Det organiska materialet i ett avloppsvatten kan koncentreras genom aerob bioflockulering för efterföljande konvertering till metangas eller flyktiga syror genom anaerob behandling. Slamåldern kan påverka bioflockuleringen och produktionen av extracellulära polymerer.
Av: Bengt Andersson
Ur ett hållbarhetsperspektiv kan det vara intressant att undvika aerob mineralisering av organiskt material så att energin i materialet (1,5 – 1,9 kWh/m3) inte förstörs och att erforderlig luftning för mineralisering (0,3 – 0,5 kWh/m3) minimeras. En koncentrering och återvinning av partikulärt och kolloidalt material, där det organiska materialet kan behandlas anaerobt för produktion av metangas, kan t.ex. uppnås i en högbelastad membranbioreaktor (HL-MBR). Utgående avloppsvatten innehåller då merparten av näringsämnena och ett lågt innehåll av patogener och skulle kunna återanvändas för bevattning av grödor.
Genom aerob flockulering, där mikroorganismer avsöndrar extracellulära polymera substanser (EPS), kan partikulärt och kolloidalt material bindas ihop i flockar med goda separationsegenskaper. EPS, som i huvudsak består av proteiner, kolhydrater, lipider och organiska syror, har en adhesiv natur där multivalenta katjoner ytterligare kan förstärka bryggbildningen. Olika driftparametrars påverkan på produktionen av EPS är dåligt belyst.
I refererad studie undersöktes effekten av slamåldern (SRT) på bioflockuleringen i en HL-MBR i laboratorieskala med syftet att hitta ett optimum mellan tillfredsställande bioflockulering och tillräckligt låg grad av mineralisering för att erhålla ett maximalt utnyttjande av energin i det organiska materialet i avloppsvattnet. Syftet var att även att kvantifiera koncentrationen av EPS och dess beroende av SRT och att identifiera effekten av EPS på membranens funktion i MBR-reaktorn.
Genomförande av undersökningen
Försöken genomfördes i fem parallella HL-MBR laboratoriereaktorer, som beskickades med kommunalt avloppsvatten som passerat en sil med 5 mm spaltvidd. I reaktorerna fanns ett nedsänkt plattmembran med en nominell porstorlek av 0,2 mm. Den hydrauliska uppehållstiden (HRT) uppgick till 0,7 timmar i alla reaktorerna och SRT uppgick till 0,125, 0,25, 0,5, 1 och 5 dygn i de olika reaktorerna. Syrehalten översteg alltid 2 mg/l. Prov togs dessutom från några pilot- och fullskaleanläggningar med olika SRT för jämförelser.
COD-halten bestämdes i reaktorerna (koncentratet) samt i inkommande och utgående avloppsvatten. Fraktionering av COD-halten gjordes genom filtrering genom olika filterpapper för bestämning av suspenderad, kolloidal och löst fraktion. EPS extraherades från slammet i en jonbytare och polysackarider och proteiner analyserades ur extraherat EPS.
Små partiklar mindre än 1 mm analyserade i vätskefasen i reaktorerna efter 30 minuters sedimentering av slammet och filtrering genom ett filter med porstorlek 0,45 mm.
Igensättning av membranen undersöktes i filtreringsceller med samma membran som i försöksreaktorerna. 100 ml slam från reaktorerna tillfördes cellerna och försöken genomfördes under omrörning med ett transmembrantryck av 1 bar. Filtratet samlades upp i bägare placerade på en våg för bestämning av mängden filtrat. Det hydrauliska motståndet över membranen beräknades och plottades mot filtratvolymen.
Resultat
Avloppsvattnet innehöll drygt 610 mg COD/l, varav 59 % var suspenderat, 24 % kolloidalt och 17 % löst COD. Halten suspenderat material uppgick till 250 mg/l.
Resultatet av försöken visade att fraktionerna kolloidalt och löst COD minskade i reaktorerna då SRT ökade samtidigt som den suspenderade COD-fraktionen ökade, vilket indikerade en klar påverkan av SRT på bioflockuleringen. Den suspenderade COD-fraktionen ökade från 59 % i det obehandlade avloppsvattnet till 67 % vid en SRT av 0,125 dygn, till 78 % vid en SRT av 0,25 dygn och till över 90 % vid en SRT över 0,5 dygn.
Den optimala slamåldern kunde bestämmas till mellan 0,5 och 1 dygn, då koncentratet innehöll en suspenderad COD-fraktion av 92 – 96 % och den uppskattade COD-förlusten genom mikrobiell nedbrytning begränsades till mellan 4 – 10 %. Vid kortare slamålder uppnåddes en lägre COD-förlust men i gengäld var den suspenderade COD-fraktionen signifikant lägre. En högre slamålder än 1 dygn resulterade i en högre suspenderad COD-fraktion men COD-förlusten genom mineralisering blev oacceptabelt hög (omkring 32 %).
Försöken visade att SRT hade en stark effekt på koncentrationen av EPS, som fördubblades då SRT ökade från 0,125 till 1 dygn på grund av en ökad mikrobiell aktivitet. EPS-koncentrationen minskade emellertid vid en högre SRT än 1 dygn sannolikt beroende på en ökad nedbrytning. Merparten av EPS i reaktorerna producerades genom mikrobiell aktivitet och mindre än 5 % härrörde från inkommande avloppsvatten.
Bestämningen av sammansättningen av EPS visade att koncentrationen av EPS-polysackarider var ganska stabil (mellan 15 och 22 mg/g VSS) och den påverkades obetydligt av ändringar av SRT. Koncentrationen av ESP-proteiner var generellt klart högre och den påverkades tydligt av SRT med ett maximum (cirka 100 mg/g VSS) vid en SRT av 1 dygn. Det är sannolikt att proteiner har större betydelse för flockuleringen än polysackarider. En jämförelse med förhållandena vid några pilot- och fullskaleanläggningar med olika SRT visade god överensstämmelse med laboratorieförsöken.
EPS bestämdes även i vattenfasen och resultatet visade en markant skillnad i fördelningen mellan EPS bundet i slammet och löst i vattenfasen. Den bundna fraktionen av EPS ökade från 34 till 78 % av den totala mängden vid en ökning av SRT från 0,125 till 1 dygn samtidigt som andelen i vattenfasen minskade från 66 till 22 %. Ändringen av fördelningen vid en SRT över 1 dygn var obetydlig.
Bestämning av igensättning av membranen visade att membranmotståndet blev högre vid kortare SRT, då bioflockuleringen var sämre. Det fanns dock inget samband mellan membranmotstånd och koncentration av ESP i vattenfasen. Däremot konstaterades att koncentrationen av mycket små partiklar (25 – 450 nm) i reaktorn ökade kraftigt vid kortare SRT (9*107 partiklar/ml vid en SRT av 0,125 dygn jämfört med 0,02*107 partiklar/ml vid en SRT av 1 dygn) och detta visade sig vara en bättre indikator på igensättning an membranen.
Slutsatser
Studien visade att
- en ökad bioflockulering mätt som suspenderad COD-fraktion i koncentratet erhölls vid en ökad SRT. En ökning av SRT ökade samtidigt mineraliseringen av det organiska materialet.
- den optimala SRT var mellan 0,5 och 1 dygn då mer än 90 % av COD-innehållet i avloppsvattnet förelåg i suspenderad form samtidigt som förlusten genom mineralisering begränsades till mellan 4 och 10 %.
- EPS-koncentrationen och framför allt EPS-protein hade en stark inverkan på bioflockuleringen. Proteinkoncentrationen ökade upp till en SRT av 1 dygn för att därefter minska då SRT ökades ytterligare.
- kortare SRT resulterade i snabbare igenomsättning av membranen på grund av dålig bioflockulering och effekten kunde kopplas till halten av mycket små partiklar (< 1mm) i vattenfasen i reaktorn.
Källa: L. Faust, H. Temmink, A. Zwijnenburg, A.J.B. Kemperman, H.H.M. Rijnaarts. High loaded MBR.s for organic matter recovery from sewage: effekct of solids rentention time on bioflocculation and on the role of extracellular polymers. Water Research 56 (2014) pp 258 – 266.
Hela artikeln från Water Research finns att köpa här.
