Genom en konvertering av organiskt material bundet i slam kan fettsyror produceras, som kan utnyttjas som kolkälla vid biologisk fosfor- och kväveavskiljning. Försök med anaerob fermentering av överskottsslam med tillsats av kalciumperoxid antyder en lovande metod för produktion av fettsyror av hög kvalitet.
Av: Bengt Andersson
Genom omvandling av organiskt material och näringsämnen i överskottsslammet från en aktivtslamprocess till kortkedjiga fettsyror (SCFA) kan ett välbehövligt tillskott av lättillgänglig kolkälla för denitrifikation och fosforavskiljning skapas. För en långtgående omvandling erfordras en behandling av slammet genom disintegration och olika metoder har utvecklats för detta.
En metod för disintegration är anaerob fermentation vid högt pH, där hydrolys- och syrastegen accelereras och metansteget hämmas. Genom tillsats av kalciumperoxid (CaO2) till en anaerob fermentation bildas väteperoxid (H2O2) och kalciumhydroxid (Ca(OH)2) och rätt förhållanden kan skapas för en stimulans av hydrolys- och syrastegen. Andra studier har dessutom visat att CaO2 är ett effektivt oxidationsmedel för att avskilja svårnedbrytbara ämnen.
Syftet med genomförd studie var att undersöka ackumuleringen av SCFA och den samtidiga reduktionen av svårnedbrytbara ämnen vid en anaerob fermentation med tillsats av CaO2.
Genomförande av undersökningen
Undersökningen utfördes i laboratorieskala genom satsvisa försök med fermentation av överskottsslam från avloppsreningsverket i Shanghai. Fyra olika tillsatser av CaO2 undersöktes (0,05, 0,1, 0,2 och 0,3 g/g VSS). Eftersom H2O2 och Ca(OH)2 frigörs från CaO2 gjordes även försök enbart med tillsats av dessa ämnen i stökiometriskt förhållande för en ökad förståelse för mekanismerna. Resultaten jämfördes med en referens, där fermentationen skedde utan tillsats av någon kemikalie.
Ett omfattande analysprogram genomfördes för bestämning av relevanta kemiska parametrar. Bildade reaktiva ämnen som fria hydroxylradikaler bestämdes liksom mikrobiologiska parametrar i form av förhållandet mellan levande och döda bakterier, aktiviteten av nyckelenzym vid anaerob fermentation och förändringen av den mikrobiologiska strukturen vid behandlingen.
Resultat
Studien visade att en ökad ackumulering av löst COD (SCOD) uppnåddes vid ökad tillsats av CaO2. pH ökade initialt i proportion till doseringen genom frigörandet av Ca(OH)2, varvid metanbildningen hämmades med lägre förbrukning av SCOD. pH minskade till omkring 7 efter 4 dygn och metan bildades åter vid försöken med de lägre doseringarna. Vid den högsta doseringen var pH stabilt över 10 och metanbildningen hämmades helt. Metanbildningen hämmades även vid en dosering av 0,2 g/g VSS trots att pH-värdet minskade från drygt 9 till omkring 7.
Produktionen av totala SCFA (TSCFA) ökade för doseringar upp till 0,2 g/g VSS. Vid den högre doseringen 0,3 g/g VSS var produktionen av SCFA mycket liten, vilket förklarade varför pH inte minskade. Den optimala dosen var 0,2 g/g VSS med en behandlingstid av 7 dygn. Produktionen av TSCFA uppgick till omkring 300 mg COD/g VSS, vilket var 4 gånger högre än för referensen. Ättiksyra och propansyra var de huvudsakliga fettsyrorna, där mer än 60 % utgjordes av ättiksyra och där närvaron av CaO2 bidrog till konvertering av andra fettsyror till ättiksyra.
Tillsats av enbart H2O2 i stökiometriskt förhållande till bildningen medförde ingen statistiskt signifikant ökning av produktionen av TSCFA. Tillsats av Ca(OH)2 i högre dosering än 0,1 g/g VSS medförde en hämning av produktionen av TSCFA på grund av en alltför hastig förändring av pH.
Mätning av enzymaktiviteten visade att CaO2 stimulerade alla undersökta enzym kopplade till hydrolys och syrabildning vid doseringar upp till 0,2 g/g VSS. Aktiviteten dämpades vid den högre doseringen (0,3 g/g VSS) på grund av den svagare biologiska aktiviteten. Aktiviteten av koenzymet F420, som är ett nyckelenzym för metanbildning, dämpades av CaO2-doseringen, vilket förklarade den minskade metanproduktionen särskilt vid de högre doseringarna.
Undersökningar av den mikrobiella strukturen visade att Proteobacteria och Bacteroidetes var dominerande fylen, som svarade för mellan 70 och 80 % av den totala mängden bakterier i det obehandlade slammet och i referensen utan tillsats av CaO2. Andelen av dessa två fylen minskade vid dosering av 0,2 g CaO2/g VSS till omkring 40 % och dominerande fyle (drygt 45 %) blev istället Firmicutes, känt för att kunna producera extracellulära enzym involverade i hydrolys och syrabildning. Det var även troligt att Firmicutes bidrog till den ökade ättiksyrabildningen vid försöken med tillsats av CaO2, vilket dock kräver ytterligare studier för att bekräfta. Genom doseringen av CaO2 minskade antalet metanogena arkéer, vilket bidrog till den låga metanproduktionen och till en ökad ackumulering av SCFA.
Försöken visade att reduktionen av svårnedbrytbara organiska ämnen kunde uppnås genom dosering av CaO2 genom att hydroxylradikaler bildades från frigjord H2O2. Av ursprungligen 29 olika organiska toxiska ämnen kunde endast 19 detekteras efter behandling med 0,2 g CaO2/g VSS med en betydligt lägre förekomst.
Slutsatser
Studien visade att
- med en passande dosering av CaO2 vid fermentering av överskottsslam erhölls en ökad produktion av fettsyror av hög kvalitet genom synergi mellan kemiska och biologiska effekter som stimulerade disintegrationen och syrabildningen
Källa: Y. Li, J. Wang, A. Zhang, L. Wang. Enhancing the quantity and quality of short-chain fatty acids production from waste activated sludge using CaO2 as an additive. Water Research 83 (2015) pp 84 – 93.
