En kombinerad process med en suspenderad bakteriekultur och en fastbäddskultur undersöktes parallellt med en ren fastbäddsprocess för behandling av rejektvatten med hög ammoniumhalt både i laboratorieskala och i fullskala. En högre kväveavskiljning uppnåddes i den kombinerade processen och en karakterisering av processen och den rumsliga fördelningen av bakteriegrupperna kunde förklara effekten.
Av: Bengt Andersson
AnitaTMMox är en enstegs biofilmsreaktor med rörligt bärarmaterial (MBBR) utvecklad för autotrof kväveavskiljning (anammox). En anammoxprocess är kostnads- och energieffektiv genom att behovet av luftning minskar kraftigt jämfört med en konventionell process med nitrifikation och denitrifikation. Anammoxprocessen har en hög avskiljningsgrad av ammonium beroende på en synergistisk samverkan i biofilmen mellan Anammoxbakterier (AnAOB) i den inre delen av biofilmen och ammoniumoxiderande bakterier (AOB) i den yttre delen av filmen.
Den mikrobiella synergin påverkas i hög grad transportbegränsningar och tillgänglighet av substrat i den inre delen av biofilmen. För att utveckla processen måste sätt att öka substrattransporten utvecklas. Ett sätt är att kombinera en suspenderad bakteriekultur med en fastbäddskultur i samma system (IFAS), där undersökningar har visat att fördelningen av den mikrobiologiska populationen mellan de suspenderade flockarna och biofilmen kan ge en högre avskiljning av organiskt material och kväve.
Syftet med refererad undersökning var att demonstrera de möjliga fördelarna med IFAS över en ren MBBR-process, att bestämma fördelningen av AnAOB och AOB mellan de suspenderade flockarna och biofilmen och att visa resultat från en IFAS AnitaTMMox i fullskala.
Genomförande av undersökningen
Försöken genomfördes dels i laboratorieskala dels i fullskala. Försöken i två parallella laboratoriereaktorer, den ena som ren MBBR (R1) och den andra som IFAS (R2) med en sedimentering för recirkulation av slam, pågick i drygt ett år. AnoxKaldnes bärarmaterial K5 med en skyddad yta av 800 m2/m3 användes i båda reaktorerna med en fyllnadsgrad av 43 %. Bärarmaterialet hämtades från en anammoxanläggning vid Sjölundaverket i Malmö. Ett rejektvatten från en mesofil anaerob rötkammare vid ett avloppsreningsverk i Paris tillfördes de båda linjerna.
SRT för det suspenderade slammet i reaktor R2 konstanthölls till 5 dygn genom kontrollerat överskottsslamuttag. Halten MLSS varierades under försöken. Sensorer för temperatur, pH, DO, NH4-N och NO3-N fanns i båda linjerna. Syrehalten varierade mellan 0,4 och 1 mg/l i R1 och mellan 0,1 och 0,25 mg/l i R2. Utgående ammoniumhalt kontrollerades så att samma halt säkerställdes i båda reaktorerna för att erhålla samma begränsning av substratdiffusionen in i biofilmen. Lika utgående halt åstadkoms genom att beskickningspumparna stoppades då ammoniumhalten var för hög och startades igen då ammoniumhalten sjunkit under börvärdet. Börvärdet varierades mellan 10 och 150 mg NH4-N/l under försöken.
Kvantifiering av AnAOB, AOB, NOB (nitritoxiderare) och totala bakterier gjordes med hjälp av qPCR (quantitative polymerase chain reaction).
Försöken i fullskala genomfördes i en MBBR-anläggning vid Sjölundaverket i Malmö för behandling av rejektvatten från slamavvattningen. En av fyra reaktorer konverterades till IFAS genom att en sedimenteringsbassäng installerades i reaktorn.
Resultat
Laboratorieförsöken startade med båda linjerna som MBBR och kväveavskiljningen stabiliserades kring 2 gN/m2*d i båda linjerna efter några veckor. Därefter konverterades R2 till IFAS medan R1 fortsatt drevs som en ren MBBR. Kväveavskiljningen i R1 låg stabilt omkring 2 gN/m2*d vid en utgående ammoniumhalt av 150 mg N/l medan avskiljningen i R2 ökade till 8 gN/m2*d efter 3 á 4 veckor då MLSS var mellan 3 och 4 g/l. Varierande MLSS visade att vid lägre MLSS minskade avskiljningen och att en återhämtning skedde snabbt då MLSS ökades till den normala nivån.
En minskning av utgående ammoniumhalt till 70 mg N/l hade ingen inverkan på avskiljningen i någon av linjerna. Vid en utgående ammoniumhalt av 30 mg N/l minskade avskiljningen i R2 till omkring 4 gN/m2*d med MLSS knappt 3 g/l, där en ökning av MLSS medförde en ökad avskiljning upp till 7 gN/m2*d. Försöken avslutades med en period med en utgående ammoniumhalt av 10 mg N/l. I R1 minskade avskiljningen till omkring 1 gN/m2*d troligtvis beroende på begränsningar i substratdiffusionen in i biofilmen. I R2 var avskiljningen proportionell mot MLSS i reaktorn och en minskning till 4- 6 gN/m2*d kunde noteras medan effekten av diffusionsbegränsningar till biofilmen var mindre synlig.
Effekten av NO2-halten var påtaglig i båda reaktorerna. I R1 ökade avskiljningen med ökad halt upp till 4 mg N/l. Därefter uppnåddes ingen högre avskiljning. I R2 fanns en klar korrelation upp till 25 mg NO2-N/l och en högre avskiljning kunde förklaras med en bättre diffusion till de djupare lagren av AnAOB i biofilmen. Resultaten visade tydligt att en enstegs deammonifikationsprocess ofta begränsas av AOB och massflödet av nitrit till AnAOB och att IFAS förbättrade aktiviteten.
En kvantifiering av de olika bakteriegrupperna i biofilm och vätskefas gav vid handen att i en ren MBBR fanns 99 % av bakterierna i biofilmen, där AOB förekom i den yttre delen av filmen för att utnyttja syret medan AnAOB fanns i de inre delarna av filmen väl skyddade från syre. I IFAS minskade andelen AOB i biofilmen och en större del av nitritationen ägde rum i den suspenderade fasen (93 % av totala AOB) medan AnAOB till största delen fanns i biofilmen (96 % av totala AnAOB).
NOB förekom i båda linjerna men aktiviteten påverkade inte deammonifikationsprocessen, vilket framgick av att förhållandet mellan producerat nitrat och avskilt ammonium alltid var klart lägre än det stökiometriska förhållandet 11 %. Strategin med lågt DO var framgångsrik för att spola ut NOB ur systemet.
Resultaten från fullskalestudierna visade att konverteringen av en linje till IFAS gav en hög avskiljning av ammonium (95 %) och totalkväve (85 %) med en ammoniumavskiljning av cirka 2,2 gN/m2*d. Nitritationen ökade genom ett lågt DO mellan 0,2 och 0,5 mg/l, vilket medförde att tillväxten av NOB i det suspenderade slammet begränsades med ett förhållande mellan producerat nitrat och avskiljt ammonium av 8,5 %. Nitrithalten i IFAS uppgick till mellan 4 och 8 mg NO2-N/l, vilket var högre än i MBBR. Till följd av förbättringar av både nitritationen och anammoxaktiviteten i IFAS kunde ammoniumavskiljningen fördubblas jämfört med avskiljningen i ren MBBR.
Slutsatser
Studien visade
- att med en IFAS-konfiguration uppnåddes en avskiljning av kväve av 8 gN/m2*d, vilket var mellan 3 och 4 gånger högre än för en ren MBBR-konfiguration,
- att den rumsliga fördelningen av bakteriegrupperna med större delen av anammoxbakterierna i biofilmen och av ammoniumoxiderarna i det suspenderade slammet i IFAS gav en ökad effektivitet,
- att en effektiv kontroll av MLSS i reaktorn hade stor betydelse för att stimulera nitritproduktionen av AOB och öka substrattillgängligheten till AnAOB i biofilmen,
- att kväveavskiljningen återhämtades snabbt vid störningar av olika slag, vilket visade en robusthet av IFAS och
- att inledande fullskaleförsök vid Sjölundaverket bekräftade försöken i laboratorieskala.
Källa: F. Veuillet, S. Lacroix, A. Bausseron, E. Gonidec, J. Ochoa, M. Christensson, R. Lemaire. Integrated fixed-film activated sludge AnitaTMMox process – a new perspective for advanced nitrogen removal. Water Science & Technology 69.5 (2014) pp 915 – 922.
Hela artikeln från Water Science & Technology finns att köpa här.
