Det finns uppenbara fördelar med en Anammox biofilmsprocess för behandling av avloppsvattenströmmar med höga kvävehalter. En biofilmsprocess för autotrof kväveoxidation är dock komplex och tillväxt av heterotrofer parallellt med ammoniumoxiderare kan inte undvikas. En ökad förståelse av samspelet mellan olika bakteriepopulationer är viktig.
Av: Bengt Andersson
Behandling av avloppsvattenströmmar med höga kvävehalter kan med fördel göras i en Anammoxprocess. Eftersom Anammoxbakterierna har en låg tillväxthastighet och låg slamproduktion kan en biofilmsprocess hålla kvar biomassan i systemet både enklare och effektivare jämfört med ett system med suspenderad bakteriekultur.
En biofilm har en komplex sammansättning med elektrondonatorer och -acceptorer, aktiv biomassa, extracellulära polymerer (EPS), inert restmaterial och lösligt mikrobiellt material (SMP). I en Anammox biofilmsprocess friges EPS, SMP och nedbrytningsprodukter vid oxidationsprocessen och dessa mikrobiella produkter, som inte kommer från inkommande avloppsvatten, är en orsak till förekomsten av heterotrofer i biofilmen. En hög halt av dessa produkter medför en ackumulering i biofilmen och det gynnar tillväxten av heterotrofer, vilket kan äventyra den autotrofa oxidationsprocessen i biofilmen och störa processen i praktiska applikationer. Dessutom kan en konkurrens uppkomma om nitrit som slutlig elektronacceptor. Bättre kunskap om tillväxten av heterotrofer i en Anammox biofilm erfordras för att förstå samspelet mellan olika bakteriepopulationer i biofilmen.
Studien
Försök har genomförts i en Anammox biofilmsreaktor i laboratorieskala. Som komplement till de experimentella studierna utnyttjades en matematisk biofilmsmodell för att beskriva det mikrobiella samspelet genom utbyte av SMP mellan Anammoxbakterierna och heterotroferna. Målet var att uppskatta produktion och förbrukning av mikrobiella produkter och att kvantitativt bestämma den relativa förekomsten av Anammoxbakterier och heterotrofa bakterier i biofilmen samt att belysa påverkan av kvävebelastning och biofilmstjocklek på produktionen av SMP och tillväxten av heterotrofer.
En Anammox biofilmsreaktor drevs kontinuerligt med dosering av ett syntetiskt avloppsvatten under hela försöket. Batchvisa försök utfördes parallellt för att kunna analysera utbytet av SMP i systemet. FISH observationer genomfördes för att uppskatta den relativa förekomsten av Anammox bakterier och heterotrofa bakterier.
Resultat
Den relativa förekomsten av heterotrofer och Anammoxbakterier visualiserades med hjälp av FISH-teknik och analysen visade att Anammoxbakterierna dominerade i biofilmen med omkring 77 % +/- 10 % av den totala bakterievolymen och att heterotroferna utgjorde cirka 23 % +/- 10 %. En förutsättning för tillväxten av heterotrofer var produktionen av SMP i processen.
Försök med ammonium och nitrit som enda energikällor och bikarbonat som enda kolkälla visade att ammoniumhalten minskade snabbt, att nitrithalten minskade i samma takt och att nitrathalten steg kontinuerligt och var den dominerande kvävefraktionen i utgående avloppsvatten vid slutet av testet. Efter det att förbrukningen av nitrit var fullständig förändrades inte ammonium- eller nitrathalterna. SMP producerades så länge som ammonium och nitrit utnyttjades av Anammoxbakterierna. Ammonium och nitrit utgjorde energikälla för syntes och produktion av SMP. Stökiometriskt var förhållandet mellan bildat NO3-N och förbrukat NH4-N omkring 0,18 – 0,22, vilket är klart lägre än andra resultat, där förhållandet uppgick till 0,26. Detta indikerar att en betydande mängd nitrat användes som elektronacceptor av heterotroferna vid utnyttjandet av SMP som bildats vid Anammoxbakteriernas tillväxt.
Värderingen av mikrobiella samspel i biofilmen gjordes med hjälp av upprättad modell, där modell och experimentella data stämde mycket väl överens. Av utvärderingen framgick att den heterotrofa tillväxten i en nitrifierande biofilm var signifikant högre (30 – 50 %) jämfört med en Anammoxbiofilm (23 %). Anledningen till detta var att nitrifierande autotrofer har mycket högre tillväxthastighet än Anammoxbakterierna, vilket gynnar heterotrof tillväxt, och att den totala aktiva biomassan i en nitrifierande biofilm även är högre än i en Anammox biofilm.
Effekten av specifik kvävebelastning och biofilmens tjocklek utvärderades genom modellering. Ökningen av den specifika kvävebelastningen medförde stabila fraktioner av biomassa även om den absoluta tillväxten av heterotrofer ökade. Utgående kvävefraktioner ökade med en ökad specifik belastning och en lägre avskiljningsgrad erhölls. Låg kvävebelastning resulterade i lägre tillgänglig mängd SMP med lägre heterotrof tillväxt i biofilmen och läge kvävehalter i utgående avloppsvatten.
Varierande biofilmtjocklek värderades genom modellering. En ökad tjocklek av biofilmen medförde att den heterotrofa tillväxten i biofilmen ökade. Dock var den relativa fraktionen av biomassa stabil.
Slutsatser
Genom experimentella försök och modellering kunde följande slutsatser dras.
SMP produktionen gnom tillväxt av Anammoxbakterier och nedbrytningsprodukter kunde stimulera den heterotrofa tillväxten i en Anammox biofilm. Fördelningen mellan Anammoxbakterier och heterotrofer uppgick till 77 % Anammox och 23 % heterotrofer.
Heterotrofernas tillväxt i en Anammox biofilm var lägre än i en nitrifierande biofilm.
En låg specifik kvävebelastning resulterade i lägre produktion av SMP och mindre heterotrof tillväxt. Högre kvävebelastning kan leda till ökad heterotrof tillväxt med höge kvävehalter och SMP från biomassa i utgående vatten. Det är därför viktigt att kontrollera kvävebelastningen för att ta hänsyn till dess avgörande effekt på utgående löst COD och fraktioner av aktiv biomassa i biofilmen.
Kontroll av biofilmens tjocklek var väsentlig för att uppnå en hög kväveavskiljning och en liten icke-användbar biomassa (heterotrofer, EPS och inert biomassa).
Källa: B-J. Ni, M. Ruscalleda, B.F Smets. Evaluation on the microbial interactions of anaerobic ammonium oxidizers and heterotrophs in Anammox biofilm. Water Research 46 (2012) pp 4645 – 4652.
Hela artikeln från Water Research finns att köpa här.
