Naturligt förekommande polyfosfater vid biologisk fosforavskiljning kan utgöra en fotokatalysator vid UV-bestrålning och förbättra disinfektionsgraden genom bildandet av hydroxylradikaler.
Av: Bengt Andersson
UV-bestrålning är en väletablerad teknik för disinfektion av utgående avloppsvatten. UV-ljus med en våglängd mellan 200 och 300 nm tränger genom cellväggen och inaktiverar mikroorganismer genom att ändra deras DNA. UV-ljus kan även bidra till en produktion av starkt oxidativa ämnen som hydroxylradikaler vid närvaro av vissa fotokatalysatorer och fotoaktiva ämnen. Närvaro av hydroxylradikaler bidrar till en avdödning av celler genom nedbrytning av cellväggen.
Andra studier har visat att disinfektion av avloppsvattenflockar från ett system med biologisk fosforavskiljning ökar vid UV-bestrålning. Mekanismerna för detta är dock oklara och syftet med refererad undersökning var att förklara rollen av upplagrat polyfosfat i avloppsvattenflockarna vid biologisk fosforavskiljning för att förbättra disinfektionen vid UV-bestrålning.
Genomförande av undersökningen
Prov för studien togs från två parallella pilotanläggningar, där den ena drevs som en konventionell aktivtslamprocess med luftning (referenslinjen) och den andra drevs som en BNR-UCT process med anaeroba, anoxiska och aeroba zoner (bio-P linjen). Båda anläggningarna beskickades med ett kommunalt avloppsvatten.
Flockmorfologi, partikelstorleksfördelning och sfäriskhet bestämdes genom mikroskopering och digital kamerateknik.
UV dosresponskurvor (DRC) bestämdes för doser mellan 10 och 60 mJ/cm2. Antal koliforma kolonier (CFU) bestämdes genom odling på agarplattor inkuberade vid 44 oC under 24 timmar och bestämning gjordes både för slamflockar och för utgående avloppsvatten från båda försökslinjerna. Data anpassades till en dubbel exponentialmodell genom icke-linjär regression.
De fotoaktiva egenskaperna av polyfosfat bestämdes genom att använda tri-natrium tri-metafosfat (Na3P3O9) som modellsubstans. Fotoaktiviteten bestämdes genom att mäta avfärgning av metylenblått (MB) vid UV-bestrålning. För jämförelse ersattes modellsubstansen av titandioxid, som är en välkänd fotokatalysator.
Resultat
Karakteriseringen av flockarna visade att linjen med bio-P hade i jämförelse med referenslinjen mer klusterformade kolonier, flockar av mindre storlek och sfäriskhet, lägre optisk densitet med mindre täta kärnor och en tydlig ackumulering av kristaller av polyfosfat.
Resultatet av bestämning av DRC för slammen från de båda linjerna visade att det förelåg en god överensstämmelse mellan data och modellen (r2 cirka 0,9), att reduktionen av koliforma bakterier var högre i bio-P linjen samtidigt som andelen UV-resistenta kolonier var lägre. Responskurvan för bio-P linjen hade en brantare lutning initiellt och en lägre nivå vid avklingningen. Lutningen för avklingningen var densamma för båda linjerna.
Utgående avloppsvatten från bio-P linjen innehöll omkring 5 gånger fler CFU jämfört med referenslinjen. UV-bestrålning av utgående avloppsvatten med en UV-dos av 20 mJ/cm2 reducerade CFU till 40/100 ml för bio-P linjen respektive till 1000/100 ml för referenslinjen. Avskiljningen av koliformer var alltid högre i bio-P linjen än i referenslinjen vid samma UV-dos.
Försöken med avfärgning av MB visade att modellsubstansen (tri-natrium tri-metafosfat) hade starka fotoaktiva egenskaper fullt jämförbara med titandioxid. Vid försök utan polyfosfat eller UV-bestrålning skedde ingen avfärgning. Resultatet gav vid handen att avfärgningen i närvaro av polyfosfat berodde på bildandet av hydroxylradikaler vid UV-bestrålningen och halten hydroxylradikaler uppskattades till storleksordning 10-9 mg/l. Med kinetiska data från nedbrytningen av MB kunde koncentrationen av hydroxylradikaler och dess effekt på disinfektionen uppskattas. Hydroxylradikalerna som bildas på ytan av polyfosfatkärnorna kunde förväntas diffundera genom flockarna och vara aktiva genom hela flockarna. Ett annat skäl till det positiva resultatet var att penetreringen av UV-ljus förbättrades genom att flockarna i bio-P linjen hade en porös och öppen struktur bland annat på grund av frigörandet av mikrobubblor som förhindrade bildandet av kompakta zoner av extracellulära polymeriska substanser.
En matematisk modell utvecklades som kombinerade effekten av den direkta förstörelsen av DNA vid UV-bestrålning och den kemiska effekten av bildandet av hydroxylradikaler. Modellkonstanter hämtades från litteraturen och en jämförelse av uppmätta och modellerade värden visade en god överensstämmelse. Med modellens hjälp kunde konstateras att genom en ökning av halten hydroxylradikaler från 0 till cirka 5*10-9 mg/l kunde nivån på avklingningen minskas med två 10-potenser och erforderlig UV-dos för att reducera CFU med tre tiopotenser kunde minskas mer än 5 gånger från 55 till 10 mJ/cm2.
Slutsatser
Studien visade att
- långtgående oxidation på grund av en naturlig förekomst av polyfosfater vid biologisk fosforavskiljning kan spela en betydande roll för att förbättra disinfektionen
- att polyfosfater upplagrade i flockarna vid biologisk fosforavskiljning kan verka som en fotokatalysator för att bilda hydroxylradikaler vid UV-bestrålning och accelerera disinfektionen samt
- att resultatet ger nya möjligheter att förbättra disinfektionen genom UV-bestrålning genom att optimera uppströmsprocesser.
Källa: Y. Azimi, D.G. Allen, R.R. Farnood. Enhancing disinfection by advanced oxidation under UV irradiation in polyphosphate-containing wastewater flocs. Water Research 54 (2014) pp 179 – 187.
Hela artikeln från Water Research finns att köpa här.
