Förbättrad biologisk fosforavskiljning med en sidoströmsprocess – en jämförande studie i fullskala Biologisk fosforavskiljning påverkas negativt av variationer, som medför att tillgängligt organiskt material för processen blir otillräckligt. Slamhydrolys i en sidoströmsprocess kan förbättra förhållandena och en förklaring till detta visades genom parallella försök i fullskala.
Av: Bengt Andersson
Processer för biologisk fosforavskiljning (EBPR) uppvisar ofta sämre funktion på grund av variationer av olika slag. Erfarenheter har visat att det finns en positiv korrelation mellan reningsresultat å ena sidan och C/P-förhållande och sammansättning av det organiska materialet å andra sidan och åtgärder i form av en modifiering med en sidoströms anaerob reaktor för hydrolys och fermentation av returslammet (S2EBPR) har föreslagits. Studier vid ett flertal uppförda anläggningar har gjorts på senare tid utan att mekanismerna för processen kunnat förklaras nöjaktigt.
Refererad studie genomfördes som en parallell jämförelse av en konventionell EBPR (A2O) och en S2EBPR med samma inkommande avloppsvatten vid Rocky Creek AWTF (advanced wastewater treatment facility) i Hillsboro, USA. Enligt författarna är detta den första allsidiga parallella undersökningen av en konventionell EBPR och en S2EBPR och syftet var att förbättra den fundamentala förståelsen för processen, för den mikrobiella strukturen och för de grundläggande faktorerna.
Genomförande
Anläggningen i Rocky Creek AWTF omfattade försedimentering, aktivtslam med sex parallella flödeslinjer, fosforavskiljning samt desinfektion. Aktivtslamlinjerna var utformade med två anaeroba zoner, två anoxzoner och en aerob zon samt sedimentering. Försöken genomfördes i två av linjerna, där den ena linjen drevs som en konventionell A2O-process med allt inkommande vatten och returslam till den första anaeroba zonen och med cirkulation av nitratrikt slam från slutet av den aeroba till den första anoxzonen. Den andra linjen drevs som en S2EBPR där skillnaden var att inkommande vatten infördes i den första anoxzonen och att de anaeroba zonerna separerades från huvudströmmen för anaerob behandling av returslammet. Omrörningen i de anaeroba zonerna i S2EBPR var kontinuerlig under en första period (fas I) och intermittent under en andra period (fas II).
Fullskaleförsöken kompletterades med olika typer av batchtester för bestämning av den metabola aktiviteten av EBPR och för simulering av effekten av förlängda anaeroba förhållanden i S2EBPR. Mikrobiologin karakteriserades med tillgänglig avancerad metodik.
Resultat
En jämförelse av utgående vattenkvalitet från de båda linjerna visade ett genomgående bättre resultat för S2EBPR. Resultatet avseende fosforavskiljningen förbättrades vid intermittent omrörning i anaerobzonerna i S2EBPR genom en längre anaerob uppehållstid med en större substratproduktion och ett större P-släpp jämfört med kontinuerlig omrörning. Medianvärdet för fosfathalten i utgående avloppsvatten var 0,24 resp. 0,17 mg PO4-P/l från A2O resp. S2EBPR under fas I och 0,36 resp. 0,07 mg/l under fas II. Utgående halt från S2EBPR var lägre än 0,1 mg PO4-P/l under 71 % av tiden och under 23 % av tiden ut från A2O.
Genom massbalanser kunde andelen inkommande COD-mängd, som utnyttjades för EBPR, uppskattas till 4,5 resp. 5,4 % och för denitrifikationen till 14,2 resp. 18,5 % för A2O resp. S2EBPR, vilket var en indikation på att S2EBPR inte bara stimulerade tillväxten av PAO utan även av denitrifierarna. Nitratbelastningen i de anaeroba reaktorerna i S2EBPR var lägre än belastningen i A2O beroende på att det endast var nitrat från returslammet som belastade reaktorerna. Avskiljningen av nitrat i anoxzonerna i S2EBPR var större än i A2O beroende på att all COD i inkommande vatten kunde utnyttjas för denitrifikation medan COD utnyttjades både för EBPR och denitrifikation i A2O.
Både släpp och upptag av fosfor var högre i slammet från S2EBPR och en kvantifiering av biovolymen av PAO genom DAPI-färgning visade att närvaron av PAO och kapaciteten att ackumulera polyfosfat var högre. Förhållandet mellan P-släpp och acetatupptag, en indikator på förekomst av PAO och GAO, visade en PAO-dominerad metabolism i S2EBPR medan förhållandena i A2O mera indikerade en GAO-liknande metabolism. Det aeroba P-upptaget i förhållande till utnyttjad PHA var tre gånger högre i S2EBPR än i A2O.
Genom slamhydrolysen erhölls ett kontinuerligt tillskott av VFA oberoende av externa variationer och de mera komplexa VFA som bildades efter hydrolysen gynnade PAO över GAO. De utökade anaeroba förhållandena i S2EBPE var en avgörande faktor för processen med en större avdödning av GAO och andra heterotrofa organismer medan PAO gynnades av förhållandena beroende på deras bättre överlevnadsförmåga genom utnyttjandet av polymerer som energireserv.
Förhållandet mellan glykogenförbrukning och acetatupptag vid anaeroba förhållanden var högre i S2EBPR, vilket antydde att både TCA-cykeln (trikarboxylsyra) och glykolyscykeln, som är mera fördelaktig för EBPR, sannolikt utnyttjades som metaboliska vägar.
Bestämning av populationen i slammen genom FISH och DNA-sekventiering visade att förekomsten av PAO var större i S2EBPR än i A2O och att PAO i huvudsak utgjordes av C. Accumulibacter och Tetrasphaera i båda linjerna. Närvaron av Tetrasphaera i S2EBPR hade stor betydelse genom dess förmåga att fermentera olika organiska substrat. Av totalt 57 OTU (operational taxonomic unit) vanligt förekommande i systemen var 14 exklusiva för A2O och 35 för S2EBPR. Bland de exklusivt förekommande organismerna i S2EBPR ingick Rhodocyclacaceae och Nitrospiraceae kända för sin betydelse för EBPR. Den mikrobiella diversiteten bestämd med olika mått var högst i S2EBPR, vilket innebar en bättre återhämtningsförmåga efter störningar. Förekomsten av GAO var klart mindre i S2EBPR.
Slutsatser
En jämförande parallell studie i fullskala av en EBPR-process med anaerob hydrolys av returslammet som en sidoströmsprocess (S2EBPR) och en konventionell EBPR-process visade att
S2EBPR-konfigurationen uppvisade en mera stabil fosforavskiljning och både fosforavskiljning och denitrifikation förbättrades genom att inkommande flöde leddes till inloppet av den anoxiska zonen och att mera VFA producerades genom slamhydrolysen
större mikrobiell diversitet, lägre förekomst av kända GAO och högre PAO-aktivitet och nivå av glykolysaktivitet observerades i S2EBPR
genom hydrolys med tillräcklig anaerob uppehållstid skapades kontinuerligt komplexa VFA som stimulerade tillväxten av PAO jämfört med GAO.
Källa: D. Wang, N.B. Tooker, V. Srinivasan, G. Li, L.A. Fernandez, P. Schauer, A. Menniti, C.Maher, C.B. Bott, P. Dombrowski, J.L. Barnard, A. Onnis-Hayden, A.Z. Gu. Side-stream enhanced biological phosphorus removal (S2EBPR) process improves system performance – A full-scale comparative study. Water Research 167 (2019), pp 1 – 14.
