Värdering av en membranbioreaktor som efterbehandlin

Av: Bengt Andersson

Avskiljning av organiska mikroföroreningar (OMP) i en konventionell biologisk reningsprocess är endast partiell och någon form av efterbehandling erfordras för en högre avskiljning. En applikation med MBR efter huvudprocessen (post-MBR) kan vara fördelaktig eftersom interferens med huvudprocessen kan undvikas. Kunskaperna om avskiljning och stabilitet i en post-MBR under in-situ förhållanden är dock bristfälliga. 

Syftet med refererad studie var att utvärdera långtidseffekten av en post-MBR för en förbättrad avskiljning av OMP. Icke-steroida antiinflammatoriska läkemedel som diklofenak, ibuprofen och naproxen är några av de läkemedel, som används i mycket stor omfattning och som frekvent finns i kommunala avloppsvatten. Syftet var även att genom fördjupade studier undersöka effekten av exogen tillsats av dessa OMP under uppstart för en högre mineralisering och att belysa och förklara utveckling och stabilitet av den mikrobiologiska sammansättningen i processen och dess samband med avskiljningen av OMP.

Försöken genomfördes vid avloppsreningsverket i Aalborg (Aalborg West), där två olika MBR-processer i pilotskala testades. Den ena anläggningen belastades med försedimenterat avloppsvattnet med anaeroba/aeroba zoner för en direkt jämförelse med Aalborg West. Den andra anläggningen belastades med utgående avloppsvatten från fullskaleanläggningen för efterbehandling vid aeroba förhållanden. Biomassans anpassning till och förmåga att bryta ner OMP testades under två skilda perioder, där tre utvalda OMP (naxopren, ibuprofen och diklofenak) doserades dagligen under den första perioden (S1) medan ingen dosering skedde under den andra perioden (S2). Anläggningen rengjordes och desinficerades mellan perioderna och ympen för processen var utgående avloppsvatten från fullskaleanläggningen.

Avskiljningen av OMP i de olika processerna bestämdes genom LC-MS (vätskekromatografi-masspektometri). Nedbrytningen av de tre utvalda OMP enligt ovan samt ketoprofen och gemfibrozil bestämdes genom GC-MS (gaskromatografi-masspektrometri) med slam från Aalborg West och MBR-systemen och med tillsats av 100 μg/l av resp. OMP. Mineralisering av OMP bestämdes genom tillsats av ¹⁴C-märkta OMP i slutna flaskor genom en massbalans för C. Den mikrobiologiska populationen bestämdes genom DNA-extraktion och sekventiering av bakteriella gener för 16S rRNA. 

Resultat

En hög avskiljning av partikulärt material och COD uppnåddes med post-MBR. En post-MBR efter ett konventionellt system men före ett ozonsteg kan ge fördelar i form av lägre energiförbrukning och bättre utgående vattenkvalitet för en efterföljande ozonbehandling.  

31 olika OMP detekterades i utgående avloppsvatten från Aalborg West, där samtliga var samma som de mest vanligt förekommande OMP i kommunala avloppsvatten världen över.

Generellt ökade avskiljningen av OMP över post-MBR men en anpassning av biomassan till OMP erfordrades. Biomassan anpassades snabbare vid tillsats av tre utvalda OMP och förmågan att bryta ned flera olika OMP etablerades efter 15 dygn under perioden med dosering (S1) och efter 90 dygn under perioden utan dosering (S2). Vid försökets slut var avskiljningsgraden större än 20 % för 24 OMP. Avskiljningen var större än 80 % för 10 OMP och innehållet var lägre än detektionsgränsen för 5 OMP.  

Nedbrytningshastigheten i post-MBR var störst för ibuprofen (248 μg/g_VSS*h) följd av naproxen (71 μg/g_VSS*h), gemfibrozil (24 μg/g_VSS*h), diklofenak (7,3 μg/g_VSS*h) och ketoprofen (2,4 μg/g_VSS*h). Hastigheterna var minst 100 gånger högre i post-MBR jämfört med aktivtslamanläggningen i Aalborg West. MBR-anläggningen beskickad med försedimenterat avloppsvatten för biologisk fosforavskiljning uppvisade liknande resultat som fullskaleanläggningen trots MBR-processen.

Mätning av ¹⁴C-märkt CO₂ från tillsatta ¹⁴C-märkta OMP (diklofenak, ibuprofen och naproxen) visade initiell mineralisering efter 15 dygn (S1) för ibuprofen och naproxen med specifika hastigheter upp till 1,2 μg/g_TSS*h. Mineraliseringshastigheten var stabilt omkring 0,8 μg/g_TSS*h under åtminstone 50 dygn. Diklofenak var mest resistent och mineraliserades inte under försöket. Mineraliseringshastigheten utan exogen tillsats ökade upp till cirka 0,4 resp. 0,2 μg/g_TSS*h för ibuprofen resp. naproxen, vilket var 2 till 3 gånger lägre än under försöket med exogen tillsats. Tidsserierna för mineralisering korrelerade väl med avskiljningen för de 31 OMP vid dag 33 för S1 och vid dag 98 för S2 och utvecklingen av en ny mikrobiell sammansättning för nedbrytning av flera OMP etablerades således efter cirka 3 månader.

Analys av den mikrobiologiska sammansättningen visade att liknande populationer dominerade både under S1 och under S2 trots de oberoende försöken. En fördjupad analys visade att tre bakteriefamiljer (Sphingomonadaceae, Comamoadaceae och Hyphomicrobiaceae) hade starkast korrelation till mineraliseringen av ibuprofen och naproxen.

Slutsatser

Försök vid Aalborg West avloppsreningsverk med efterbehandling av utgående avloppsvatten i en MBR för en ökad avskiljning av organiska mikroföroreningar (OMP) visade att 

Källa: S. Arriaga, N. de Jong, M. Lund Nielsen, H.R. Andersen, V. Borregaard, K. Jewel, T.A. Ternes, J. Lund Nielsen. Evaluation of a membrane bioreactor system as post-treatment in waste water treatment for better removal of micropollutants. Water Research 107 (2016), pp 37 – 46.

Hela artikeln från Water Research finns att köpa här.