Det kan föreligga en konkurrens om substrat mellan PAO och GAO som påverkar den biologiska fosforavskiljningen. Hur utnyttjas de två vanligaste VFA, acetat och propionat, av PAO och GAO och hur påverkar det fosforavskiljningen? Svaret finns i refererad artikel liksom vad som kan göras för att förbättra avskiljningen.
Av: Bengt Andersson
Vid biologisk fosforavskiljning anrikas polyfosfatackumulerande organismer (PAO) som tar upp flyktiga fettsyror (VFA) under anaeroba förhållanden och lagrar dem som PHA (polyhydroxialkanoater). PHA konsumeras under aeroba eller anoxiska förhållanden för att uppnå en avskiljning av fosfor. Det finns emellertid även en annan grupp av mikroorganismer, GAO (glykogenackumulerande organismer), som konkurrerar med PAO om det anaeroba upptaget av VFA utan att bidra till fosforavskiljningen och det finns en risk för en konkurrens om VFA mellan PAO och GAO.
Acetat (HAc) och propionat (HPr) är de mest förekommande VFA i avloppsvatten och utnyttjandet av dessa kolkällor av PAO och GAO varierar och kan bero på en rad olika faktorer. Upptaget av HPr av Competibacter, en viktig grupp av GAO, är mycket långsamt jämfört med upptaget av HAc och förekomst eller tillförsel av HPr kan utnyttjas för kontroll av dessa GAO. Det finns emellertid även GAO, t.ex. Defluviicoccus vanus, som föredrar HPr före HAc även då båda substaten finns närvarande. Accumulibacter PAO kan utnyttja både HAc och HPr och en hög fraktion och en långtgående fosforavskiljning har observerats med enbart HPr som kolkälla.
Simuleringsstudier har visat att PAO uppvisar fördelar över GAO då HAc och HPr samtidigt finns tillgängliga. Effekten av en blandning av HAc och HPr på metabolismen av PAO har inte studerats experimentellt i detalj trots att det representerar en vanlig situation vid de flesta avloppsreningsverk med biologisk fosforavskiljning. Refererad studie syftade till att undersöka effekten av en blandning av HAc och HPr i olika förhållanden för att förstå dess påverkan på den anaeroba kinetiken för PAO vad avser konkurrens om substratet, att utvärdera påverkan på kinetiken i det efterföljande aeroba steget och att beskriva aktiviteten av PAO med en blandning av HAc och HPr genom metabolisk modellering.
Genomförande av försöken
Försöken genomfördes i en SBR reaktor med en anaerob och en aerob period följd av sedimentering. Reaktorn hade ympats med slam anrikat med PAO.s. Fem omgångar försök gjordes med olika blandningar av HAc och HPr (100-0 %, 75-25 %, 50-50 %, 25-75 % och 0-100 %). Vid uppstarten valdes en blandning av 75-25 % HAc och HPr.
En modell av processen implementerades i Aquasim och modellen definierade aktiviteten av PAO i en SBR med alternerande anaeroba och aeroba faser. Modellen hade kompletterats för att beskriva konkurrensen om VFA då HAc och HPr var samtidigt närvarande.
Kemiska analyser utfördes med avseende på fosforfraktioner, VFA, glykogen, PHA samt TS och VSS. FISH användes för att bestämma bakteriepopulationer i slammet.
Resultat
Belastning av en SBR med acetat och propionat i ett förhållande av 75-25 % på COD-basis medförde en anrikning av PAO, vilket bekräftades genom bestämningar med FISH. Accumulibacter PAO var den dominerande organismen, som svarade för omkring 85 % av alla bakterier. Competibacter GAO fanns även i slammet i en mängd av cirka 15 % medan Defluviicoccus vanus GAO inte kunde detekteras. Anrikningen uppnåddes efter två månaders drift då stationära förhållanden förelåg. En fosforavskiljning av cirka 99 % observerades liksom ett för PAO karakteristiskt mönster vad gäller cyklerna för P, PHA och glykogen. Utgående fosforhalt var 0,64 mg P/l, släpp och upptag av fosfor var 64,6 resp. 93,4 mg P/l med ett genomsnittligt förhållande mellan Psläpp och VFAupptag av 0,35 P-mol/C-mol.
Vid studier av den anaeroba metabolismen observerades ett fullständigt upptag av VFA i samtliga försök med olika blandningar av HAc och HPr. Upptagshastigheten var ungefär densamma då endast ett av substraten tillfördes. Vid tillförsel av båda substraten var upptaget samtidigt men HPr förbrukades snabbare än HAc. Det maximala upptaget av HPr var i stort sett lika i samtliga försök oavsett blandning (i genomsnitt 0,18 C-mol/C-mol biomassa *h) medan upptaget av HAc minskade från 0,21 till 0,06 C-mol/C-mol biomassa *h då andelen HPr ökade. PAO föredrog således ett upptag av HPr framför ett upptag av HAc då båda substraten fanns tillgängliga.
För en bättre förståelse för om observerade preferenser för upptag av HPr jämfört med HAc berodde på substratens affinitet eller på substratkonkurrens gjordes en serie parallella försök med en 25-75 % blandning av HAc och HPr och HAc ensamt 100-0 %. Om hypotesen om substrataffinitet var riktig skulle upptagshastigheten för HAc vara densamma i båda testen. Resultatet visade att upptagshastigheten av HAc då HPr var närvarande uppgick till 0,07 C-mol/C-mol biomassa *h medan hastigheten var 0,17 C-mol/C-mol biomassa *h med enbart HAc, vilket bekräftade hypotesen om substratkonkurrens.
Maximal upptagshastighet av VFA var högre då båda substraten var närvarande jämfört med då endast ett av dem fanns tillgängligt. Detta har observerats även för Defluviicoccus vanus GAO och det visade att även om det finns en konkurrens om substrat fanns även synergistiska effekter. Defluviicoccus vanus GAO föredrar HPr framför HAc och deras upptagshastighet av HPr är högre än den för PAO. En blandning av 75-25 % HAc och HPr kan då innebära en fördel för PAO över både Competibacter och Defluviicoccus vanus GAO.
Vid studier av den aeroba metabolismen framgick att fosforn reducerades till mindre än 0,01 mg P/l i samtliga försök med en genomsnittlig maxhastighet av 0,048 P-mol/C-mol biomassa *h. Resultatet var oberoende av substratets sammansättning och PHA-fraktionerna utnyttjades med identisk avskiljningseffektivitet. Resultatet indikerade att de kinetiska parametrarna för PHA, glykogen och fosfor var oberoende av koncentrationen HAc och HPr. Detta har stor betydelse vid modelleringar, då en konstant uppsättning kinetiska parametrar kan användas oavsett kolkälla.
Den metaboliska modellen beskrev resultaten av försöken väl både för den anaeroba och den aeroba fasen med god överensstämmelse för upptag av HAc och HPr, fosforsläpp, produktion av PHA och förbrukning av glykogen.
Komplettering av innehållet av VFA i inkommande avloppsvatten görs ofta genom en förfermentering av slammet eller genom dosering av extern kolkälla. Studien visade att även en relativt liten ökning av fraktionen HPr kan vara fördelaktig för fosforavskiljningen. Andra försök har visat att tillsats av melass till fermenteringen förbättrade fosforavskiljningen sannolikt på grund av en ökning av fraktionen HPr och eliminering av GAO.s.
Slutsatser
Studien visade att
- en blandning av 75-25 % HAc och HPr medförde en hög anrikning av Accumulibacter PAO och en hög fosforavskiljning,
- HPr förbrukades snabbare än HAc då båda substraten var närvarande,
- skillnaden i upptagshastighet med HAc och HPr berodde på konkurrens mellan substraten,
- kinetiken för upptaget av HAc och HPr av PAO.s gav PAO en fördel över GAO även vid en relativt liten andel HPr i substratet,
- en uppdaterad metabolisk modell med algoritmer för substratkonkurrens beskrev experimentella data väl,
- de aeroba kinetiska parametrarna var oberoende av kolkälla och behövde inte ändras vid simuleringar då kolkällan ändrades.
Källa: M. Carvalheira, A. Oehmen, G. Carvalho, M.A.M. Reis. The effect of substrate competition on the metabolism of polyphosphate accumulating organisms (PAOs). Water Research 64 (2014) pp 149 – 159.
