Modellering av ammoniumupptag med Scenedemusalger

Av: Jörgen Hanaeus 

Ammoniumupptaget från mikroalgen Scenedesmus har studerats i en 0,5 m³ reaktor utomhus.

Avloppsvatten från en dränkt, anaerob membranbioreaktor tillfördes 5-10 ggr/dag, beroende på solljusförhållandena. Utetemperaturen varierade mellan 9,5-32,5 °C och max ljusintensitet var 1 860 µmol/m²,s. Maximalt nåddes ammoniumupptaget 3,71 mg NH₄-N/g TSS,h.

En matematisk modell konstruerades. Ammoniumkoncentration, ljusintensitet och temperatur bedömdes klart viktigast för algpopulationen och sammansattes i modellen. Modellen validerades i försöken och kunde framgångsrikt reproducera försöksresultaten.  

Bakgrund

Mikroalger är intressanta för upptag av N och P ur olika typer av avloppsvatten. De fixerar CO₂ från uteluften och kräver låg extern energitillförsel. Det finns även potential att nyttiggöra den bildade algbiomassan.

Det kan vara problematiskt att förutsäga algkulturens beteende i ett sammanhang med varierande uteklimat och varierande näringstillförsel, vilket inträffar för en utomhusanläggning med reell avloppsvattentillförsel. En relevant teoretisk modell är därför användbar för reglerings- och prognosändamål och en sådan var också målet för denna studie.

Försök

Mikroalger skördades från väggarna till biostegets sedimentering i Cuenca del Carraixets avloppsverk och tillfördes utgående vatten från en dränkt anaerob membranbioreaktor. Ett stabilt ekosystem formades med Scenedesmus som helt dominerande alg (>99%).

En 500 L rektangulär reaktor (2,0*0,25 m²) i transparent akrylat placerade med en stor sidoyta mot söder. Omrörning skedde med luftinblåsning och pH begränsades till 7,5 via pH-styrd CO₂-tillförsel.

Vattnet från membranbioreaktorn tillfördes i 5-10 doser/dag, beroende på näringsinnehåll och solintensitet. I genomsnitt höll vattnet 47 mg NH₄-N/L och 6 mg PO₄-P/L. Från reaktorn bräddade vattnet, så att den alltid höll vattenvolymen 500 L. Algcellernas genomsnittliga uppehållstid i reaktorn var 3 dygn den första veckan och därefter 5,5 dygn. 

Förutom närsalter, temperatur och pH mättes suspenderade ämnen, löst syre, turbiditet och fotosyntetiskt tillgänglig strålning (PAR). Data samlades in under 1 månad, varunder 200 vattendoseringar utfördes.

Resultat

En vanlig dag steg ljusintensiteten från noll vid 8-tiden till ett maximum av ca 1 600 µE/m²,s för att avklinga mot noll vid 18-tiden. Vattentemperaturen steg med fördröjning mot en topp vid 17-tiden, t ex vid 25°C. Ammoniumseparationen sjönk linjärt från solstart till 17-tiden, avbruten av korta, små höjningar då nytt vatten tillfördes.

Max solintensitet under perioden var 1 860 µE/m²,s. Temperaturen varierade mellan 9,5 och 32,6 °C. Ammoniumkoncentrationen låg mellan 1,1 och 22,4 mg NH₄-N/L. Fosfatinnehållet var tämligen konstant vid 1 mg P/L; nitrit och nitrat nära noll.

Den högsta ammoniumseparationshastighet som uppnåddes var 1,54 mg NH₄-N/L,h vilket motsvarade 385 mg NH₄-N/g TSS, h.

Med ljusintensiteter mellan 400-1200 µE/m²,s ökade ammoniumupptaget och ofta också vattentemperaturen. De högsta temperaturerna, drygt 30 °C, gav dock inte de högsta ammoniumseparationshastigheterna utan dessa återfanns vid 20-23 °C.

Den modell som utvecklades för ammoniumseparationshastigheten (mg NH₄-N/g TSS,h) baserades på tre samband.

För ammoniumkoncentrationen: Monodkinetik, för ljusets inflytande: Steele’s ekvation, för temperaturens inflytande: Cardinals temperaturmodell med inflexion.

Koefficientvärden(6 st) för dessa samband redovisas i artikeln.

Slutsatser

Den konstruerade modellen som baserades på solljus, vattentemperatur och ammoniumkoncentration visade god överensstämmelse med de värden som uppmättes i pilotskalan och kan rekommenderas för användning i tillämpade sammanhang. I vilken utsträckning direktavgång av ammoniak ingår utreder dock inte författarna.

Intresse för att använda alger i VA-sammanhang dyker då och då upp i Sverige från biodammstiden och framåt, men det är fortfarande ett steg till lyckad fullskaleanvändning. 

Källa: Ruiz-Martinez, A.¹⁾, Serralta, J.¹⁾ & Seco, A.²⁾ & Ferrer, J.¹⁾, (2016): Modeling light and temperature influence on ammonium removal by Scenedesmus sp. under outdoor conditions. Water Science & Technology, Vol 74, No 8, pp 1964-1970.

Hela artikeln finns att köpa här.

Författarna från:  

1. Universitat Politecnica de Valencia, Instituto de Ingeniera del Agua y Medio Ambiente (IIAMA), Camino de Vera s/n, 46022 Valencia, Spain
2. Universitat de Valencia, Escola Tecnica Superior d’Enginyeria, Departament d’Enginyeria Quimica, Avinguda de la Universitat s/n, 46100 Burjassot, Valencia, Spain

Kontakter:  anruima1@upv.es