Teknik med aerobt granulerat slam kan ge fosforrika granuler lämpliga för gödning av produktiv mark. Genom fraktionering och avancerad analys konstaterades att 80 % av det totala fosforinnehållet i granulerna hade en stor potentiell mobilitet och biotillgänglighet.
Av: Bengt Andersson
Utnyttjande av fosforn i avloppsfraktioner är angeläget mot bakgrund av framtida brist och tillgänglighet på jungfrulig fosfor. Fosforn i avloppsslam kan med detta perspektiv betraktas som en intressant fosforkälla.
Teknik med aerobt granulerat slam uppvisar stora fördelar vid fosfor- och kväveavskiljning vid kommunala avloppsreningsverk. Erfarenheter med tekniken har visat att samtidig nitrifikation och denitrifikation kan ge fosforrika granuler lämpliga för gödning.
Slammets innehåll av fosfor skiljer sig vad gäller mobilitet och biotillgänglighet och en bättre information om vilka fosforfraktioner som finns i ett slam är angelägen. Analys av aeroba slamgranuler har visat att största delen av den oorganiska fosforfraktionen finns i form av hydroxiapatit och struvit eller kalcium-magnesiumsulfat och whitlockit. Kunskaperna om de organiska fosforfraktionerna i slamgranulerna är dock bristfällig beroende på avsaknad av analysmetoder.
Syftet med refererad studie var att genomföra en fraktionering och bestämma fördelningen av fosfor i olika former i aeroba granuler av slam med särskilt fokus på den organiska fraktionen.
Genomförande av studien
Aeroba granuler odlades i två identiska SBR-reaktorer i laboratorieskala under 120 dygn. Reaktorerna ympades med slam från en sedimenteringstank vid ett kommunalt avloppsreningsverk i Japan. Då de aeroba granulerna började framträda togs slam ut från reaktorerna för att stabilt upprätthålla en slamålder av 40 dygn. Reaktorerna drevs vid rumstemperatur 25 oC i fyratimmarscykler (2 minuter beskickning, 28 minuter utan luftning, 186 – 204 minuter luftning, 2 – 20 minuter sedimentering och 4 minuter dekantering). Den ursprungliga tiden för sedimentering minskades från 20 till 2 minuter beroende på slammets förbättrade sedimenteringsegenskaper. Tillfört avloppsvatten var syntetiskt med 600 mg COD/l, 10 mg PO4-P/l och 100 resp. 200 mg NH4-N/l samt kalcium, magnesium, järn och spårämnen.
Analyser gjordes med avseende på MLSS och MLVSS, SVI, COD, kväve- och fosforfraktioner, löst syre och pH samt metaller.
Analys av fosforn i granulerna gjordes efter ett extraktionsprotokoll (SMT – Standards, Measurements and Testing Program) där 5 olika fraktioner bestämdes – total-P (TP), organiskt P (OP), oorganiskt P (IP), icke-apatit oorganiskt P knuten till oxider och hydroxider av Al, Fe och Mn (NAIP) samt apatit P knuten till Ca (AP).
Nyutvecklade metoder med 31P NMR (fosfor-31 nuclear magnetic resonance spectroscopy) användes för att framför allt bestämma organiska med även oorganiska fosforföreningar samt XRD (X-Ray Diffraction), som är ett effektivt verktyg för att skilja kristallina mineraler från amorfa strukturer.
Resultat
Granulerna i reaktorerna framträdde efter 13 dygns drift och växte kontinuerligt under försöket. Efter 90 dygn hade storleken stabiliserats till mellan 0,76 och 0,78 mm. MLSS bestämdes till 12 – 13 g/l och SVI30 till 22 ml/g efter 60 dygns drift. Granulerna hade en kompakt och tät struktur och de flesta bakterierna fanns i det yttre lagret.
För att värdera avskiljningen av COD, NH4-H och PO4-P gjordes batchexperiment vid dag 55, då inkommande NH4-H-halt var 100 mg/l, och vid dag 115, då inkommande ammoniumhalt var 200 mg N/l. Granulerna hade en mycket god nitrifikationskapacitet (omkring 9 mg NH4-N/g VSS*h) och vare sig halten NH4-N eller NO2-N i utgående vatten var detekterbar. Däremot var fosforavskiljningen låg och endast cirka 10 % fosfor avskildes genom mikrobiell assimilation. Närvaron av polyfosfatackumulerande organismer (PAO) fanns under den första delen av försöket då inkommande ammoniumhalt var 100 mg N/l med släpp av fosfor under den oluftade och ett upptag under den luftade tiden. Inget fosforsläpp eller fosforupptag skedde under den andra delen av försöket då inkommande ammoniumhalt var högre. Uppenbart hade PAO inhiberats av en för hög halt fritt ammonium.
Fosforfraktionering enligt SMT dels av ursprungligt slam dels av granulerna vid olika tidpunkter av försöket visade att fosforhalten i alla fraktioner var högre i ursprungsslammet än i granulerna. Fraktionen OP i granulerna var stabil omkring 7,5 mg P/g MLSS under hela försöket. Även om halten var högre i ursprungsslammet än i granulerna var andelen av TP densamma (mellan 40 och 43 %). Andelen IP utgjorde den största fraktionen både i slammet och i granulerna och den uppgick till 57,5 % av TP i slammet och till mellan 61,4 och 67,7 % i granulerna. NAIP uppgick till omkring 65 % av IP. Fraktionen AP var stabil och uppgick till cirka 20 % av TP.
Under de första 30 dygnen av försöket kunde ingen ackumulering av fosfor i granulerna noteras trots att biomassan fördubblades. Därefter skedde en kraftig ökning av lagrad fosfor med 80 % för TP, med 53 % för OP och med 70 % för IP. Då inkommande ammoniumhalt ökade till 200 mg N/l fortsatte ökningen, dock i väsentligt mindre omfattning. Ökningen av IP, NAIP och AP hade en stark korrelation med ackumuleringen av metaller där r2 var 0,995 för Fe och NAIP och 0,971 för Ca och AP. Halterna av Al och Mn var låga. NAIP och OP kan betraktas som mobila och biotillgängliga och den samlade andelen uppgick till cirka 80 % av TP.
Genom XRD kunde konstateras höga toppar för hydroxiapatit Ca5(PO4)3(OH) och järnsulfat Fe7(PO4)6. Vare sig struvit eller whitlockit kunde detekteras i granulerna.
Analysen med 31P NMR visade toppar för både oorganiska och organiska fraktioner. Bland IP var orto-P den dominerande typen i granulerna med 74,3 % av TP huvudsakligen bundet till Fe och Ca. Förekomsten av pyro-P uppgick till 1,9 % av TP, vilket var en relativt låg andel. Närvaron signalerar en relativt hög mikrobiell aktivitet. Endast en mycket liten andel (0,1 % av TP) poly-P extraherades av skäl som angetts ovan. Bland OP utgjorde monoester-P den huvudsakliga fraktionen med 21,8 % av TP. Även om diester-P endast svarade för 1,8 % av TP är den viktig på grund av den nära relationen med DNA-P. Närvaron av fosfonat var låg (cirka 0,1 % av TP). Monoester-P och diester-P har en stor betydelse för mobiliteten och biotillgängligheten av fosforn i aerobt granulerat slam.
Slutsatser
Följande slutsatser kunde dras av studien.
- Den största fosforfraktionen i granulerna utgjordes av IP (mellan 57 och 67 % av TP), varav mellan 60 och 70 % utgjordes av NAIP.
- En stark korrelation fanns mellan IP och metalljoner (särskilt Fe och Ca).
- Halten OP i granulerna var mycket stabil under försöket.
- Omkring 80 % av TP i granulerna hade en hög potential för mobilitet och biotillgänglighet.
- Med XRD konstaterades att hydroxiapatit och järnfosfat var de huvudsakliga formerna av fosfor i IP.
- Inom OP var monoester-P och inom IP var orto-P de dominanta fosforformerna.
- Fosforavskiljningen var begränsad i försöket genom en hämning av PAO på grund av en för hög halt av fritt ammonium.
Källa: W. Huang, W. Cai, H. Huang, Z. Lei, Z. Zhang, J.H. Tay, D.J. Lee. Identification of inorganic and organic species of phosphorus and its bio-availability in nitrifying aerobic granular sludge. Water Research 68 (2015) pp 423 – 431.
