Förtjockning av slam genom flotation med upplöst luft (DAF)

• 1. Introduktion till slamförtjockning
• 2. Förtjockning av avloppsslam
• 3. Förtjockning av slam genom sedimentering
• 4. Förtjockning av slam med hjälp av flotation med upplöst luft (DAF)
• 5. Jämförelse av förtjockningsprocesser
• 6. Sammanfattning

1. Introduktion till slamförtjockning

Som en följd av reningen av det avloppsvatten som uppstår vid industriella processeruppstår en koncentration av avfall i form av slam, som kan vara mer eller mindre vattenhaltigt.

Rening av avloppsvatten kan huvudsakligen indelas i fysiska, kemiska och biologiska processer.

• Vid fysikalisk-kemisk rening består det uppkomna slammet av färskt slam i form av suspenderade fasta ämnen (SST). Det slam som bildas vid fysikalisk-kemiska processer (primärslam) består vanligtvis av material med högre densitet än det som härrör från biologisk rening (sekundärslam).
• Vid biologisk och kemisk rening sker däremot oxidationer och reaktioner som omvandlar slammet. Det biologiska slammet består av organiskt och mineraliskt material samt rester av de bakterier som livnär sig på detta (aktivt slam). Detta slam har lägre densitet än det primära slammet och är svårare att avvattna.

Avloppsreningsverk har en reningslinje för vatten och en separat linje för slambehandling. Målet är att få fram vatten som uppfyller de krav som ställs i gällande bestämmelser, samt att minska slamvolymen så att det kan transporteras till en deponi, användas för kompostering eller för produktion av biprodukter.

Som vi har sett är ett av huvudmålen att minska slamvolymen så mycket som möjligt. På de flesta deponier krävs en minimikoncentration av torrsubstans på 30 %, vilket endast kan uppnås med mekaniska metoder (pressfilter, bandfilter, centrifuger…) eller genom termiska torkningssystem.

Ett mellanled som minskar storleken på de kostsamma slamtorkningsanläggningarna är förtjockning, eller avvattning.

2. Förtjockning av slam i avloppsvatten

Slamförtjockning är en process som används för att minska slamvolymen innan ytterligare avvattningsbehandlingar genomförs. De två huvudsakliga källorna till slamproduktion är den primära och den sekundära reningen. De sedimenterade fasta ämnena som avlägsnas från botten av de primära och sekundära sedimenteringsbehållarna är en vattenhaltig blandning som innehåller separerade suspenderade fasta ämnen. Denna blandning kallas slam.

Det slam som bildas vid den primära och sekundära reningen i ett avloppsreningsverks vattenreningskedja har följande egenskaper:

• De innehåller mycket vatten (95–99 %), vilket gör att de tar stor plats och är svåra att hantera.
• De innehåller stora mängder organiskt material, vilket gör att de lätt börjar ruttna och avger obehaglig lukt.
• De innehåller en stor mängd sjukdomsalstrande organismer.

Allt detta innebär att de måste bearbetas med största försiktighet. Bearbetningen består av tre steg, utformade för att i största möjliga utsträckning minska de ovan nämnda problemen:

• Avvattning av slammet för att minska dess volym.                                         
• Stabilisering av organiskt material för att förhindra problem med jäsning och förruttnelse.
• Att uppnå en lämplig konsistens så att de blir lätthanterliga och lätta att transportera.

Mängden och egenskaperna hos det slam som ska behandlas i ett reningsverk beror på egenskaperna hos det inkommande avloppsvattnet samt på vilken behandling det genomgår.

Slammets ursprung och viktigaste egenskaper är:

a) Primärslam

De uppstår vid den primära sedimenteringen. Dessa slam har varken genomgått biologisk behandling eller brutits ned, vilket gör dem mycket instabila och lättförruttnande. Efter en viss tid börjar de avge en obehaglig lukt. Cirka 60 % av dessa slam anses vara sedimenterbara.

De är vanligtvis gråa till färgen och innehåller stora mängder biologiskt nedbrytbara fasta ämnen och andra typer av avfall. De avger lätt sitt innehållsvatten och blir lätt tjocka. Fuktinnehållet varierar mellan 95 och 99 procent.

b) Biologiska slam

De kallas vanligtvis överskottsslam och härrör från processen med aktivt slam. De är oftast mörkbruna, och deras innehåll av organiskt material är delvis nedbrutet.

De doftar av fuktig jord, vilket inte är obehagligt, men när de sedan bryts ned blir de ruttna och avger en obehaglig lukt. Deras vattenhalt varierar mellan 98 och 99,5 procent och de är svåra att koncentrera.

De kan tjockna direkt eller ledas vidare till den första sedimenteringen, där de sedimenterar tillsammans med det primära slammet och bildar blandat slam.

c) Aerobt nedbrutet slam

Det är mörkbruna slam. De har ett flingigt utseende och luktar inte särskilt starkt.

d) Kemiskt utfällda slam

Deras nedbrytningshastighet är något lägre än hos primärslammet. De har en mörk färg, rödaktig om de innehåller mycket järn. Lukten kan vara obehaglig, men inte lika stark som hos primärslammet.

3. Förtjockning av avloppsslam genom sedimentering

Förtjockning av slam genom sedimentering, eller mekanisk förtjockning, är en process som sker i cirkulära anläggningsenheter som innehåller en långsamt roterande bro försedd med bottenskrapor. Bron är utrustad med en uppsättning vertikala spetsar som underlättar avskiljningen av flyktiga ämnen genom att skapa spår i slamskiktet, vilket därmed underlättar förtjockningen.

Skraporna på botten skrapar upp det tjocknade slammet till ett utlopp, varifrån det töms ut regelbundet.

Vanligtvis finns det en vridmomentbegränsare på drivmotorn för att förhindra att vändbron fastnar och att fel uppstår.

Den totala höjden på dessa anläggningar överstiger vanligtvis inte 3,5 meter, och lutningen på bottenväggarna ligger på omkring 15 procent.

Dimensioneringen av en mekanisk förtjockare baseras på slamets sedimentationskurva, i enlighet med Kynchs teori, enligt vilken en partikels fallhastighet enbart beror på den lokala koncentrationen av just den partikeln.  

_{Zonent1–t2 motsvarar}vertikala hydrauliska dekanterare med fast slamlager. Från punkt_{t2 sker} en gradvis minskning av de fasta partiklarnas fallhastighet fram till punkt_{t3, där} de fasta partiklarna kommer i kontakt med varandra och utövar ett tryck på de underliggande skikten. Denna zon_t2 –_{t3 används} för mekaniska slamförtjockare.

I en mekanisk slamförtjockare ligger den specifika belastningen mellan 25 och 70 kg^{torrsubstans/m²} per dag. Under driften bibehålls ett tjockt slamskikt på botten för att underlätta en bättre koncentration. En driftsvariabel för denna utrustning är slamvolymförhållandet (RVF), vilket är volymen på slamskiktet i förtjockaren dividerat med den dagliga volymen av förtjockat slam. RVF-värdena varierar mellan 0,5 och 2 dagar, där de lägsta värdena uppmäts under varma perioder.

4. Slamförtjockning med hjälp av flotation med upplöst luft (DAF)

Flotation med upplöst luft (DAF) är en teknik som används för separering av fasta partiklar, vätskor samt separering/förtjockning av slam.

I denna process stiger slammet upp med en hastighet som är betydligt högre än vid sedimentering genom tyngdkraften. Detta redan tjocka slam samlas upp från flottörens yta med hjälp av ett skrapsystem. DAF-utrustningen uppnår mycket hög effektivitet i kommunala och industriella reningsverk.

Jämfört med andra system för slamförtjockning har flotation med upplöst luft (DAF) flera fördelar:

• För det första går DAF-processen snabbare än sedimentering genom tyngdkraften, vilket möjliggör högre kapacitet vid användning i avloppsreningsverk. 
• För det andra är DAF-flotation effektivare än sedimentering genom tyngdkraften när det gäller att avskilja fina partiklar och kolloider. 
• Dessutom klarar DAF-utrustningen högre halter av fasta ämnen, vilket leder till en effektivare separation av fasta ämnen och vätskor. 

DAF-anläggningar används även som fysikalisk-kemiska separationssystem för biologiskt slam, eftersom de vid samma behandlingsflöde tar upp ungefär fem gånger mindre utrymme än en statisk sedimenteringsbassäng. Dessutom kan de användas för att förtätning av redan separerat slam, och gör det i allmänhet möjligt att öka slamkoncentrationen till 8–10 % torrsubstans, beroende på slamets ursprung.

Schema över DAF-slamförtjockningsanläggning

Flotation med upplöst luft (DAF) är en process som används för att separera fasta partiklar från de vätskor som innehåller dem. I denna process fäster de fasta partiklarna vid mycket fina luftbubblor, vilket gör att de stiger mycket snabbt. Luftbubblorna genereras genom att luft löses upp i vatten under högt tryck, varefter trycket sänks och bubblorna släpps ut i en flotationstank.

SIGMADAF har installerat DAF-utrustning för avskiljning av suspenderat fast material i primär- och sekundärrening samt för slamförtjockning.

En förbehandlande koagulering/flockning förbättrar DAF-anläggningarnas effektivitet och ökar slamavvattningen.

SIGMADAF erbjuder ett brett sortiment av DAF-flottörer för dessa tillämpningar:

• SIGMADAF FPAC Compact: Från 3 till 200 m³/h, tillverkade i metallbehållare.
• SIGMADAF FPAC-CW: Från 1000 till 4000 m³/h i betongtankar.
• SIGMADAF FPHF Compact: Från 100 till 1000 m³/h Kompakta enheter i metall eller plast.

Alla dessa anläggningar tål höga salthalter i avloppsvattnet.

Konstruktion av en flottör med upplöst luft

Om vi jämför ett DAF-flotationssystem med användningen av primära och sekundära sedimenteringsbassänger, kan vi konstatera att flotationsutrustningen har betydande fördelar jämfört med konventionella sedimenteringstekniker, eftersom partiklarnas stigande hastighet är ungefär fem gånger högre än sedimenteringshastigheten i ett gravitationssedimenteringsbassäng, vilket sparar både tid och utrymme.      

Anläggningens yta bestäms utifrån parametrar somfastämnesbelastningochytbelastning(även kallad stighastighet). Fastämnesbelastningen uttrycks ikgSS/(m²·d)och ytbelastningen im³/(m²·h).Typiskavärdenför dessa parametrar är: 50–100 kgSS/(m²·d) och 3–5 m³/(m²·h).

En flottör med upplöst luft kan utformas med eller utan återcirkulation, beroende på reningsverkets specifika behov.

Förtjockning av flytande slam

För att torka det uppflötande slammet används ett statiskt system som bygger pålutande plattoroch en skrapa med enkel rörelse. Detta system uppnår en torrsubstanshalt som är 3 till 4 gånger högre än något konventionellt system. 

Flotation med tryckluft används vanligtvis för förtjockning av aktivslam och utvinning av cellulosafibrer, men kan även tillämpas på tjockare slam, såsom den blandning som uppstår när primärslam och aktivslam blandas.

Även om man vanligtvis tillsätter flockningsmedel för att underlätta processen, går det också att genomföra förtjockningen utan detta medel, men då måste torrsubstanshalten vara lägre.

Dimensioneringen av flottörerna för slamförtjockning beräknas utifrån följande parametrar:

Parameter	Designvärden
Specifik last	5–10 kg torrsubstans/m²·h
Hastighet	1–3m³/m²/h
Koncentration av flytande aktiverat slam	30–50 g/l
Primärslam + flytande aktivt slam	50–70 g/l
Densitet hos flytande mantlar	0,75–0,9 kg/l

Sammanfattningsvis är ett DAF-system ett effektivt verktyg för att koncentrera slam i avloppsreningsverk, vilket minskar dess volym och underlättar den efterföljande behandlingen.

5. Jämförelse av slamförtjockning med DAF-teknik och teknik med mekaniska sedimenteringsbassänger

Flotation med upplöst luft (DAF) och gravitationsförtjockare är två tekniker som används för att förtjocka slam i slamhanteringssystemen vid avloppsreningsverk. Nedan jämför vi deras fördelar och nackdelar:

Förtjockare med hjälp av luftflotation (DAF)

Fördelar:

• Förtjockningseffektivitet: DAF-systemet uppnår en hög koncentration av suspenderade fasta ämnen i vattnet genom bildandet av mikrobubblor av luft. Detta minskar slamvolymen avsevärt. Den koncentration som kan uppnås i det förtjockade slammet är i storleksordningen 4–6 %, med blandningar av primärslam och överskott av aktivt slam (även ≥ 8 %). Användningen av polyelektrolyter som flockningsmedel för slammet gör det möjligt att förbättra separationen av fasta ämnen från 85 % till 98–99 %.
• Snabb separation: Flotation möjliggör en snabb separation av fasta ämnen, vilket är fördelaktigt i situationer med hög slamhalt.                                                                       
• Mindre utrymmesbehov: DAF tar mindre plats än gravitationsförtjockare.

Nackdelar:

• Startkostnader: Tekniken med injektion av mikrobubblor och återcirkulationssystem kan medföra högre startkostnader.
• Energiförbrukning: Kräver mer elenergi för att generera mikrobubblor och återcirkulera slammet.

Gravitationsförtjockare:

Fördelar:

1. Låga startkostnader: Gravitationsförtjockare är mer kostnadseffektiva när det gäller den initiala investeringen.
2. Lägre energiförbrukning: De kräver inga ventilationssystem, vilket minskar driftskostnaderna.
3. Robusthet: Det är enkla och robusta enheter.

Nackdelar:

1. Förtjockningshastighet: Slammets hastighet är betydligt lägre än i DAF-systemet.
2. Större utrymmesbehov: De tar upp mer plats på golvet.
3. Lägre verkningsgrad: Koncentrationen av fasta ämnen är inte lika hög som i DAF-systemet.

Kostnadsjämförelse

DAF-processen är ett effektivt alternativ för koncentration av slam vid reningsverk. Det är dock viktigt att jämföra kostnaderna med andra processer. Här följer några överväganden:

Kostnader för initialinvestering

1. DAF-metoden kräver en initial investering för inköp och installation av utrustningen. Jämfört med andra processer, såsom konventionella dekanteringsanläggningar, kan den vara dyrare på grund av systemet för komprimering och dekomprimering av luft samt behovet av återcirkulationssystem.
2. Andra processer, såsom dekanteringsanläggningar, kan ha lägre initialkostnader för mekanisk utrustning, men man måste också ta hänsyn till de anläggningsarbeten som krävs för större anläggningar.          

Driftskostnader

1. Driftskostnaderna för DAF-systemet omfattar elenergi för generering av mikrobubblor genom kompression och upplösning av luft samt återcirkulation av slam. Dessa kostnader kan variera beroende på anläggningens storlek och utrustningens effektivitet.
2. Jämfört med detta har konventionella dekanterare lägre driftskostnader, eftersom de inte kräver luftningssystem.

Effektivitet och utrymmesbesparing

1. DAF-systemet ger en högre uppströmsflödeshastighet för slammet, vilket sparar utrymme i anläggningen. Detta kan vara en fördel i utrymmesbegränsade miljöer.

Underhålls- och reparationskostnader

1. Underhåll och reparationer av DAF kan bli dyrare på grund av komplexiteten i ventilations- och recirkulationssystemen.
2. Mekaniska förtjockare och andra enklare processer kan medföra lägre underhållskostnader.

Slamtorkning Trots sin effektivitet är DAF-systemet inte lämpligt för att uppnå extremt höga koncentrationer av fasta ämnen. Det kan dock förbättra alternativa processer och därmed minska storleken på och kostnaden för efterföljande avvattningssystem.

För att få mer koncentrerade slam används andra system, såsom filterpressar eller centrifuger.

Typ av lera	% MS utan förtjockning	% MS, koncentrerat	Belastning av fasta ämnen (kg/m²·h)
Separerade slam
Primärslam	2,5 – 5,5	8 – 10	4 – 6
Perkolationsfilter	4 – 7	7 – 9	1,6 – 2
Modifierad luftning	2 – 4	4,3 – 7,9	1,4 – 3,7
Aktiverad	0,5 – 1,2	2,5 – 3,3	0,8 – 1,6
Kombinerade lerbehandlingar
Huvudfilter och perkolator	3–6	7 – 9	2,4 – 4
Primärrening och modifierad luftning	3 – 4	8,3 – 11,6	2,4 – 4
Primär och aktiverad	2,6 – 4,8	4,6 – 9	1,6 – 3,2

Koncentrationer av förtjockat och oförtjockat slam samt fastämnesbelastningar för mekaniska förtjockare (Metcalf – Eddy. Utg. Labor)

I reningsverk med aktivslam som använder rötning bör det överskott av aktivslam, eller det råslam som blandats före rötningen, förtjockas för att minska bygg- och driftskostnaderna.

Följande faktorer bör beaktas vid konstruktionen av en förtjockare:

• Att förse den med tillräcklig kapacitet för att klara av toppbelastningar.
• Undvika bakterietillväxt och de luktproblem som ofta uppstår under denna process.

Typ av lera	Belastning ikg/m²·h
Aktiverad (flytande blandning)	1–3
Aktiverad (sedimenterad)	2 – 4
50 % primär + 50 % aktiverad	4–8
Endast grundskola	Upp till 10

Beräkningsbelastning på DAF-anläggningar utifrån olika typer av slam

Det är bättre att använda anläggningens avloppsvatten istället för flotationsavloppsvattnet för tryckåtercirkulation, eftersom det finns risk för att utrustningen i systemet förorenas.

6. Slutsats

Det slam som produceras i avloppsreningsverk måste koncentreras och behandlas till sådana belastnings- och inaktiveringsnivåer att det kan transporteras till godkända deponier. Vanligtvis används system för sedimentering och förtjockning genom tyngdkraft (mekanisk förtjockning) eller system för rening och förtjockning med hjälp av anläggningar för flotation med upplöst luft (DAF).

DAF-processen är effektivare när det gäller koncentration och separering av fasta ämnen, men kan medföra högre investerings- och energikostnader. Gravitationsförtjockaren är mer ekonomisk och robust, men kräver mer utrymme och omfattande anläggningsarbeten. Valet beror på varje anläggnings specifika behov och tillgängliga budget.

Källor och litteratur

• Avloppsteknik/Slamhantering – Wikibooks (wikibooks.org)
• Teknisk handbok om vatten (Degrémont)
• Avloppsrening – Metcalf-Eddy (Utg. Labor S.A.)