Igensättning av membranen i en membranbioreaktor är en nyckelfråga för processens fortsatta utveckling och tillämpning. FoU-insatser av olika slag är viktiga för att skapa en ökad förståelse för de komplexa mekanismer som orsakar igensättning av membranen. Refererad undersökning utgör ett första steg för att med hjälp av karakterisering av den mikrobiella samhällsstrukturen kunna påverka slammets filtreringsegenskaper för att minska igensättningsbenägenheten.
Av: Bengt Andersson
Intresset för teknologin med membranbioreaktorer (MBR) har ökat kraftigt under de senaste årtiondena till följd av en positiv membranutveckling och en förbättrad energieffektivitet. Igensättning av membranen är fortfarande en nyckelfråga som har tilldragit sig ett stort intresse, där FoU-insatser av olika slag har inriktats på att skapa en ökad förståelse av de komplexa mekanismer som orsakar igensättning av membranen. Undersökningar har visat att extracellulära polymeriska substanser (EPS) och lösta mikrobiella produkter (SMP) har en betydande påverkan på igensättningsbenägenheten. Vidare har konstaterats att slamhalt, flockstorlek, filamentförekomst och koncentration av katjoner även påverkar MBR-processen.
I en konventionell aktivtslamanläggning bestäms flockegenskaperna i huvudsak av den mikrobiologiska aktiviteten och sammansättningen. Liknande kopplingar har rapporterats för MBR-anläggningar, där olika bakteriegrupper har knutits till igensättning av membranen. Sådana samband har konstaterats för t.ex. nitrifierare och filament. Påverkan av en större filamentförekomst kan emellertid ha både en positiv och en negativ påverkan på igensättningen av membranen.
Danska erfarenheter har visat att en stor del av bakteriemassan i aktivtslamanläggningar för långtgående närsaltavskiljning består av ett fåtal olika arter och att den mikrobiella sammansättningen är stabil över tiden. Information om flockegenskaperna för flera vanligt förekommande bakteriegrupper i aktivtslamanläggningar finns och då många av mikroorganismerna är de samma i en MBR-process kan samband mellan förekomst av specifika mikroorganismer och slammets filtreringsegenskaper undersökas.
Partiklavskiljningen i en MBR-process har många likheter med en slamavvattningsprocess. Syftet med studien var att undersöka det aktiva slammet från olika MBR-anläggningar för att identifiera samband mellan filtrerbarhet, slamkarakteristik och den mikrobiella samhällsstrukturen.
Genomförande av undersökningen
Aktivt slam från sex kommunala avloppsreningsverk med MBR-anläggningar (två från England, två från Frankrike och två från Tyskland) ingick i undersökningen. Anläggningarna var av olika storlek från 8800 till 115000 P.E. samt utformade för olika driftsätt och med olika membrantyper. Samtliga anläggningar var uppbyggda för en långtgående kväveavskiljning och de två franska anläggningarna även för biologisk fosforavskiljning.
Provtagning och analys på plats gjordes med avseende på pH, konduktivitet, suspenderat material, utspätt slamindex (DSVI), skjuvningskänslighet och filtrerbarhet vid olika tryck för bestämning av sedimenterings- och dräneringshastigheterna. Ytterligare analyser gjordes med avseende på partikelstorleksfördelning, joninnehåll (Ca och Fe), EPS-extraktion, faskontrastmikroskopi för bestämning och karakterisering av filament samt FISH-analys med prober för identifiering av olika bakteriegrupper och arter.
Resultat
Resultatredovisningen omfattar den fysiokemiska karakteriseringen av slammen och bestämning av filtrerbarheten, bestämning av flockmorfologin och huvudkomponenterna, bestämning av den mikrobiella sammansättningen och växtmönster samt korrelationer mellan artsammansättning, flockegenskaper och filtreringsbenägenhet.
Specifika bakteriearter kan påverka driften av en MBR-anläggning. Andra undersökningar har visat en negativ påverkan vid stor förekomst av filament. Denna effekt stöds av genomförd studie, som visade att ett högt DSVI har en negativ påverkan på dräneringshastigheten, som är ett mått på filtrerbarheten. Artsammansättningen i MBR-anläggningarna kan avgöra om starka eller svaga flockar bildas, vilket i sin tur bestämmer den fysiokemiska karaktären och filtreringsegenskaperna hos det aktiva slammet. Det var tydligt att dåliga filtreringsegenskaper hörde samman med närvaron av små flockar, hög resterande turbiditet och ett högt DSVI medan goda filtreringsegenskaper erhölls med stora flockar, låg resterande turbiditet och ett lågt DSVI.
Mängden EPS har i andra undersökningar varit positivt korrelerad till DSVI och filamentindex. I denna studie erhölls inget sådant samband, vilket kan bero på avsaknaden av extremvärden då filamentindex endast varierade mellan 2 och 3 i slammen från MBR-anläggningarna.
Det förelåg inga samband mellan individuella fysiokemiska parameter och filtrerbarheten men om de fysiokemiska parametrarna kombinerades till förhållanden mellan flockningsgrad och flockningsförhållanden erhölls starka samband. Flockningsgraden uttrycktes härvid som förhållandet mellan initial turbiditet och genomsnittlig flockstorlek, där ett högt värde innebär dålig flockning, och flockningsförhållandena uttrycktes som förhållandet mellan totalt extraherad EPS och innehållet av katjoner (Ca och Fe), där ett lågt värde indikerar bra flockningsförhållanden. En stark korrelation fanns mellan flockningsgrad och flockningsförhållande samt mellan flockningsgrad och filtrerbarhet.
Motståndet i filterkakan på membranen var lågt vid samtliga anläggningar och ett lågt motstånd innebär att slammen är extremt kompressibla. Detta har stor betydelse vid driften av en MBR-anläggning med konstant flöde, där trycket ökar efter hand som membranen sätter igen.
Slammens morfologi överensstämde väl med filtreringsegenskaperna. Väl sammanhållna flockar med hög densitet uppvisade hög dräneringshastighet och lågt filtreringsmotstånd och närvaron av starka mikrokoloniformerande bakterier som Nitrospira och Accumulibacter inuti flockarna korrelerade positivt med dränerings- och sedimenteringshastigheten.
Förekomsten av bakterier som växer som ensamma celler eller som svaga aggregat identifierade genom FISH uppvisade ingen korrelation med filtreringsparametrarna och orsaken till detta kan vara förekomst av bakterier som inte detekterades med använda FISH-prober. En ytterligare analys av löst bundna bakteriers påverkan på filtreringsegenskaperna erfordras.
Förekomsten av filament påverkade flockegenskaperna på olika sätt. Effekten på dränerings- och sedimenteringshastigheten var mest påtaglig för filament tillhörande Chloroflexi, där en ökad förekomst sammanföll starkt med en kraftigt minskad hastighet. Typ 0092 fanns företrädesvis inuti flockarna och verkade som en ryggrad för starka flockar åtminstone om förekomsten inte är alltför stor. Ytterligare studier erfordras för att klargöra filamentens betydelse för filtreringsegenskaperna.
Studien visade att det finns en länk mellan förekomsten av specifika organismer, filtreringsegenskaperna och benägenheten för igensättning beroende på de fenotypiska skillnaderna mellan bakterier som växer som starka kolonier, som svagt bundna celler och som filamentbakterier. Den mikrobiella populationen i en MBR-process bör kunna kontrolleras så att filtreringsegenskaperna optimeras genom selektering av organismer som gynnar detta på motsvarande sätt som tillämpas i konventionella aktivtslamprocesser vad gäller begränsning av slamsvällning och skumning.
Slutsatser
Följande slutsatser kunde dras av undersökningen:
- Slammen i undersökta MBR-anläggningar uppvisade i stort samma mikrobiologiska sammansättning som i konventionella aktivtslamanläggningar.
- Det fanns ett starkt positivt samband mellan slammens filtrerbarhet och flockningsgrad.
- Flockningsgraden korrelerade väl med balansen mellan EPS och divalenta katjoner.
- Slammen i undersökta MBR-anläggningar var starkt kompressibla vilket kan påverka filtreringsegenskaperna.
- En riklig förekomst av bakterier som bildar starka mikrokolonier gav en bra korrelation med flockegenskaper och filtreringsegenskaper.
- Större förekomst av filament av gruppen Chloroflexi påverkade slammens flockegenskaper negativt och försämrade dräneringsegenskaperna.
- Driftförhållandena för en MBR-anläggning påverkar inte bara de fysiokemiska egenskaperna direkt utan de bestämmer även den mikrobiologiska sammansättningen som i sin tur påverkar de fysiokemiska egenskaperna och slammens filtrerbarhet.
- De korrelationer mellan den mikrobiella samhällsstrukturen, slammets fysiokemiska egenskaper och filtreringsegenskaperna som konstaterats i undersökningen bör även undersökas vid olika årstider och jämföras med de faktiska filtreringsegenskaperna för membranen installerade i MBR-anläggningarna.
Källa: T.V. Bugge, P. Larsen, A.M. Saunders, C. Kragelund, L. Wybrandt, K. Keiding, M.L. Christensen, P.H. Nielsen. Filtration properties of activated sludge in municipal MBR wastewater treatment plants are related to microbial community structure. Water Research 47 (2013) pp 6719 – 6730.
Hela artikeln i Water Research finns här.
