Försök med en biofilmsprocess med fast bärarmaterial har utförts för att bestämma maximal biofilmstjocklek och tidskonstanten för biofilmens utveckling. Resultatet användes för kalibrering av en enkel dynamisk modell som kunde användas för praktisk dimensionering och processuppföljning.
Av: Bengt Andersson
Biofilmsprocesser med både fast och rörligt bärarmaterial har numera kommit till frekvent användning vid kommunala avloppsreningsverk. Matematiska modeller för biofilmsprocesser har utvecklats under senare år med olika komplexitet från enkla nolldimensionella modeller upp till tredimensionella dynamiska modeller. Vid användning av modeller är det viktigt att beakta modellkomplexiteten i förhållande till syftet med användningen.
Om syftet med modelleringen är praktisk dimensionering och uppföljning kan önskemål finnas om pålitliga verktyg som är lätta att använda och endimensionella modeller kan då vara fullt tillräckliga. Kalibrering av modellen är viktig där hänsyn måste tas till typen bärarmaterial (rörligt eller fast bärarmaterial). Det är även önskvärt att kunna simulera förändringen av biofilmsmassan på bärarmaterialet och särskilt under uppstartskedet av processen.
Refererad undersökning har fokuserat på biofilmens utveckling på ett fast bärarmaterial med användning av en mycket enkel endimensionell modell ursprungligen utvecklad för biorotorer. Syftet var att undersöka biofilmens utveckling i tiden för bestämning av den maximala biofilmsmassan och att värdera eventuella korrelationer med substrattillgänglighet och hydrodynamiska förhållanden. Dessutom var avsikten att modifiera och kalibrera modellen så att den skulle kunna användas som dimensioneringsmodell för dynamiska förhållanden. För att uppnå detta måste tillväxt- och avsöndringshastigheterna för biofilmen kunna identifieras.
Genomförande av undersökningen
Undersökningen genomfördes i en pilotanläggning med 8 lika stora tankar i serie utan recirkulationsflöde. Den totala volymen var 16 m3 och den totala hydrauliska uppehållstiden under försöken var 30 dygn. Tankarna var försedda med moduler med bärarmaterial i form av lodräta syntetiska fibertrådar med en total yta av 17,7 m2 i varje tank och med en fyllnadsgrad uppgående till 58 %. I tankarna fanns dessutom mindre bärarmaterialspaket som togs ut för bestämning av biofilmsmassan vid olika tidpunkter. Under bärarmaterialet fanns membranluftare. Instrumentering fanns för kontinuerlig mätning av syrehalten i tankarna och av aktuellt luftflöde.
Försöken pågick i 168 dygn och pilotanläggningen belastades med ett kommunalt avloppsvatten. Provtagning och analys av inkommande avloppsvatten och avloppsvatten från varje tank gjordes två gånger per vecka. Analyser gjordes med avseende på TSS, COD, ammoniumkväve, nitratkväve, nitritkväve, totalkväve och totalfosfor. Biofilmsmassan på bärarmaterialet bestämdes ungefär en gång varannan vecka.
Den maximala biofilmsmassan bestämdes genom att anpassa en mättnadskurva till mätdata och där värdet för den maximala biofilmsmassan och halvmättnadskonstanten justerades så att felet mellan anpassad kurva och mätpunkterna minimerades.
För den dynamiska modelleringen användes en enkel modell där mängden biofilm vid varje tidpunkt bestämdes av tillväxthastigheten minus avsöndringshastigheten och den biologiska aktiviteten. Tillväxthastigheten beräknades som produkten av en hastighetskoefficient och slamhalten i tankarna. Avsöndringshastigheten beräknades som produkten av en hastighetskoefficient och förhållandet mellan aktuell biofilmsmassa och skillnaden mellan maximal och aktuell biofilmsmassa. Detta var en modifiering av den ursprungliga modellen, som angav biofilmstjockleken i stället för biofilmsmassan, som gjordes för att undvika de praktiska svårigheterna med att bestämma biofilmstjockleken. Den biologiska aktiviteten beräknades från en massbalans för varje reaktor. Hastighetskoefficienterna för tillväxt och avsöndring anpassades så att felet mellan modellsimuleringen och uppmätt mängd biofilm minimerades. Parameterskattningarna gjordes för varje tank.
Resultat
Genom anpassning av mättnadskurvan till samtliga mätdata från försöken kunde den maximala biofilmsmassan och halvmättnadskonstanten med tillhörande 90% konfidensintervall bestämmas för varje tank. Utvecklingen av biofilmen på bärarmaterialet var klart tidsberoende och ett maximalt värde för biofilmsmassan kunde bestämmas.
Belastningen på varje tank minskade genom systemet, vilket medförde att den aktiva biomassan på bärarmaterialet även borde minska. Den maximala biofilmsmassan i de första två tankarna uppgick till cirka 800 g/m2, i de efterföljande två tankarna till cirka 400 g/m2 och i den femte tanken till omkring 350 g/m2. Massan ökade däremot något i de tre sista tankarna, vilket förklarades av en större osäkerhet i beräkningen i dessa tankar. Korrelationskoefficienten för sambandet mellan maximal biofilmsmassa och belastningen av TSS eller COD uppgick till knappt 0,8. Det påpekades att värdena för biofilmen inte kan jämföras med motsvarande värden för rörligt bärarmaterial.
Maximal biofilmsmassa bestäms utöver substratbelastningen även av de hydrodynamiska förhållandena. I försöken var luftflödet den enda parameter av hydrodynamisk karaktär som varierade. Ett klart samband kunde ses mellan luftflöde och biofilmsmassa, där högre luftflöde innebar en mindre maximal biofilmsmassa.
Halvmättnadskonstanten kunde inte identifieras i undersökningen beroende på en för stor osäkerhet i parameterestimeringen.
Använd modell uppvisade en bra överensstämmelse med uppmätta biofilmsdata. Dessutom kunde biofilmens dynamik fångas upp, där modelleringen kunde följa ökningar och minskningar av biofilmsmassan. Data för koefficienterna för tillväxthastigheten var tillförlitliga medan motsvarande koefficienter för sönderdelningshastigheten inte kunde identifieras i undersökningen på grund av för stor osäkerhet.
De beräknade koefficienterna för tillväxthastigheten varierade från 0,1 till 0,4 m/d i de olika tankarna. Koefficienterna borde vara lika i alla tankarna och oberoende av belastning eller tillgång till substrat eftersom tillväxthastigheten redan är en funktion av TSS-halten i vätskefasen. Ett starkt samband mellan COD-belastning och tillväxtkoefficienterna fanns emellertid, vilket skulle kunna förklaras av att mikroberna föredrog att vara i suspenderad form vid låg substrattillgång medan biofilmformering inte var ofördelaktig då substrattillgången inte var begränsad.
Resultatet av undersökningen är inte generellt och det skall ses som ett exempel på hur en förenklad modell kan tas fram och användas för praktiskt dimensioneringsändamål.
Slutsatser
Följande slutsatser kunde dras av undersökningen:
- Genom en enkel tillämpning kunde maximal biofilmsmassa bestämmas med rimligt konfidensintervall medan tidskonstanten för utvecklingen av biofilmen inte kunde identifieras på grund av en stor osäkerhet i parameterestimeringen.
- Ett starkt samband mellan COD-belastning och maximal biofilmsmassa förelåg.
- Skjuvkrafterna på grund av en ökad luftning hade en tydlig påverkan på den maximala biofilmsmassan.
- Genom modifieringen av den matematiska modellen kunde ett vanligt förekommande problem med bestämning av biofilmstjockleken undvikas och ersättas med en bestämning av biofilmsmassan istället.
- Modellen kunde fånga de dynamiska förändringarna i biofilmen.
Källa: N. Szilágyi, R. Kovács, I. Kenyeres, Zs. Csikor. Biofilm development in fixed bed biofilm reactors: experiments and simple models for engineering purposes. Water Science & Technology 68.6 (2013) pp 1391 – 1399.
Hela artikeln i Water Science & Technology finns här.
