Avskiljningen av organiskt material i en MBBR-process har utvärderats genom en ny försöksmetodik i laboratorieskala. Bestämning av aktiviteten i biofilmen på bärarmaterialet och i den aktiva biomassan i vätskan, som lossnat från biofilmen eller som härrör från friväxande bakterier, gjordes vid olika belastningar, hydraulisk uppehållstid, syrekoncentration och fyllnadsgrad av bärarmaterial.
Av: Bengt Andersson
I MBBR-processen (Moving Bed Biofilm Reactor) finns rörligt bärarmaterial med en aktiv biofilm för att öka effektiviteten per enhet reaktorvolym. Biofilmen på bärarmaterialet utsätts för skärkrafter som påverkar filmtjockleken och till följd av diffusionsbegränsningar beror aktiviteten i biofilmen inte bara på bärarmaterialets yta för påväxt utan även på biofilmens tjocklek.
Ett kontinuerligt utbyte av biomassa mellan biofilm på bärarmaterialet och suspenderad biomassa i reaktorn sker genom fastsättning och lossgöring och det finns alltid suspenderad biomassa i reaktorn som härrör från biofilmen. Beroende på processförhållandena kan det även finnas påtagliga mängder friväxande bakterier, som har en tillräckligt hög tillväxthastighet för att bli kvar i reaktorn utan att fastna på biofilmen och bärarmaterialet eller att bli utspolade från reaktorn. I system med en hög halt suspenderad biomassa kan biomassan bidra signifikant till processens effektivitet.
Avskiljningen i en heterotrof biofilm är en diffusionsbegränsad process medan aktiviteten i den suspenderade biomassan beror på hastigheten för lossgöring från biofilmen och tillväxt och aktiviteten påverkas av uppehållstid och belastning. Detta kan innebära att effekten av en ökad fyllnadsgrad av bärarmaterial kan bli olika beroende på processutformning och belastning.
Syftet med genomförd studie var att utvärdera avskiljningen av organiskt material mätt som löst COD (sCOD) i de olika fraktionerna av biomassa i en MBBR-process under olika processförhållanden och olika fyllnadsgrad av bärarmaterialet.
Genomförande av undersökningen
Försöken genomfördes i MBBR-reaktorer i laboratorieskala, initialt fyllda till 50 % av AnoxKaldnesTM K5 bärare med en specifik skyddad yta av 800 m2/m3. Reaktorerna tillfördes kontinuerligt substrat och luft från botten och bärarmaterialet hölls i suspension genom lufttillförseln. Utgående vatten togs ut från toppen av reaktorerna genom ett bräddningsrör.
Två försöksomgångar genomfördes med olika substrat. I den första omgången beskickades reaktorn med monoetylenglykol. Den hydrauliska uppehållstiden (HRT) uppgick till omkring 0,3 dygn för att simulera ett system där avskiljningen av sCOD borde vara helt beroende av biofilmsaktiviteten. Effekten av syrehalten och aktiviteten i de olika fraktionerna av biomassa bestämdes. I den andra försöksomgången användes acetat som substrat, vilket är mera lättnedbrytbart, där bidraget från den suspenderade biomassan förväntades vara mera påtagligt. Flera försök genomfördes för att utvärdera avskiljningen av sCOD vid olika syrehalt, hydraulisk uppehållstid och olika fyllnadsgrad. Belastningen av COD justerades så att nedbrytningshastigheten inte blev COD-begränsad.
Syrehaltens effekt på den heterotrofa aktiviteten bestämdes genom att mäta utgående sCOD vid olika syrehalter samtidigt som övriga parametrar hölls konstanta. Mätningarna pågick under mer än 3 uppehållstider för varje syrehalt för att uppnå ett nytt jämviktstillstånd innan nästa ändring. Eftersom luftningen skapade omrörning och turbulens i reaktorn kompenserades en minskad lufttillförsel av motsvarande tillförsel av kvävgas.
Avskiljningen i olika fraktioner av biomassa (biofilm, lossgjord suspenderad biofilm och friväxande bakterier) bestämdes genom en metodik, där bärarmaterialet från en reaktor i jämvikt överfördes till en identisk reaktor med samma volym, substrat, temperatur, hydraulisk uppehållstid och belastning. I den ursprungliga reaktorn fanns då endast den suspenderade biomassan kvar medan i den andra reaktorn endast fanns bärarmaterial med biofilm. Den andra reaktorn innehöll filtrerat utgående vatten från den ursprungliga reaktorn och båda reaktorerna hade därför samma halt av sCOD vid starten. Avskiljningen av löst COD följdes mellan tre och fyra uppehållstider till dess ett nytt jämviktstillstånd uppnåtts.
Effekten i de olika fraktionerna av biomassa studerades genom att gradvis minska fyllnadsgraden och följa påverkan på avskiljningen av sCOD. Dessa försök genomfördes så att mer än tre uppehållstider passerat innan en ny förändring gjordes. Fyllnadsgraden minskades från 50 % till 40, 30 och 20 % medan övriga parametrar hölls konstanta.
Under uppföljningen av försöken analyserades löst och totalt COD, suspenderade ämnen, löst syre, pH och temperatur. Luft- och kvävetillförseln mättes med en rotameter.
Resultat
Vid försök med glykol som substrat vid HRT 0,33 dygn erhölls ett linjärt samband mellan avskiljningen av sCOD och syrehalten, vilket indikerade att den heterotrofa aktiviteten ägde rum i den diffusionsbegränsade biofilmen och att den suspenderade biomassan i hög grad spolades ur systemet vid vald uppehållstid. Vid försök med acetat som substrat erhölls ett linjärt samband mellan avskiljning och syrehalt vid HRT 0,05 dygn men inte vid HRT 0,10 och 0,14 dygn, då avskiljningen var den samma oavsett syrehalt. En förklaring till detta kan vara att biofilmtjockleken varierade under de olika försöken. Med tjock biofilm borde penetreringsdjupet och avskiljningseffektiviteten ha ökat då syrehalten ökade medan en tunn biofilm borde vara fullt penetrerad vid alla syrenivåer med en oförändrad avskiljning relativt syrehalten.
Bestämning av avskiljningen i olika fraktioner med glykol som substrat och vid HRT 0,33 dygn visade att den suspenderade biomassan spolades ut kontinuerligt i den ursprungliga reaktorn utan bärarmaterial. Halten suspenderat material stabiliserades vid försökets slut till omkring 20 mg/l och avskiljningen av sCOD i den suspenderade biomassan uppgick till omkring 14 %. Samtidigt ökade den suspenderade biomassan i den andra reaktorn med bärarmaterialet kontinuerligt upp till ungefär samma halt som i ursprungsreaktorn före testet och avskiljningen var i stort sätt den samma under hela försöket.
Motsvarande försök med acetat som substrat visade att halten suspenderat material i ursprungsreaktor utan bärare varierade beroende på uppehållstiden. Vid den kortare uppehållstiden (HRT 0,05 dygn) minskade halten till omkring 20 mg/l och vid längre uppehållstider minskade halten till omkring 40 mg/l. Avskiljningen av sCOD i den suspenderade biomassan var obetydlig vid den kortare uppehållstiden och uppgick till cirka 8 % vid de längre tiderna. Förloppet i den andra reaktorn var det samma som i försöken med glykol.
Försök med en minskad fyllnadsgrad genomfördes endast med acetat som substrat och vid två olika uppehållstider, 0,05 resp. 0,11 dygn. Vid båda uppehållstiderna fanns ett starkt samband mellan avskiljningen av sCOD och fyllnadsgraden med en minskad avskiljning då fyllnadsgraden minskade. Resultatet påverkades inte av uppehållstiden. Luftningen hölls konstant under försöken, vilket medförde att syrehalten ökade i reaktorerna då aktiviteten minskade vid en minskad fyllnadsgrad. Troligen skulle effekten av fyllnadsgrad vara mindre signifikant vid den längre uppehållstiden om syrehalten hade hållits konstant.
Slutsatser
Följande slutsatser kunde dras av undersökningen:
- Avskiljningen av löst COD i en MBBR uppvisade ett linjärt beroende av halten löst syre i reaktorn till följd av diffusionsbegränsning i biofilmen även med ett lättnedbrytbart substrat som acetat. Avskiljningen var emellertid oberoende av syrehalten under andra förhållanden.
- Bidraget till avskiljning av löst COD från den suspenderade fraktionen av biomassa varierade med uppehållstiden, där en kort uppehållstid medförde ett starkt beroende av aktiviteten i biofilmen medan friväxande bakterier och lossgjord biofilm i suspension hade en större effekt vid en längre uppehållstid.
- Det förekommer alltid suspenderad biomassa i en MBBR till följd av lossgjord biofilm även då de friväxande bakterierna spolats ut ur processen. Suspenderad biomassa bör därför alltid beaktas i en MBBR även om bidraget var begränsat i denna undersökning.
- En MBBR är ett komplext system med varierande beroende av löst syre, belastning, hydraulisk uppehållstid och fyllnadsgrad och detta måste alltid beaktas vid utformning och dimensionering av MBBR.
- Metodiken som utvecklats i studien är ett användbart verktyg för att bestämma aktiviteten i de olika fraktionerna av biomassa i MBBR och den kan bidra till en bättre förståelse av processen.
Källa: M. Piculell, T. Welander, K. Jönsson. Organic removal activity in biofilm and suspended biomass fractions of MBBR systems. Water Science & Technology 69.1 (2014) pp 55 – 61.
Hela artikeln från Water Science & Technology finns att köpa här.
