Denitrifierande polyfosfatackumulerande organismer vid

Kan icke denitrifierande polyfosfatackumulerande organismer eliminera behovet av anaeroba zoner vid biologisk fosforavskiljning? Vid ett avloppsreningsverk utformat för anoxa/aeroba förhållanden uppnåddes även biologisk fosforavskiljning trots avsaknaden av en anaerob zon. Genom en systematisk studie konstaterades att icke denitrifierande PAO kan åstadkomma EBPR vid anoxa/aeroba förhållanden beroende på deras oförmåga att utnyttja nitrat.

Av: Bengt Andersson

I system för biologisk fosforavskiljning (EBPR) tar fosforackumulerande organismer (PAO) upp fosfor i överskott mot vad som behövs för celltillväxten. En definierad anaerob fas för att separera tillförseln av elektrondonatorer (organiskt material) och elektronmottagare (syre eller nitrat) har antagits vara avgörande för en stabil drift av EBPR. Många studier har emellertid visat att EBPR aktivitet kan ske även om det inte finns någon fysisk eller temporär separation av tillförseln av elektrondonatorer och elektronmottagare.

Vid Ulu Pandan avloppsreningsverk i Singapore, utformat för biologisk kväveavskiljning med anox- och aerobzoner, observerades fosforsläpp i anoxzonen i närvaro av nitrat. En hypotes var att en fraktion av PAO, som inte kan denitrifiera (non-DPAO), kunde bidra med EBPR vid anox/aeroba förhållanden och att de verkade känna igen anoxförhållandena som anaeroba. 

Candidatus Accumulibacter är en vanligt förekommande PAO, som har visat sig kunna utkonkurrera heterotrofa denitrifierare åtminstone i ett anrikat slam med hög andel Accumulibacter (72 % av den totala bakteriepopulationen). Andelen Accumulibacter i en fullskaleanläggning utgör dock mindre än 10 % av bakteriepopulationen.

Syftet med studien var att bestämma andelen non-DPAO i en fullskaleanläggning samt att undersöka EBPR kapaciteten av non-DPAO när slammet utsätts för anoxa/aeroba förhållanden i korttidsbägarförsök med tillsats av acetat eller propionat, som är de två vanligast förekommande VFA i avloppsvatten.

Genomförande

Studien genomfördes vid Ulu Pandan avloppsreningsverk, som var utformat som en modifierad Ludzack Ettinger process för biologisk kväveavskiljning med anoxa och aeroba zoner med totalt 6 dygns SRT och 8 timmars HRT. Ett provtagningsprogram vid anläggningen genomfördes under en tvåmånadersperiod.

Laboratorieförsök med slam från fullskaleanläggningen genomfördes i olika omgångar för att karakterisera den biokemiska aktiviteten för PAO i slammet. Andelen och aktiviteten av non-DPAO vid anaeroba/anoxiska/aeroba förhållanden bestämdes genom försök med tillsats av acetat och propionat som enda kolkälla. EBPR aktiviteten av non-DPAO vid anoxa/aeroba förhållanden bestämdes med syntetiskt avloppsvatten med tillsats av acetat, propionat eller av försedimenterat avloppsvatten. Slutligen bestämdes EBPR aktiviteten för enbart aeroba förhållanden. Försök med anaeroba/anoxiska/aeroba förhållanden gjordes alltid som referens.

Analys av närsalter, VFA och slamhalt gjordes i olika faser av processen för bestämning av EBPR aktiviteten. Andelen aktiva resp. icke aktiva DPAO bestämdes enligt en modifierad fosforupptagningsmetod. Analys av den mikrobiella sammansättningen gjordes genom 16S-rDNA genamplikon sekvensering och qPCR (quantitative polymerase chain reaction) samt med hjälp av FISH (fluorescence in situ hybridization).

Resultat

Fullskaleanläggningen hade en hög EBPR aktivitet, där fosforhalten minskade från 7,6 till 0,3 mg P/l igenomsnitt med en avskiljning av 96 %. Ett fosforsläpp erhölls i början av anoxzonen i närvaro av nitrat. Fosforupptag skedde från mitten av anoxzonen och i den aeroba zonen. Accumulibacter var den enda kända PAO i slammet och andelen PAO i slammet utgjorde mindre än 7 % av den totala mängden bakterier medan andelen denitrifierande heterotrofer (non-PAO) var mer förekommande.

Bägarförsök med anaeroba/anoxiska/aeroba förhållanden och tillsats av acetat eller propionat visade fosforsläpp och fosforupptag med både acetat och propionat men med lägre hastighet för propionat. Med acetat skedde ett fosforupptag både i anoxfasen och i aerobfasen medan inget upptag skedde i anoxfasen med propionat. Andelen aktiva DPAO uppskattades till 39 – 44 % av totala PAO och återstående 56 – 61 % utgjordes av non-DPAO, som inte kunde utnyttja nitrat. Motsvarande andelar med propionat uppskattades till 5 resp. 95 %.

Under försöken fanns alltid non-DPAO i större andel än DPAO. Förmågan att koppla fosforupptag och nitratreduktion är en metabolisk egenskap som tillskrivs Accumulibacter typ I, som identifieras som DPAO. Non-DPAO associeras med Accumulibacter typ II, som inte kan reducera nitrat. Studien visade att non-DPAO kunde utnyttja både acetat och propionat medan DPAO endast kunde utnyttja acetat. Detta innebar att typ II Accumulibacter hade en fördel över typ I med en rikligare förekomst i slammet. 

Bägarförsök med anoxa/aeroba förhållanden visade EBPR aktivitet med båge acetat och propionat med fosforsläpp av motsvarande nivå som med anaeroba förhållanden. Aktiviteten kunde tillskrivas fraktionen non-DPAO i slammet eftersom EBPR observerades i försöken med propionat men DPAO i slammet kunde inte utnyttja propionat. Non-DPAO kunde även utnyttja acetat vid EBPR.

Under helt aeroba förhållanden observerades både fosforsläpp och produktion av PHA, vilket indikerade att PAO även kunde uppnå EBPR aktivitet i närvaro av syre men dock med en väsentligt lägre hastighet.

Slutsatser

Slutsatserna av försöken var att

Källa: A.A. Cokro, Y. Law, R.B.H. Williams, Y. Coa, P.H. Nielsen, S. Wuertz. Non-denitrifying polyphosphate accumulating organisms obviate requirement for anaerobic condition. Water Research 111 (2017), pp 393 – 403.

Hela artikeln från Water Research finns att köpa här.