Anammox i huvudströmmen

Anammox i huvudströmmen: processens långtidsstabilitet och utgående vattenkvalitet vid vanliga temperaturer. Ett EU-finansierat projekt har drivit ettåriga studier i bänkskala (SBR,12 L) motsvarande anammox i avloppets huvudström (efter aerob förbehandling) Bakterierna har arbetat på bärarmaterial (MBBR) och långvarigt klarat stränga kvävekrav vid 15 °C. Goda och stabila kväveresultat har nåtts.

Av: Jörgen Hanaeus 

Två SBR försöksreaktorer om 12 L har belastats med försedimenterat och aerobt förbehandlat avloppsvatten. Båda reaktorerna hade rörligt bärarmaterial (MBBR) och den ena (hybrid-MBBR)  hade även flockat material kring biofilmen.  Reaktorerna drevs under ett försöksår, varav mer än fem månader vid 15 °C. Syrehalten styrdes begränsad: 0,15-0,18 mg O₂/L vilket höll nitrathalterna låga. Reduktioner 20-40 mg N/L,d erhölls i båda reaktorerna vid en hydraulisk uppehållstid av 14 h och stabil reduktion av ammonium med 90 % och av totalt kväve med 70 % noterades. Utgående totalkvävehalt låg under 10 mg N/L och ammoniumhalten under 2 mg NH₄-N/L.

Halten avskiljda mikroföroreningar (27 utvalda) mättes också, varvid en tredje reaktor drevs som referens med konventionell nitri-denitrifikation process. Reaktorernas effektivitet var i detta avseende jämnbördig. 

Bakgrund

Anammoxbakterierna är intressanta i avloppsprocesser för kvävereduktion då de gentemot traditionell nitrifikation-denitrifikation kräver lite energitillskott och ingen extern kolkälla samt att slamproduktionen är låg.

Nackdelar att hantera är långsam tillväxthastighet för bakterierna samt höga temperaturkrav. Anammoxbakterierna har lyckats väl då de ympats in i varma och kväverika delprocesser i avloppsverk, såsom rejektströmmar efter rötkammare. Nästa stora utmaning är förstås att hantera huvudavloppsströmmen i ett verk och få en resurssnål kväveseparation att fungera i denna.”Mainstream anammox” alltså, vid låga (och varierande) kvävehalter och låga (och varierande) temperaturer. Åtskilligt FOU-arbete pågår kring detta.

Anammoxbakterierna kan sägas vara nitritkvävebalanserare och i samverkan med ammoniumoxiderande bakterier hantera minskningen av ammoniumkväve (till nitrit) och i samverkan med nitritoxiderande bakterier hantera ökningen av nitratkväve (från nitrit). För höga halter av ammonium eller nitrat ger för höga kväveutsläpp från processen och, ifråga om ammonium, åtföljande krav på syrsättning. Uttrycket PN/A är vanligt för processen – Partial Nitritation/Anammox.

Driften av försöksreaktorerna syftade till att undersöka PN/A-processernas stabilitet vid längre tids körning och vid jämförelsevis låg temperatur (15 °C) med ett normalt avloppsvatten och med hänsyn till vanliga utsläppskrav för kväve. Därtill skulle processernas effektivitet gällande mikroföroreningar belysas.

Försök

Reaktorerna (MBBR resp H-MBBR) inokulerades med biofilmbärande K5-material (AnoxKaldnes, 800 m²/m³) som togs ur en pilotreaktor där vatten från en rötkammare anammoxbehandlades. Fyllnadsgrad 33 %. Reaktorerna arbetade med successivt avtagande temperatur, från 29 till 15 °C och med syrehalterna 0,18 ± 0,02 mg O₂/L resp 0,15±0,05 mg O₂/L.

SBR-sekvenserna var 5: samtidig fyllning och tömning, blandning, luftning (slutas vid 2 mg NH₄-N/L), ytterligare blandning samt sedimentering. Tiden för varje cykel varierade mellan 4-6 h beroende på mikroorganismernas aktivitet. Den aeroba delen stod för ca 2/3 av cykeltiden.

MBBR-reaktorn belastades i snitt med 61 mg N/L,d vid temperaturintervallet 29-15 °C och 40 mg N/L,d vid perioden med 15 °C. Motsvarande värden för H-MBBR-reaktorn var 42 resp 38 mg N/L,d.

Slamåldern bedömdes till 7±2 d (som SRT) och driften pågick under ca 1 år.

Det avloppsvatten som användes togs från verket i Dübendorf efter försedimentering och luftades för att avskilja organiskt material/COD med en slamålder av 1 d. Efter denna behandling höll försöksvattnet 21 mg/L NH₃-N, 0,5 mg/L NO₃-N, < 0,2 mg/L NO₂-N, 22 mg/L Tot-N, 69 mg/L COD och 46 mg/L löst COD.

Särskilda underhandsförsök gjordes för att skatta maximal anammox-aktivitet, tillfälliga anammox-, AOB- och NOB-aktiviteter. En temperatursänkning från 15 °C till 11 °C utfördes under några veckor. Vidare gjordes ett test av heterotrof denitrifikation för att se om den bidrog nämvärt till N-separationen. Svaret blev nej. Sammansätttning av bakteriefloran undersöktes via 16s rRNA sekventiering och hybridisering med qFISH.

Separation av 27 organiska mikroföroreningar undersöktes i de två reaktorerna och för referens i en parallell 12 L-reaktor med SBR nitrifikation-denitrifikation.

Resultat

Den aeroba förbehandlingen avskiljde stabilt 84 och 73 % av total resp löst COD.

När temperaturen sänktes till stabila 15 °C sjönk effektiviteten i tot-N-avskiljning för MBBR-reaktorn från 47 till 30 mg N/L,d. Dock klarades utsläppsnivåerna genom en ökad uppehållstid (9 h till 14 h i MBBR och 12 till 14 h i H-MBBR).

Som maximal anammoxaktivitet uppmättes 600 mg (NH₄+NO₂)-N/L,d.

Kortvariga funktionsstörningar, såsom perioder av nolltillförsel, av luftning > 3 mg O₂/L, av löst COD > 200 mg/L påverkade inte långtidsfunktionen.

När temperaturen försöksvis sänktes från 15 °C till 11 °C sjönk anammoxaktiviteten dramatiskt; från nivån 100-200 mg (NH₄+NO₂)-N/L,d till en nivå lägre än 20 mg (NH₄+NO₂)-N/L,d.

När temperaturen åter ökades, började anammoxbakterierna snabbt en återhämtning och efter en vecka var normala effektivitetsvärden nådda igen.

Ca. Brocadia var dominerande anammoxgenus i biofilmen under försöksperioden.

Slutsatser

PN/A processer kunde drivas för förbehandlat kommunalt avloppsvatten vid 15 °C under ett försöksår med en avskiljningskapacitet av 30 mg N/L,d  vilket är av samma storleksordning som för konventionella kväveavskiljningsmetoder. Då var avskiljningen >70 % totalkväve och utgående halter < 2 mg NH₄-N/L och < 6 mg N_tot/L.

Avskiljningen av utvalda mikronäringsämnen var snarlik den för andra system med biologisk näringsseparation.

I artikeltiteln användes uttrycket ”at low temperatures” med vilken författarna – från fem olika europeiska länder – menar omkring 15 °C. För flera svenska avloppsverk är detta snarare en maxtemperatur och man behöver kunna hantera åtminstone 5 °C kortvarigt.

Temperaturförståelsen för praktisk tillämpning av anammoxprocesser går dock framåt och är viktig att följa. Den lyckade återhämtningen från 11 °C är intressant och kan öppna för en kreativ årstidsdrivning av avloppsverk.

Källa: Laureni, M.^a,b), Falås, P.^a), Robin, O.^a,c), Wick, A.^d), Weissbrodt, D.^a,b,e,f) , Lund Nielsen, J. ^f) , Ternes, T. ^d) , Morgenroth, E. ^a,b) & Joss, A.^a) (2016): Mainstream partial nitration and anammox: long-term process stability and effluent quality at low temperatures. Water Research, 101, pp 628-639.

Hela artikeln finns att köpa här. 

Författarna:

a)     Eawag: Swiss Federal Institute of Aquatic Science and Technology, Überlandstrasse 133, 8600 Dübendorf, Switzerland. 

b)    Institute of Environmental Engineering, ETH Zürich, Stefano-Franscini-Platz 5, CH-

8093 Zürich,Switzerland.

c)     Institut National Polytechnique de Tolouse (INPT) – Ecole Nationale Supériere des            

Ingenieurs en Arts Chimiques et Technologiques (ENSIACET), 4 allée Emile Monzo, CS 44362, 31030 Tolouse Cedex 4, France.

d)   Federal Institute of Hydrology, Am Mainzer Tor 1, D-E6428955-434E-4F9F-AC08-ECAA2C8DDA8F Koblenz, Germany.

e)   Department of Biotechnology, Delft University of Technology, Julianalaan 67, NL-

      2628 BC Delft, The Netherlands.

f)   Department of Chemistry and Bioscence, Aalborg University, Fredrik Bayers Vej 7H,  

      DK-9220 Aalborg, Denmark.

Korrespondens:  michele.laureni@eawag.ch