Förbättrad biologisk fosforavskiljning i en SBR-process

Av: Bengt Andersson

Biologisk fosforavskiljning bygger på anrikning av fosforackumulerande organismer (PAO) genom alternerande anaeroba och aeroba förhållanden och vid anaeroba förhållanden tar PAO upp lättnedbrytbart organiskt material, främst flyktiga fettsyror (VFA). Det finns emellertid en konkurrens om VFA mellan glykogenackumulerande organismer (GAO) och PAO och för en god fosforavskiljning är det viktigt att anrikningen av PAO är större än av GAO. Anaeroba biologiska selektorer underlättar tillväxten av PAO, som lagrar polyfosfat och PHB (polyhydroxybutyrat).

Nyckeln till att förbättra fosforsläppet är att stimulera syntesen av PHB och en pulserad beskickning av substrat ger en ökad substratgradient, vilket medför en stimulans av PHB-produktionen med större anrikning av PAO. I en process med slamskiftning leds inkommande avloppsvatten till en anaerob zon i kontinuerlig drift tillsammans med en recirkulerade ström av slam från den av flera parallella SBR-reaktorer, som senast var i drift. Härigenom uppnås en recirkulation från hög till låg substratkoncentration genom anaeroba/aeroba förhållanden, vilket stimulerar anrikningen av PAO framför GAO. 

Syftet med refererad studie var att klargöra hur en SBR-process med slamskiftning påverkar fosforavskiljningen vid olika slamskiftesförhållande mellan recirkulerat slam och inkommande avloppsvatten samt att jämföra syntesen av PHB och den mikrobiella sammansättningen i processen vid olika förhållanden.

Genomförande

Försöken utfördes i en laboratorieanläggning med en anaerob zon och tre parallella SBR-reaktorer. Vid uppstart skedde en ymp med slam från ett kommunalt avloppsreningsverk. Den anaeroba zonen var i kontinuerligt drift och den beskickades med obehandlat avloppsvatten och cirkulerat slam pumpat i sekvenser från botten av varje SBR-reaktor. Varje SBR-reaktor drevs i tidssekvenser för att passera de olika stegen i processen – beskickning, anoxisk omrörning, aerob luftning, sedimentering och dekantering – och det aktiva slammet skiftades kontinuerligt under sedimenteringsfasen till en anaerob zon med en hög koncentration av organiskt material för att skapa en god miljö för tillväxt av PAO och släpp av fosfor. Olika slamskiftesförhållanden (förhållandet mellan recirkulerat slam och inkommande avloppsvatten, R) undersöktes för 0 % (inget slam cirkulerades, vilket är en normal SBR-drift) samt 15, 30 resp. 40 %. 

Förutom vanliga fysikalisk/kemiska parametrar bestämdes glykogen och PHB. Den relativa förekomsten av PAO och GAO samt det totala antal bakterier bestämdes genom Fish (Fluorescence in situ hybridization). Analys av bakteriesammansättningen gjordes med hjälp av PCR förstärkning och DGGE (denaturing gradient gel electrophoresis).

Resultat

Resultaten av studien visade att bäst resultat vad gäller avskiljning av total-P erhölls med R = 30 %. Efter 30 dygn, då reaktorn gradvis hade stabiliserats, var fosforavskiljningen omkring 96 % och samtidigt uppgick avskiljningen av COD, NH₄-N och total-N till 87, 95 och 68 %. Motsvarande avskiljning utan slamskiftning (0 %) var 67, 85, 96 och 55 %. Avskiljningen av fosfor var högre vid R = 30 % jämfört med 40 %, vilket kunde förklaras av en minskad hydraulisk uppehållstid, ökad nitrathalt som påverkade de anaeroba förhållandena och en mindre stabil koncentration av biomassa vid R = 40 %. Fosforavskiljningen var högre vid alla slamskiftesförhållanden jämfört med vid 0 % och sammantaget var potentialen för avskiljning av fosfor god för en process med slamskiftning.

Försöken visade att syntesen av PHB förbättrades med en SBR med slamskiftning jämfört med en normal SBR-process och poly-P syntesen visade även samma mönster vid slutet av den aeroba fasen. Koncentrationen av PHB i den anaeroba zonen och innehållet av poly-P i slutet av den aeroba zonen uppnådde ett maximum vid R = 30 %. Vid R = 40 % minskade PHB-syntesen samtidigt som glykogensyntesen stimulerades, vilket gjorde att fosforavskiljningen minskade jämfört med R = 30 %. Specifika hastigheten för fosforsläppet var 19,1, 24,3 resp. 23,0 mg P/g VSS/h vid R = 15, 30 resp. 40 %.

Bestämning av den relativa förekomsten av PAO och GAO under försöket visade att andelen GAO var 35, 28, 22 resp. 20 % medan andelen PAO var 30, 42, 46 resp. 45 % vid R-värdena 0, 15, 30 resp. 40 %. Den relativa förekomsten av PAO ökade således medan förekomsten av GAO gradvis minskade vid ökande slamskiftningsgrad. 

Bestämning av den mikrobiologiska diversiteten för R = 30 % gjordes regelbundet under försöket. Biomassan bestod av tre fyla, Proteobacteria, Firmicutes och Actinobacteria. Med ett slam, som cirkulerades från hög till låg substratkoncentration, minskade populationerna av Sphingomonas (som kan betraktas som en GAO) och Leptothrix (som är en typ av filament), medan populationerna av Pseudomonas (en PAO som spelade en stor roll för P-avskiljningen) och Bacillus litoralis (som var en typ av denitrifierande bakterie) ökade. Kombinerat med konverteringen och syntesen av Poly-P och PHB visade populationsbestämningarna att en cirkulation av aktivtslam genom höga och låga substrathalter favoriserade tillväxten av PAO istället för GAO.  

Slutsatser

Försök med en SBR-process med slamskiftning visade att 

Källa: Y. Pan, W. Ruan, Y. Huang, Q. Chen, H. Miao, T. Wang. Performance of enhanced biological phosphorus removal and population dynamics of phosphorus accumulating organisms in sludge-shifting sequencing batch reactors. Water Science & Technology, 78.4, 2018, pp 886 – 895.

Hela artikeln från Water Science & Technology finns att köpa här.