En biofilmsprocess för samtidig fosforavskiljning, denitrifikation och fosforåtervinning i två steg har utvecklats för efterbehandling av avloppsvatten, där biofilmen utnyttjas som bärare för att överföra fosfor från en utspädd till en koncentrerad ström.
Av: Bengt Andersson
En biofilmsprocess (EBPR-r -Enhanced Biological Phosphorus Removal and recovery) har utvecklats som en efterdenitrifikationsprocess för samtidig avskiljning och återvinning av fosfor genom modifiering av en konventionell EBPR process. Processen är uppbyggd av två steg där en biofilm anrikad med polyfosfatackumulerande organismer (PAO) utnyttjas som bärare för att överföra fosfor från en utspädd avloppsvattenström till en koncentrerad återvinningsström.
Biofilmen exponeras alternerande för en avloppsvattenström och en separat återvinningsström. Vid tillförsel av avloppsvatten tas fosfor upp av PAO i biofilmen och eftersom PAO kan använda både NO3– och O2 som elektronacceptor underlättas både denitrifikation och fosforavskiljning. Den fosforanrikade biofilmen exponeras i det andra steget för en separat återvinningsström med lägre flöde än huvudströmmen och där externt kol tillförs för att underlätta fosforsläpp under anaeroba förhållanden. Detta medför att koncentrationen av löst fosfor blir högre och kan återvinnas som t.ex. struvit i ett vidare steg, vilket är mer fördelaktigt om koncentrationen är högre än cirka 50 mg P/l.
Syftet med studien var att demonstrera och belysa det nya konceptet och att belysa potentialen för att uppnå en hög fosforkoncentration i återvinningsströmmen. Dessutom var syftet att klargöra påverkan av löst syre på denitrifikation och fosforavskiljning genom att värdera betydelsen av biofilmsstrukturen och vilken syrenivå som kan tolereras av bakterierna utan att denitrifikationen äventyras. Refererad studie har beskrivits i två separata artiklar.
Genomförande av undersökningen
Försöken utfördes i en reaktor i laboratorieskala packad med bärare av typ Kaldnes K1 med en specifik yta av 800 m2/m3. Bärarmaterialet placerades i 6 nätburar i reaktorn för att underlätta för olika försök. Bärarna exponerades alternerande av en avloppsvattenström och en återvinningsström (¼-del av avloppsvattenströmmen) i 6-timmarscykler med fosforupptag från avloppsvattnet under 4 timmar och fosforsläpp till återvinningsströmmen under 2 timmar. Avloppsvattnet utgjordes av ett syntetiskt vatten och som kolkälla i återvinningsströmmen användes natriumacetat. Reaktorn ympades inledningsvis med slam från en SBR för fosfor- och kväveavskiljning.
Två typer av försök genomfördes för att belysa utnyttjandet av O2 och NO3– som elektronacceptor i biofilmen och syrehaltens påverkan på denitrifikationen. Aktiviteten i en intakt biofilm undersöktes dels genom att vid en konstant NO3–-halt av 10 mg N/l variera syrehalten i vattnet mellan 0 och 8 mg/l dels genom att vid en konstant syrehalt av 8 mg/l variera NO3–-halten mellan 0 och 50 mg N/l. Aktiviteten i biofilm avlägsnad från bärarna undersöktes genom 4 försök (aerobt respektive anoxiskt med och utan fosfor).
Resultat
Biofilmen fungerade på ett typiskt sätt för en EBPR-process med god överensstämmelse med andra resultat. Fosfor- resp. kväveavskiljningen uppgick till 83 resp. 64 %.
Vid stationära förhållanden erhölls en maximal upptagningshastighet av fosfor (PUR) av 1,74 mg P/g TS*h och en maximal NOx-avskiljning av 1,45 mg N/g TS*h. Förhållandet mellan anoxisk fosforupptagning och samtidig denitrifikation var 1,31 mg P/mg N, vilket var i god överensstämmelse med andra studier. Maximal hastighet för fosforsläpp uppgick till 3,35 mg P/g TS*h med en P/C-kvot av 0,08, vilket antydde att biofilmen även innehåller GAO (glykogenackumulerande organismer) som konkurrerar med PAO om det lagrade organiska materialet.
Syrehalten i omgivande vattenmassa i det första processteget uppgick till 8 mg/l, vilket inte hindrade denitrifikation under fosforupptaget. En serie experiment gjordes för att belysa aktiviteten i biofilmen vid varierande syrehalt. Vid en konstant NO3-halt av 10 mg N/l medförde en ökning av syrehalten från 0 till 8 mg/l att PUR ökade med 43 % från 0,03 till 0,043 mmol P/g TS*h och att denitrifikationshastigheten minskade med 31 % från 0,076 till 0,052 mmol N/g TS*h. Vid en konstant syrehalt av 8 mg/l och utan NO3– utnyttjades lagrade elektroner i biofilmen helt till att reducera syre. Vid ökad NO3-halt minskade elektronhastigheten för O2 obetydligt medan elektronhastigheten för NO3– ökade markant. Vid halter över 8 mg NO3–-N/l blev NO3– den dominanta elektronacceptorn, vilket är fördelaktigt för en effektiv denitrifikation.
Nitrat kunde reduceras i biofilmen trots en hög syrehalt i omgivande vattenmassa beroende på en syregradient i den tjocka filmen på Kaldnesmaterialet. Genom att avlägsna biofilm från bärarmaterialet kunde syregradienten över biofilmen brytas och tester visade att PUR uppvisade samma hastighet och mönster som för en intakt biofilm. Den högsta denitrifikationshastigheten erhölls utan syre men vid en syrehalt över 6 mg/l erhölls en 6-faldig minskning av hastigheten, vilket var väsentligt mer än för en intakt biofilm som endast uppvisade en 1,5-faldig minskning vid ökad syrehalt. Biofilmens struktur för bakteriell tillväxt var således kritisk för att uppnå tillfredsställande hastighet för denitrifikation särskilt då strikt anoxiska förhållanden inte kan uppnås.
I försöken kunde fosforkoncentrationen 4-dubblas från 7 mg P/l i inkommande vatten till 28 mg P/l i återvinningsströmmen. Försök med upprepade släpp av fosfor till samma återvinningsström för att öka anrikningen visade att biofilmen kunde upprepat släppa fosfor så att koncentrationen av löst fosfor kunde öka till cirka 100 mg P/l, vilket innebar en 10-faldig ökning. Samtidigt anrikades även katjoner, där koncentrationen fördubblades för Ca2+, tredubblades för K+ och fyrdubblades för Mg2+.
Slutsatser
Studierna visade
- att en samtidig fosfor- och kväveavskiljning och fosforåtervinning kunde uppnås genom EBPR-r processen och att fosfor kunde återvinnas från avloppsvatten med låg halt till en anrikad ström med hög fosforhalt
- att den unika förmågan av biofilmen att reducera nitrat i närvaro av syre är kritisk för EBPR-r processen och den är troligen en konsekvens av en syregradient över biofilmen
- att processen inte var känslig för inträngning av omgivande syre så länge biofilmens struktur inte stördes
Källor:
P.Y. Wong, K. Y. Cheng, A. H. Kaksonen, D. C. Sutton, M. P. Ginige. A novel post denitrification configuration for phosphorus recovery using polyphosphate accumulating organisms. Water Research 47 (2013) pp 6488 – 6495.
P.Y. Wong, P, M.P. Ginige, A. H. Kaksonen, R. Cord-Ruwisch, D. C. Sutton, K. Y. Cheng. Simultaneous phosphorus uptake and denitrification by EBPR-r biofilm under aerobic conditions: effect of dissolved oxygen. Water Science & Technology, 72.7, (2015), pp. 1147 – 1154
