En ny metodik för att välja bärarmaterial för en aerob/anaerob sekventiell fastbäddsprocess för kväveavskiljning. En ny tillämpning för att välja bärarmaterial för biofilmspåväxt för en SBR-process för biologisk kväveavskiljning i en och samma reaktor har föreslagits. Metodiken bygger på att med hjälp av mikrosensorer för syre bestämma tjockleken av det aeroba och anaeroba skiktet i biofilmen för olika bärarmaterial.
Av: Bengt Andersson
En anaerob/aerob SBR-process med bärarmaterial (FB-SBBR, fixed-bed sequencing batch biofilm reactor) med intermittent luftning har kommit till stor användning för biologisk kväveavskiljning på grund av sin enkelhet, ett mindre energibehov för luftning och inget behov av externt kol. Genom intermittent luftning kan en biofilm utvecklas, som har ett aerobt skikt ytterst och ett anaerobt skikt innerst och en bra balans mellan aeroba och anaeroba förhållanden i biofilmen är viktiga faktorer, som påverkar processens verkningsgrad.
En metodik för bestämning av tjockleken av de aeroba och anaeroba skikten är av stort intresse för möjligheten att välja ett bärarmaterial, som stimulerar möjligheten till kväveavskiljning i samma reaktor. Syftet med försöken var att undersöka utvecklingen av en nitrifierande och denitrifierande biofilm på ytan av olika bärarmaterial med hjälp av en ny metodik baserad på användning av mikrosensorer för löst syre.
Genomförande
Utvecklingen av biofilmen på olika typer av bärarmaterial utvärderades i en flödescell utrustad med mikrosensorer för syre. Flödescellen var utformad som en kanal tillverkad av polykarbonat. Små bitar av olika bärarmaterial fixerades på botten av kanalen och ett avloppsvatten fick kontrollerat strömma över materialen. Systemet ympades först genom att slam från en UASB-reaktor med en hög andel av ammoniumoxiderande bakterier (AOB) recirkulerades i systemet under 7 dygn. Därefter avlägsnades slammet och ett syntetiskt avloppsvatten med hög ammoniumhalt och med en syrehalt av 2 mg/l recirkulerades under 35 dygn.
Mikrosensorerna var utformade med 20 mm spetsar och de kalibrerades enligt en rutin från tidigare försök. Sensorerna placerades i en mikrostegsmotor med vertikal distansförändring av 20 mm för bestämning av syrehalten i ett tvärsnitt av hela biofilmen. Den yttre delen av filmen med en syrehalt högre än 0 mg/l identifierades som aerob och resten av filmen med en syrehalt 0 mg/l som anaerob.
Fyra olika bärarmaterial (polyuretanskum , mineralkol, basaltgrus och polyeten med låg densitet ) testades i flödescellen. Två mätningar gjordes för varje bärarmaterial och vid mätningarna uppgick syrehalten i avloppsvattnet till mellan 7 och 8 mg O2/l.
Det material som identifierades som bästa bärare användes i ett efterföljande försök i en FB-SBBR-process för kväveavskiljning med ett avloppsvatten med hög ammoniumhalt. Reaktorn hade en cykeltid av 12 timmar, varav 6 timmar med och 6 timmar utan luftning med en beskickning av avloppsvatten i början av den oluftade fasen.
Resultat
Genomförd studie avsåg specifikt att utvärdera vilken typ av bärarmaterial som lämpade sig bäst för användning i fastbäddsreaktorer som FB-SBBR genom en verifiering inte bara av den totala biofilmtjockleken utan framför allt tjockleken av det aeroba och anaeroba skiktet i biofilmen. Någon fördjupning av mekanismer för kväveavskiljning eller vilka typer av bakterier som förekom i biofilmen omfattades inte av studien.
Resultatet visade att biofilmen på mineralkol var tjockast med 1 954 mm, varav det aeroba skiktet var 896 och det anaeroba skiktet 1 058 mm. Tjockleken var mindre för övriga material med totalt 771 mm för polyuretanskum, varav 396 mm var aerobt, och 782 mm för polyeten, varav 553 mm var aerobt. Den totala tjockleken för biofilmen på basaltgrus uppgick till 1 006 mm och hela filmen var aerob.
I det fortsatta försöket med en FB-SBBR-process utnyttjades mineralkol som bärarmaterial för biofilmen. Mineralkol som bärarmaterial lämpade sig väl för behandling av avloppsvatten med högt ammoniuminnehåll. Med en genomsnittlig kvävebelastning av 0,55 kg NH4-N/m3*d uppnåddes en kväveavskiljning av drygt 80 % med en genomsnittlig nitrifikation av 95 % och en genomsnittlig denitrifikation av 72 % vid inkommande ammoniumhalter mellan 112 och 392 mg NH4+-N/l. Kväveavskiljningen förbättrades under försöken från 56 % efter 45 dygn till 81 % efter 135 dygn.
Kväveavskiljningen uppnåddes genom genvägen över nitrit och nitrathalten var låg efter den luftade fasen. Nitrithalten var hög efter luftningen och minskade under den oluftade perioden från omkring 80 mg NO2-N/l efter 45 dygn till mindre än 2 mg/l efter 135 dygn. Förbrukningen av organiskt material för denitrifikationen i form av acetat och propionsyra visade att en snabb assimilation skedde under de första 90 minuterna av de 6 timmarna utan luftning.
Slutsatser
Försök med en nyutvecklad metodik med en flödescell och mikrosensorer för karakterisering av biofilmen utvecklad på olika bärarmaterial visade att
- metodiken fungerade väl för karakterisering av biofilmens tjocklek och dess fördelning mellan aeroba och anaeroba förhållanden
- flera bärarmaterial utvecklade en biofilm med båda aeroba och anaeroba skikt väl lämpade för en FB-SBBR-process men mineralkol gav tjockast film
- funktionen demonstrerades genom laboratorieförsök med en FB-SBBR-process, där kväveavskiljningen översteg 80 %.
Källa: A. Sarti, A.W. Lamon, A. Ono, E. Foresti. A new device to select carriers for biomass immobilization and application in an aerobic/anaerobic fixed-bed sequencing batch biofilm reactor for nitrogen removal. Water Science & Technology 74.11 (2016), pp 2666 – 2674.
