en belastning større end ca. 2 m3/døgn for at fungere optimalt. I sommerperioder med lav spildevandstilførsel og høj fordampning er afløbsmængden fra det horisontale bed væsentligt lavere end 2 m3/døgn (se Figur 4-9). 4.6.4 Udfældning af jernforbindelser i bunden af det vertikale filterKloakforsyningen har registreret, at der efter 5 år er dannet en vandbremsende skorpe af sammenkittet sand og okker i bundlaget af det vertikale bed. Forklaringen på dette fænomen skal formodentligt forklares ved nogle uhensigtsmæssigheder i anlæggets udformning og krav til drift. Der er ikke installeret elektricitet på anlægget, og vandet skal derfor strømme gennem anlægget udelukkende ved gravitation. Den tilgængelige niveauforskel mellem afløb fra bundfældningstank og afløb til recipient er kun 1.3 m, og denne hydrauliske gradient skal drive vandstrømmen både gennem det horisontale filter, sifonen, og det vertikale filter. Dette forhold har også betydet at tykkelsen af det vertikale filter ’kun’ er blevet 60 cm (inklusive drænlag). Ved normal drift er der frit afløb fra det vertikale filter, via en målebrønd, til afløb til recipient. Filteret er således normalt helt drænet. Men i forbindelse med prøvetagning nedsættes et måleskod i målebrønden for at kunne registrere vandflow. Når måleskoddet er isat opstuves 10-15 cm vand i bunden af det vertikale filter, hvilket bevirker at filteret ikke fungerer helt efter hensigten (nitrifikationsevnen mindskes) mens skoddet er isat. Men efter endt prøvetagning skal skoddet trækkes op igen, hvorved filterets fulde funktion retableres. Ved besøg på anlægget er der imidlertid gentagne gange observeret at skoddet sad monteret i målebrønden mere eller mindre permanent, også når der ikke foretages prøvetagning og flowmåling. Dette har bevirket, at der permanent har stået vand i bunden af det vertikale bed, hvilket har forårsaget udfældning af oxiderede jernforbindelser (okker) i bundlaget med uhensigtsmæssige hydrauliske effekter til følge. 4.6.5 Afhjælpning af driftsproblemerKommunen har iværksat en række aktiviteter for at afhjælpe driftsproblemerne, herunder opgravning af toplaget af sand fra det horisontale beds indløbsside, ændringer i det vertikale bed, rensning af fordelerrør, mv.. Den basale årsag til problemerne kan dog tilskrives det faktum, at spildevandet skal drives gennem anlægget udelukkende ved gravitation sammenholdt med den lave hydrauliske gradient der er tilstede. For vertikale anlæg er det vigtigt:
Når disse forhold ikke er opfyldt, kan der opstå driftsproblemer i form af dårlig renseevne, og som det er set ved Bjødstrup-Landborup anlægget, kan der ske uhensigtsmæssige udfældninger af okker i bunden af anlægget såfremt der er stagnerende vand. Vertikale anlæg bør derfor, så vidt muligt, belastes via en pumpe. Herved kan spildevandet løftes så højt at filtertykkelsen bliver optimal, fordelingen på filterets overflade kan blive god, og det kan sikres, at der er tilstrækkelig niveaufald på afløbssiden, således at der kan etableres målebrønd uden at der sker opstuvning af vand i filteret.
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
