N2O-produktionen av ammoniumoxiderande bakterier i

N2O produktionen av ammoniumoxiderande bakterier i ett anrikat nitrifierande slam uppvisar ett linjärt beroende av koncentrationen av oorganiskt kol. Effekten av koncentrationen av oorganiskt kol på lustgasproduktionen av ammoniumoxiderande bakterier undersöktes i en laboratoriereaktor för fullständig nitrifikation och anrikad med ammonium- och nitritoxiderande bakterier. Resultatet visade att det fanns ett linjärt samband mellan lustgasbildningen och koncentrationen oorganiskt kol.

Av: Bengt Andersson

Autotrof nitrifikation omfattar två steg, oxidation av NH₃ till NO₂^– av ammoniumoxiderande bakterier (AOB) och oxidation av NO₂^– till NO₃^– av nitritoxiderande bakterier (NOB). Lustgas (N₂O) kan produceras av AOB via två vägar – genom reduktion av NO₂^– till N₂O via kväveoxid (NO) eller som en sidoprodukt vid ofullständig oxidation av hydroxylamin till NO₂^–. Många undersökningar har visat att variationer i lustgasemissioner har berott på olika driftförhållanden, där parametrar som löst syre, pH, ammoniumbelastning och nitritackumulering har haft en stor inverkan.

AOB utnyttjar NH₃ som elektrondonator för produktion av energi och koldioxidfixering vid cellsyntesen. Bikarbonat, den dominerande formen av oorganiskt kol (IC) vid neutrala pH-förhållanden, har därför en stor betydelse för AOB.s metabolism och studier har visat att respirationshastigheten minskade vid en begränsning av halten IC. Lustgasbildningen kopplades till den specifika tillväxthastigheten av AOB och nitrifikationsaktiviteten (AOR) och det är därför sannolikt att halten IC kan ha en påverkan på lustgasbildningen.

Syftet med refererad studie var att klargöra effekten av halten IC på lustgasproduktionen av AOB.

Genomförande av undersökningen

Undersökningen utfördes i en SBR-reaktor i laboratorieskala ympad med slam från avloppsreningsverket i Brisbane, Australien. Reaktorn beskickades med ett syntetiskt vatten med ammonium för anrikning av AOB och NOB. Då experimenten startade hade anläggningen varit i drift i mer än 8 månader med en så gott som fulständig oxidation av ammonium till nitrat.

Genom två olika test undersöktes effekten av halten IC på lustgasproduktionen. Det första testet genomfördes under 10 timmar med en initial IC-halt av cirka 10 mmol C/l och med kontinuerlig CO₂-avdrivning, vilket medförde en varierande halt IC. Kompletterande avdrivningsförsök med hög halt IC (cirka 25 mmol C/l) utfördes för att belysa gränsvillkoren för försöksresultaten. Det andra testet utfördes under 45 minuter med konstant halt IC på olika nivåer, där en kontinuerlig mätning av CO₂ användes för bestämning av erforderlig tillsats av bikarbonat för att hålla halten IC konstant. Ammoniumhalten upprätthölls till omkring 20 mg N/l under alla test genom tillsats av ammonium. Försöken genomfördes vid rumstemperatur vid en syrehalt av 2,5 mg/l.

Resultaten verifierades även med data från ett försök med partiell nitritation av anaerobt rejektvatten i en SBR-reaktor anrikad med AOB. 

Avdrivningen av N₂O och CO₂ i försöken bestämdes kontinuerligt on-line. Kemiska analyser av ammonium, nitrit, nitrat, totalt oorganiskt kol och MLSS och MLVSS utfördes i prov vid tider jämnt fördelade under försöken. Biomasspecifik ammoniumoxidationshastighet (AOR_sp) och specifik lustgasproduktion (N₂OR_sp) beräknades för varje batchtest.

Resultat

Effekten av oorganiskt kol på lustgasproduktionen av AOB har inte belysts tidigare och i studien användes en anrikad nitrifierande kultur som i huvudsak utgjordes av AOB och NOB. Genom FISH-analyser konstaterades att 46 % av bakteriepopulationen bestod av ammoniumoxiderande beta-proteobacteria och 38 % av nitritoxiderande Nitrospira. Genom rRNA-sekventiering identifierades den dominerande AOB populationen till nästan 80 % tillhöra familjen Nitrosomonadaceae.

Varje försök inleddes med en kort kontrollfas utan ammoniumtillsats. Lustgasproduktionen var då konstant och nära 0, vilket innebar att heterotrof denitrifikation inte bidrog i någon större utsträckning till N₂O-produktionen.

Vid försöken med kontinuerlig CO₂-avdrivning ökade lustgasproduktionen kraftigt upp till 30 ppmv efter tillsats av ammonium för att därefter stadigt minska till en nivå omkring 3 ppmv samtidigt som IC-halten minskade från cirka 12,5 till 0,4 mmol C/l och CO₂-halten från 0,53 till 0,035 volyms %. AOR_sp var oberoende av IC-halten då denna översteg 6 mmol C/l varefter hastigheten minskade då IC-halten minskade. Nitrithalten ökade inledningsvis till cirka 4 mg N/l och minskade till 1,2 mg N/l i slutet av testet.

Vid försöken med konstant halt IC mellan 0 och 12 mmol C/l ökade lustgasproduktionen snabbt efter tillsats av ammonium och den var relativt konstant under hela försöket. N₂OR_sp bestämdes till mellan 2,8 och 0,3 mg N/h*g VSS för motsvarande IC-halter mellan 11,6 och 0,5 mmol C/l. Halterna av CO₂ och ammonium var konstanta under försöket medan nitrithalten i reaktorn visade en ökande trend som stannade vid en nivå mellan 0,6 – 3 mg N/l.

Det sammantagna resultatet från samtliga försök visade det fanns ett linjärt samband mellan N₂OR_sp och halten IC (R² = 0,97). De flesta mätpunkterna föll inom ett beräknat 95 % -igt konfidensintervall. Testen för att belysa gränsvillkoren visade att N₂OR_sp ökade med ökande halt IC upp till 16 mmol C/l och att hastigheten vid högre halt var relativt konstant. Försöken med en AOB kultur som behandlade rejektvatten från anaerob slambehandling visade även ett linjärt samband mellan N₂OR_sp och IC-halt, vilket oberoende bekräftade resultatet från försöken med en helt annan bakteriekultur.

AOR_sp ökade med ökande IC-halt med en avtagande ökning, där sambandet kunde beskrivas enligt Monod kinetik. Korrelationen mellan N₂OR_sp och AOR_sp var exponentiell. En parameteruppskattning visade att de flesta datapunkterna låg inom ett beräknat 95 % -igt konfidensintervall. Även kvoten mellan N₂OR_sp och AOR_sp visade ett starkt positivt beroende av IC-halten.

Den fundamentala mekanismen för erhållna samband kunde inte klargöras genom studien. Resultatet gjorde det dock troligt att halten oorganiskt kol indirekt påverkade N₂OR_sp genom att förorsaka ändringar i AOR_sp.

Idag används matematisk modellering för att uppskatta lustgasemissioner från avloppsreningsverk. Använda modeller tar inte hänsyn till effekten av variationer i halten oorganiskt kol. De beaktar inte heller det exponentiella sambandet mellan emissioner och AOR_sp.

Slutsatser

Studien visade att

Källa: L. Peng, B-J. Ni, L. Ye, Z. Yuan. N₂O production by oxidizing bacteria in an enriched nitrifying sludge linearly depends on inorganic carbon concentration. Water Research 74 (2015) pp 58 – 66.

Hela artikeln från Water Research finns att köpa här.