Algodling i urinlösning – ett annorlunda grepp i avloppsv

I en holländsk studie har alger odlats i lösningar av humanurin. Hög biomasseproduktion har eftersträvats samtidigt med upptag av fosfor och kväve. COD-nedbrytning erhölls också. Ljusintensitet, spårämnestillsats och spädning av urinen varierades.

Av: Jörgen Hanaeus

Syntetisk urin och humanurin har använts som substrat för att odla algkulturer. Algen Chlorella sorokiniana valdes och vattendjupet 10 mm testades. Reaktorn belystes, spårämnen och CO₂ tillsattes. Urinen späddes 2-50 ggr. En biomasseproduktion om nära 15 mg/L,d kunde uppnås parallellt med separation av 1300 mg N/L,d och 150 mg P/L,d. 70 % av det organiska innehållet i urinen bröts ned. Bäst resultat erhölls vid låg spädning: 50/50. Magnesiumbrist behövde kompenseras och N:P-kvoten justeras. Bildad algbiomassa innehöll drygt 40 % proteiner och 25 % fettsyror.

Bakgrund

Ett flertal installationer av urinsorterande avloppssystem har kommit till stånd i Nederländerna. Den näringsrika urinen kan användas som näringskälla för olika växtlighet. Ett intressant utvecklingsområde är algbiomassa som provas som bas för olika kemikalier och för biobränsle. Tekniken är ännu inte ekonomiskt bärkraftig, men i kombination med behandling av avloppskomponenter ökar möjligheterna. Humanurin som näring för mikroalger har inte provats i särskilt många studier, varför det ansågs intressant att testa.

Frågor att besvara var bl a vilken (minsta) spädning av urinen som behövdes och vilket inträngningsdjup för ljuset som mest gynnade algtillväxten. Vidare provades olika N:P-förhållanden i urinlösningen samt effekten av magnesiumtillsats.

Material och anläggning

Algen Chlorella sorokiniana valdes som försöksobjekt och 4 försöksserier genomfördes:

serie 1 med syntetisk urin; serie 2 med urin (A) från män och i flaskor (ej spädd), serie 3 (dygn 1-90) med urin (B) från urinsorterande toaletter (båda könen) liksom serie 3 (dygn 91-269) med urin (C) som hämtades från andra urinsorterande toaletter än (B).

Den ospädda urinen (A) höll ca 7 g tot-N/L (varav ca 10 % NH₄-N) och 0,5 g PO₄– P/L. COD drygt 8 g/L och N/P 34:1 på mol-nivå. Urinen från toaletterna, med spolvatten, höll drygt hälften av dessa värden. Dock var NH₄-N-andelen i C-urinen nära 90 % av N-innehållet i denna indikerande att urea-omvandlingen pågått en tid.

Algerna lagrades vid ljusintensiteten 20-40 µmol fotoner/m², s och 16h/8h dag/natt-cykler och med 2 % CO₂-tillskott i luften.

Två slags fotobioreaktorer användes till försöken. I försöken med humanurin användes en platt reaktor med belyst yta ca 20*40 cm², och med 10 mm belysningsdjup; totalt 1 L volym.

Uppehållstid för lösningen var normalt 1 d.

Reaktorn luftades underifrån över 2/3 av bredden och innehöll en baffle, vilket skapade en vätskerotation med god omblandning. Luften berikades med CO₂. Lösningens temperatur var 38 °C. pH reglerades till 7,0 med små doser av HCl eller NaOH. Algerna belystes med högtrycks natriumlampor. Biofilm på reaktorns glasyta torkades av via invändig magnetloppa.

Ljusintensiteten varierade mellan 1180-2*1550 µmol fotoner/m², s. Den bildade algbiomassan anrikades genom centrifugering och utsattes för elementanalys. Innehållet av fetter, proteiner och närsalter bestämdes också.

Resultat

Den syntetiska urinen användes främst till att bestämma lämplig spädning för urinlösningen (serie 1) och med start vid 20 ggr spädning kunde så småningom 2 ggr spädning ge goda resultat, dock att den ökade algtätheten kompenserades med ökande ljusintensitet.

Med humanurin (serie 2) kunde, med en spädning av 5 ggr och ljusintensiteten 1500 µmol fotoner/m², s, en biomassetäthet av 8,6 g/L,d nås. Fosforavskiljningen var 100 % under i stort sett hela serie 2, och fosfor var troligen tillväxtbegränsande här. Kvävereduktionen var ca 70 %. Reduktionen av COD blev då 71 % eller 1354 mg COD/L, d. De höga ingående COD- och ammoniumhalterna påverkade inte algkulturen negativt.

I serie 3 strävades efter optimering av spädning, biomasseproduktion och näringsreduktionen i utgående lösning.

Med ökande ljusintensitet – från 1050 till 1540 µmol fotoner/m², s – och minskande spädning – från 10 ggr till 2 ggr – ökade biomassetätheten från 3,8 g/L till 6,6 g/L.

Magnesiuminnehållet konstaterades nära noll och extra tillsats av Mg till 17 mg/L i urinlösningen med 3 ggr spädning provades, vilket ökade biomassetätheten. Man sänkte även N:P-kvoten från 45:1 till 14:1 genom P-tillskott. Vidare minskades bestrålningsdjupet från 10 mm till 5 mm via belysning från två håll.

Fosfortillskottet gav ingen direkt respons vilket indikerade att någon annan parameter begränsade. Den ökade ljusintensiteten ökade biomassetätheten signifikant; från 9,0 till 12,6 mg/L. N-avskiljningen ökade också; från 62 till 76 %.

En ytterligare ökning av magnesiumhalten, från 1,4 till 1,9 mg Mg/g biomassa höjde biomassetätheten från 12,7 till 15,4 mg/L, liksom N-avskiljningen, från 73 till 87 %. P-avskiljningen hade också ökat och var här 76 %.

Slutligen justerades N:P-kvoten till 23:1 och magnesiumhalten till 1,5 mg Mg/g biomassa, vilket bedömdes vara optimalt i denna studie trots att i litteraturen N:P-kvoten 16:1 angivits som biomasseoptimum och därtill klart lägre Mg-värden än detta.

COD-reduktionen varierade kring dryga 60 %. I refererad litteratur angavs f ö kvoten BOD/COD för humanurin vara 67-85 %.

Proteininnehållet i biomassan var ca 40 % (av TS) och fettinnehållet närmare 25 %; det senare värdet är potentiellt intressant för oljeproduktion. Sedimenteringstiden för alger odlade i urinlösning anges vara kortare (4,3 h) än för alger odlade i standardmedium (M8a) (7,7 h), vilket givetvis är lovande för avskiljningen av algerna.

Slutsatser

Under normala odlingsförhållanden kan en produktivitet av ca 9 g algbiomassa/L,d bedömas möjlig, även om god ljusintensitet erfordras, liksom tillskott av CO₂. Magnesiuminnehållet är viktigt att kontrollera, då autoutfällning kan ske i urinen. Med ytterligare optimering kunde 15 mg biomassa/L,d och avskiljning av 1,3 g N/L,d samt 0,15 g P/L,d uppnås. Troligen bidrar bakterier underhand med såväl biomassa som avskiljning; författarnas bedömning var upp till 7 % av biomassan, 13 % av N-avskiljningen och 7 % av P-avskiljningen.

Naturliga villkor som uppfyller kraven i studien är svåra att uppnå i Skandinavien. Biodammar för avloppsvatten kan t ex bara förlita sig på naturlig solstrålning och större djup; däremot är bakteriernas andel av biomassan större och deras naturliga CO₂-produktion tillräcklig för systemets funktion.  Grundare och mer välblandade dammar har dock provats i och med HRAP-anläggningar (High Rate Algae Production), t ex i Östersund.

Om tillväxten av urinsorterande system fortsätter, är tekniklösningar av beskrivet slag intressanta som komplement till gödning av markbaserad växtlighet; de kan dessutom arbeta utanför den naturliga växtperioden.

Källa: Tuantet, K.¹⁾, Temmink, H.¹⁾, Zeeman, G.¹⁾, Janssen, M.²⁾, Wiffels, R. 2), Buisman, C. ¹⁾       (2014): Nutrient removal and microalgal biomass production on urine in a short light-path photobioreactor.  Water Research, 55, pp 162-174.

Hela artikeln i Water Research finns att köpa här.

Författarna:

1)    Sub-department of Environmental Technology, Wageningen University, the Netherlands.

2)    Bioprocess Engineering, AlgaePARC, Wageningen University, the Netherlands.

Korrespondens:  kanjana.tuantet@hotmail.com